大規模因材施教理念下輔修課程教學模式探索

［摘 要］ 以高校“機器學習”課程教學為例，從滿足輔修專業學生個性化學習需求角度出發，探討了大規模因材施教理念下的輔修專業課程教學模式。提出通過“機器學習”課程與大規模因材施教理念融合機制、面向多學科學生個性化教學需求的大規模因材施教教學模式、匹配知識內容和學生知識背景的課程教學案例研究與設計、主修專業應用需求驅動的課程實驗教學方法研究與內容設計等方面進行教學模式創新與案例設計。通過上述方式能夠全方位培養輔修專業學生在課程學習過程中的多元化知識理解能力及工程實踐思辨能力，可以進一步優化、拓展、豐富研究型高校輔修專業的人才培養模式。

［關鍵詞］ 因材施教；輔修專業；教學模式探索；機器學習

［基金項目］ 2022年度黑龍江省教育廳黑龍江高等教育教學改革項目“大規模因材施教理念下輔修專業‘機器學習’課程教學模式創新與實踐”（SJGY20220017）；2022年度哈爾濱工業大學研究生課程思政教改項目“‘嵌入式智能計算’課程思政教改”（XYSZ2023005）

［作者簡介］ 劉 冰（1982—），男，黑龍江哈爾濱人，工學博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院副教授，博士生導師，主要從事嵌入式人工智能技術、機器學習與圖像處理技術研究；鳳 雷（1978—），男，黑龍江蘭西人，工學博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院副教授，主要從事自動測試技術、機器學習與圖像處理技術研究；鄭文斌（1984—），男，黑龍江哈爾濱人，工學博士，哈爾濱工業大學電子與信息工程學院工程師（通信作者），主要從事測控系統、嵌入式應用研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）27-0121-04 ［收稿日期］ 2023-06-21

引言

由中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》提出了推進教育現代化的八大基本理念［1］。其中，“更加注重因材施教”作為八大理念之一，體現了我們國家在加速實施中國教育現代化過程中對因材施教理念的高度認可。而大規模因材施教正是圍繞上述教育理念在校園共性教育基礎上的一種探索與嘗試，開展該理念下的教學模式創新與實踐研究具有重要意義。

在目前的高等教育中，主流觀點是高層次教育，即研究生培養需要注重個性化（因材施教），而本科教育由于招生規模大，受限于教育資源，更合適共性培養。但是，對于本科輔修專業學生的培養來說，由于學生的主修專業背景差異大、大一期間數理課程體系不同、對輔修專業學習需求個性化等原因，共性培養模式需要進一步完善及優化。例如，筆者在哈爾濱工業大學講授的電子信息類智能信息工程輔修專業的“機器學習”課程中，授課對象來自航天、能源、電氣、交通、生命、化學、物理等七個學院十三個專業的學生。通過調研發現，學生的前期基礎和學習需求差異較大。因此，為了有效提升輔修專業學生培養質量，有必要在共性教育基礎上引入大規模因材施教理念，通過在課程教學模式上的創新與實踐，探索輔修專業學生的新型教學模式，這對于高等教育輔修專業學生的培養模式完善及優化具有重要示范意義及推廣前景。

在上述背景下，本文圍繞“如何將大規模因材施教這種新型教學模式融入高校人才培養體系”這一熱點問題開展探索性研究，力圖在大規模因材施教理念下，通過對課堂教學設計和組織實施方式的模式創新與實踐（以輔修專業的“機器學習”課程為例），進一步優化、拓展、豐富研究型高校輔修專業的人才培養模式。

一、國內外研究現狀分析

為了彌補共性教育的不足，美國先嘗試了以班級授課為主、個人教學為輔的方式，將大班上課、小班研究和個別教學三種教學形式相結合，但此方式增加了教學組織管理的難度。與此同時，英、法等國家考慮了分組教學的方式，將學生分為外部組和內部組，并制定相應的教學目標，但由于學生的能力水平難以科學鑒別，這種簡單的分組方式難以真正契合學生的個體差異。在上述研究基礎上，以個別教學為主、班級授課為輔的大規模因材施教方式得到發展，即學生根據自己對知識的掌握程度，自行設定學習節奏，由往屆成績優異的學生擔任助教進行指導，必要時輔以課堂教學授課。隨后，歐美國家又開始基于機器學習技術進行程序教學，雖然這種方法給學生提供了多樣化的學習模塊，但機械化的學習方式禁錮了學生的思維，同時擴大了智能的作用而忽略了教師在教學中的作用。為了進一步優化“標準教學”和“個性教學”之間的平衡點，在當前的智能互聯與大數據時代，國外先進國家開展了基于信息技術的教學模式改革，“互聯網+人工智能+教學”的大規模因材施教授課模式得到迅速發展。基于該模式，可以針對學生的特色需求定制個別化的教學方案，利用信息化互聯環境進行因材施教，學生受益面廣，較好地體現了大規模因材施教的理念［2］。

國內在因材施教方面的教學模式研究具有悠久的歷史，相關資料記載，該思想理念的雛形最早由孔子提出。因此，在因材施教方面無論是教育管理部門還是教育機構都做出了很多改革與實踐探索，包括“強基計劃”“書院制”“分類培養”等都是因材施教的政策和措施體現，清華大學、北京大學、上海交通大學、哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等高校也制訂了具體的實施方案，進而極大促進了人才的個性化成長與發展需求［3］。但是，對于大規模因材施教，特別是面向本科輔修專業學生的大規模因材施教模式還沒有引起足夠的重視，進而在該領域的研究工作相比于國外也略顯欠缺。

因此，從上述分析可以看到，相比于國外在大規模因材施教教學模式方面的持續嘗試與探索，我國高校雖然在“拔尖人才”培養方面考慮了該方式，但是由于教育資源受限等原因，在輔修專業人才培養模式方面還沒有開展足夠的研究，仍然存在培養模式同質化的現象，束縛了學生的個性化成長。因此，有必要對該方面開展針對性研究。

在上述背景下，針對輔修專業學生的大規模因材施教需求，筆者開展了課程教學模式探索，旨在面向“大規模因材施教等新型教學模式”和“教師課堂教學設計與組織實施能力提升路徑”的研究需求，面向智能信息工程輔修專業學生開展“機器學習”課程的教學創新模式與實踐探索。預期研究目標為在滿足輔修專業培養方案及課程教學大綱的前提下，通過教學模式創新與實踐探索，將大規模因材施教理念融入現有課程教學以及實驗內容中，進而優化、拓展、豐富研究型高校輔修專業的人才培養模式，滿足輔修專業學生培養的個性化需求，提升輔修專業學生培養質量。擬解決的關鍵問題包括兩個方面：（1）現有課程培養體系約束下的大規模因材施教理念融入方式。本課題的課程改革立足點不是新建一門課程，而是結合現有課程內容融入大規模因材施教理念，因此，以何種方式融入是本項目的關鍵問題。（2）主修—輔修協同育人模式下的課程實驗方法研究與設計。在課程中融入主修專業應用背景相關實驗是滿足學生個性化需求、體現教改效果的關鍵實踐環節，因此，如何設計課程實驗是關鍵問題。

以需求分析（包括大規模因材施教新型教學模式和教師課堂教學設計與組織實施能力提升、高校本科輔修專業“機器學習”課程內容分析、智能信息工程輔修專業學生個性化知識需求三個方面）為基礎，有針對性地開展了“機器學習”課程與大規模因材施教理念融合機制、面向多學科學生個性化教學需求的大規模因材施教教學模式、匹配知識內容和學生知識背景的課程教學案例研究與設計、主修專業應用需求驅動的課程實驗教學方法研究與內容設計等方面的教學模式創新研究與案例設計。在開展項目各項研究的同時，在主修—輔修協同育人模式下，以“機器學習”課程中的有監督分類器設計為例，開展了課程實驗教學方法改革研究與實驗案例設計。最后，通過學生反饋、專家評價、教師自評、主修/輔修專業畢設環節課程知識應用效果調研等方式對課程改革內容進行驗證及改進，不斷完善大規模因材施教理念下輔修專業教學模式的可行性及有效性。

課程教學模式探索過程中的相關要素包括授課學生、信息技術手段和專家評價方式三個方面。在授課學生方面，以哈爾濱工業大學電子與信息工程學院智能信息工程輔修專業的“機器學習”課程學生為依托，該學生群體以大三學生為主，特點是多學院、多專業、多學科應用背景，上課時間為秋季學期。使用的信息技術手段包括互聯網、人工智能技術、數據分析技術。專家評價方面通過邀請教學名師、專業資深教授聽課等方式開展。在教學模式探索過程中，筆者首先進行了需求分析與調研，在此基礎上，通過進行教學模式創新研究，進而完善教學內容及相應教學案例。在上述過程中，采用了主修—輔修協同育人的方式進行有針對性的課程案例設計，在實施過程中充分利用互聯網、人工智能、數據分析等現代信息技術手段開展教學模式改革與探索。同時，筆者還采用教學改革方法研究與實踐相結合的研究方法，有效應對了教學過程中的重點、難點及關鍵問題。通過以學生在解決主修專業應用背景問題的效果和學生個性化課程知識需求滿意度為教學改革方法驗證依據，通過多元因素評價課程改革效果，并持續優化、完善了課題研究內容和相應教學模式。

在教學模式探索實施細節方面，筆者進行了以下幾個方面的探索嘗試：（1）進行了“機器學習”課程與大規模因材施教理念間的融合教育機制研究，在分析現有“機器學習”課程教學大綱基礎上，結合課程授課內容和大規模因材施教的內涵，研究了大規模因材施教理念融入現有課程教學環節的方法。（2）研究了面向多學科學生個性化教學需求的大規模因材施教教學模式，在調研多學科背景學生的課程學習需求的基礎上，研究了開展大規模因材施教理念引導的教育方法與教學模式。（3）完成了匹配課程內容和學生知識背景的課程教學案例研究與設計，結合具體的課程教學內容與學生知識背景，依托互聯網、人工智能、數據分析等現代信息技術手段，研究并設計了適合推廣應用、受眾面廣的教學案例。（4）完成了主修專業應用需求驅動的課程實驗教學方法研究與內容設計，以學生的主修專業應用需求為驅動，提煉與課程內容相關的實踐環節，并設計相關實驗內容，探索了主修—輔修協同育人模式下的實驗教學方法與內容。

二、課程效果與反思

在課題研究中，面向“大規模因材施教新型教學模式和教師課堂教學設計與組織實施能力提升”的研究需求，開展了輔修專業“機器學習”課程的教學模式創新與實踐探索。在項目的研究途徑方面，首先進行了需求分析與調研，在此基礎上，進行了教學模式創新研究，進而完善教學內容及相應教學案例。

項目采用了教學改革方法研究與實踐相結合的研究方法，有效地突破了項目研究中的重點、難點及關鍵問題。項目以學生在解決主修專業應用背景問題的效果和學生個性化課程知識需求滿意度為教學改革方法驗證依據，通過多元因素評價課程改革效果，持續優化，完善了課題研究內容和相應教學模式。

在面向大規模因材施教等新型教學模式和教師課堂教學設計與組織實施能力提升路徑的探索中，筆者以面向智能信息工程輔修專業學生開展“機器學習”課程的教學創新模式與實踐探索為例，在滿足輔修專業培養方案及課程教學大綱的前提下，通過教學模式創新與實踐探索，將大規模因材施教理念融入現有課程教學以及實驗內容中，進而優化、拓展、豐富研究型高校輔修專業的人才培養模式，滿足輔修專業學生培養的個性化需求，提升了輔修專業學生培養質量。本研究主要解決了兩個關鍵問題：（1）完成了現有課程培養體系約束下的大規模因材施教理念融入，這也符合筆者進行教學模式探索的立足點不是新建一門課程，而是結合現有課程內容融入大規模因材施教的理念。（2）筆者開展了主修—輔修協同育人模式下的課程實驗方法研究與設計，在課程中融入主修專業應用背景相關實驗來滿足學生個性化需求，體現了教改的關鍵實踐環節效果。創新之處在于：（1）在電子信息類輔修專業“機器學習”課程教學領域，在滿足現有人才培養體系及教學目標的前提下，提出了課程內容與大規模因材施教理念融合機制來滿足輔修專業學生個性化知識需求的培養理念。（2）利用項目成員的多學科背景優勢、科研優勢、校企合作優勢，利用教育部自動測試與儀器技術工程中心的基地優勢，形成了“機器學習”課程教學過程中“理論研究聯系實驗驗證、主修專業應用背景任務驅動”的理論研究與實踐教學的統一平臺，全方位培養輔修專業學生在課程學習過程中的多元化知識理解能力及工程實踐思辨能力。

結語

因材施教是我國自古以來就被認同的基本教育理念，本文面向本科高等教育輔修專業學生的個性化培養需求，以“機器學習”課程為例，進行了大規模因材施教理念下的課程教學模式探索，并給出了具體的實施思路。筆者在實施過程中充分考慮了主修專業背景差異大、大一期間數理課程體系不同、對輔修專業學習需求個性化等因素，提出課程內容與大規模因材施教理念融合機制來滿足輔修專業學生個性化知識需求的培養理念，形成“機器學習”課程教學過程中“理論研究聯系實驗驗證、主修專業應用背景任務驅動”的理論研究與實踐教學的統一平臺，全方位培養了輔修專業學生在課程學習過程中的多元化知識理解能力及工程實踐思辨能力。

參考文獻

［1］中共中央、國務院印發《中國教育現代化2035》［EB/OL］.（2019-02-23）［2023-05-20］.https：//www.gov.cn/zhengce/2019-02/23/content_5367987.htm.

［2］羅祖兵.因材施教的雙重結構及其價值選擇［J］.教育學報，2023，19（1）：40-51.

［3］閻琨，吳菡.強基計劃人才的培養實踐研究：以清華大學強基書院為案例［J］.國家教育行政學院學報，2022，298（10）：62-69+79.

Exploration of Teaching Modes for Minor Specialized Courses under the Concept

of Mass Customization

LIU Bing， FENG Lei， ZHENG Wen-bin

（School of Electronics and Information Engineering， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： Taking the teaching of machine learning courses in higher education institutions as an example， this study explores the teaching modes for minor specialized courses under the concept of mass customization， with a focus on meeting the personalized learning needs of students pursuing a minor specialization. The study proposes innovative approaches and case designs for teaching modes， including the integration of machine learning courses with the concept of mass customization， a teaching mode based on the personalized learning needs of multidisciplinary students， case studies and designs that match the knowledge content with students’ background knowledge， and research on and content design of course experiments driven by the application demands of the major specialization. Through the aforementioned approaches， the teaching modes and case designs can comprehensively cultivate the diversified knowledge comprehension abilities and engineering practice and reasoning abilities of students pursuing a minor specialization， thereby further optimizing， expanding， and enriching the talent teaching modes for research-oriented minor specializations in higher education institutions.

Key words： mass customization; minor specialization; exploration of teaching modes; Machine Learning