“人工智能+新工科”创新型实践教学策略及开展方式探析

王 征 蔡长青 杨天乙 刘 辉

长春工程学院工程训练中心，吉林 长春 130012

2017年教育部积极推进新工科建设以来，先后形成了以“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”为主要标志的新工科建设发展战略与共识，并且全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。与此同时，面对着席卷全社会的人工智能浪潮，互联网时代的高等教育迫切地需要充分利用人工智能技术。借助互联网与人工智能领域的先进手段与研究成果，可以深化新工科实践教学领域的改革。通过人工智能与新工科建设深度融合，创新人工智能背景下的实践教学策略，优化实践教学内容与方法，推进新工科创新型实践教学模式的建设与发展［1-2］。

一、“人工智能+新工科”教育发展背景

（一）政策引导与发展方向

随着人工智能的深入研究与应用普及，人们的生活和学习方式得到了彻底的改变。2017年7月8日，国务院出台《新一代人工智能发展规划》指出，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程的应用，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。由此，在科技现代化高速发展的新时代，人工智能进学校上升为国家战略［3］。“人工智能正快速进入教育领域，既是教育改革的新工具，也是课程教学的新内容。”教育部教育信息化专家组秘书长、华东师范大学教授任友群认为，人工智能对部分现有工种的取代和对新职位的创造会给高等教育人才培养模式、内容和方法带来巨大的变化，并对深化教育体制改革产生深远影响［4］。

（二）新时代对应用型高技能人才的巨大需求

人工智能热潮带来新一轮产业变革，同样也带来对应用型高技能人才的大量需求。这些应用型高技能实践人才不仅需要掌握新工科的应用技能，还要能胜任人工智能带来的新型职业要求，能应对新型技术需求带来的新的挑战。作为“世界工厂”的中国，长期存在着应用型和技术技能型人才紧缺和不匹配的困境。据教育部、人社部、工信部联合发布的《制造业人才发展规划指南》显示，制造业十大重点领域2020年的人才缺口超过1900万人，到2025年这个数字将接近3000万人。巨大的人才缺口，必然倒逼新工科教育与人工智能先进的教育手段、研究成果相结合［5］。这里的“人工智能+新工科”并不是简单的两者相加，而是要充分发挥“人工智能”在新工科教育中的作用，将“人工智能”的创新成果深度融合于新工科人才培养实践之中，形成以互联网为基础设施和实现工具的工程类教育新形态，提升新工科教育的培养质量和创新力［6］。

二、目前新工科实践教学课程面临的困境

新工科的提出为高校工程教育实践探索提供了一个全新的视角。新工科建设既顺应了科技革命与产业革命引发的新兴工程类学科发展需要，也是对传统工科的升级换代［7］。在实践教学方面新工科建设存在的普遍性挑战主要包括四个方面：实践内容相对滞后、知识碎片化缺少整体性、教学资源不足、教学方法单一。

（一）实践教学内容相对滞后

工程类实践课程教学内容往往滞后于新时代智能化工程的应用现状，配套新技术实训项目相对欠缺，划分过细的专业设置又缺少多学科交叉融合的综合性实训课程支撑。因此，难以满足现代化工业对高端应用型技术人才的培养要求［8］。

（二）知识碎片化，缺少整体性

长期以来，工科实践课程知识点高度专业化，带来实践教学缺少整体性知识架构，知识点的连续性与层次性划分不够突出，碎片化现象明显，带来实践教学的案例要求与智能时代的具体应用存在脱节的现象。

（三）教学资源不足

工科实践教学中缺少合适的实训设备，表现在现有的教学设备相对落后。同时，智能化的实训设备严重不足，少量高端智能化的设备多用于科研领域，难以深入普及到教学实践之中。这些实践教学资源的不足，会带来实践教学形式化现象的发生。

（四）教学方法单一

工程类的实践教学方法单一，课程枯燥，并且难以理解，不易激发学生的兴趣和创新性意识［9］。同时，实践教学课程理论教学与实践操作学时分配不均，很难开展理实一体化教学。因此，急需探索面向新时代的工科实践类课程教学方法与开展方式的研究。

三、“人工智能+新工科”创新型实践教学策略

（一）教学目标方面

人工智能时代对学生的培养目标、能力要求和掌握程度都提出了新的需求。在教学目标上，人工智能时代要以“思维教学”为主线，既强调基于认知能力的信息加工、分析综合、逻辑推理等工程思维，还要增加和突出知识体系和工程能力的培养。具体落实到要强调基础性知识、方法性知识和能力性知识的教学，要注重教学原理的同时统筹实践能力与创新意识的培养。

（二）教学组织方面

人工智能环境下的新工科实践教学以“智慧课堂”为主要特征，人机交互、线上线下混合式教学成为主要教学形态。在课堂教学上由理论教学和综合实训两个部分组成，主讲教师可以综合运用人工智能技术辅助完成各环节的教学过程，在布置和批改作业、监督课程学习、知识点训练与考核、学习情况达成度分析等环节可以由人工智能程序来完成。可以说，人工智能程序就是一名隐藏在教学各环节中的虚拟教师，它让主讲教师从机械重复的工作中解放出来，去做更有价值的教学工作。

（三）课程设计方面

“人工智能+新工科”是在新工科教育的背景下，实现教学在数字化、网络化基础上的智能化应用。课程设计采用“互联网+”结合线下实训教学的融合模式，在线上教学中运用微课、教学视频演示、仿真动画模拟等现代互动教学手段，增加对基本原理知识点的理解；在线下教学中采用基于过程的任务驱动和案例分析的教学方法，通过实训任务的合理设计突出对应用型高素质技能的培养，其中的教学案例知识点均提炼于真实工业设计及应用流程，注重形成全流程教学反馈机制指导实践教学活动。

四、“人工智能+新工科”实践教学内容设置原则与方法

（一）教学内容设置原则

实践课教学内容的设置重点是突出工作任务与知识点之间的联系，使学生在实践活动的基础上掌握知识，这就要求增强课程内容与实训能力要求的相关性。在具体教学内容设计过程中，要充分体现任务引领、实践导向的课程思想，使实训任务具体化。课程内容打破学科课程的设计思路，其编排的依据是技能操作所特有的工作任务逻辑关系，而不是单纯的知识关系，提高学生的工程规范应用能力。学生具体的学习任务要以工作原理、结构设计、安装、调试与检测等能力为基本目标，要紧密围绕任务完成的需求来选择和组织教学资源。在学时分配上要充分考虑工作任务完成需要、学生的学习特点和职业能力形成的规律，综合教学内容总量及在该课程中的地位进行合理分配。

（二）教学方法与手段

实践课程的教学采用融合线上线下混合教学的方式，综合运用多平台开展交互式教学。运用递进式层次化教学方法，按照“基础知识—应用能力—创新实践”三层次组成递进式的实践教学体系，通过层次化案例式教学，使学生直观掌握专业技术的基础知识、分析方法和基础技能，培养学生探究科学的学习方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯和职业规范。尤其是能运用相关的专业知识、专业方法和专业技能解决现代工程中的实际问题，并为深入学习本专业有关后继课程和从事有关现代工程类技术实际工作打下坚实的基础。

五、实践教学案例

电气检修综合实训课程是电力系统及自动化专业必修的新工科专业建设实践类课程。课程确立了“以人为本，以教学目标为导向，以能力培养为本位”的教学理念定位。现以该课程为具体案例分析人工智能背景下新工科实践课程的教学模式与方法。电气检修综合实训课程采用线上线下混合式实践教学模式，线上以知识讲解学习为主，线下开展实践技能操作活动，以问题解决、能力培养为主。这种教学模式体现了线上和线下教学方式的互补性，充分发挥了线上和线下教学模式的独特优势，更加有助于促进教育质量的全面提升。

（一）线上教学阶段

电气检修综合实训课程的线上教学阶段利用了跨平台实训教学方式，课程采用腾讯会议、学习通和课程QQ群相结合的方式开展分阶段教学工作。三个平台的主要分工各有侧重，腾讯会议作为在线讲解授课的主要教学平台；学习通则用于布置日常作业并记录学生的签到考勤情况；课程QQ群进行实训辅导和课后答疑。在明确各平台具体分工基础上，综合应用以上三个软件平台开展教学工作。具体的实训教学过程分为如下三个阶段进行。

1.课程设置及备课阶段

授课教师在上课前将本节课的教学重点、课堂作业以及签到时间等信息布置在学习通中，学习通可以按教学环节的时间节点设定依次向学生发布相关信息。

2.课堂教学阶段

教师在腾讯会议中可以专注于课堂教学内容的讲解，并针对学习知识点对学生进行提问。在每个实训项目讲解过程中，首先，讲解电气设备基础理论及其原理；其次，针对检修操作中的技术要点和操作步骤进行详细的讲解；最后，结合播放教学视频增加学生对现场实际操作的直观认识。

3.课后辅导答疑阶段

课后辅导阶段教师可以将自己提前准备好的相关知识技能讲解视频上传到网上，并将教学课件和实训学习参考资料上传到课程QQ群中，以方便学生复习查阅。同时，使用班级课程QQ群与学生进行教学互动，解答学生对于学习知识点和实训报告的疑问。

（二）线下教学阶段

电气检修综合实训课程在线下教学过程中应突出电气实训任务与知识间的联系，将电路实践与理论教学内容有机结合，让学生在电工实践活动的基础上深化对电气专业知识点的理解，增强课程内容与电工技能能力要求的相关性，同时提升学生的电工规范应用能力。

线下教学内容方面，针对电气检修类课程的专业特点，将线下教学内容分为递进式的三类：原理运行维护类、拆装检修类和检测诊断类。这三种类型在具体教学内容划分上分别对应着电路基本构成、常用元件安装检修和复杂控制电路故障诊断三个教学层次。这三个教学层次又延伸出启发式教学、任务场景驱动和知识拓展三个教学模块。其中，启发式教学模块采用教师预设场景的方式引导学生思考；任务场景驱动模块明确电气设备电路学习的目标，并结合工程应用实际增加学生学习兴趣；知识拓展延伸模块扩展学生发散思维，培养创新性的职业素养。

六、结束语

面对人工智能时代“新工科”建设的发展趋势，应抛弃以学科理论知识灌输为中心的课程教学传统观念，要以现代工程应用技术培养需求为目标，深入开展人工智能与新工科建设的关系研究，对新工科人才培养的基本能力、专业能力、创新能力等要求进行剖析。实行跨平台线上线下混合式教学模式，优化更新实践教学内容，完善教学方法和手段，采取项目引领+任务驱动式的实践教学组合方式，使学生在教学项目的实训过程中，学到新知识，掌握新技能，提升新能力。