基于智慧教育的專業基礎課程教學體系重構

胡會娥　王皓　遲鈞瀚　劉信　陳澤

［摘 要］智慧教育是數字教育發展的高級階段，是教育現代化的必由之路。專業基礎課程作為基礎課程和專業課程學習之間的橋梁，既包含一些不同專業的通識理論，又包含具有本校特色的專業基礎知識。傳統的教學模式很難完成教學的高階目標?；谥腔劢逃砟畹膶I基礎課程教學體系重構模型主要從教學效果出發，按教學目標將教學內容進行分解，重構教學體系，并采用線上線下混合式教學來實現內容、技術、教學的融合，使學生由被動學習變為主動學習。課題組據此模型對工程材料課程實施教學實踐，效果良好，尤其是學生的知識遷移能力提高明顯。此模型可以推廣到其他專業基礎課程的教學活動中。文章指出，要想持續推進專業基礎課的智慧教育，師生的教學觀念、教育技術環境、教學資源建設三個方面亟須提高。

［關鍵詞］智慧教育；專業基礎課；重構；教學改革；工程材料

［中圖分類號］ TB30-4; G642.4 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）06-0011-04

教育部在2018年4月發布的《教育信息化2.0行動計劃》中提出，要以人工智能、大數據、物聯網等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，開展智慧教育創新示范，推動教育模式變革和教學體系重構。在教育信息化背景下，智慧教育蓬勃發展。智慧教育是主要利用智能化技術構建與學科融合的智能化環境，讓師生施展靈巧的教與學方法，從而培養智慧型人才的一種教育理念，主要目的是實現信息技術與教育主要活動的深度融合，促進學生、教師、管理者等的智慧養成和可持續發展，具有情境感知、全向交互、按需推送、可視化感知等特征[1-2]。

作為數字教育發展的高級階段，智慧教育是教育現代化的必由之路。國外對智慧教育的系統性研究已近20年，主要以應用為導向，集中在教育資源整合、教學環境營造和軟件提升三個方面。其中，歐美一些國家對智慧教育的研究起步較早，如IBM公司從技術角度著手，為實現智慧教育設計了一系列解決方案，取得較好效果[3]。亞洲的韓國和新加坡近年來也較重視對智慧教育的投入，如新加坡將智慧教育上升到了事關國家競爭的高度，啟動了“iN2015”計劃，依托智慧教育體系，使全民都能夠進行高質量的個性化終生學習，從而達到提升國家競爭力的目的[4]。我國關于智慧教育的研究開始于2011年，比國外晚了近10年，智慧教育的系統性研究則以2012年的論文《智慧教育：教育信息化發展的新境界》為標志[5]，主要探討智慧教育的內涵和特征、研究智慧教育的相關戰略和框架、設計智慧教育的模型等[6-8]。相對而言，我國的智慧教育研究針對課程建設和應用方面的成果較少，且都屬于小范圍的經驗，不能普遍推廣。

根據上述國內外研究現狀，本文擬以智慧教育理念為抓手，以工程材料課程為例，結合該課程教學實施現狀和信息化革新發展階段進行梳理，分析高校專業基礎課程信息化革新的難點，重構基于智慧教育理念的專業基礎課程教學體系新模型，以期為專業基礎課程的信息化革新提供理論指導和經驗借鑒。

一、專業基礎課程的教學現狀分析

（一）教學目標方面

專業基礎課程作為基礎課程和專業課程學習之間的橋梁，既包含不同專業的通識理論，又包含具有本校特色的專業基礎知識，通常開設于第四或第五學期。如工程材料是我校大部分工科專業的一門必修專業基礎課程，起到連接機械制圖、金工實習等基礎課程和船舶設計原理、材料加工原理等專業課程的作用。學生通過該課程的學習，掌握各種船體、機器零件、武器裝備等常用材料的化學成分、顯微組織、使用性能、熱處理工藝以及失效等方面的基本理論和基本知識，為后續課程的學習提供必要的知識基礎，為將來從事船舶與海洋工程結構、武器裝備相關的設計、制造、使用和維修提供有關正確選材、合理用材的必要理論指導和實際幫助。

工程材料課程主要內容包括材料學基本理論、材料變形過程中的組織和性能變化、熱處理基本原理及工藝、常用工程材料介紹及選用、材料的失效分析五大部分，需要理解金屬、陶瓷、高分子和復合材料四大類常用材料的成分及工藝、微觀結構與性能之間的關系。在具體教學內容設置上，包括記憶內容，理解內容，應用內容，分析、評價和創新內容，其中需記憶的內容主要是一些概念和專業術語，如相和組織的概念、鐵碳相圖等；需理解和應用的內容主要是記憶內容的進一步延伸，如鐵碳合金的冷卻結晶過程；分析、評價和創新內容則是在理解和應用的基礎上進行教學的內容，如選材、材料失效分析等。由于該課程基本概念、專業術語多，內容龐雜，且有些內容涉及材料的微觀結構，十分抽象，學生普遍反映該課程難記憶、難理解，導致學習困難、抓不住重點。有些學生在剛開始接觸這門課時，感覺比較輕松，但隨著學習深度和難度的增加，學習越來越吃力，后期只能靠死記硬背來應付課程考核，很難將所學知識融會貫通，更難進一步創新。在傳統教學過程中，學生即便花費較大的精力也僅能達到該課程教學的記憶、理解和應用目標，只有極少部分人能達成其評價和創新的高階目標。因此，要想提升教學效果，全面達到專業基礎課程的各項教學目標，必須進一步加強教學設計，從教學模式、教學資源建設、考核方式等方面著手開展智慧教育。

（二）教學活動方面

在新冠疫情期間，全國高校都進行了線上教學，所采用的教學模式也多種多樣，最有代表性的是依托中國大學MOOC、智慧樹等教學平臺進行SPOC教學和借助釘釘、騰訊會議等平臺開展直播教學兩種。其中，第一種教學模式主要借助平臺已有的教學資源開展教學，選擇與本校教學計劃契合較好的內容，定期推送學習視頻給學生，利用平臺的作業發布、討論區、考試等功能組織教學活動。這種教學模式主要適用于高等教育中課程知識點相對固定的基礎課程，如高等數學、大學物理等課程，或者本校在平臺上自建的有完整教學資源和體系的課程。專業基礎課程如果沒有相對完整的自建教學資源，就不適合進行SPOC教學。借助釘釘、騰訊會議等平臺開展的直播教學主要通過平臺與學生共享課件，進行自主教學。這種教學模式下的知識點與平常線下教學的知識點基本一致，教師可以自主確定授課內容，只是將教學環境從教室換到了線上，因此其教學本質與常規線下教學活動相同。雖然新冠疫情期間的教學模式對高校的日常教學活動影響較大，但由于不同高校的專業基礎課程都具有一定的院校專業特色，目前還是以線下常規教學為主。以工程材料課程為例，如果以“工程材料”和“教改”為主題，在中國知網進行查詢，僅能搜索到36篇相關的教學研究論文，其中包括實驗教學改革、課程模塊化教學內容體系改革、案例式教學的教學方法改革、雙語教學方面的思考等，沒有找到關于線上線下混合式教學的相關論文，更沒有涉及智慧教育的相關論文。

（三）教學資源方面

上述專業基礎課程教學的現狀主要與專業基礎課程的教學資源過少有關。由于專業基礎課程是專業課程學習的先導課程，具有一定的專業特色，且其在不同學校和不同專業的教學重難點不同，因此其教學資源不如高等數學、大學物理等基礎課程教學資源普適性強。如工程材料課程，有的學校偏重金屬材料研究，如西安交通大學；有的學校偏重無機非金屬材料研究，如武漢理工大學；有的學校則更關注高分子材料研究，如四川大學等。由于海軍工程大學（以下簡稱我校）的專業背景多與海軍裝備相關，其所開設的工程材料課程更關注金屬材料，且不同專業關注的金屬材料類型又不同，其中船舶與海洋工程專業主要關注船體鋼和低合金結構鋼；動力工程專業主要關注機器零件用鋼；而兵器工程專業更關注各種有色金屬。因此，不同的高校進行相關課程建設產出的教學資源普適性不強。而對不同的專業來說，專業基礎課程與本專業的直接關聯度不如專業課程高，因而不會花費大量的精力來進行教學資源建設。也有些專業的專業基礎課程由其他專業開設，如我校的船舶與海洋工程、動力工程、兵器工程等專業的工程材料課程就是由材料科學與工程專業開設的，而教學單位一般沒有給予這些專業基礎課程更多的重視。上述原因導致高校專業基礎課程開展線上線下混合式教學的資源普遍欠缺，高校之間也不能形成合力推動專業基礎課程教學模式的改革。如在中國大學MOOC教學平臺上，各種各樣與工程材料相關的課程共19門，可參與學習的人數普遍不多，大多數課程的學習人數在1000人左右，參與人數最多的為北京理工大學的工程材料基礎課程，共4943人，主要滿足本校相關課程的SPOC教學。由此可見，要想實現智慧教育理念下專業基礎課程的教學改革，必須加強課程的教學資源建設，尤其是電子資源建設。

（四）評價機制方面

由于教學資源不足，專業基礎課程的教學模式以傳統的線下課堂教學為主，現有的評價方式也是以期末課堂考核為主?，F在提倡形成性考核，部分專業基礎課程的形成性考核占比達到40%，考核平時作業、實驗、期中測試、課程論文等。形成性考核方式在一定程度上反映了學生對知識點的掌握情況，利于教師在后續教學過程中及時調整教學節奏，但與智慧教育的理念還有一段距離。因此，要實現專業基礎課程智慧教育，優化考核方式也是必不可少的一個環節。

由以上分析可知，要想提升專業基礎課程的教學效果，可在智慧教育理念下重構其教學體系，通過教學電子資源建設，實現教學模式的改革，并通過考核方式的改革進一步提升教學效果，全面達成專業基礎課程的教學目標。

二、智慧教育理念下專業基礎課程教學體系的重構與實施

（一）重構原則

要達到專業基礎課程的教學目標，必須在有限的學時安排下進一步提升教學效果，因此基于智慧教育理念進行專業基礎課程教學體系重構的基本原則就是保障教學效果的提升。美國緬因州國家訓練實驗室的學習專家愛德加·戴爾（Edgr Daie）通過量化學習者采用不同方式學習兩周后還能記住的內容（平均留存率），評估了不同學習方式的學習效果，并建立了如圖1所示的學習金字塔。由圖1可知，學習者通過聽講、閱讀、視聽、演示四種傳統課堂常用學習方式學習兩周后的學習內容平均留存率均≤30%，學習效果相對較差；而通過討論、實踐和教授給他人這三種方式學習兩周后的學習內容平均留存率均≥50%，學習效果較好。學習效果在30%以下的幾種傳統方式，都是個人學習或被動學習；而學習效果在50%以上的，都是團隊學習、主動學習和參與式學習。因此，從學習方式來看，重構專業基礎課程教學體系時，應根據教學計劃盡量重構教學內容，以便學生組建團隊或通過實踐來學習，變被動學習為主動學習。

（二）重構模型

基于智慧教育理念，專業基礎課程教學體系的重構可通過特定的教學設計來實現，即根據具體的教學內容，利用現代教學技術、方法進行教學，促進學生智慧學習，其核心是將內容、技術、教學三者進行有機融合。因此，我們主要從教學內容、技術手段和教學方式三個層面來重構專業基礎課程的智慧教育體系。

教學內容是課程教學體系重構的起點。根據專業基礎課程的教學知識目標，可將教學內容分為記憶、理解、應用、分析、評價和創造六類，不同的教學內容適合的呈現方式不同，適合的技術媒體、教學方式也不同。教學技術一方面承載著教學內容對教學目標達成的技術需求，另一方面也對教學方式具有啟發和引導作用，在教學中具有“替代”“擴增”“調整”和“重構”的作用[7]。其中“替代”是指利用信息技術使各種教學要素電子化、信息化；“擴增”是指在替代基礎上，突破時空限制，豐富教學要素，如將抽象教學內容可視化等；“調整”是指調整教學局部結構，如基于微課的翻轉課堂等；“重構”是指重構教學體系，生成新的教育生態，如個性化學習生態。教學技術具有選擇性和多樣性，但并無優劣之分，不同的教學技術只要在教學過程中發揮恰當的作用就是最優選擇。從教學層面來說，教學過程是課程教學體系重構的核心和落腳點，具體的教學過程體現了內容、技術、教學的融合水平，包括教學要素優化、教學流程改造和教學結構重構三個階段。內容、技術、教學的相互關系如圖2所示。

（三）工程材料課程教學體系的重構及實施

根據以上教學體系重構模型，以工程材料中鐵碳相圖的教學為例進行教學體系重構，并開展線上線下混合式教學。具體的教學體系重構及實施方式如圖3所示。在鐵碳相圖教學中，鐵碳合金的定義及分類為記憶性內容；鐵碳相圖的特征及分析為理解性內容；鐵碳合金冷卻過程分析為應用性內容；不同鐵碳合金的室溫相組成和組織組成為分析性內容；不同的相組成和組織組成對性能的影響為評價性內容；根據性能需要設計不同相組成和組織組成的鐵碳合金則為創造性內容。在傳統教學活動中，鐵碳合金的定義及分類、鐵碳相圖、鐵碳合金冷卻過程的教學占用了大部分的學時；通過反復講解練習，學生基本能掌握記憶、理解和應用性內容，部分學生能掌握分析性內容，能掌握評價和創造性內容的學生相對較少。

參考圖1學習金字塔中不同學習方式的學習效果，將鐵碳相圖的教學內容進行分解后，利用現代教學技術為不同的學習內容定制不同的教學方式。將難度不大的記憶性內容錄制成預習微課，課前推送給學生，通過微課中的練習題加強學生的記憶，并利用雨課堂等教學工具進行課堂實時互動以鞏固記憶。在講解鐵碳相圖后，通過翻轉課堂教學應用和分析相關知識，引導學生分析鐵碳合金的結晶過程及判斷結晶產物，并通過鐵碳合金結晶過程的分析進一步理解鐵碳相圖。在教學過程中，教師隨時通過課堂實時互動工具了解學生的學習情況，并調整教學節奏。由于結晶過程的分析及結晶產物的判斷為學習的重難點，教師可以在學習網站上上傳相應的授課視頻，供學生課后復習鞏固。教師也可以通過為不同專業的學員錄制不同側重點的微課并推送不同的鞏固復習題，實現不同專業的差異化教學。在教學過程中，由于運用了微課、實時互動工具、學習網站等技術手段，采取了翻轉課堂的模式進行教學，記憶、理解、應用、分析相關知識的教學較傳統課堂教學節省了大量課時，教師和學生有更多的時間和精力關注評價性內容和創造性內容，從而達成教學的高階性目標。如通過顯微鏡觀察不同成分鐵碳合金的微觀組織，并利用硬度測試、拉伸試驗評價成分、組織對性能的影響；分組討論針對不同性能要求設計鐵碳合金的成分和組織等內容。由于使用了翻轉課堂和分組討論的教學方式，且整個教學過程中貫穿使用了實時互動工具，學生在翻轉課堂、小組討論中的表現和課堂實時互動情況都可計入形成性考核中。因此，整個考核更加科學，且及時反饋了教學中存在的問題，有利于教師及時調整教學活動，獲得更好的教學效果。

（四）實施效果及教學反思

我校根據以上模型重構教學體系并實施了兩輪工程材料課程的教學改革。為考察教學效果，從每輪工程材料的授課班次中選取一個由多專業組成的人數較多的大班和僅由一個專業組成的人數較少的小班進行線上線下混合式教學，并與采取傳統教學模式的班級進行對比。從最后的考試成績和試卷分析來看，采取傳統教學模式進行教學的班級的記憶和理解類試題答題情況普遍較好，應用和分析類試題答題情況呈兩極分化狀態，評估和創造類試題答題情況普遍較差，整體試卷得分也呈兩極分化狀態。將教學體系重構并采取線上線下混合式教學后，大班及小班的記憶性考題的得分稍低，理解性考題的得分與采取傳統教學的班級相當，應用和分析類試題普遍答題較好，評估和創造類試題答題情況較好?？傮w來說，采用新的教學模式的班級平均成績優于采取傳統教學模式的班級。從班級人數對教學效果的影響來看，小班平均成績高于大班，這主要是由于小班的應用和分析類試題的答題情況普遍優于大班。從課后的問卷調查來看，新的教學模式對于教師和學生來說，都需要投入更多的時間和精力，甚至有個別學生因為投入過多的精力而產生抵觸情緒。在課程結束一個月和六個月后，課題組又分別對教師和學生進行了問卷調查，并在對學生的問卷調查中同時配套了部分考題。從問卷調查的結果來看，重構教學體系后采用線上線下混合式教學的師生對整個教學過程記憶更深，師生之間的相互印象也更深，所有學生都認為新的教學模式更科學、掌握的知識更牢固。

對這兩輪教學實踐活動進行分析，可以總結出專業基礎課程教學過程中一些亟須改進的地方：（1）師生的教學觀念需要更新。雖然重構課程教學體系后，采用線上線下混合式教學模式的授課效果更好，但由于重構教學體系和授課過程中師生需投入的精力更多，在同樣的授課學時下，教學節奏更快，導致有些師生對教學模式的改變有抵觸情緒。對此，需要廣大師生改變教學觀念，以更積極的心態參與到智慧教育中來。（2）需進一步創設智慧教育技術環境。雖然近年來人工智能、網絡環境等相關智慧教育支持技術發展越來越快，但各高校差異較大。對于普通高校來說，基本的硬件和軟件條件都有待加強；對于軍校來說，還需進一步考慮如何智慧地使用地方網絡教學資源。（3）需加強教學資源建設。如前所述，專業基礎課程現有的教學電子資源較少，需進一步根據本校相關專業的特色進行差異化資源建設。

三、結束語

作為基礎課程和專業課程學習之間的橋梁，專業基礎課程既包含不同專業通識的基礎理論，受眾面廣，又具有一定的學校和專業特色，因而不同的高校不能完全形成合力共同建設，各種可用教學資源相對較少。在高校專業基礎課程的教學過程中，可以以實現教學目標為指引，重構教學體系，將教學內容分解為記憶、理解、應用、分析、評價、創造類知識，結合不同的技術支持手段，為不同的教學內容選擇合適的教學方式，通過線上線下混合式教學來實現內容、技術、教學的融合?，F有工程材料課程教學實踐表明，新的教學模式有利于實現專業基礎課教學的高階性目標，提高學生的知識遷移能力，可以推廣至其他專業基礎課程的教學中。由于師生教學觀念、智慧教育環境和專業基礎課程的智慧教育資源等各方面的原因，實現專業基礎課程的智慧教育任重道遠。

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［責任編輯：鐘 嵐］