AI背景下新工科課程維基系統(tǒng)的建設(shè)教學(xué)探索

［摘 要］ 得益于大模型的進(jìn)步，人工智能（AI）方興未艾，并逐步從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域向其他領(lǐng)域滲透。AI技術(shù)為新工科教學(xué)提供了強(qiáng)大的輔助工具，能夠有效促進(jìn)人才培養(yǎng)效果和效率。與傳統(tǒng)領(lǐng)域相比，新工科領(lǐng)域的理論研發(fā)、技術(shù)迭代和場(chǎng)景應(yīng)用之間的時(shí)間耦合關(guān)系較短，因此，傳統(tǒng)教學(xué)手段無(wú)法快速適應(yīng)技術(shù)發(fā)展速度。基于人工智能的維基百科系統(tǒng)為這種問(wèn)題提供了解決方案。結(jié)合人工智能技術(shù)、探索利用維基建設(shè)解決方案，闡述建設(shè)意義，對(duì)新工科課堂進(jìn)行改革，可落實(shí)新工科和卓越人才培養(yǎng)理念，形成滿足我國(guó)實(shí)際需求和學(xué)生適應(yīng)能力的教學(xué)方法體系。

［關(guān)鍵詞］ 維基；百科；人工智能；STEM

［基金項(xiàng)目］ 2018年度浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院教改項(xiàng)目

［作者簡(jiǎn)介］ 祁宏生（1984—），男，江蘇鹽城人，博士，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授，主要從事交通信息工程與控制研究。

［中圖分類號(hào)］ G434 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 1674-9324（2024）46-0001-04 ［收稿日期］ 2023-11-16

引言

新工科專業(yè)是支撐生產(chǎn)力發(fā)展及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。《普通高等教育學(xué)科專業(yè)設(shè)置調(diào)整優(yōu)化改革方案》明確提出，以新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科建設(shè)為引領(lǐng)［1］。進(jìn)入21世紀(jì)，人類社會(huì)迎來(lái)了數(shù)字時(shí)代，工科更是成為引領(lǐng)科技發(fā)展的核心力量。我國(guó)《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的順利實(shí)施也依賴于工科諸學(xué)科的良性發(fā)展。工科的融合發(fā)展，派生出極具前沿性的人工智能學(xué)科。當(dāng)前，人工智能學(xué)科已經(jīng)成為各國(guó)搶占的技術(shù)高地。得益于信息技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，和傳統(tǒng)的學(xué)科相比，人工智能學(xué)科的理論研發(fā)、技術(shù)迭代及場(chǎng)景應(yīng)用之間的時(shí)間遲滯越來(lái)越短［2］。尤其是2016年Alphago的成功應(yīng)用、2022年ChatGPT的橫空出世，展示了人工智能領(lǐng)域的潛力，并促進(jìn)了人工智能向其他領(lǐng)域的擴(kuò)散，例如人工智能+醫(yī)療、人工智能+交通等。這一趨勢(shì)給新工科課堂提出了挑戰(zhàn)［3］：傳統(tǒng)上，學(xué)科內(nèi)容相對(duì)保持靜態(tài)，例如數(shù)學(xué)學(xué)科的講授內(nèi)容，公理、定理等長(zhǎng)期保持不變；然而大部分新工科領(lǐng)域的研究日新月異，應(yīng)用場(chǎng)景層出不窮。因此，如何保持學(xué)科基礎(chǔ)的深度和研究領(lǐng)域前沿的廣度，是相關(guān)課程要把握的難點(diǎn)［4］。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，有必要豐富第二課堂的內(nèi)涵和外延。維基百科系統(tǒng)為針對(duì)這一挑戰(zhàn)提供了有力的解決工具：一方面，百科系統(tǒng)可將研究領(lǐng)域前沿的內(nèi)容包括理論、技術(shù)、數(shù)據(jù)集等包含在內(nèi)；另一方面，可限制百科內(nèi)容的范圍，從而達(dá)到深度和廣度的平衡。此外，由于維基系統(tǒng)可以隨時(shí)訪問(wèn)、編輯，因此，即使課程結(jié)束，學(xué)生有了解領(lǐng)域前沿的需求，也可以隨時(shí)訪問(wèn)維基系統(tǒng)，和教師進(jìn)行持續(xù)性的交流、討論。本文對(duì)新工科課堂的維基系統(tǒng)的建設(shè)需求進(jìn)行論述。

一、新工科課堂維基百科建設(shè)需求分析及意義

（一）新工科課堂維基系統(tǒng)建設(shè)需求分析

新工科課程和其他課程的顯著區(qū)別在于，課堂講授內(nèi)容受到領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)進(jìn)步的影響很大。部分課程材料容易由于技術(shù)的進(jìn)步而過(guò)時(shí)。同時(shí)，課程依托的概念體系、理論基礎(chǔ)、模型方法也有不變的部分。因此，合理區(qū)分二者是對(duì)課程材料進(jìn)行組織的關(guān)鍵所在。需要厘清不變的概念體系、理論基礎(chǔ)和變化劇烈的前沿技術(shù)方法之間的邏輯關(guān)系，這種邏輯關(guān)系方便了知識(shí)點(diǎn)之間的通過(guò)內(nèi)鏈相互引用、指示。對(duì)于課程來(lái)說(shuō)，沒(méi)有必要也沒(méi)有能力構(gòu)建含有內(nèi)容的系統(tǒng)。擴(kuò)展第二課堂的維基百科系統(tǒng)需要滿足如下需求。

1.部分開(kāi)放式的編輯。由教師和學(xué)生進(jìn)行自由編輯，學(xué)生的內(nèi)容由教師核定，如果學(xué)生的編輯頁(yè)滿足科學(xué)性要求，則可以納入課堂維基系統(tǒng)。因此，教師和學(xué)生的角色在維基系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)用中是不同的。

2.在內(nèi)容的形式方面，由于計(jì)算機(jī)學(xué)科的特點(diǎn)，領(lǐng)域前沿研究?jī)?nèi)容大部分是在學(xué)術(shù)會(huì)議中進(jìn)行演講、發(fā)表，對(duì)其進(jìn)行分類、歸納，一方面可訓(xùn)練學(xué)生的閱讀能力、理解能力和應(yīng)用能力，另一方面可用來(lái)考查課堂教學(xué)效果，事實(shí)上也可作為開(kāi)放式課堂作業(yè)。

3.由于AI的特點(diǎn)，模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集與清洗、模型訓(xùn)練和應(yīng)用是一個(gè)有機(jī)的整體。不同于其他領(lǐng)域，數(shù)據(jù)的類型多種多樣，包括常規(guī)的表格式數(shù)據(jù)，以及圖像、視頻等。

4.普通的開(kāi)放式維基百科系統(tǒng)的用戶進(jìn)行編輯時(shí)，需要學(xué)習(xí)一系列的系統(tǒng)操作知識(shí)，不同的開(kāi)放式維基系統(tǒng)的語(yǔ)法、設(shè)置不一而足。對(duì)于課堂維基系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種額外的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)應(yīng)盡量減少，同時(shí)，學(xué)生在課堂維基構(gòu)建過(guò)程中學(xué)習(xí)的技能需應(yīng)用到其他任務(wù)中。

基于上述考慮，新工科課程的維基系統(tǒng)的框架構(gòu)建分為四方面的內(nèi)容：（1）課堂知識(shí)點(diǎn)的構(gòu)建。由于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，因此，課堂知識(shí)點(diǎn)不應(yīng)僅包括教師授課的知識(shí)點(diǎn)，還應(yīng)包括學(xué)生課后閱讀的知識(shí)點(diǎn)，閱讀材料包括領(lǐng)域內(nèi)頂會(huì)的文章等。（2）AI算法不能僅通過(guò)推導(dǎo)來(lái)講授，更需要通過(guò)實(shí)例代碼的構(gòu)建、運(yùn)行等讓學(xué)生體會(huì)算法的思想和邏輯，從而維基系統(tǒng)也包含了代碼和運(yùn)行結(jié)果。（3）學(xué)科前沿內(nèi)容的知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建涵蓋了領(lǐng)域的熱點(diǎn)，這些研究熱點(diǎn)散布于學(xué)科頂級(jí)期刊、頂會(huì)、領(lǐng)域內(nèi)的新聞等。這部分主要由教師確定材料采集方向，由學(xué)生搜集、整理材料形成。（4）AI領(lǐng)域的特點(diǎn)是包含眾多算法。對(duì)這些算法進(jìn)行測(cè)試需要公開(kāi)的數(shù)據(jù)集合和測(cè)試基準(zhǔn)，從而維基系統(tǒng)還應(yīng)該包括公共數(shù)據(jù)集合、測(cè)試題或者其來(lái)源鏈接。

（二）面向新工科課堂的維基百科系統(tǒng)建設(shè)的意義

面向課堂的維基百科系統(tǒng)建設(shè)的意義可從多方面角度闡述。

從宏觀層面上看，新工科建設(shè)是為應(yīng)對(duì)新一輪技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)變革而采取的戰(zhàn)略行動(dòng)，其特點(diǎn)是新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式的出現(xiàn)，這些呼喚著新工科的發(fā)展。國(guó)家實(shí)施了一系列重大戰(zhàn)略，需要新工科的支持；產(chǎn)業(yè)也在不斷地轉(zhuǎn)型升級(jí)、新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換，也需要新工科的支持；同時(shí)，提升國(guó)家的硬實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力也需要新工科的支持。在總結(jié)技術(shù)范式、科學(xué)范式和工程范式經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們探索構(gòu)建適應(yīng)新時(shí)代的工科范式，以適應(yīng)變革和塑造未來(lái)為指導(dǎo)，通過(guò)繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)同與共享等方式，深入開(kāi)展新工科的研究和實(shí)踐，推動(dòng)思想、機(jī)制和模式的創(chuàng)新。實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)的轉(zhuǎn)變［5］。

從中觀層面上看，可以更新工程人才知識(shí)體系。在教學(xué)過(guò)程中引入產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展及行業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的最新要求，更新教學(xué)內(nèi)容和課程體系，構(gòu)建適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需求的課程和教材資源，打通與產(chǎn)業(yè)的“最后一公里”。推動(dòng)教師將研究成果及時(shí)轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生介紹學(xué)科研究的最新進(jìn)展和實(shí)踐發(fā)展的新經(jīng)驗(yàn)。積極探索綜合性課程、問(wèn)題導(dǎo)向課程及交叉學(xué)科研討課程，提高課程的吸引力和學(xué)業(yè)的挑戰(zhàn)性。促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，注重培養(yǎng)新工科人才的核心素養(yǎng)，強(qiáng)化工科學(xué)生的家國(guó)情懷、全球視野、法治意識(shí)和生態(tài)意識(shí)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨學(xué)科交叉融合能力、自主終身學(xué)習(xí)能力、溝通協(xié)商能力及工程領(lǐng)導(dǎo)力。

從微觀層面上看，能夠落實(shí)以學(xué)生為中心的理念，探索新工科自主發(fā)展和自我激勵(lì)機(jī)制；促進(jìn)學(xué)生的跨專業(yè)和跨校學(xué)習(xí)，增強(qiáng)師生之間的互動(dòng)，建立以學(xué)習(xí)者為中心的工程教育模式；推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)的深度融合，建設(shè)和推廣在線開(kāi)放課程，并充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實(shí)踐教學(xué)方式，面向未來(lái)并領(lǐng)跑世界，提高新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

二、維基系統(tǒng)框架的選擇及實(shí)踐

完成了維基系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，需要對(duì)設(shè)計(jì)的邏輯框架進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在選擇邏輯框架時(shí)，需要考慮下述因素。

（一）系統(tǒng)應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔、設(shè)置簡(jiǎn)單

眾所周知，搭建網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化維基系統(tǒng)涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、系統(tǒng)構(gòu)建、內(nèi)容設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，完整的流程對(duì)于教師而言是繁重的任務(wù)，因而，如能簡(jiǎn)化維基系統(tǒng)的構(gòu)建流程，無(wú)疑會(huì)極大地提升課堂教學(xué)效果。

（二）維基內(nèi)容的輸入和編輯語(yǔ)法應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔、快速

由于維基系統(tǒng)一般通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)訪問(wèn)，因此，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)文本協(xié)議如HTTP等是維基系統(tǒng)的終端輸出。直接編輯頁(yè)面需要一系列的前端知識(shí)，如果能規(guī)避此類要求，無(wú)疑會(huì)極大提升教師和學(xué)生的工作和學(xué)習(xí)效率。

（三）體量盡量輕量化、方便部署

傳統(tǒng)上，維基系統(tǒng)本質(zhì)上類似于一個(gè)網(wǎng)站，其運(yùn)行效能受限于部署平臺(tái)、訪問(wèn)量等。如果能依托云平臺(tái)進(jìn)行一鍵式部署，后期維護(hù)也會(huì)變得非常方便。

面向新工科課堂的維基系統(tǒng)建設(shè)，可以進(jìn)行有選擇的維基系統(tǒng)建設(shè)。以課程“交通智能優(yōu)化算法”為例，講解維基系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)踐。筆者考慮各種維基系統(tǒng)的特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)、部署難度、可擴(kuò)展性等方面，進(jìn)行維基建設(shè)。筆者選擇維基的基準(zhǔn)有如下標(biāo)準(zhǔn)：（1）必須是開(kāi)源方案，允許教師進(jìn)行按需定制。（2）能兼容目前的主流開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，符合教師的技能積累。（3）維護(hù)難度較低，不僅符合教師快節(jié)奏的教學(xué)、科研安排，也能夠滿足眾多不同學(xué)科背景、不同學(xué)術(shù)能力、不同理解能力、不同知識(shí)積累的學(xué)生的需求，學(xué)生能夠快速上手、滾動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效化機(jī)制。（4）面對(duì)高校教學(xué)軟硬件現(xiàn)實(shí)，功能豐富而且易于安裝，充分滿足新工科知識(shí)站點(diǎn)的需要；運(yùn)行環(huán)境要求較低，架設(shè)過(guò)程簡(jiǎn)捷，即使不熟悉的教師或者學(xué)生也可以迅速建立自己的站點(diǎn)；很容易找到范例站點(diǎn)；教師和學(xué)生可以進(jìn)行持續(xù)開(kāi)發(fā)，保證未來(lái)的支持。

三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

（一）為工科課程建立新的符合行業(yè)目標(biāo)的授課模式

根據(jù)世界高等教育與歷次產(chǎn)業(yè)革命互動(dòng)的規(guī)律，面向未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)和新要求，探索并建立新的工科范式。在總結(jié)技術(shù)范式、科學(xué)范式和工程范式的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，將以應(yīng)對(duì)變化和塑造未來(lái)為指導(dǎo)，通過(guò)繼承與創(chuàng)新、交叉與融合及協(xié)同與共享等主要途徑，深入開(kāi)展新工科的研究與實(shí)踐。目標(biāo)是推動(dòng)思想創(chuàng)新、機(jī)制創(chuàng)新和模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界交叉融合，從適應(yīng)服務(wù)轉(zhuǎn)向支撐引領(lǐng)。

深入挖掘各類專業(yè)課程和教學(xué)方式中蘊(yùn)含的技術(shù)、方法資源，破解課程“表面化”“硬融入”等問(wèn)題。結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)分類推進(jìn)課程建設(shè)，將黨的二十大精神有機(jī)融入相關(guān)專業(yè)課程。用好數(shù)字化資源，開(kāi)展相關(guān)課程任課教師培訓(xùn)，提升教師課程思政教學(xué)能力。強(qiáng)化交叉融合再出新，引領(lǐng)帶動(dòng)高等教育提質(zhì)創(chuàng)新發(fā)展，深化教學(xué)模式創(chuàng)新，用好示范項(xiàng)目和數(shù)字化資源。

（二）授課效果提升

新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)是以學(xué)生發(fā)展為中心，培養(yǎng)未來(lái)工程科技人才的跨學(xué)科、多學(xué)科的知識(shí)體系和創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其解決復(fù)雜工程問(wèn)題、團(tuán)隊(duì)合作、工程管理及領(lǐng)導(dǎo)的能力。除此之外，課堂維基百科注重增強(qiáng)學(xué)生的工程倫理意識(shí)、全球視野、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和終身學(xué)習(xí)能力，以培養(yǎng)卓越工程師、企業(yè)家、工程科學(xué)家和領(lǐng)軍者。同時(shí)，促進(jìn)人才培養(yǎng)的全周期、全鏈條、全要素的持續(xù)發(fā)展與創(chuàng)新質(zhì)量體系，構(gòu)建新工科人才培養(yǎng)的優(yōu)質(zhì)生態(tài)環(huán)境。

（三）學(xué)生的綜合能力得到了擴(kuò)展

新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)是交叉融合再出新，推動(dòng)現(xiàn)有工科交叉復(fù)合、工科與其他學(xué)科交叉融合、應(yīng)用理科向工科延伸。課程維基百科的建設(shè)，有效地對(duì)正式授課內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充、擴(kuò)展、升華，有助于激發(fā)學(xué)生更大的潛力及更加全面地提升學(xué)生的綜合素質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展；把握新工科人才的核心素養(yǎng)，強(qiáng)化工科學(xué)生的家國(guó)情懷、全球視野、法治意識(shí)和生態(tài)意識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學(xué)科交叉融合、自主終身學(xué)習(xí)、溝通協(xié)商能力和工程領(lǐng)導(dǎo)力。

（四）以需求為牽引開(kāi)展多樣化探索

認(rèn)真研究國(guó)家戰(zhàn)略和區(qū)域發(fā)展需要，積極開(kāi)展新工科研究與實(shí)踐，讓學(xué)生樹(shù)立要對(duì)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用的概念，把新工科建設(shè)作為課程改革的“催化劑”，系統(tǒng)推進(jìn)課堂組織模式、學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)機(jī)制、學(xué)生評(píng)價(jià)激勵(lì)等方面的綜合改革，推動(dòng)和引領(lǐng)高等教育深層次變革，推進(jìn)“理工”“工工”結(jié)合、“工醫(yī)”“工農(nóng)”“工文”交叉，面向課程內(nèi)容、面向未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，加快形成一批可推廣可復(fù)制的教學(xué)改革成果，在新興工科的課程體系、新形態(tài)教材和教學(xué)內(nèi)容等方面實(shí)現(xiàn)突破。

結(jié)語(yǔ)

人工智能時(shí)代的課堂和傳統(tǒng)課堂存在著很大的差異。信息技術(shù)的發(fā)展一方面給課程的教學(xué)提供了豐富且強(qiáng)有力的工具，另一方面前沿學(xué)術(shù)的快速發(fā)展使得課堂的內(nèi)容存在一定的滯后性。第二課堂作為對(duì)第一課堂的補(bǔ)充，存在著多種形式。本文提出利用結(jié)合人工智能和維基百科概念作為第二課堂的一種形式，這種形式允許教師和學(xué)生協(xié)同完善維基內(nèi)容，也可以最快速度融入學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)展，從而特別適合新工科課程。本文通過(guò)對(duì)課堂教學(xué)需求分析，闡述了新工科課程維基系統(tǒng)建設(shè)的意義，剖析了不同維基系統(tǒng)的適用場(chǎng)景，并提出課程維基系統(tǒng)的建設(shè)平臺(tái)，同時(shí)在“交通智能優(yōu)化算法”課程中進(jìn)行了實(shí)踐。主動(dòng)對(duì)標(biāo)新工科培養(yǎng)理念和卓越人才培育思想，不斷推進(jìn)新工科課程教學(xué)改革創(chuàng)新，將是長(zhǎng)期需要研究、改進(jìn)和實(shí)踐的課題。

參考文獻(xiàn)

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Exploring the Construction of A STEM Wiki System in the Context of AI

QI Hong-sheng

（College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University， Hangzhou，

Zhejiang 310058， China）

Abstract： Thanks to the advancement of large-scale models， artificial intelligence （AI） is flourishing and gradually infiltrating into fields beyond computer science. AI technology provides strong auxiliary tools for teaching new engineering courses and can effectively improve the efficiency and effectiveness of talent development. Compared with traditional fields， the time coupling between theoretical research， technological iteration， and scenario application in new engineering fields is relatively short. Therefore， traditional teaching methods cannot quickly adapt to the speed of technological development. Based on artificial intelligence， the Wiki system provides a solution to this problem. This paper combines AI technology and explores the use of Wiki solutions to reform new engineering classrooms， which can implement the concepts of new engineering and outstanding talent development and create a teaching methodology system that meets the practical needs of China and the adaptability of students.

Key words： Wiki; encyclopedia; artificial intelligence; STEM