工程教育通识课程智慧课堂设计与实践

吴仁伦　侯运炳　杨胜利

［摘 要］中国矿业大学（北京）工程教育通识课程——能源开发概论课程组在智慧课堂教学设计总体框架下，设计了以“课内讲授”为基础空间、承载“习得”“交流”“资源”三个互动空间的基本联结模式，并将其内嵌到教学实践中加以扩充，形成了该类课程智慧课堂教学设计的整体框架与实操指导。该模式借鉴时空系统视角、学科交叉思维、教育教学原理、信息时代发展的基本理论与最新信息，优先结合学科特色、师生特点、可应用场景，实现了教学方法、学习内容、组织形式等教学要素的灵活组合及调整，有利于面向不同专业背景的学生开展工程类通识教育课程的教学活动，助力以理工科为特色的高校探索创新工程教育方式与手段。

［关键词］工程教育；通识课程；智慧课堂；教学设计；互动联结

［中图分类号］G64［文献标识码］A［文章编号］2095-3437（2024）02-0011-06

中国大学通识教育已进入第三个十年，随着信息化、数字化时代叠加而来，其讨论主题聚焦于对通识教育的边界界定[1-2]和教学实践的变革与创新[3-4]。同时，全面推进并深化工程教育改革要求进一步解放思想，打开思维边界，将工程思维贯穿整个教育和专业培养体系[5-6]。工程教育通识课程的教学任务被赋予了更多的质量要求与意义内涵。例如，教育结构的“再调整”倡导狭义和广义兼容的教师专业发展、专业与产业的合作创新、课程体系的优化或重构、学科知识的交叉及应用，要打开边界[5]；人才培养模式的“再突破”倡导对不同层次和专业的学生进行通识教育，以求适应技术前沿发展与全球化要求，以此紧跟甚至引领全球教育变革的时代浪潮；教学场景、教育技术、教学参与者等组织要素的“新变化”，促使教学设计要沿着 “金课”[7]思路，实践线上线下混合教学，采用虚拟仿真实验[8]等新的教学形式，具有高阶性、创新性和挑战度。

但是，短期内汇聚的超大信息量和课堂有限的固定时间量，让高校教师在探索课程优化时，容易面临教改受阻、学思受限，陷入意识与行动错频、认同度与实操感错位的困境。在学生方面，“00后”大学生对采用传统模式教授的工程教育通识课程表现出较低的兴趣度和参与度，不断反馈课下自学渠道受限、学习效果欠佳的主体体验，表达了对更新或变革课程教学设计的迫切诉求。

通识教育没有固定的形式，它总是随着时代的演进和育人目标的演化而调整教育内容与方式[9]。工程教育通识课程是将原本归属自然科学工程的专业课程调整为借鉴社会科学工程思维、融合社会科学和人文科学知识的创新课程。工程教育通识课程不仅强调广博性、融合性，而且强调应用性和复杂性，其教学设计的搭建与优化需针对整合创造、以生为本、系统创设、动态开发等特征进行前置性考虑和落实，这与智慧课堂信息化教学设计的本质及其主要特征[10]206具有较高的契合度。

一、互动联结模式基本单元的设计

（一）工程教育通识课程——能源开发概论的课程属性、培养目标和教学特点

能源开发概论课程是中国矿业大学（北京）面向全校本科生开设的一门以理工为主、以矿业与安全为特色、理工文管法经等多学科协调发展的工程教育通识课程。本课程旨在让学生对常规能源和新型能源开发的基本概念、基础知识、基本原理、主要方法和技术等有较为全面的认识和了解，为能源类专业学生后续的课程学习与实践奠定基础，帮助非能源类专业的学生拓宽视野，促进学科间的交叉融合，促进能源产业结构优化及产业链上、下游人才培养。

当下，前瞻性、颠覆性的能源技术快速兴起，新业态、新模式随之持续涌现[11]，能源产业全链条中既需要业务精湛的专业技术人才，也需要维系产业良性发展的复合型人才。能源开发概论课程自开设起，一直积极推动学科间知识在学习内化过程中的交叉融合，为与产业界的合作教育提供先导性知识储备。本课程基于已有平台（如采矿模拟实验室、采矿安全虚拟仿真教学系统），将课内讲授与模拟实践联结起来，指导学生在理解知识原理的过程中掌握知识在专业技术、产业链条等领域的实际应用及其产生的社会效益。

（二）互动、联结的概念在具有方向性的学科交叉中变得有序

互动，是彼此联系、相互作用的过程。在社会学和心理学范畴下，互动不仅发生在人类社会中的个体之间、群体之间，也能发生在各个功能系统和心理活动之间。联结，阐述样本的形成机制，也是心理原理的一个重要概念，具有与遗传并列、因环境不同而不同、后天自然产生、參与意识形成等多种特性。二者原无序列属性。在通识教育发展理论分析中，“大众化的高等教育目标分析模型”[9]展现了人文教育、专业教育、国民教育、职业教育的向量关系，从中可直观对应出工程教育通识课程在人文教育与专业教育的区位横跨，体现出以专业教育为起点、向人文教育跨越的方向性。对标智慧课堂教学设计的主要特征[10]153，将互动联结概念引入跨越式的方向路径中，使其在具有方向性的学科交叉中变得有序，是符合教学基本原理和师生实际需求的教学设计思路之一。

（三）时空系统视角下，构建以混合式学习为组织机制的教学设计模式雏形

在全球教育变革的大背景下，工程教育通识课程除了原归属的通识课程范畴，还被纳入工程教育范畴，承担了将工程思维贯穿整个教育和专业培养体系的部分期望，目标视野扩展到了更为宏观、更为立体的空间之中。多元融合的过程促进了师生双方身处更为紧密的、共存共在的交织网络，推动了教学设计置身于时空系统[12]的视角，重新审视其要素的组织性与有效性的作用发挥。

在教育技术领域的研究中，学者们以三大学习理论（行为主义、认知主义、人本主义）为基础，不断寻求更优的教学设计及其实现路径。其中，能够结合学科特色与师生特点、把面对面教学和在线学习两种模式有机结合[13]、具备基本教学模式和可设计性的混合式学习吸引了较多关注，其特点包括不存在“完整”的教学过程[14]，可将学习过程分成许多模块后再决定用最好的媒体将这些模块呈现给学习者[15-16]，具备“可兼容”的知识存在、“弱架构”的知识组织和“去中心”的知识呈现[17]。根据模式分类，混合式教学模式已成为智慧课堂的教学模式之一。经过比较课程属性、教学特征、要素特点等因素，互动联结模式选择以混合式学习为组织机制。

（四）双层立体结构是互动联结模式的基本单元

回溯教学目标之本，课内讲授是常规性教学活动的核心形式，也是使学生高效获得知识的主要渠道，其作用不可轻言替代。基于此观点，工程教育通识课程在试图突破单一教学形式的背景下，对哪些教学形式可以择优而用、以何种形式联结并实现互动增效，需要进一步的学习系统构建[18]思考。沿着“知道是什么、明白为什么和学会怎么做”[19]的教学内容基本逻辑路径，除课内讲授外，师生互动考虑了更多形式灵活、内容丰富的组织形式或交流媒介，希望实现学习者区分高、低阶的教学目标。综上思路，区别于混合式教学模式的平面基本结构，借鉴“空间规划”的实践研究思路[20]，互动联结模式的立体时空教学网络逐渐清晰：以参与者分类，以生为本，从人与手段、人与人、人与资源三个维度将师生互动划分为三个子空间，与课内讲授形成联结。

首先是人与手段的关系，主要涵盖学习的评估及反馈，具有定序延伸、反复互动的特性，称为“习得”模块，包括态度评价、作业测评、阶段性测试、课后总结等。“最近发展区”原则[21]认为，设计多样化的学习评估反馈，有助于修订前端分析和设计阶段，优化活动设计及开发，实现夯实掌握低阶目标、促进达成高价目标、评估课内讲授的实施效果。其次，建立良好的习得路径需要一个有效的平台展开平等对话[17]79。“交流”模块通过阅读、讨论、答疑等方式促进师生、生生之间的交流，实现交流与习得的空间互联。通过学习过程中的交流与合作，学生对自己和他人能产生新的理解，能有效与他人互动交往，能更好地做事[22]。最后，本科阶段的学生以致力于寻求知识内在价值的思想型，以及寻求知识原理本身和这些知识对于专业或者职业目的的外在价值的专业型为主[23]，教学资源对他们极具吸引力。设置“资源”模块，将资源发布、资源分享、课内体验、自主体验归集到一起，呈现出人与资源的互动联结关系以及实施进程。灵活的学习环境、开放的学习资源是资源与交流、习得的空间互联，延展了课内讲授的学习体验。

综上，从人与手段、人与人、人与资源三个维度构建的工程教育通识课程智慧课堂的基本教学单元，设计为双层立体框架的互动联结模式（见图1），底层为“课内讲授”，上层划分出“习得”“交流”“资源”三个网格空间。       [资源 ][交流 ][习得 ][课内讲授 ]

二、互动联结模式基本单元嵌入智慧课堂的整体设计与教学实践

自2020年起，能源开发概论课程教学已经尝试由课内讲授的单一形式转向基于双层互动联结模式的多元形式，结合现有及正在建设的教学资源，在实践中不断调整优化。

（一）“课内讲授”模块的设计与实践

能源开发概论课程的教学目标是使学生概念性掌握能源开发基础知识，了解能源产业的历史进程与发展前景，各章节含有主题性质的跨学科内容，适合采用主题联结课堂模式[24]，提取出平面化的单一专业知识，结合关联学科特点确定教学内容，由授课教师把握主题选取与教学情境。

实践举例一：开始阶段采用“先行组织者策略”，准备一类与认知结构中原有概念和新学习任务相关联的引导性材料，为外专业学生在已知与需知的知识间架设内容联结桥，促进学生形成正向学习态度。例如，面向经管类专业学生的课内讲授翻转设计能源（煤炭）产业链顺序，从下游的能源经济入手，将能源大宗商品贸易、能源开发技术与安全、能源与环境的关系等实例分析贯穿课程，让学生逐步认识到能源产业及相关领域具有的潜在价值，这是基于产业链条结构的先导性逻辑梳理。

实践举例二：案例分析作为产教融合的课程先导，有助于落实产、学、研的培养模式。教学内容中适当融入授课教师及其他教师的科研工作内容，通过实际的工程问题讲解教学内容中专业性强的知识点，实现理论联系实践。例如，通过对比不同高瓦斯矿区瓦斯抽采模式和瓦斯利用方法，让学生进一步了解瓦斯灾害的防治方法及瓦斯资源的开发利用技术。

（二）“习得”模块的设计与实践

“习得” 模块以学习评价呈现信息，主要依托云端化平台。在混合式教学模式研究中，虽已有研究完成了评价体系的设置，如杜世纯提出设置4个一级指标和14个二级指标[25]，但若直接移植到传统大班授课的实际教学情境之中，大量人力物力将耗费在基础、全面、细碎的多因素觀察及评估环节，这与教学培养体系对通识课程的投入度与期望值暂时存在较大偏差，难以实现全员覆盖与有效反馈，难以维持显著的教学效果并改善边际效应。能源开发概论课程因此精简了“习得”模块的一级指标，分别设定为背景与态度、学习与实践、测试与反馈。

实践举例三：课后练习的互联网思维及实践。如借助问卷星平台做阶段测试。学生扫描链接端口即可在线答题，提交后可即时对比教师提前设置的正确答案、分析课内学习的盲点，教师即时统计各题正确率，以了解学生对知识点的掌握情况。以互联网思维和技术调整后的课后练习不仅改变了测试的渠道和场景，而且提升了学生的参与度。

（三）“交流”模块的设计与实践

交流需要自主，自主促进交流。能源开发概论课程的“交流”模块设计基于自主学习策略[26]，选用了阅读行动、资料收集与协作学习、讨论答疑3个一级指标。

实践举例四：课程对浅显的内容采用学生自学和视频演示教学形式，对能源产业的前沿热点问题（如新能源开发）采用小组任务式的资料收集与协作学习教学形式，对存疑的内容采用抛出问题—引导讨论—分析讲解的教学形式，让学生为课堂提供丰富的外延内容及多样的呈现方式，让教育共同体变得更加灵活、生动，以此加深学生对所学的印象。

（四）“资源”模块的设计与实践

能源开发概论课程注重建设在线开放课程教学资源，用于课前预习和课后回顾，如进入现代化采矿实践教学中心开展2学时的实践教学，借助实体模型展示能源开发工业整体场景和开采工艺；利用以沉浸式显示和实时交互为主要功能的新一代数字媒体教学平台——采矿与安全虚拟仿真实验室教学系统，提高学生对知识的理解程度，增强学生的学习兴趣和真实体验。

资源平台一：配套的在线开放课程。课程组从教学团队中挑选出5名具有高级职称、专业知识基础扎实、教学经验丰富、科研水平高的骨干教师录制教学视频，结合配套的课程大纲和多媒体课件等基础资料，开发了一套16学时的采矿概论在线开放课程教学资源，上传至学校教务处在线课程平台，为学生课下灵活自学提供便利。

资源平台二：现代化教学模型观摩。利用已建成的系统先进、内容全面的大型采矿综合模型实验室开展实践教学。实验室内有煤矿开采综合模型、金属矿开采综合模型，以及月球采矿、煤炭地下气化、海洋采矿、地下水库等采矿新技术模型[27]。

资源平台三：虚拟仿真实验教学。采矿与安全虚拟仿真实验室教学系统是基于三维虚拟仿真平台的实验教学系统。该系统依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，与煤矿、金属矿的地下开采和露天开采的工艺、方法和技术相结合，构建了高度仿真的虚拟井下生产、露天生产和灾害环境，是一套以体系化、全方位的三维沉浸式感知和交互操作为主要功能的新一代数字媒体教学平台。学生通过该教学平台的虚拟仿真系统融入沉浸式情景中，体验采矿工程的生产环境、工艺环节和设备操作，延伸了实验教学时间、空间和形式，提高了学生的学习兴趣[28]。

（五）工程教育通识课程智慧课堂的整体教学设计

课程组基于四大模块的设计与实践基础，沿着智慧课堂构建的方向与思路[29]进行归纳整理，形成了工程教育通识课程智慧课堂整体教学设计框架（见图2），希望将教师和学生从被动的实体空间中解放出来，将教师的教、学生的学，与空间系统化的产业运营情境和不断变化的社会与市场需求联系在一起，实现工程类课程在通识教育大课程群组中的价值体现，实现教学不受时间、场域的限制，灵活开展。自2020年开始建设的能源开发概论课程智慧课堂教学设计已经在具体教学活动中逐步开展。

从近年学生总结性评教结果总分均值（见表1）变化来看，课程教学质量得到了明显改善。同时，在教学方法、教学内容、教学态度、教学效果、师生互动五个分项模块比较中，所有模块评分均呈现增长趨势。其中，“老师注重交流互动，讲课时能启发我们思考”“老师讲课表达清晰，教学生动，能吸引我们认真听课”“通过课程学习，我们在知识、能力等方面都有所收获，提高了学习兴趣”三个题目的评教得分增速最为明显。

三、结语

能源开发概论课程智慧课堂的整体教学设计与实践是工程教育通识课程教学实践改革的一次尝试，是对有效的教学原理、方法和手段的主动探索，注重推动师生形成教育共同体，鼓励教师灵活运用理论讲解、案例分析、视频演示、模型观摩、虚拟体验等教学方法和手段，引导学生积极思考、乐于实践，提高教与学的实际效果，凸显“育人”思想。

双层互动联结模式基于时空系统视角和学科交叉思维，分别从人与手段、人与人、人与资源三个维度形成了“习得”“交流”“资源”三个空间围绕“课内讲授”核心平台的教学设计假设，使能源开发概论课程的教学活动在智慧课堂教学原理基本框架下，运用信息化手段，具备可动态调整教学方法、教学内容和组织形式的多重特性，有利于推动面向不同专业背景的学生开展工程类通识教育，驱动学生思考能源产业在社会生活中的作用，引导学生置身能源战略布局中拓宽视野、建立全面的产业链思维，充分体现了学校“以‘矿业和安全为学科特色，多学科协调发展，着力培养能源工业精英人才”的人才培养指导思想。

［ 参 考 文 献 ］

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［责任编辑：周侯辰］