數字人才培育背景下水力學智慧課堂教學研究

摘 要：為落實國家新工科高等教育改革要求，順應加快數字人才培育支撐數字經濟發展行動的國家戰略需求，改善水利工程專業基礎課程理論內容抽象和教學形式相對單一的現狀，該研究提出利用美國工程技術教育認證標準（ABET標準）指引線上線下混合式的智慧課堂教學模式，以水力學為例，對教改方案的設計、執行與效果進行介紹。基于學生參與率、互動率、完成率的客觀評分發現，該教學模式可顯著提高學生對于專業內容的學習效果，連續兩年課程期末成績平均分相對提高14%、20%，優秀率較往年增長63%、92%。該模式可為更多相關工程專業課程的智慧課堂教學提供借鑒。

關鍵詞：新工科；數字經濟；美國工程技術委員會認證標準；智慧課堂；水力學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）23-0013-06

Abstract： In order to implement the requirements of the national New Engineering higher education reform， comply with the national strategic needs for accelerating the cultivation of digital talents to support the development of the digital economy， and improve the current situation where the theoretical content of basic courses in hydraulic engineering is abstract and the teaching methods are relatively simple， this study proposes the use of the American Board for Engineering and Technology（ABET） standards to guide an online-offline hybrid smart classroom teaching model. Using Hydraulics as an example， the design， implementation， and effects of the teaching reform plan are introduced. Based on objective scores of student participation rate， interaction rate， and completion rate， it was found that this teaching model significantly improved students' learning outcomes for professional content. The average final course scores over two consecutive years consistently increased by 14% and 20% respectively， and the excellence rate increased by 63% and 92% compared to previous years. This model can provide a reference for smart classroom teaching in more related engineering courses.

Keywords： New Engineering; digital economy; ABET standards; smart classroom; Hydraulics

隨著全球化和科技革命的深入，人類社會正迎來數智化時代的新篇章。這一時代背景下，工程技術人才的培養面臨著前所未有的挑戰與機遇。中國自2016年加入《華盛頓協議》以來，工程教育的國際化進程加速，同時數字技術的迅猛發展也要求高校工程教育必須緊跟時代步伐，不斷創新。特別是在《加快數字人才培育支撐數字經濟發展行動方案（2024—2026年）》的指引下，數字人才的培養成為國家發展的重要戰略。智慧課堂的興起，為高校工程教育提供了新思路和新途徑。本文以此為背景，剖析新工科教育教學改革的時代要求和面臨的挑戰，借鑒美國工程技術教育認證標準（ABET標準）的相關要求和準則，通過線上線下混合式教學呈現的智慧課堂，以水力學本科教學為例，探索在數智化時代下的教學改革路徑，旨在為我國新工科人才培養提供借鑒和參考。

一 我國高校工科教育教學現狀

（一） 時代變革和國家政策需求推動新工科高等教育改革

習近平總書記2021年4月在清華大學考察時強調指出要“推進新工科、新醫科、新農科、新文科建設”。這一重要講話指明，推進“四新”建設，需要在構建一流大學體系的前提下，充分利用好學科交叉融合的“催化劑”，對現有學科專業體系調整升級，瞄準科技前沿和關鍵領域，實現加快培養緊缺人才。習近平總書記的講話體現了新時代對新工科人才培養提出了更高的要求：“四新”不僅要從數字上增加高校畢業生的數量，更要實現人才培養模式的轉變，從質量上培養真正占領國際科技產業前沿的高端人才。作為“四新”之首的新工科人才培養方案[1]，首當其沖成為引領中國高等教育改革創新的重要示范基地。新工科的建設，與學科專業優化、創新能力提高、產學研用融合和時代新人培養有著緊密的聯系；高校培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策[2]。

（二） 高校智慧課堂建構符合國家發展戰略需求

隨著全球化進程的加速與科技革命的深入，人類社會正在步入數智化時代，產業結構的快速調整和經濟模式的轉型升級，對工程技術人才提出了更高、更復雜的要求。2016年，中國正式簽約加入《華盛頓協議》，成為我國工程教育走向國際化的重要里程碑，也標志著高校工程教育必須在全球視野下進行自我革新，以培養能夠適應國際發展需求的工程技術精英。與此同時，數字技術已成為引領社會全面變革的核心力量。2024年4月，人力資源社會保障部、中共中央組織部、中央網信辦、國家發展改革委、教育部、科技部、工業和信息化部、財政部、國家數據局九部門發布了《加快數字人才培育支撐數字經濟發展行動方案（2024—2026年）》。該行動方案要求緊貼數字產業化和產業數字化發展需求，各部門在三年內開展專項行動，增加數字人才有效供給，形成數字人才集聚效應。這項多部門聯合行動的舉措，與黨的二十大報告中提出的“推進教育數字化，建設全民終身學習的學習型社會、學習型大國”的戰略部署相契合。教育數字化轉型在全球范圍內已形成共識，聯合國教育變革峰會將其納入五大行動領域之一。近年來，為順應國家政策和時代需求，智慧教育發展快速，其中智慧課堂成為實施智慧教育的核心力量和重要落腳點，通過創新教學模式轉變傳統教育，實現教育教學從培養“知識人”向培養具有高階思維能力和創新能力的“智慧人”轉變[3]。

（三） 高校智慧課堂建設的客觀條件已具備

得益于云計算、虛擬技術、人工智能等技術的迅猛發展，以及三年新型冠狀病毒感染疫情的考驗，全國高校均通過長時間的摸索，對高校日常教學實現了課堂面授到線上教學的轉化。在后疫情時代，前期的基礎建設投入大部分得到了有效的保留，為高校智慧課堂實現線上線下相結合的混合式教學提供了良好的基礎[4]。本文中采用的雨課堂由清華大學與學堂在線于2016年共同研發并推出，將幻燈片、慕課、微信有機融合，實現了互聯網—教學資源—移動終端的實時連接[5-8]，實現以教師向學生為中心的轉變[9-11]，極大提升了教學效率和自主學習效果[12-17]，可作為一款支持線上線下混合式教學的智慧課堂平臺[18]。

（四） 傳統的水力學教學方式亟待改革

作為“兩新一重”建設中的“一重”，國家加強水利工程建設的宏觀調控是對工程科技人才培養提出的新的要求。水力學是水利工程相關專業的重要專業基礎課。筆者在前期的教學實踐和走訪調查中發現，傳統教學方式存在諸多亟待改革的問題：首先，教學目標不明確。學生難以將相對抽象的理論內容與實際工程應用相聯系，對水力學的實踐應用及相關知識積累缺乏興趣。這些問題沒有在教學過程中得到良好的解決，導致學生學習積極性不高。其次，課堂互動性較差。由于大量枯燥的公式推導和例題計算難以調動學生的積極性，形成了“教師單調講授，學生被動接受”的課堂氛圍，沒有建立以學生為中心的教學模式。再次，學生實踐能力缺乏。由于理論教學與實踐能力培養未能有效結合，學生解決實際工程問題和運用創新思維的能力未能夠得到充分的鍛煉。最后，單一的期末評價機制難以全面衡量教學成果和學習成效。傳統以考試成績為基準的考核方式，未能全面精準地檢測學生的學習成果，不利于培養真正全方面發展、具有工程實踐能力的工科人才。

二 智慧課堂混合式教學建構理論背景

（一） 智慧課堂建構提升教學質量

高校著力打造智慧課堂，不僅為智慧學習活動的有效實施提供了基礎，更是智慧教育建設的核心內容。通過運用大數據、云計算、人工智能等現代信息技術，可以在高校課堂中創造一個智能化、高效率的課堂教學環境。教師在智慧教育理念的指導下，推動傳統的“知識課堂”向以學生為中心的教學模式轉變，進而形成一個旨在培養學習者高級思維和創新能力的“智慧課堂”[19]。

在高校實施智慧課堂的優勢主要體現在以下幾個方面：①教學資源豐富。高校智慧課堂可通過整合線上豐富的教學資源，將不同形式傳遞的專業知識引入課堂，擴充教學內容，激發學生學習的興趣。②教學策略多元。智慧課堂利用大數據、云計算、虛擬技術等現代信息技術手段構建出一個智能的教學環境，通過大數據演算智能方法調整教學資源、優化教學策略。③師生互動高效。通過智慧課堂教學平臺提供的各種互動手段，如在線答題、分組討論等，教師可以實時了解學生學習動態，第一時間給予學生積極的反饋。④教學成效評估全面。通過多維度的教學評估系統，可以從日常互動、思維方法、實踐能力等多方面評估學生學習成效，有助于教師及時進行教學調整[20]。

（二） 借鑒美國工程技術教育認證標準構建課程體系

美國工程技術認證委員會（ABET）是美國權威的工程教育專業認證鑒定機構，其發布的美國工程技術教育認證標準受到了美國乃至世界各國高等教育界和工程界的認可。截至2024年5月，全球40余個國家的920所高校工程相關本科專業獲得了美國工程技術認證委員會認證。在美國工程技術教育認證標準的指導下，各國高校建立并完善其工程相關專業課程系統，實施課程改革，源源不斷輸出優質工科人才。

分析和借鑒美國工程技術教育認證標準可為提升我國工科教育的質量提供新思路和新途徑，為國內工程專業的課程改革提供思想指南和行動指導。其核心理念是，課程體系圍繞學生畢業需達成的學習成效為中心開展建設，以達到預先設定的目標能力為導向，重視課程體系與產業實踐的結合，鼓勵持續改進課程體系，實現其對達成培養目標的支撐作用。

美國工程技術教育認證標準下的本科工程專業學生畢業能力（2023—2024）中規定了以下七項要求：①具備運用工程、科學、數學原理識別、構建、解決復雜工程問題的能力；②能夠運用工程設計為特定需求提出解決方案的能力，同時能兼顧公共衛生、安全、社會福利，以及全球、文化、社會、環境和經濟等影響因素；③具有與大眾進行有效溝通的能力；④能夠在工程環境中認識到職業倫理和責任，始終考慮到工程解決方案在全球、經濟、環境和社會環境中的影響，從而作出明智的判斷；⑤能夠在團隊中有效工作，與團隊成員共同發揮領導作用，創建協作和包容的環境，確立目標，策劃任務，并實現目標；⑥能夠開發和開展適當的實驗，分析和解讀數據，并利用工程判斷得出結論；⑦能夠通過適當的學習策略，根據需求獲取和應用新知識。

美國工程技術認證委員會通過以上七項要求明確定義了工程專業本科畢業生應具備的能力。高等教育機構可以實現該七項目標能力為導向，設置和構建與之對應的課程體系，培養出滿足該系列標準的工程專業高質量畢業生。

通過對上文引用的學生畢業要求分析得知，其核心教育理念包括：①培養學生自主探究、尋找工具解決問題的能力；②培養學生多維度思考解決復雜工程問題的能力；③培養學生溝通交流、團隊協助、組織領導等能力和素養；④塑造學生良好的職業道德。

三 智慧課堂教學改革方案設計思路

高校智慧課堂的構建需要將數字技術和大學課堂“育人”的目標進行深度的融合。本文旨在新工科建設背景下，以吉林大學新能源與環境學院水力學課程作為教學改革的范例，將智慧課堂教學模式引入新時代新工科教育課堂，在美國工程技術教育認證學生畢業標準這一教育理念的指導下，運用數字技術對傳統的大學課堂進行系統性的變革。在課堂教學設計中，既要兼顧美國工程技術教育認證標準提出的才人培養準則，又要科學地運用相關教學平臺提供的技術，從而構建一套能實現教學決策的數據化和精準化、評價過程的多元化和智能化、交流互動的立體化和資源推送的個性化智能化，為學生提供更加高效的學習體驗，為社會產出更加優質的人才。

在改革后的智慧課堂教學過程中，以美國工程技術認證委員會認證的具體工程專業學生畢業能力要求作為課程建設綱領，指導教學模式的改進和教學內容的安排，將教學過程中各環節的設計對標相關標準，筆者力求做到以下幾個方面：①以學生為中心，注重基礎知識鞏固的同時，融入實踐實訓，實現理論知識和產業實踐深度結合；②打破傳統教學、考核、評價模式，通過多元方式（如互動教學、個人作業、案例分析、團隊項目和閉卷考核等）鍛煉學生的綜合能力；③運用智慧課堂（雨課堂）平臺記錄學生學習過程和教育數據（互動頻次、回答問題準確率、考試合格率等），根據實際情況對學習成效及時分析，隨時調整教學進程。通過一系列設計，以期在課程結束時實現學生學習能力、創新能力、競爭力的提升，達到新工科人才培養中各個環節的教學成效要求。水力學智慧課堂教學方式的具體實施過程如圖1所示。

四 智慧課堂教學改革創新措施

（一） 轉變教學理念，明確教學目標

水力學是水利工程專業重要的專業基礎課程，其基本理論廣泛應用于水利水電工程、石油化工、基礎設施建設和交通運輸等領域。為順應國家對新工科水利人才培養提出的新要求，相關課程的教學理念急需更新，結合美國工程技術教育認證的學生畢業能力的標準，將“以教學為中心、以老師為中心”的傳統教育思路，轉變為“以學生為中心、教學相長、教學共生”的新理念。

在傳統課堂引入大數據、云計算等形式，通過線上線下混合的智慧課堂教學模式，實現多種在線教學互動，拉近師生在課堂上的距離，讓學生從被動接受轉變為主動學習，夯實理論知識基礎，培養獨立思考和解決實際工程問題的能力，促進理論與實踐的轉化，最終成為符合國家建設需求的高端人才。

（二） 改進教學設計，教學模式多元化

傳統的水力學等相關理論課程的教學模式多為課前學生預習課程內容，課中教師講授預制課件，課后學生完成相關習題，輔以程式化的實驗作業，最終通過期末的閉卷考試，套用計分公式對學生學習成果進行評估。課程設計千篇一律，學生學習熱情低靡，學習成效不盡如人意。

通過引入美國工程技術教育認證的人才培養理念，結合線上教學模式，從學生視角重新構建教學內容和實施辦法，利用線上多元化的教學模式，引導學生自主吸收理解課程內容，培養學生自學能力、多維度思考能力、解決復雜問題能力、溝通交流能力及領導能力。

任務驅動式教學：利用智慧課堂教學平臺，課前發布前沿熱點話題供學生選擇，鼓勵學生在課前利用互聯網等工具，自主搜尋整理課題相關內容，在課堂簡要匯報結果，鍛煉學生獨立思考、自學研究方法、探尋結果，以及在公共場合闡述個人觀點的能力。

案例分析式教學：通過課堂現場在線發布案例，適度引入英文文獻閱讀材料，組織學生分組研討分析、共同建立模型，最后進行集中匯報，除教師點評外，還安排學生提問評分環節。在分析解決案例問題的過程中，鍛煉學生團隊協作能力，解決復雜問題能力、領導能力、語言表達和有效交流的能力。

趣味互動教學：借助智慧課堂教學平臺的在線搶答、匿名投票、匿名提問、發送彈幕和表情包，以及隨機分組討論等功能，在增強教學過程的趣味性和娛樂性的同時，將學生的平時成績細化在每一次的教學互動中，既能提高學生參與度，又能鞏固學生對枯燥理論知識的理解和掌握程度。將“填鴨式”“誦經式”的以教師為主的教學方式轉變為以學生為主的自主參與式授課模式。

（三） 綜合全面評估，革新考核評價系統

相較于傳統的線下教學對學生課堂表現給出單一分數，借鑒了相關教育理念的智慧課堂教學模式可實現從多個維度評價學生的學習成果。通過智慧課堂保留的數據，可以實現課堂表現、隨堂測驗、案例分析、結課成果展示，以及期末線上考試等多元的測評方式進行融合，綜合考察學生發現工程問題、解決問題、借助輔助工具，以及表達交流、協作溝通等方面的能力。

在混合式教學課堂里，學生的綜合能力測試細化為出勤、互動、答題和討論等多個項目，極大豐富了教師對學生課堂學習進度的評價手段，線上授課平臺自動收集課堂教學數據，如學生互動情況、隨堂測驗成績等，建立數據庫，學生可實時查看分數以了解自身學習效果，各項評分又可用于期末準確分析教學成果，實現多維度教學質量的監測。同時，線上授課形式還提供了在線教學督導、觀摩的機會，學校院系的管理層面隨時進入課堂，掌握教學進度和督導教學質量和成效。

五 教學改革成效

自2022年起，筆者將以上諸多教學改革措施試行于所在高校水文與水資源工程專業水力學教學過程中。通過連續兩年的教學實踐，該課程教學效果提升顯著。

（一） 學生參與率顯著提升

相較于傳統課堂的單向授課模式，在混合式智慧課堂教學過程中，學生參與率顯著提高。

在2022學年，該課程上課學生共42人，線上線下混合式課堂開課11次，學生到課率為96.97%（受當地新冠感染疫情影響）。根據在線課堂后臺統計數據，教師共計發布教學活動33次，習題44個。即每次135分鐘的線上課堂教學過程中，平均每45分鐘（1課時）就發布一次教學活動。每堂課教師發布的4個習題中，學生應答提交習題數為3.58個，學生作答率為89.86%。

在2023學年，參與課程學生數43人，開課12次，學生到課率100%，課堂發表教學活動48次，學生做答率95%。

（二） 師生互動率直線攀升

在2022年、2023年2個學年的課程教學過程中，教師通過設置多個互動環節，包括隨堂投票測驗、分組討論、快速搶答等。根據在線課堂后臺統計數據，師生互動人次高達1 218人次，即每堂課師生互動達110人次，人均互動頻率為2.6次。在每堂課的教學過程中，教師與班級每位同學的互動達到2次有余，突破了以“聽”為主的傳統課堂教學模式，盡可能地調動了學生學習的積極性。

（三） 課程完成率效果顯著

相較傳統單一以期末考試成績作為標準的考核方法，本課程考核方案共包含4個模塊：平時成績（占比10%），實驗成績（占比10%），在線課堂活動成績（占比10%），期末考試成績（占比70%）。

經與教學改革前該校水力學2021年教學情況進行對比，改革后的智慧課堂教學（2022年、2023年）平時成績分布圖（圖2）更為客觀合理，能夠更為科學地反映學生學習課程的實際情況，有助于教師因材施教，合理設計教學內容，安排教學進度。由于線上教學的課堂作業轉變為在線批改留存，且在線學習平臺具備教學過程回放功能，學生對上課未深入理解的內容，可以在課后通過反復觀看課件內容，加深對課程內容的理解。

相較于傳統平時成績評價方式，新增的課堂活動成績主要考核學生在課堂活動現場對新教授課程內容的理解程度，有助于教師實時了解教學成效，調整授課方式或內容側重點等。本課程統計數據表明各項在線課堂活動中學生得分率達90.91%，說明學生隨堂能理解九成以上授課內容。

相較于2021年期末考試成績，教改方案實施后，2022年、2023年期末考試成績80分以上較2021年增長48%、49%，優秀率（85分以上）增長63%、92%，體現出學生對于課程內容理解程度的顯著提升（圖3）。值得注意的是，2022年由于新冠感染疫情影響，期末考試采用了雨課堂線上考試和騰訊會議雙機位實時監控的形式，學生在首次面對線上監考的陌生考場環境和考試內容難度不減，且包括大量計算的情況下，依然表現出了對于教學內容的良好掌握，學生的期末成績平均分整體相對提高14%。

六 結束語

本文根據新時代新工科建設發展背景下的人才培養要求，同時為響應國家關于加快數字人才培育支撐數字經濟發展的戰略需求，參考美國工程技術教育認證的工程專業學生畢業能力標準，并將其作為教學改革的綱領和指導思想，引進智慧課堂等教學平臺的多樣、先進的教學手段，對水利工程專業的水力學課程進行了重新建構，通過教學實踐證明教學效果良好。通過以學生為中心開展教學任務、更新教學模式、創新教學手段和優化考核評價體系等教學改革，彌補了傳統水力學線下課堂教學模式內容抽象、形式單一的不足之處，有助于學生夯實知識基礎、提高綜合素質、增強解決復雜實際問題的能力，切實提升高校培養創新型、復合型、應用型新工科人才成效。

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基金項目：吉林省教育廳科學技術研究項目“基于高精度動態下滲過程的寒區城市雨雪洪澇產流機理與調控研究”（JJKH20231179KJ）；吉林大學研究生教育教學改革研究項目“智慧水利建設與核心技術國產化時期的水利教學體系更新與資源共享研究”（2022JGY009）；吉林大學虛擬仿真創新示范實驗教學課程項目“水面曲線虛擬仿真實驗”（無編號）

第一作者簡介：馮右驂（1986-），男，漢族，北京人，博士，副教授，系副主任，碩士研究生導師。研究方向為水文水動力模擬。

*通信作者：黃肖慶（1985-），女，漢族，湖南常德人，碩士，助教。研究方向為高等教學改革與管理。