脫嵌與內嵌:智慧工程教學的現實困境與推進策略
——基于技術嵌入理論

楊 冬

(清華大學 教育研究院,北京 100084)

一、 研究背景與問題提出

推進教育數智化轉型、打造智慧教學新范式是數智時代的必然趨向。為主動應對5G、人工智能、虛擬現實、元宇宙等技術變革,教育部2018年發布的《教育信息化2.0行動計劃》要求以人工智能、大數據、物聯網等新技術為基礎,依托各類智能設備及網絡,開展智慧教育創新和示范行動,推動教育模式變革和生態重構[1]。2022年,數字中國和教育數字化戰略全面啟動,在頂層設計上賦予了智慧教育變革的合法性,構建數智技術驅動的新型教育教學模式自上而下演化為高校集體行動。實現網絡、數智技術的全覆蓋和深度融合,系統打造智慧教育教學新格局,儼然成為未來教育的內生需求和必由之路。

何為智慧教育?主流認識以教育技術學科為導向,立足技術與教育教學雙向賦能視角,將其界定為一種技術驅動的未來教育范式,認為智慧教育既是智能技術在教育中深度應用的結果,也是智能時代教育全面轉型與變革的方向[2]。在質的規定性上,智慧教育是一種與傳統教育相區別的,具有變革性、創新性的教育形態,絕非簡單線性的“教育+數智技術”。同時,智慧教育強調通過現代信息和人工智能技術的嵌入、耦合及深度應用,使教育教學系統和結構發生根本性改變,利用人機協同交互促進教育教學過程最優化與學習者發展[3]。概言之,智慧教育的核心是技術嵌入與賦能,重點是借助數智技術變革課堂教學結構,轉變學生學習方式,探索和實踐以學生為中心的智慧教育教學活動[4],全面實現教學創新升級與系統變革。

工程教育在高等教育系統中具有主體引領和示范效應[5],它是培養工程科技創新人才、驅動經濟社會可持續發展、服務國家戰略需求、增強國際競爭優勢和決勝新一輪科技制高點的引擎和支柱。然而,我國工程教育目前存在“大而不強”的現實矛盾。囿于規模擴張和“重科研、輕教學”的人才培養現狀,高校工程教學環境單一封閉、課程教學挑戰度低、學生參與度不高、教學評價作用有限等問題久難破解[6],已成為制約工程教育內涵建設、轉型升級和提質增效的短板。技術與教育的變革史證實,每一次新技術的突破和應用都會由外向內對各級各類教育產生革命性影響。從工程教育高質量發展和創新型工程科技人才培養戰略需求出發,高校必須利用數智技術驅動工程教育教學的智慧轉型和卓越發展,建構適應數智時代的智慧工程教學范式。

當前,數智化在催動科技、產業和教育變革上展現出了強勁勢能,數智技術正向工程教學領域快速延伸。相關研究或從認識論角度指出人工智能、工業物聯網、仿真模擬、增強現實等技術將系統改變工程教育教學模式[7];或立足新工科場景,探討智能教育視域下新工科教學改革框架和實施路徑[8],建立“人工智能+X”教學模式[9];或對標某一類工科專業及課程案例,圍繞技術輔助教學創新,分析線上線下混合教學[10]、虛擬仿真實驗教學[11]以及基于校企合作的實驗設計與綜合實習相融合的智慧實踐教學等[12]的設計思路、操作流程、運行效果和行動困境;抑或審視現狀,指出人工智能為工程教育開辟了新潛力和新動能[13]。這些研究雖高度肯定了技術在工程教育教學領域是不可或缺的,反映了智慧工程教學的不同側面和類型樣態,但總體停留在價值意蘊、概念闡述、平臺技術和應然架構的基礎性探索、經驗化描述與碎片化構想階段,多注重從數智技術影響工程教學的單一視角切入,而未涉及深層的技術嵌入問題,亦缺乏從數智技術與工程教學變革的邏輯關系、要素變化和內生過程角度加以全盤考量、整體設計和系統審視,無從為達成實質意義的智慧工程教學形態和模式提供有效的理論參照與實踐助益。鑒于此,本研究以智慧工程教學是一個由工程教學技術、環境、活動和主體等交互而成的全新教學形態為邏輯起點,結合技術嵌入理論,立足智慧工程教學的整體性和系統性,聚焦技術變革工程教學的過程及關鍵要素的變化進行全面考察,剖析智慧工程教學的現實困境和推進策略,為智慧工程教學的持續實施和縱深改革提供理論之維和行動之徑。

二、 理論基礎與分析框架

(一) 技術嵌入理論的核心要義

嵌入通常是指一個或一類事物介入另一個或另一類事物的過程和結果。技術嵌入理論源于信息技術快速發展對社會組織結構、治理方式與制度機制各領域產生的革命性影響,由奧爾加·沃爾科夫(Olga Volkoff)、黛安·斯特朗(Diane M. Strong)和邁克爾·埃爾梅斯(Michael B. Elmes)于2007年首次提出。他們立足批判現實主義視角,指出雖然已有結構理論、制度理論、參與者網絡理論等解釋了技術如何導致組織變革,但這些理論要么關注技術而忽略人的能動性,要么關注社會互動而忽視技術,為此其構建了有效整合二者的技術嵌入理論。該理論針對“技術如何嵌入組織”這一問題,認為在組織中引入信息技術會導致組織形式和功能變化,詮釋了技術和組織交叉的作用方式、具體過程和機制。技術嵌入理論的精義和要點有三:第一,技術嵌入導致的組織變革體現在組織元素及其內在相互關系變化上,構成了技術產生推動組織變革作用的邏輯緣起或依據來源;第二,技術并非作為純粹主觀解釋和構建的對象,而是一種能夠對工作實踐產生實際影響的客觀存在物,以技術為中介的組織變革通過其物質條件、數據、行為和角色等要素的實質變化而發生;第三,技術引發組織變革的過程并非連續、漸進的,而是會歷經結構化條件、社會互動、再生產三個階段[14]?？傊?技術嵌入理論肯定了技術作為中介引發組織變革的積極正向作用,強調由技術而致的組織要素及其變化是變革核心,且技術嵌入并不是線性固定的,而是需要經過特定的過程和環節。它所揭示的技術引致組織變革的過程和結果機制,以及技術和行動者的互動關系和作用原理,能夠為我們分析技術何以系統影響且嵌入組織變革提供整體思路和框架。

(二) 理論適切性分析與分析框架構建

本研究采用技術嵌入理論分析智慧工程教學變革的困境和策略具有較強的適切性和解釋力。一是技術作為組織系統變革的內嵌變量在邏輯起點上與技術驅動的智慧教育變革是一致、統一的。智慧教育是未來數智時代工程教育教學的新形態,強調工程教學過程與技術的深度融合和創新應用,通過深層嵌入賦能工程教學模式變革和提質增效。二是技術作為中介對組織的物質、行為、數據和角色等要素具有變革性效應。本質上,智慧教育并非淺表機械的“教育+信息化”“教育+數字化”,而是突出新一代數智技術驅動教育教學系統的核心要素以及相互關系重構,通過教學環境、模式、評價和師生主體能力等的重新定義和再造[3],實現傳統工程教育教學的組織轉型、流程優化、模式創新和范式革新。三是技術催生組織變革過程不是碎片式、孤立線性地關注單個要素,而是需要技術、行為和人等諸多要素歷經多個階段的交互耦合。智慧教育的根本要義是借助智能技術工具促成人機協同合作,變革課堂教學組織結構和模式,探索和實踐以學生為中心的智慧教育教學活動,實現教學的智能轉型和效能增值[4]。這一過程涉及教育技術、教學活動與師生主體“三位一體”的互動,包括技術層次從數字化到智能化升級迭代,業務層次從效率提升到教育教學形態創新和組織重塑,人本層次通過信息化系統驅動實現師生思維、行為與技術有機融合[15]。因而,智慧工程教學由互聯網、人工智能、大數據和虛擬現實等眾多新技術系統嵌入工程教學“人、機、物”全域進行有機融合而生成,是一種數智技術與工程教學協同共生的全新形態?；诖?本研究構建了智慧工程教學的“四維度三層次”技術嵌入框架(見圖1)和模型圖(見圖2)。

圖1 智慧工程教學的“四維度三層次”技術嵌入框架

圖2 智慧工程教學模型

三、 技術脫嵌:智慧工程教學的現實困境

數智技術作為新一代顛覆性和革命性技術,正向工程教育教學領域滲透。從互聯網、移動通信、數字信息、虛擬現實等技術設備的引入和應用,到智慧教室、電子資源、網絡平臺、多媒體工具等教學軟硬件和環境的改造升級,再到信息技術系統輔助的在線教育教學和雙線融合教學運行,智慧工程教學改革正穩步向前。本研究依據智慧工程教學的技術嵌入框架和模型構成要素,從技術支撐、應用和適應的嵌入邏輯鏈和發展鏈審視發現,高校智慧工程教學現只具雛形,還處在邊探索邊實踐的起步期,在智能化環境、多模態教學、多元化評價和數字勝任力等核心要素上仍存在嵌入性困境。

(一) 技術支撐不足:智能化工程教學環境供給和應用滯后

技術內嵌是智慧工程教學的固有屬性。技術嵌入理論認為,技術構成組織常規行為發生和變革的先驗結構條件[14]。依托新興數智技術,打造時空開放化、虛實融合化、資源集成化、場景多元化、數據共享化、人機交互化的智能化環境,是智慧工程教學長效推進的物質性條件和工具性基礎?，F階段,我國高校工程教學環境仍停留在信息化建設和數字化改造的初級階段,整體缺乏多技術融合和智能化驅動,在技術設備、空間場景、數字資源、平臺系統等軟硬件工具的供給和建設上較為滯后和薄弱。

一是信息技術設施供給不足和工程場景建設不力。工程源于社會生產實踐。高質量的工程教學要求具身特定工程場景和情境進行工程認知和沉浸體驗。數智技術能夠聯通高校和社會、課內和課外、虛擬和現實,構建物理、社會和數字空間“三元立體交互”的工程場景,突破傳統以教室、實驗室和實訓基地等固定時空和單一場域為載體的工程教學環境。實踐中,工程教育數智化改革側重數字校園、信息一體化平臺、智慧教室、虛擬教研室、虛擬仿真實驗平臺和數字化實訓中心等基礎設施建設,接入互聯網、計算機、多媒體、智能終端等網絡通信技術和硬件設備,以及開發在線平臺和電子課程資源,用以支持在線教學、混合式學習和數字化實驗教學,抑或作為線下教學的輔助工具。譬如北京郵電大學在新工科“三貫通”教學改革中,提出建設100間智慧教室,開發應用互動研討型、VR型、5G全息遠程互動型、5G虛擬演播直播型等智慧功能,并基于教學云平臺整合各類教學應用軟件,建立與智慧教學適配的數據互聯互通、資源開放共享、業務協同聯動機制[16]。但癥結是工程教育教學技術設施整體停留在初級淺層的網絡設備普及和信息化產品接入層面,對增強與混合現實、知識圖譜、數字孿生、大數據、深度學習、對話機器人、教育機器人等新興智能技術的投入和應用并不廣泛也不深入。工程教育教學環境缺乏內外貫通、虛實一體、人機協同的多元混合空間和智能工程場景供給,教室、實驗室和工程訓練中心等場所的實景自動導入、大數據動態記錄、虛擬沉浸體驗、人機實時對話等功能升級還不足。智慧工程教學的“技術支撐力”不足,阻滯了時空泛在、快捷高效、融合共享、虛實交互的工程教育環境生態形成。

二是數字工程教學資源類型單一且呈碎片化分布。傳統工程教學資源以單一課程、紙質書本、專業教材和多媒體課件為介質。得益于智能技術特具的動態、可視、互聯、共享等性能優勢,工程課程教學資源將從線下紙本媒介向電子化、數字化形態轉型,服務翻轉課堂教學、混合式學習、跨學科學習和泛在自主學習。這既契合工程教育的立體沉浸認識與實踐應用需求,也可展現工程活動的生成性、體驗性和演化性。譬如國家高等教育智慧教育平臺涵蓋14個學科門類、92個專業的數字資源[17],其中工學分布最多最廣,課程有7 000多門,涉及工科31個專業;虛擬仿真實驗教學課程包括虛擬仿真實驗課、線上實驗課、混合式實驗課3大類共1 574門。這類工程專業數字資源主要為電子課件、視頻、音頻、圖片,以及粗顆粒度、樣板化的網絡視頻和在線課程,單一工科知識形態的“課程包”居多,局限于單門課程教學的視頻化、紙本資源的數字化以及在線課程的扁平式羅列,呈現分布零散有余而共享、整合和體系化不足的特點。并且現有數字資源對工程本體的實踐屬性關照不足,在工程作品實物、案例、模型、教材、項目、實驗、專利、技術和場景等專業類資源庫供給上嚴重缺位。單類型和碎片化的數字資源既無法展示工程知識的內在系統性和學科關聯性,也不利于學生自主學習的選擇和深度認知的建構,更遑論支撐能力導向的工程教學以及工程理論與實踐貫通。

三是網絡教學平臺系統缺乏“強智能”精準開發。智能技術憑借網絡、數據、程序和算法等集成一體化平臺,能夠將傳統物理場域中工程教育教學活動的空間、情境、內容、流程和方法等數字化,支撐智慧工程教學按需開展、彈性設計和高效實施。技術與教育的深度融合催生網絡學堂、雨課堂、騰訊會議等智慧教學平臺、軟件和工具,成為工程教育進行遠程教學、在線教學和線下教學的關鍵設備和輔助手段。譬如雨課堂具備彈幕交流、生成詞云、視音頻直播、白板板書、在線監考、克隆班等功能,它通過融合微信等軟件連接智能電腦、iPad或手機等移動終端來貫通課前預習、課上學習、課后復習和測驗等環節[18]。這類技術產品和工具的使用雖趨于普及,但其功能應用卻比較線性機械,限定在線上授課、遠程視頻、屏幕共享、資料上傳、錄課錄屏、考勤簽到、隨機點名、答題測驗等“弱智能”上。加之它們多是通用型教學平臺,并不具備智能感知、數據記錄、資源共享、實景匹配、精準推薦、合作學習和人機互動等“強智能”,遑論服務于工科專業教學的模式創新和流程再造,以及促進工程教學的多元化、精準化和個性化實施。如此,網絡系統和數字平臺被簡單化為傳統工程教學的替代工具,難以發揮其支持沉浸式工程教學、虛實工程場景結合、校企協同合作教學、個性化自適應教學、教學質量多元動態評估等高階效能。

(二) 傳統模式慣性:技術賦能多模態融合式工程教學受阻

多模態教學是智慧工程教學的核心構件。技術嵌入理論認為,技術一旦實施就會形成組織常規。在社會互動階段,組織元素變化會受到結構化條件的制約[14]。工業時代的工程教學是以“教”為中心的知識授課模式,指向工程知識批量傳播、教學活動統一實施和工程人才規?；囵B。進入智能時代,技術加劇了信息獲取和知識傳播碎片化,學習場景、資源和方式趨于無界化和泛在化,課堂教學從孤立封閉走向開放融合。智慧工程教學的終極指向是構建工程教學新模態,借助“技術之智”重塑工程教學理念、流程和方法,實現從“教”向“學”的全面轉型和增效提質。但現實中技術的革新力相當有限,工程教育陷入“只見智能技術而鮮見教學創新”本末倒置的困局,導致智能化環境驅動的多模態融合式工程教學未能常態化和最優化實施。

一是工程科學范式下的知識性講授教學路徑依賴?，F代工程具有復雜性、集成性、系統性和不確定性。智慧工程教學在目的觀和內容觀上不以工程知識傳授和技能培訓為核心,旨在依托智能技術改變傳統工程教學的時序和流程,借助技術媒介、線上資源,依托翻轉課堂、混合式教學等形式,將原本淺層的工程理論性教學交由在線平臺自主完成,保障師生在課堂教學情境中共同圍繞深層高階的工程問題開展深度講解和系統研討,并借助數字化工具及智慧教學空間等智能匹配工程資源庫和全息化、虛擬化工程場景,強化工程的立體式認知和沉浸式體驗,推進教學面向復雜工程項目、情境和實踐實訓,從而打造適應工程范式變革的教學新形態,實現“轉識成智”與“化智成行”。然而,囿于科學范式下工程教育“理科化”和專業化教育模式,工程概念、原理、定理和公式等講授教學具有強勁慣性,講知識、做習題、一言堂、探究少是工程教學常態,研討教學、項目教學、案例教學、合作教學、體驗教學等呈散點式、小范圍分布樣態。相關研究證實,傳統工程教學在新工科改造中并未有效利用現代技術進行數字化、網絡化和虛擬化拓展,教學模式仍以固化的單向“講授”居多[19]。這種知識傳授路徑依賴導致技術賦能工程教學變革的實效甚微,成為工程探究、創新和實踐的障礙,阻滯了工程思維培育和創新素質塑造,亦不利于復雜項目設計和系統工程問題解決。

二是線上線下融合式工程教學僵化低效。數智技術的指數級迭代創新會對工程教育教學產生革命性沖擊,賦能教學場域從物理現實擴展至泛在虛擬空間,催生線上線下有機協同、一體運行的雙線融合教學形態。在教育數字化戰略引領下,在線教學和混合式教學等以超常規的規模和速度發展,工程教育教學正從傳統單一固定的課內與線下時空向現代化的課外和線上情境轉型。從形式上看,工程專業雙線融合教學多是“線上技術+線下教學”的簡單疊加,或以技術為載體的線上教學同步替代線下教學,抑或線上和線下教學異步開展,講授方式大體一樣,課堂本質未變,只是將線下理論傳授遷移到線上,鮮少產生空間更替之外的混合變化、組合效應和集成意義。清華大學的全校性實踐證實,線上線下融合式教學作為傳統課堂與在線教育結合的新模式,雖從物理空間的傳統形態轉向物理與網絡空間混合的新形態,實現“同步異地”教學,并借助技術工具和數據聯結課前、課中和課后,增強了教學實時互動,但仍在人工智能、虛擬現實、增強現實等技術與數字資源驅動的教與學互動體驗、資源整合、多元方式及質量保障等方面存有不足[20]。如此,工程教育線上教學淪為線下教學的“翻版”或“替代品”,雙線融合教學的形式蓋過實質,難以彰顯技術融合學科內外、課內外、校內外、虛擬與現實等的信息資源優勢與協同互補效能。

三是對標自適應的個性化精準教學邊緣化。不同于工業時代的集中性和同質化工程教學,未來教學會在智能技術作用下向個性化轉型,產生以學生為中心、智能匹配個體差異、滿足個性化學習需求與偏好的學習方式,形成精準、個性和靈活的工程教學服務體系。譬如ChatGPT等對話機器人能夠以“學伴”角色推送海量知識,提供自然語言對話、即時問答、文案制作、編程設計等合作學習服務;知識圖譜技術可以支持構建工程學科知識網絡、訓練系統工程設計思維和探索工程結構與原理;大數據、神經網絡和深度學習等技術能夠實現工程學習投入、行為、過程和結果的動態記錄、可視化畫像和智能預警,為個性化教學方案定制、方式調整和路徑規劃提供決策參考。但現實中,工程專業個性化教育名不副實,存在“重頂層設計、輕教學實踐”現象。例如北京大學在新工科人才培養理念、專業方向選擇、課程體系構建和環境營造等“形而上”的制度機制上強化個性化教育[21],但囿于專業教育體系、班級授課制和教師權威中心,加之信息監測、數據分析、精準推薦、場景智能匹配、通用和專用大模型等技術和產品開發、應用不到位,新工科主要采用“常規”又“相似”的教學方式,即遵循同一專業方案,集中授課,學習內容與進度相同,而鮮少針對學生的學習基礎、主體差異、個性狀況及多元需求施以精準教學和差異化教育[8]。其結果是工程教學滯于“教到學”的線性態和“一對多”的程式態,難以大面積設計和實施個性化、精準化、自適應的工程教學。

四是工程理論與實驗實踐教學分離。實驗和實踐是幫助學生檢驗工程科技原理和提升工程動手操作與創新能力的關鍵途徑。傳統工科實驗教學和工程實踐通常被封閉在固定實驗室和實訓基地,學生只能定期進入企業、工廠和生產車間。當前工程實驗實踐教學的課時量偏少,以某“雙一流”建設高校4個工程專業為例,自動化、機械工程及自動化、材料科學與工程、航空航天工程的實踐學分占比依次為14.7%、16.4%、17.5%、14.7%[22]。人工智能、物聯網、虛擬仿真技術等能夠突破時空、環境和地域邊界,通過智慧平臺和軟件工具創新實驗實踐形式,打破工程理論與實踐教學的孤立與割裂樣態。譬如信息數字和虛擬仿真技術可通過專用軟件系統和數字工具完成對實驗室環境、設備和對象的數字化模擬,豐富和拓展實驗教學內容和形式,學生不進入實驗室也能隨時根據教學需求多次重復實驗,深化工程科學的理論內化和技術應用。又如互聯網和人工智能技術可以通過網絡、算法和數據實現校企場景和資源共享、互聯和協同,打破校內外多方合作育人梗阻,工程實習實訓可在遠程條件和數字平臺中泛在化開展。囿于實驗實踐課程教學開設不足,缺乏從虛實結合和一體互補的角度加以體系化設計,智能技術和網絡平臺支持的工程遠程實驗、虛擬仿真實驗、數字化實訓實踐未能常態化和規?；瘜嵤?整體流于碎片化或成為少數專業的“專屬”,局限于簡單易行的工程實驗、模型、系統、工具或產品等模擬仿真和生產設計。其結果是工程理論和實踐教學因技術鴻溝而難以實現智能貫通和信息聯動,遑論強化工程認知、沉浸體驗和實踐能力。

(三) 評價方式單一:大數據驅動的多元化工程教學評價失位

評價是保障工程教學質量的“指揮棒”與“矯正器”。技術嵌入理論認為,數據嵌入是技術變革組織的核心元素,包括用戶數據、實時數據和業務數據等[14]。數智技術具有推進工程教學評價智慧轉型的優先屬性,其憑借多模態數據和智能算法優勢,借助伴隨式收集、動態化追蹤、自動化分析和精準化反饋等方式,有助于推進大數據驅動和證據導向的過程評價、結果評價、增值評價和綜合評價的多元彈性實施。實踐中,受數據、技術和工具限制,工程教學評價局限于圍繞教學設計對知識習得和學習成效做出分數量化和等級優劣的結果性評定,拘泥于學科邏輯進行知識考試、紙筆測驗,忽略過程性學習參與以及工程思維、素質與能力等的高階發展,大數據驅動的多元化工程教學評價處于失位狀態。

一方面,固定考試和作業題測的階段性評價常態化,忽視了工程學習的過程性參與和成果產出。過程性評價是對學生學習的過程性投入、行為、成果和質量作出的價值評估和水平認證?；ヂ摼W、大數據、云計算和人工智能等新技術支持工程教學過程性評價,通過網絡平臺和智能工具對學生課前、課中和課后的學習狀態、行為投入、結果成效的全方位數據進行記錄與智能可視化分析,能為教師客觀、全面和科學評價學生的發展與教學效果提供透明完整的數據信息。當前工程教學階段性評價雖已常態化,但形式和手段仍較為傳統,缺乏信息技術驅動和過程數據支持,學業評價和考核大都通過課上習題測驗、課后大小作業、期中期末考試、做項目、寫論文等組合方式進行。相關研究指出,工程教學是以教材為導向的——教學靠教材、教師講教材、學生學教材、考試考教材,教師除傳統考試和作業外,無法有效使用其他評價工具[23]。其結果導致工程教學評價多是知識化、固定考試導向的,尚未充分利用數智系統設備實時動態采集和分析工程理論與實踐教學中的學習參與、投入、合作、互動和實操等綜合性數據,并納入學業評價范疇,由此造成學生學習行為與狀態、師生及人機交互、工程創新與實踐訓練、成果設計與產出形式等過程性評價缺失,阻滯了評價之于學生學習方式改進、教學質量提升和工程成果產出的功能實效。

另一方面,學分績點導向的結果性評價占主導,缺少對標復雜工程能力的增值性評價。結果性評價是教師對學生工程課程學習成效作出的綜合結果評定。增值性評價指向學業進步評價,測量一段時間內學生學業成就變化增量,強調學生的知識、能力和素質在接受特定階段教育教學后的進步程度[5]。智能技術能夠及時高效地識別、監測和記錄學生在不同階段、不同類型課程和不同實踐場景中的工程學習行為、狀態、結果和成效等多模態數據及其變化,憑借大數據快速匯聚、智能歸類、高速運算、綜合分析與自動反饋等功能支持增值性評價便捷實施?，F階段工程教學結果性評價占主導,高校教師主要通過量化等級和考試分數統一集中考核學生的知識存量和增量,將其作為工程學習效果和教學質量的主要評價依據,而對于非認知性、非結構化的工程興趣、思維、素質、倫理、價值觀、動手實操,以及復雜系統工程問題、方案、項目與技術的創新性解決、設計、實踐應用能力的增值性評價應用不足。有關研究證實,工程教學評價以課程學分與成績“供給”為主導,而非以畢業出口的人才“需求”為導向,默認完成學分和考試合格就能夠勝任工程崗位[8]?？荚嚪謹岛蛯W分績點導向的結果性評價方式、單一與片面的評價標準在弱化學生學習和發展的評價反饋和改進功能的同時,加劇了工程教學“理科化”和“學用脫節”的趨勢,無法促進學生復雜工程問題解決能力、工程實踐應用能力、工程系統設計思維與創新素質等的發展和增值。

(四) 師生被動適應:數字化工程教學勝任力薄弱

師生作為工程教學的行動主體,其認同度和勝任力是智慧工程教學從理念設計落實為具體實踐的“最后一公里”。根據技術嵌入理論,技術的角色嵌入和分配會使原有角色及其功能職責被重新定義與劃分[14]。智能時代的技術以社會實體形式存在,人與技術關系將從獨立分離的割裂狀態走向協同合作的共生體。師生必須廓清工程教育情境中的人機關系及其身份劃分與角色定位,主動接納、適應和勝任人機融合共生的工程教學新形式?？v使時下技術作為重構工程教育教學范式的變革性力量已自上而下形成共識,信息化教學、線上線下融合教學、翻轉課堂初具規模,但師生普遍對技術驅動的工程教學新模式存在意識遲疑、駁斥心理和被動適應等情況,師生的數字化素養欠缺、勝任力不強。

一是技術革新工程教學的數字理念與意識窄化。技術作為創造性變革力,在工程教育教學中的地位正由邊緣躍向中心。以ChatGPT等新一代大模型、生成式人工智能和數字孿生、虛擬仿真等技術的應用為標志,技術的功能價值逐漸從最初單純的教學輔助工具升級為構建教學新型環境和革新教學形態、方式和范式的核心驅動力。智慧工程教學作為多種新興技術系統深度嵌入和耦合的新形態,絕非取代線下教學使工程教學完全在線化、網絡化、虛擬化,而是利用數據共享、萬物互聯、場景沉浸、人機協作、虛實結合、內外協同等智能優勢,創新教學模式和學習方式,提升工程教學效率和質量。但囿于工程教育的封閉性和保守性,人們對技術與工程教學的關系爭論不休,在“禁止抑或變革”觀念認識上莫衷一是。技術替代論認為技術手段、智能工具和數字空間會顛覆學校教育、取代課堂教學,極易弱化師生的情感、行為與思想,放大教和學的不自覺性、惰性和不適應性,虛化工程實際體驗和實踐應用。技術控制論認為在確定性模型、算法和程序規制下,人的主體性、創造性和建構性會被淡化和遮蔽,師生異化為技術附庸,難以促成系統化、精深化、高質量的工程教學。殊不知,技術智能正在以指數級速度迭代升級,人與技術、教育與技術愈加融為一體,技術對促進人的智慧發展和服務學習需求的固有價值不可替代。悲觀主義的技術認知和滯后偏狹的數字意識反映出人們無法辯證厘清智能技術變革工程教學的歷史必然性和正向功用,這會加劇數字技術和工程教育教學的對立沖突與二元分化,造成工程教學變革處于技術“打補丁”狀態。

二是技術嵌入工程教學引致師生角色定位沖突。數智技術和網絡平臺在加速知識泛在化分布的同時,拓寬了知識生產和創新的主體、場域和情境,知識傳播方式的網絡化、數字化與智能化變得不可逆,這種變革賦能工程教育教學從理論主導的科學范式向實踐主導的工程范式轉型。在技術的深度介入下,大量工程理論知識教學活動會由智能工具分擔或代替,教師不再簡單定格為工科知識的傳遞者、教學者,而是轉變成工程問題研討、合作探究、項目實踐、虛擬體驗等高階工程教學活動的設計者、引導者。學生不再是被動的知識接受者和專業權威依附者,而是發展為自覺主動的工程教學參與者、建構者和創新者。教和學的過程、方式和機制也因人機協同智能結構而變革,師生角色和關系由傳統權威領導型的“師傳學承”革新為與學習型社會和“互聯網土著民”需求相適應的平等合作型學習共同體。因此,具身于技術場景,面對工程教學根深蒂固的“教師講-學生聽”被動式角色定位和行為慣性,師生普遍難以適應工程共同體新型角色定位。這種角色沖突導致師生未能有效利用數字資源和技術工具進行深度互動、合作探究和創新實踐,難以根據工程知識創新、工程能力發展、工程倫理素質與價值塑造的“三位一體”質量觀重構師生關系,因而成為智慧工程教學變革的阻力。

三是人與技術作為共生體的人機協同合作能力偏弱。智慧工程教學主張技術的有限負荷論而非萬能包攬論,亦絕非用機器取代教師或技術顛覆傳統教學,而是更加突出人與機器技術“和合共生”“一體協同”的雙向互補關系。人機協同合作新型關系對師生在智能化環境中開展工程教學的技術素養、能力和專業水平提出了更高要求。依據信息技術與學科教學的整合模型,耦合信息技術素養、工程專業理論、工程實踐技能和教學法能力是師生實施智慧工程教學的必備素質。教師需要以人機互動合作形式改變“照本宣科”形態,生成個性化、融合式、研究性、體驗式等更具創新性和挑戰度的高質量教學活動,確保工程教學從規模講授向個性施教轉變,學生學習從被動接受向自主深度建構轉型。全國普通高校教師教學發展指數(2020版)顯示,在1 226所高校中,373所理工類高校教師教學發展指標的校均分在六大學科類高校中僅列第4位,平均分處于最末位[24]。具體至教學勝任力上,相關研究證實,工科教師課堂教學能力普遍較弱,整節課講授教學課件現象時有發生,教學水平并不高[25]。同樣在學生層面,其人機交互的信息檢索、資源應用、泛在學習、沉浸體驗、交流協作、內容創造、倫理安全等數字技能、思維和素養亦存在不足[26]。這映射出工科師生運用數智技術開展創新性和挑戰性工程教學活動的素質和能力偏弱,多停留在課件放映、電子板書、數字資源共享、在線互動等淺層上,基于數字空間、智能平臺和智慧工具的工程混合式教學、翻轉課堂教學、沉浸式教學、個性化教學、虛實融合實踐教學等設計、實施和評價缺乏人機協同合作基礎,因而難以適應智慧工程教學改革實踐和卓越工程人才培養的需求。

四、 技術內嵌:智慧工程教學的推進策略

智慧工程教學是未來工程教育的核心構成,是數智技術內嵌至工程教學耦合互構而成的高級形態。工程教育需要強化智能技術與環境基建,構建智慧教學范式,優化教學質量評價方式,增強數字勝任力,這是加快工程教學轉型變革、培育創新型卓越工程師和實現工程教育現代化的關鍵。

(一) 強化技術基建,打造智能驅動的智慧工程教學環境

技術是支撐智慧工程教學的基本元件,聚合多技術的智能化環境是智慧工程教學的實施底座。工程教育應借勢大數據中心、人工智能、工業互聯網等“新基建”行動,以技術升級換代和融合應用為導向,優化智能驅動的智慧教學環境。

1. 接入數智技術,完善工程教育教學設施場景。技術的系統集成和智聯互通是智慧工程教學的基礎支撐。高校應立足現有信息化技術條件和基礎設施,引入和應用5G、云計算、大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實等新一代技術,健全網絡通信、移動設備、在線平臺和智慧工具等工程教育軟硬件建設。在此基礎上,高校還需智能改造和創新升級教室、實驗室、工業訓練中心等物理實體空間環境,建設工程教學數字空間和虛擬仿真工程場景,借助技術手段增強教學環境與行為智能感知、工程資源與場景智能接入、人機交流與協作智能互動,賦能教學時空和場域的虛實融通、線上線下融合、校內外智能互聯,保障多元工程教學活動的實時共享、泛在可視、智能交互與高效高質。

2. 開發、配齊和整合數字化工程教學資源。與傳統紙本材料相比,數字資源具有更加便捷生動、海量可視、可共享、更新快和綠色化等特點。高校要大力開發和配齊工程教育在線課程資源,如優質精品工程教育MOOC資源、教師自主設計和錄制的SPOC課程資源和各大網絡平臺的工程專業教學資源等。同時,高校要加強面向工程實際和實踐的案例庫、項目庫、技術庫、實驗庫、場景庫和企業資源庫,以及中英文教材、教輔參考資料、專業書目和文獻數據庫等的數字化與整合性建設[5],從而彌合工程教學的“數字鴻溝”、破解“信息繭房”。

3. 建設智能化工程課程教學平臺系統。教學平臺系統是智慧工程教學的工具支撐,是以技術為媒介聯結教師、學生與教學活動,實現工程教學線上化、線上線下異地同步或者混合式教學提質增效的重要依托。面向未來,高?？赏ㄟ^與第三方企業合作開發、優化抑或自建智能課程教學平臺系統,集課前、課上和課后應用于一體,拓展和實現教學需求與偏好識別、教學大數據采集分析、課程資源自動推薦、工程場景智能匹配、個性化教與學精準設計與路徑規劃、智能對話討論與群體合作學習、教學實時全景監測與質量評估等多元高級智能,以“技術之智”賦能工程教學質量提升。

(二) 革新教學范式,重構人機協同的智慧工程教學形態

技術是工程教學變革的內嵌變量和新興能極。工程教育需要依托技術創新教學,重構人機協同的智慧教學范式。

1. 創新工程教學設計,從知識邏輯轉向問題、實踐和應用導向。智能技術正在加速知識的指數級增長和碎片化分布。智慧教育不僅改變了工程教學模式、形態、媒介和方式,更瓦解了教師作為專業知識權威的固化身份,倒逼知識本位的工程教學內容體系和組織形式變革,生成基于工程問題、實踐和應用導向的教學設計。因而,推進智慧工程教學必須依托技術手段超越傳統學科和知識邏輯,基于工程的復雜性、集成性和實踐性等內在特點,從培養系統工程能力視角出發,突出教學內容編排的問題性、跨學科性、實踐性和應用性。在此基礎上,教師要結合數字化教學資源、網絡在線平臺和虛擬現實技術等,豐富和拓展工程教學內容呈現方式,增強學生對工程原理、問題、項目、生產和技術等的可視化、生動化和立體化感知及沉浸式體驗,確保工程教學由封閉走向開放、由靜態走向動態、由書本走向現實、由經驗預設走向生成創造、由單一學科走向工程系統、由知行分離走向統整合一。

2. 深化人機協同合作,創建彈性靈活的多元化創新型工程教學模式。在傳統工程教學體系中,信息技術作為輔助性手段存在,人與技術是分離的。智能技術的深度介入使教學平臺、設備、媒介和工具日益具備智能屬性,賦能工科教師專業能力提升,人機協同合作趨于常態。工程教學必須深化人機交互,充分發揮技術的智能優勢與師生的內源智慧,根據工程課程類型、目標定位及教學內容需求與學生學習方案,靈活選擇虛擬或現實、校內或校外、室內或室外、課上或課下等時空,按需推進翻轉課堂、線上教學、線下教學、融合式教學等模式的彈性設計和實施,進而在技術支持下廣泛生成和精準配備多元新型工程教學模式。

3. 革新工程教與學方式,從大規模標準化講授轉向個性化自主深度學習。在人機協同機制下,人工智能憑借強大的算法和程序,利用感知、推薦、匹配等智能支持進行精準化教學和個性化學習,機器技術、教師、學生構成教學共同體。一方面,教育機器人或智能教師助手等能夠系統分擔并高效完成大量簡單重復、單向靜態和低層次的知識集中講授工作,使教師從標準化的知識講授中解放出來,從事更具挑戰性、創造性和多元化的工程教學活動。同時,在人工智能的合力協作下,教師能夠及時獲得每一位學生課前、課中、課后的學習行為數據與質量診斷報告,利用智慧教學設計與實施方案推薦等輔助性決策功能為學生學習提供精準有效的個性化指導和差異化教學。另一方面,學生通過智能平臺和工具可按需與教師進行深層互動和高頻交流,并在學習內容智能推薦、學習路徑精準匹配、學習質量動態測評反饋等多重智能服務下自主開展學習活動,實現無邊界和自適應學習。

4. 智能對接工程理論教學,強化虛擬仿真實驗教學與實踐實訓教學。傳統工程教育的理論和實踐教學相互割裂、各成體系,智能信息技術能夠賦能并支撐工程理論和實踐教學雙軌融通運行。一方面,虛擬仿真技術具有模擬和超越現實屬性,能夠通過智能技術還原、模擬和探索已知與未知工程領域,與實體實驗室環境和現實工程條件的實驗教學形成有機互補。工程教育需要結合工程理論教學環節大力推進虛擬仿真實驗教學,對標確定性或不確定性的理論、方法和技術等開展反復驗證和重復性試驗,從而突破物理實驗環境和條件限制進行更加復雜的工程技術創新實驗活動,有效促進學生對工程科學和專業理論知識的直觀深入理解與應用,同步提高其實驗操作技能、技術動手實踐能力和工程問題解決能力。另一方面,人工智能、物聯網、區塊鏈、遠程鏈接等技術能夠驅動高校工程教育教學與企業、工廠、車間、工程現場和技術生產一線等互聯互通。高校必須依托智能技術升級實踐實訓教學場景、環節和校企合作育人方式,推進實踐教學及其資源、方式的信息化和智能化發展,在配合和補給工程理論教學的同時,保障學生不受時空、地域和場所等因素限制而靈活開展遠程在線、異地同步、虛實融合的工程實踐實訓活動,提升其工程綜合素養和實踐能力。

(三) 依托可視數據,實現工程教學質量的科學立體評價

評價數據化是智慧工程教學的典型應用場景。智能技術憑借超強算法算力、萬物互聯互通、信息智能感知與存儲、區塊鏈分布式記錄、大數據可視化分析等復雜程序和性能,賦能工程教學評價手段從人工化走向智能化,評價依據從主觀經驗走向客觀數據[2],評價方式從終結性評價走向過程性評價、增值性評價與結果性評價相統一,評價標準從單一知識與考試維度走向以工程能力認證為核心的多元標準,實現基于大數據的動態、多維、科學和精準的工程教學質量評價。

1. 運用可視數據平臺系統,實現工程教學質量數據信息的動態式、伴隨式和全方位挖掘、記錄、歸類與整合。人工智能、大數據等技術支持下的工程教學評價系統能夠實時動態采集多場景和全流程的學習行為和結果數據,建立透明完整的學習全過程數據庫。高校要抓取工程學習的結構化和非結構化兩類數據:前者包括可視化和顯示度高的考勤簽到、學習時長與學業完成度、課前-課上-課后學習量與核心內容掌握情況、習題測試與作答頻率、各項作業完成情況與質量、各類型考試成績等;后者包括大規模的課程全時段和學習全過程活動觀察與監測分析,如課前預習準備程度,課中學習投入、互動參與、問答對話、探究討論和知識建構,課后學習反思、交流與改進,以及具體至工程情境、問題和實踐的工程意識、思維、能力與素質等綜合反映學生學習態度與成效的多維數據。

2. 轉變工程教學評價方式,開展大數據驅動和多元質量標準的科學立體評價。正如高?，F有培養方案過分強調學生對相關理論知識的掌握和相應技能的提升[27],傳統工程教學評價是教師對學生課程學習質量的單向度評價,具有考試分數導向、知識本位標準和結果主導等特征。智慧工程教學評價秉持人機協同理念,能夠通過數字平臺和智能系統整合線上與線下、虛擬與現實、課上和課下、校內和校外等不同空間的工程教學活動,集成工程理論教學、實踐教學、自主學習、在線學習、合作學習、習題測驗、作業成果、教學互動、行為感知等多元數據,提升評價效率與質量。一方面,高校要構建與智慧工程教學模式相適應的多元評價方式,利用人工智能和大數據技術改進結果性評價的同時,彈性推進過程性評價、增值性評價和綜合性評價一體運行。另一方面,高校要開發多維學習質量評價標準,從工程理論知識、考試分數、學分績點向學習過程體驗擴展,注重學生在各類工程學習活動中的參與行為、投入表現、創新設計和成果產出等軌跡,以及工程實際問題發現與解決能力、復雜系統工程思維與實踐應用技能、工程技術與項目開發能力等高階能力發展,確保工程教學評價客觀科學、立體全面與精確可信。

3. 推進評價結果實時反饋和精準應用,基于學生學習畫像深化工程教學質量與效益。傳統工程教學評價屬于水平性認證,其促進“質量保障”與“效益增值”的發展性功能發揮不足。智慧教學環境下的評價不再受數據孤島和信息壁壘限制。教師既可利用人工智能等技術集成的教學評價平臺系統,對學生在課前、課中與課后等不同階段的工程學習狀態、行為表現和成果質量等開展全流程、全環節和全要素的數據記錄和追蹤,從而全方位透視和動態精準評估其課程學習成效與學業質量,完成工程學習精準“畫像”;也可借助信息一體化平臺統合機評、師評、他評和自評,對各類分布式工程學習數據進行橫向關聯比較、縱向深度分析和結果實時反饋,以可視化途徑智能生成學習數據結果和質量評估報告。這有利于教師實時把握學生的學習進度與成效,預測學習問題,動態開展精準式教學干預和個性化學習指導,助力學生靈活調整學習方式,實現工程學習效能最大化。

(四) 提升數字勝任力,促使智慧工程教學優質高效實施

網絡技術、數字工具和智能產品的迭代創新和介入使工程教學在新理念、新模式和新方法交疊下發生深層裂變和轉型,從而建構與未來卓越工程人才培養需求相適應的工程教學新形態和新范式。這種變革絕非表面上外化為技術在工程教學的縱深嵌入、智能升級與空間資源形式更新,而是實質上映射出從技術客體到人之主體的教學媒介和生態再生產,指向人機協同的工程教學觀念轉型與教學能力再造。工程教育必須提升師生的數字適應力和教學勝任力,促進智慧工程教學的專業化實施與質量的卓越發展。

1. 重塑技術變革工程教學的理念認同。面向未來,技術勢必會作為工程教育教學的變革性力量和內生性要素存在。長效推進智慧工程教學需要理念先行,據此高校要塑造師生的數字意識和思維。一方面,師生要深刻認識到技術在智慧工程教學改革和創新中的不可替代性。人工智能技術將傳統教學形態、結構和關系由表征教師中心的等級式“教師教-學生學”二元分立轉向基于人機協同與師生合作的“教學-技術-學習”三元交互,形塑一種與技術媒介共存、共生與融合的新型教學模態。另一方面,師生要理性審視智能技術變革工程教學的作用關系,走出技術完全替代人的教學活動抑或人的教學行為完全依附技術的兩極化誤區。高校師生既要認識到技術嵌入工程教學的輔助性工具價值,如淺層的課堂教學在線平臺、數字資源、動畫演示等使用,也要認識到技術改變和優化課程結構、教學時空、教學模式、學習方式、內容體系和師生關系的固有優勢,以及提升教學與學習的效率與深度、實現教學精準化和學習個性化的深層價值,確保師生認同、適應并自覺實踐智慧工程教學。

2. 強化數字技術素養、專業培訓和工程教學學術研究。智能技術與工程教學的深度融合和普及應用要求師生的教學專業素養和勝任力進行適應性調整與升級,不斷提升數智技能和智慧教學能力,避免技術過度依賴抑或不適應。首先,高校要供給專業技術指導與服務,打造一支智能技術嫻熟、水平高、經驗豐富與能力過硬的一流專業技術團隊,為工科師生的數智素養培育、技能發展和智慧工程教學實踐提供全流程、全環節、精準化和有實效的技術咨詢、問題指導和及時援助。其次,高校要加強師生智能技術教學培訓和學習,既要重點面向不同教齡、專業和層次的工科教師,根據不同工程專業課程模塊和類型施以專題培訓,也要普及學生的信息數字素質教育與實踐技能訓練,進而夯實師生的信息化、數字化和智能化技術知識與素養基礎,提升其運用數智技術組織開展教與學活動的綜合技能。比如師生要學習和掌握智能環境設施、移動通信設備、信息處理工具、網絡平臺系統、虛擬工程場景、AI助手等的使用與管理技巧和方法,數字化學習資源開發制作、整合應用虛擬仿真實驗實訓的實施技術與策略等,以及基于人機交互的智慧工程教學設計、實施和評價等教與學業務能力。最后,高校要支持工科教師積極實踐智慧教學并開展教學學術研究,結合具體專業和不同課程開展創新性設計、實踐和專門化探究,挖掘和揭示智慧工程教和學的核心特征、關鍵過程、運行機制與普遍規律,在實踐與研究中總結經驗、反思改進,確保智慧工程教學的高質量推進。

3. 增強智慧工程教學的政策保障與制度驅動。作為一項整體性和系統性改革工程,推動智慧工程教學從理念設計外化為實踐行動,離不開政策制度的保障和規制約束。一方面,高校要出臺智慧工程教學改革和建設的專門政策和制度,賦予工科教師推進工程教學數智化轉型的合法性支持,為教師積極參與和持續投入注入動能。另一方面,高校要構建與信息化、數字化和智能化相匹配的工程教學考核評估機制,將智慧工程教學實踐情況、成效與質量納入教師綜合考核指標與績效激勵清單,并根據教學的工作量、創新度、貢獻度與增值度施以分類分級獎勵,配套與教改專項、基金資助、績效獎勵、職稱評審、教學成果申報等直接掛鉤的傾斜性支持措施,引導和驅動教師提升智慧教學的主動適應力、行動力和勝任力,保障未來工程教學的提質增效。