工程教育通識課程智慧課堂設計與實踐

吳仁倫　侯運炳　楊勝利

［摘 要］中國礦業大學（北京）工程教育通識課程——能源開發概論課程組在智慧課堂教學設計總體框架下，設計了以“課內講授”為基礎空間、承載“習得”“交流”“資源”三個互動空間的基本聯結模式，并將其內嵌到教學實踐中加以擴充，形成了該類課程智慧課堂教學設計的整體框架與實操指導。該模式借鑒時空系統視角、學科交叉思維、教育教學原理、信息時代發展的基本理論與最新信息，優先結合學科特色、師生特點、可應用場景，實現了教學方法、學習內容、組織形式等教學要素的靈活組合及調整，有利于面向不同專業背景的學生開展工程類通識教育課程的教學活動，助力以理工科為特色的高校探索創新工程教育方式與手段。

［關鍵詞］工程教育；通識課程；智慧課堂；教學設計；互動聯結

［中圖分類號］G64［文獻標識碼］A［文章編號］2095-3437（2024）02-0011-06

中國大學通識教育已進入第三個十年，隨著信息化、數字化時代疊加而來，其討論主題聚焦于對通識教育的邊界界定[1-2]和教學實踐的變革與創新[3-4]。同時，全面推進并深化工程教育改革要求進一步解放思想，打開思維邊界，將工程思維貫穿整個教育和專業培養體系[5-6]。工程教育通識課程的教學任務被賦予了更多的質量要求與意義內涵。例如，教育結構的“再調整”倡導狹義和廣義兼容的教師專業發展、專業與產業的合作創新、課程體系的優化或重構、學科知識的交叉及應用，要打開邊界[5]；人才培養模式的“再突破”倡導對不同層次和專業的學生進行通識教育，以求適應技術前沿發展與全球化要求，以此緊跟甚至引領全球教育變革的時代浪潮；教學場景、教育技術、教學參與者等組織要素的“新變化”，促使教學設計要沿著 “金課”[7]思路，實踐線上線下混合教學，采用虛擬仿真實驗[8]等新的教學形式，具有高階性、創新性和挑戰度。

但是，短期內匯聚的超大信息量和課堂有限的固定時間量，讓高校教師在探索課程優化時，容易面臨教改受阻、學思受限，陷入意識與行動錯頻、認同度與實操感錯位的困境。在學生方面，“00后”大學生對采用傳統模式教授的工程教育通識課程表現出較低的興趣度和參與度，不斷反饋課下自學渠道受限、學習效果欠佳的主體體驗，表達了對更新或變革課程教學設計的迫切訴求。

通識教育沒有固定的形式，它總是隨著時代的演進和育人目標的演化而調整教育內容與方式[9]。工程教育通識課程是將原本歸屬自然科學工程的專業課程調整為借鑒社會科學工程思維、融合社會科學和人文科學知識的創新課程。工程教育通識課程不僅強調廣博性、融合性，而且強調應用性和復雜性，其教學設計的搭建與優化需針對整合創造、以生為本、系統創設、動態開發等特征進行前置性考慮和落實，這與智慧課堂信息化教學設計的本質及其主要特征[10]206具有較高的契合度。

一、互動聯結模式基本單元的設計

（一）工程教育通識課程——能源開發概論的課程屬性、培養目標和教學特點

能源開發概論課程是中國礦業大學（北京）面向全校本科生開設的一門以理工為主、以礦業與安全為特色、理工文管法經等多學科協調發展的工程教育通識課程。本課程旨在讓學生對常規能源和新型能源開發的基本概念、基礎知識、基本原理、主要方法和技術等有較為全面的認識和了解，為能源類專業學生后續的課程學習與實踐奠定基礎，幫助非能源類專業的學生拓寬視野，促進學科間的交叉融合，促進能源產業結構優化及產業鏈上、下游人才培養。

當下，前瞻性、顛覆性的能源技術快速興起，新業態、新模式隨之持續涌現[11]，能源產業全鏈條中既需要業務精湛的專業技術人才，也需要維系產業良性發展的復合型人才。能源開發概論課程自開設起，一直積極推動學科間知識在學習內化過程中的交叉融合，為與產業界的合作教育提供先導性知識儲備。本課程基于已有平臺（如采礦模擬實驗室、采礦安全虛擬仿真教學系統），將課內講授與模擬實踐聯結起來，指導學生在理解知識原理的過程中掌握知識在專業技術、產業鏈條等領域的實際應用及其產生的社會效益。

（二）互動、聯結的概念在具有方向性的學科交叉中變得有序

互動，是彼此聯系、相互作用的過程。在社會學和心理學范疇下，互動不僅發生在人類社會中的個體之間、群體之間，也能發生在各個功能系統和心理活動之間。聯結，闡述樣本的形成機制，也是心理原理的一個重要概念，具有與遺傳并列、因環境不同而不同、后天自然產生、參與意識形成等多種特性。二者原無序列屬性。在通識教育發展理論分析中，“大眾化的高等教育目標分析模型”[9]展現了人文教育、專業教育、國民教育、職業教育的向量關系，從中可直觀對應出工程教育通識課程在人文教育與專業教育的區位橫跨，體現出以專業教育為起點、向人文教育跨越的方向性。對標智慧課堂教學設計的主要特征[10]153，將互動聯結概念引入跨越式的方向路徑中，使其在具有方向性的學科交叉中變得有序，是符合教學基本原理和師生實際需求的教學設計思路之一。

（三）時空系統視角下，構建以混合式學習為組織機制的教學設計模式雛形

在全球教育變革的大背景下，工程教育通識課程除了原歸屬的通識課程范疇，還被納入工程教育范疇，承擔了將工程思維貫穿整個教育和專業培養體系的部分期望，目標視野擴展到了更為宏觀、更為立體的空間之中。多元融合的過程促進了師生雙方身處更為緊密的、共存共在的交織網絡，推動了教學設計置身于時空系統[12]的視角，重新審視其要素的組織性與有效性的作用發揮。

在教育技術領域的研究中，學者們以三大學習理論（行為主義、認知主義、人本主義）為基礎，不斷尋求更優的教學設計及其實現路徑。其中，能夠結合學科特色與師生特點、把面對面教學和在線學習兩種模式有機結合[13]、具備基本教學模式和可設計性的混合式學習吸引了較多關注，其特點包括不存在“完整”的教學過程[14]，可將學習過程分成許多模塊后再決定用最好的媒體將這些模塊呈現給學習者[15-16]，具備“可兼容”的知識存在、“弱架構”的知識組織和“去中心”的知識呈現[17]。根據模式分類，混合式教學模式已成為智慧課堂的教學模式之一。經過比較課程屬性、教學特征、要素特點等因素，互動聯結模式選擇以混合式學習為組織機制。

（四）雙層立體結構是互動聯結模式的基本單元

回溯教學目標之本，課內講授是常規性教學活動的核心形式，也是使學生高效獲得知識的主要渠道，其作用不可輕言替代?；诖擞^點，工程教育通識課程在試圖突破單一教學形式的背景下，對哪些教學形式可以擇優而用、以何種形式聯結并實現互動增效，需要進一步的學習系統構建[18]思考。沿著“知道是什么、明白為什么和學會怎么做”[19]的教學內容基本邏輯路徑，除課內講授外，師生互動考慮了更多形式靈活、內容豐富的組織形式或交流媒介，希望實現學習者區分高、低階的教學目標。綜上思路，區別于混合式教學模式的平面基本結構，借鑒“空間規劃”的實踐研究思路[20]，互動聯結模式的立體時空教學網絡逐漸清晰：以參與者分類，以生為本，從人與手段、人與人、人與資源三個維度將師生互動劃分為三個子空間，與課內講授形成聯結。

首先是人與手段的關系，主要涵蓋學習的評估及反饋，具有定序延伸、反復互動的特性，稱為“習得”模塊，包括態度評價、作業測評、階段性測試、課后總結等?！白罱l展區”原則[21]認為，設計多樣化的學習評估反饋，有助于修訂前端分析和設計階段，優化活動設計及開發，實現夯實掌握低階目標、促進達成高價目標、評估課內講授的實施效果。其次，建立良好的習得路徑需要一個有效的平臺展開平等對話[17]79?！敖涣鳌蹦K通過閱讀、討論、答疑等方式促進師生、生生之間的交流，實現交流與習得的空間互聯。通過學習過程中的交流與合作，學生對自己和他人能產生新的理解，能有效與他人互動交往，能更好地做事[22]。最后，本科階段的學生以致力于尋求知識內在價值的思想型，以及尋求知識原理本身和這些知識對于專業或者職業目的的外在價值的專業型為主[23]，教學資源對他們極具吸引力。設置“資源”模塊，將資源發布、資源分享、課內體驗、自主體驗歸集到一起，呈現出人與資源的互動聯結關系以及實施進程。靈活的學習環境、開放的學習資源是資源與交流、習得的空間互聯，延展了課內講授的學習體驗。

綜上，從人與手段、人與人、人與資源三個維度構建的工程教育通識課程智慧課堂的基本教學單元，設計為雙層立體框架的互動聯結模式（見圖1），底層為“課內講授”，上層劃分出“習得”“交流”“資源”三個網格空間。? ? ? ?[資源 ][交流 ][習得 ][課內講授 ]

二、互動聯結模式基本單元嵌入智慧課堂的整體設計與教學實踐

自2020年起，能源開發概論課程教學已經嘗試由課內講授的單一形式轉向基于雙層互動聯結模式的多元形式，結合現有及正在建設的教學資源，在實踐中不斷調整優化。

（一）“課內講授”模塊的設計與實踐

能源開發概論課程的教學目標是使學生概念性掌握能源開發基礎知識，了解能源產業的歷史進程與發展前景，各章節含有主題性質的跨學科內容，適合采用主題聯結課堂模式[24]，提取出平面化的單一專業知識，結合關聯學科特點確定教學內容，由授課教師把握主題選取與教學情境。

實踐舉例一：開始階段采用“先行組織者策略”，準備一類與認知結構中原有概念和新學習任務相關聯的引導性材料，為外專業學生在已知與需知的知識間架設內容聯結橋，促進學生形成正向學習態度。例如，面向經管類專業學生的課內講授翻轉設計能源（煤炭）產業鏈順序，從下游的能源經濟入手，將能源大宗商品貿易、能源開發技術與安全、能源與環境的關系等實例分析貫穿課程，讓學生逐步認識到能源產業及相關領域具有的潛在價值，這是基于產業鏈條結構的先導性邏輯梳理。

實踐舉例二：案例分析作為產教融合的課程先導，有助于落實產、學、研的培養模式。教學內容中適當融入授課教師及其他教師的科研工作內容，通過實際的工程問題講解教學內容中專業性強的知識點，實現理論聯系實踐。例如，通過對比不同高瓦斯礦區瓦斯抽采模式和瓦斯利用方法，讓學生進一步了解瓦斯災害的防治方法及瓦斯資源的開發利用技術。

（二）“習得”模塊的設計與實踐

“習得” 模塊以學習評價呈現信息，主要依托云端化平臺。在混合式教學模式研究中，雖已有研究完成了評價體系的設置，如杜世純提出設置4個一級指標和14個二級指標[25]，但若直接移植到傳統大班授課的實際教學情境之中，大量人力物力將耗費在基礎、全面、細碎的多因素觀察及評估環節，這與教學培養體系對通識課程的投入度與期望值暫時存在較大偏差，難以實現全員覆蓋與有效反饋，難以維持顯著的教學效果并改善邊際效應。能源開發概論課程因此精簡了“習得”模塊的一級指標，分別設定為背景與態度、學習與實踐、測試與反饋。

實踐舉例三：課后練習的互聯網思維及實踐。如借助問卷星平臺做階段測試。學生掃描鏈接端口即可在線答題，提交后可即時對比教師提前設置的正確答案、分析課內學習的盲點，教師即時統計各題正確率，以了解學生對知識點的掌握情況。以互聯網思維和技術調整后的課后練習不僅改變了測試的渠道和場景，而且提升了學生的參與度。

（三）“交流”模塊的設計與實踐

交流需要自主，自主促進交流。能源開發概論課程的“交流”模塊設計基于自主學習策略[26]，選用了閱讀行動、資料收集與協作學習、討論答疑3個一級指標。

實踐舉例四：課程對淺顯的內容采用學生自學和視頻演示教學形式，對能源產業的前沿熱點問題（如新能源開發）采用小組任務式的資料收集與協作學習教學形式，對存疑的內容采用拋出問題—引導討論—分析講解的教學形式，讓學生為課堂提供豐富的外延內容及多樣的呈現方式，讓教育共同體變得更加靈活、生動，以此加深學生對所學的印象。

（四）“資源”模塊的設計與實踐

能源開發概論課程注重建設在線開放課程教學資源，用于課前預習和課后回顧，如進入現代化采礦實踐教學中心開展2學時的實踐教學，借助實體模型展示能源開發工業整體場景和開采工藝；利用以沉浸式顯示和實時交互為主要功能的新一代數字媒體教學平臺——采礦與安全虛擬仿真實驗室教學系統，提高學生對知識的理解程度，增強學生的學習興趣和真實體驗。

資源平臺一：配套的在線開放課程。課程組從教學團隊中挑選出5名具有高級職稱、專業知識基礎扎實、教學經驗豐富、科研水平高的骨干教師錄制教學視頻，結合配套的課程大綱和多媒體課件等基礎資料，開發了一套16學時的采礦概論在線開放課程教學資源，上傳至學校教務處在線課程平臺，為學生課下靈活自學提供便利。

資源平臺二：現代化教學模型觀摩。利用已建成的系統先進、內容全面的大型采礦綜合模型實驗室開展實踐教學。實驗室內有煤礦開采綜合模型、金屬礦開采綜合模型，以及月球采礦、煤炭地下氣化、海洋采礦、地下水庫等采礦新技術模型[27]。

資源平臺三：虛擬仿真實驗教學。采礦與安全虛擬仿真實驗室教學系統是基于三維虛擬仿真平臺的實驗教學系統。該系統依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，與煤礦、金屬礦的地下開采和露天開采的工藝、方法和技術相結合，構建了高度仿真的虛擬井下生產、露天生產和災害環境，是一套以體系化、全方位的三維沉浸式感知和交互操作為主要功能的新一代數字媒體教學平臺。學生通過該教學平臺的虛擬仿真系統融入沉浸式情景中，體驗采礦工程的生產環境、工藝環節和設備操作，延伸了實驗教學時間、空間和形式，提高了學生的學習興趣[28]。

（五）工程教育通識課程智慧課堂的整體教學設計

課程組基于四大模塊的設計與實踐基礎，沿著智慧課堂構建的方向與思路[29]進行歸納整理，形成了工程教育通識課程智慧課堂整體教學設計框架（見圖2），希望將教師和學生從被動的實體空間中解放出來，將教師的教、學生的學，與空間系統化的產業運營情境和不斷變化的社會與市場需求聯系在一起，實現工程類課程在通識教育大課程群組中的價值體現，實現教學不受時間、場域的限制，靈活開展。自2020年開始建設的能源開發概論課程智慧課堂教學設計已經在具體教學活動中逐步開展。

從近年學生總結性評教結果總分均值（見表1）變化來看，課程教學質量得到了明顯改善。同時，在教學方法、教學內容、教學態度、教學效果、師生互動五個分項模塊比較中，所有模塊評分均呈現增長趨勢。其中，“老師注重交流互動，講課時能啟發我們思考”“老師講課表達清晰，教學生動，能吸引我們認真聽課”“通過課程學習，我們在知識、能力等方面都有所收獲，提高了學習興趣”三個題目的評教得分增速最為明顯。

三、結語

能源開發概論課程智慧課堂的整體教學設計與實踐是工程教育通識課程教學實踐改革的一次嘗試，是對有效的教學原理、方法和手段的主動探索，注重推動師生形成教育共同體，鼓勵教師靈活運用理論講解、案例分析、視頻演示、模型觀摩、虛擬體驗等教學方法和手段，引導學生積極思考、樂于實踐，提高教與學的實際效果，凸顯“育人”思想。

雙層互動聯結模式基于時空系統視角和學科交叉思維，分別從人與手段、人與人、人與資源三個維度形成了“習得”“交流”“資源”三個空間圍繞“課內講授”核心平臺的教學設計假設，使能源開發概論課程的教學活動在智慧課堂教學原理基本框架下，運用信息化手段，具備可動態調整教學方法、教學內容和組織形式的多重特性，有利于推動面向不同專業背景的學生開展工程類通識教育，驅動學生思考能源產業在社會生活中的作用，引導學生置身能源戰略布局中拓寬視野、建立全面的產業鏈思維，充分體現了學?！耙浴V業和安全為學科特色，多學科協調發展，著力培養能源工業精英人才”的人才培養指導思想。

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［責任編輯：周侯辰］