杨 冬
(清华大学 教育研究院,北京 100084)
推进教育数智化转型、打造智慧教学新范式是数智时代的必然趋向。为主动应对5G、人工智能、虚拟现实、元宇宙等技术变革,教育部2018年发布的《教育信息化2.0行动计划》要求以人工智能、大数据、物联网等新技术为基础,依托各类智能设备及网络,开展智慧教育创新和示范行动,推动教育模式变革和生态重构[1]。2022年,数字中国和教育数字化战略全面启动,在顶层设计上赋予了智慧教育变革的合法性,构建数智技术驱动的新型教育教学模式自上而下演化为高校集体行动。实现网络、数智技术的全覆盖和深度融合,系统打造智慧教育教学新格局,俨然成为未来教育的内生需求和必由之路。
何为智慧教育?主流认识以教育技术学科为导向,立足技术与教育教学双向赋能视角,将其界定为一种技术驱动的未来教育范式,认为智慧教育既是智能技术在教育中深度应用的结果,也是智能时代教育全面转型与变革的方向[2]。在质的规定性上,智慧教育是一种与传统教育相区别的,具有变革性、创新性的教育形态,绝非简单线性的“教育+数智技术”。同时,智慧教育强调通过现代信息和人工智能技术的嵌入、耦合及深度应用,使教育教学系统和结构发生根本性改变,利用人机协同交互促进教育教学过程最优化与学习者发展[3]。概言之,智慧教育的核心是技术嵌入与赋能,重点是借助数智技术变革课堂教学结构,转变学生学习方式,探索和实践以学生为中心的智慧教育教学活动[4],全面实现教学创新升级与系统变革。
工程教育在高等教育系统中具有主体引领和示范效应[5],它是培养工程科技创新人才、驱动经济社会可持续发展、服务国家战略需求、增强国际竞争优势和决胜新一轮科技制高点的引擎和支柱。然而,我国工程教育目前存在“大而不强”的现实矛盾。囿于规模扩张和“重科研、轻教学”的人才培养现状,高校工程教学环境单一封闭、课程教学挑战度低、学生参与度不高、教学评价作用有限等问题久难破解[6],已成为制约工程教育内涵建设、转型升级和提质增效的短板。技术与教育的变革史证实,每一次新技术的突破和应用都会由外向内对各级各类教育产生革命性影响。从工程教育高质量发展和创新型工程科技人才培养战略需求出发,高校必须利用数智技术驱动工程教育教学的智慧转型和卓越发展,建构适应数智时代的智慧工程教学范式。
当前,数智化在催动科技、产业和教育变革上展现出了强劲势能,数智技术正向工程教学领域快速延伸。相关研究或从认识论角度指出人工智能、工业物联网、仿真模拟、增强现实等技术将系统改变工程教育教学模式[7];或立足新工科场景,探讨智能教育视域下新工科教学改革框架和实施路径[8],建立“人工智能+X”教学模式[9];或对标某一类工科专业及课程案例,围绕技术辅助教学创新,分析线上线下混合教学[10]、虚拟仿真实验教学[11]以及基于校企合作的实验设计与综合实习相融合的智慧实践教学等[12]的设计思路、操作流程、运行效果和行动困境;抑或审视现状,指出人工智能为工程教育开辟了新潜力和新动能[13]。这些研究虽高度肯定了技术在工程教育教学领域是不可或缺的,反映了智慧工程教学的不同侧面和类型样态,但总体停留在价值意蕴、概念阐述、平台技术和应然架构的基础性探索、经验化描述与碎片化构想阶段,多注重从数智技术影响工程教学的单一视角切入,而未涉及深层的技术嵌入问题,亦缺乏从数智技术与工程教学变革的逻辑关系、要素变化和内生过程角度加以全盘考量、整体设计和系统审视,无从为达成实质意义的智慧工程教学形态和模式提供有效的理论参照与实践助益。鉴于此,本研究以智慧工程教学是一个由工程教学技术、环境、活动和主体等交互而成的全新教学形态为逻辑起点,结合技术嵌入理论,立足智慧工程教学的整体性和系统性,聚焦技术变革工程教学的过程及关键要素的变化进行全面考察,剖析智慧工程教学的现实困境和推进策略,为智慧工程教学的持续实施和纵深改革提供理论之维和行动之径。
嵌入通常是指一个或一类事物介入另一个或另一类事物的过程和结果。技术嵌入理论源于信息技术快速发展对社会组织结构、治理方式与制度机制各领域产生的革命性影响,由奥尔加·沃尔科夫(Olga Volkoff)、黛安·斯特朗(Diane M. Strong)和迈克尔·埃尔梅斯(Michael B. Elmes)于2007年首次提出。他们立足批判现实主义视角,指出虽然已有结构理论、制度理论、参与者网络理论等解释了技术如何导致组织变革,但这些理论要么关注技术而忽略人的能动性,要么关注社会互动而忽视技术,为此其构建了有效整合二者的技术嵌入理论。该理论针对“技术如何嵌入组织”这一问题,认为在组织中引入信息技术会导致组织形式和功能变化,诠释了技术和组织交叉的作用方式、具体过程和机制。技术嵌入理论的精义和要点有三:第一,技术嵌入导致的组织变革体现在组织元素及其内在相互关系变化上,构成了技术产生推动组织变革作用的逻辑缘起或依据来源;第二,技术并非作为纯粹主观解释和构建的对象,而是一种能够对工作实践产生实际影响的客观存在物,以技术为中介的组织变革通过其物质条件、数据、行为和角色等要素的实质变化而发生;第三,技术引发组织变革的过程并非连续、渐进的,而是会历经结构化条件、社会互动、再生产三个阶段[14]。总之,技术嵌入理论肯定了技术作为中介引发组织变革的积极正向作用,强调由技术而致的组织要素及其变化是变革核心,且技术嵌入并不是线性固定的,而是需要经过特定的过程和环节。它所揭示的技术引致组织变革的过程和结果机制,以及技术和行动者的互动关系和作用原理,能够为我们分析技术何以系统影响且嵌入组织变革提供整体思路和框架。
本研究采用技术嵌入理论分析智慧工程教学变革的困境和策略具有较强的适切性和解释力。一是技术作为组织系统变革的内嵌变量在逻辑起点上与技术驱动的智慧教育变革是一致、统一的。智慧教育是未来数智时代工程教育教学的新形态,强调工程教学过程与技术的深度融合和创新应用,通过深层嵌入赋能工程教学模式变革和提质增效。二是技术作为中介对组织的物质、行为、数据和角色等要素具有变革性效应。本质上,智慧教育并非浅表机械的“教育+信息化”“教育+数字化”,而是突出新一代数智技术驱动教育教学系统的核心要素以及相互关系重构,通过教学环境、模式、评价和师生主体能力等的重新定义和再造[3],实现传统工程教育教学的组织转型、流程优化、模式创新和范式革新。三是技术催生组织变革过程不是碎片式、孤立线性地关注单个要素,而是需要技术、行为和人等诸多要素历经多个阶段的交互耦合。智慧教育的根本要义是借助智能技术工具促成人机协同合作,变革课堂教学组织结构和模式,探索和实践以学生为中心的智慧教育教学活动,实现教学的智能转型和效能增值[4]。这一过程涉及教育技术、教学活动与师生主体“三位一体”的互动,包括技术层次从数字化到智能化升级迭代,业务层次从效率提升到教育教学形态创新和组织重塑,人本层次通过信息化系统驱动实现师生思维、行为与技术有机融合[15]。因而,智慧工程教学由互联网、人工智能、大数据和虚拟现实等众多新技术系统嵌入工程教学“人、机、物”全域进行有机融合而生成,是一种数智技术与工程教学协同共生的全新形态。基于此,本研究构建了智慧工程教学的“四维度三层次”技术嵌入框架(见图1)和模型图(见图2)。
图1 智慧工程教学的“四维度三层次”技术嵌入框架
图2 智慧工程教学模型
数智技术作为新一代颠覆性和革命性技术,正向工程教育教学领域渗透。从互联网、移动通信、数字信息、虚拟现实等技术设备的引入和应用,到智慧教室、电子资源、网络平台、多媒体工具等教学软硬件和环境的改造升级,再到信息技术系统辅助的在线教育教学和双线融合教学运行,智慧工程教学改革正稳步向前。本研究依据智慧工程教学的技术嵌入框架和模型构成要素,从技术支撑、应用和适应的嵌入逻辑链和发展链审视发现,高校智慧工程教学现只具雏形,还处在边探索边实践的起步期,在智能化环境、多模态教学、多元化评价和数字胜任力等核心要素上仍存在嵌入性困境。
技术内嵌是智慧工程教学的固有属性。技术嵌入理论认为,技术构成组织常规行为发生和变革的先验结构条件[14]。依托新兴数智技术,打造时空开放化、虚实融合化、资源集成化、场景多元化、数据共享化、人机交互化的智能化环境,是智慧工程教学长效推进的物质性条件和工具性基础。现阶段,我国高校工程教学环境仍停留在信息化建设和数字化改造的初级阶段,整体缺乏多技术融合和智能化驱动,在技术设备、空间场景、数字资源、平台系统等软硬件工具的供给和建设上较为滞后和薄弱。
一是信息技术设施供给不足和工程场景建设不力。工程源于社会生产实践。高质量的工程教学要求具身特定工程场景和情境进行工程认知和沉浸体验。数智技术能够联通高校和社会、课内和课外、虚拟和现实,构建物理、社会和数字空间“三元立体交互”的工程场景,突破传统以教室、实验室和实训基地等固定时空和单一场域为载体的工程教学环境。实践中,工程教育数智化改革侧重数字校园、信息一体化平台、智慧教室、虚拟教研室、虚拟仿真实验平台和数字化实训中心等基础设施建设,接入互联网、计算机、多媒体、智能终端等网络通信技术和硬件设备,以及开发在线平台和电子课程资源,用以支持在线教学、混合式学习和数字化实验教学,抑或作为线下教学的辅助工具。譬如北京邮电大学在新工科“三贯通”教学改革中,提出建设100间智慧教室,开发应用互动研讨型、VR型、5G全息远程互动型、5G虚拟演播直播型等智慧功能,并基于教学云平台整合各类教学应用软件,建立与智慧教学适配的数据互联互通、资源开放共享、业务协同联动机制[16]。但症结是工程教育教学技术设施整体停留在初级浅层的网络设备普及和信息化产品接入层面,对增强与混合现实、知识图谱、数字孪生、大数据、深度学习、对话机器人、教育机器人等新兴智能技术的投入和应用并不广泛也不深入。工程教育教学环境缺乏内外贯通、虚实一体、人机协同的多元混合空间和智能工程场景供给,教室、实验室和工程训练中心等场所的实景自动导入、大数据动态记录、虚拟沉浸体验、人机实时对话等功能升级还不足。智慧工程教学的“技术支撑力”不足,阻滞了时空泛在、快捷高效、融合共享、虚实交互的工程教育环境生态形成。
二是数字工程教学资源类型单一且呈碎片化分布。传统工程教学资源以单一课程、纸质书本、专业教材和多媒体课件为介质。得益于智能技术特具的动态、可视、互联、共享等性能优势,工程课程教学资源将从线下纸本媒介向电子化、数字化形态转型,服务翻转课堂教学、混合式学习、跨学科学习和泛在自主学习。这既契合工程教育的立体沉浸认识与实践应用需求,也可展现工程活动的生成性、体验性和演化性。譬如国家高等教育智慧教育平台涵盖14个学科门类、92个专业的数字资源[17],其中工学分布最多最广,课程有7 000多门,涉及工科31个专业;虚拟仿真实验教学课程包括虚拟仿真实验课、线上实验课、混合式实验课3大类共1 574门。这类工程专业数字资源主要为电子课件、视频、音频、图片,以及粗颗粒度、样板化的网络视频和在线课程,单一工科知识形态的“课程包”居多,局限于单门课程教学的视频化、纸本资源的数字化以及在线课程的扁平式罗列,呈现分布零散有余而共享、整合和体系化不足的特点。并且现有数字资源对工程本体的实践属性关照不足,在工程作品实物、案例、模型、教材、项目、实验、专利、技术和场景等专业类资源库供给上严重缺位。单类型和碎片化的数字资源既无法展示工程知识的内在系统性和学科关联性,也不利于学生自主学习的选择和深度认知的建构,更遑论支撑能力导向的工程教学以及工程理论与实践贯通。
三是网络教学平台系统缺乏“强智能”精准开发。智能技术凭借网络、数据、程序和算法等集成一体化平台,能够将传统物理场域中工程教育教学活动的空间、情境、内容、流程和方法等数字化,支撑智慧工程教学按需开展、弹性设计和高效实施。技术与教育的深度融合催生网络学堂、雨课堂、腾讯会议等智慧教学平台、软件和工具,成为工程教育进行远程教学、在线教学和线下教学的关键设备和辅助手段。譬如雨课堂具备弹幕交流、生成词云、视音频直播、白板板书、在线监考、克隆班等功能,它通过融合微信等软件连接智能电脑、iPad或手机等移动终端来贯通课前预习、课上学习、课后复习和测验等环节[18]。这类技术产品和工具的使用虽趋于普及,但其功能应用却比较线性机械,限定在线上授课、远程视频、屏幕共享、资料上传、录课录屏、考勤签到、随机点名、答题测验等“弱智能”上。加之它们多是通用型教学平台,并不具备智能感知、数据记录、资源共享、实景匹配、精准推荐、合作学习和人机互动等“强智能”,遑论服务于工科专业教学的模式创新和流程再造,以及促进工程教学的多元化、精准化和个性化实施。如此,网络系统和数字平台被简单化为传统工程教学的替代工具,难以发挥其支持沉浸式工程教学、虚实工程场景结合、校企协同合作教学、个性化自适应教学、教学质量多元动态评估等高阶效能。
多模态教学是智慧工程教学的核心构件。技术嵌入理论认为,技术一旦实施就会形成组织常规。在社会互动阶段,组织元素变化会受到结构化条件的制约[14]。工业时代的工程教学是以“教”为中心的知识授课模式,指向工程知识批量传播、教学活动统一实施和工程人才规模化培养。进入智能时代,技术加剧了信息获取和知识传播碎片化,学习场景、资源和方式趋于无界化和泛在化,课堂教学从孤立封闭走向开放融合。智慧工程教学的终极指向是构建工程教学新模态,借助“技术之智”重塑工程教学理念、流程和方法,实现从“教”向“学”的全面转型和增效提质。但现实中技术的革新力相当有限,工程教育陷入“只见智能技术而鲜见教学创新”本末倒置的困局,导致智能化环境驱动的多模态融合式工程教学未能常态化和最优化实施。
一是工程科学范式下的知识性讲授教学路径依赖。现代工程具有复杂性、集成性、系统性和不确定性。智慧工程教学在目的观和内容观上不以工程知识传授和技能培训为核心,旨在依托智能技术改变传统工程教学的时序和流程,借助技术媒介、线上资源,依托翻转课堂、混合式教学等形式,将原本浅层的工程理论性教学交由在线平台自主完成,保障师生在课堂教学情境中共同围绕深层高阶的工程问题开展深度讲解和系统研讨,并借助数字化工具及智慧教学空间等智能匹配工程资源库和全息化、虚拟化工程场景,强化工程的立体式认知和沉浸式体验,推进教学面向复杂工程项目、情境和实践实训,从而打造适应工程范式变革的教学新形态,实现“转识成智”与“化智成行”。然而,囿于科学范式下工程教育“理科化”和专业化教育模式,工程概念、原理、定理和公式等讲授教学具有强劲惯性,讲知识、做习题、一言堂、探究少是工程教学常态,研讨教学、项目教学、案例教学、合作教学、体验教学等呈散点式、小范围分布样态。相关研究证实,传统工程教学在新工科改造中并未有效利用现代技术进行数字化、网络化和虚拟化拓展,教学模式仍以固化的单向“讲授”居多[19]。这种知识传授路径依赖导致技术赋能工程教学变革的实效甚微,成为工程探究、创新和实践的障碍,阻滞了工程思维培育和创新素质塑造,亦不利于复杂项目设计和系统工程问题解决。
二是线上线下融合式工程教学僵化低效。数智技术的指数级迭代创新会对工程教育教学产生革命性冲击,赋能教学场域从物理现实扩展至泛在虚拟空间,催生线上线下有机协同、一体运行的双线融合教学形态。在教育数字化战略引领下,在线教学和混合式教学等以超常规的规模和速度发展,工程教育教学正从传统单一固定的课内与线下时空向现代化的课外和线上情境转型。从形式上看,工程专业双线融合教学多是“线上技术+线下教学”的简单叠加,或以技术为载体的线上教学同步替代线下教学,抑或线上和线下教学异步开展,讲授方式大体一样,课堂本质未变,只是将线下理论传授迁移到线上,鲜少产生空间更替之外的混合变化、组合效应和集成意义。清华大学的全校性实践证实,线上线下融合式教学作为传统课堂与在线教育结合的新模式,虽从物理空间的传统形态转向物理与网络空间混合的新形态,实现“同步异地”教学,并借助技术工具和数据联结课前、课中和课后,增强了教学实时互动,但仍在人工智能、虚拟现实、增强现实等技术与数字资源驱动的教与学互动体验、资源整合、多元方式及质量保障等方面存有不足[20]。如此,工程教育线上教学沦为线下教学的“翻版”或“替代品”,双线融合教学的形式盖过实质,难以彰显技术融合学科内外、课内外、校内外、虚拟与现实等的信息资源优势与协同互补效能。
三是对标自适应的个性化精准教学边缘化。不同于工业时代的集中性和同质化工程教学,未来教学会在智能技术作用下向个性化转型,产生以学生为中心、智能匹配个体差异、满足个性化学习需求与偏好的学习方式,形成精准、个性和灵活的工程教学服务体系。譬如ChatGPT等对话机器人能够以“学伴”角色推送海量知识,提供自然语言对话、即时问答、文案制作、编程设计等合作学习服务;知识图谱技术可以支持构建工程学科知识网络、训练系统工程设计思维和探索工程结构与原理;大数据、神经网络和深度学习等技术能够实现工程学习投入、行为、过程和结果的动态记录、可视化画像和智能预警,为个性化教学方案定制、方式调整和路径规划提供决策参考。但现实中,工程专业个性化教育名不副实,存在“重顶层设计、轻教学实践”现象。例如北京大学在新工科人才培养理念、专业方向选择、课程体系构建和环境营造等“形而上”的制度机制上强化个性化教育[21],但囿于专业教育体系、班级授课制和教师权威中心,加之信息监测、数据分析、精准推荐、场景智能匹配、通用和专用大模型等技术和产品开发、应用不到位,新工科主要采用“常规”又“相似”的教学方式,即遵循同一专业方案,集中授课,学习内容与进度相同,而鲜少针对学生的学习基础、主体差异、个性状况及多元需求施以精准教学和差异化教育[8]。其结果是工程教学滞于“教到学”的线性态和“一对多”的程式态,难以大面积设计和实施个性化、精准化、自适应的工程教学。
四是工程理论与实验实践教学分离。实验和实践是帮助学生检验工程科技原理和提升工程动手操作与创新能力的关键途径。传统工科实验教学和工程实践通常被封闭在固定实验室和实训基地,学生只能定期进入企业、工厂和生产车间。当前工程实验实践教学的课时量偏少,以某“双一流”建设高校4个工程专业为例,自动化、机械工程及自动化、材料科学与工程、航空航天工程的实践学分占比依次为14.7%、16.4%、17.5%、14.7%[22]。人工智能、物联网、虚拟仿真技术等能够突破时空、环境和地域边界,通过智慧平台和软件工具创新实验实践形式,打破工程理论与实践教学的孤立与割裂样态。譬如信息数字和虚拟仿真技术可通过专用软件系统和数字工具完成对实验室环境、设备和对象的数字化模拟,丰富和拓展实验教学内容和形式,学生不进入实验室也能随时根据教学需求多次重复实验,深化工程科学的理论内化和技术应用。又如互联网和人工智能技术可以通过网络、算法和数据实现校企场景和资源共享、互联和协同,打破校内外多方合作育人梗阻,工程实习实训可在远程条件和数字平台中泛在化开展。囿于实验实践课程教学开设不足,缺乏从虚实结合和一体互补的角度加以体系化设计,智能技术和网络平台支持的工程远程实验、虚拟仿真实验、数字化实训实践未能常态化和规模化实施,整体流于碎片化或成为少数专业的“专属”,局限于简单易行的工程实验、模型、系统、工具或产品等模拟仿真和生产设计。其结果是工程理论和实践教学因技术鸿沟而难以实现智能贯通和信息联动,遑论强化工程认知、沉浸体验和实践能力。
评价是保障工程教学质量的“指挥棒”与“矫正器”。技术嵌入理论认为,数据嵌入是技术变革组织的核心元素,包括用户数据、实时数据和业务数据等[14]。数智技术具有推进工程教学评价智慧转型的优先属性,其凭借多模态数据和智能算法优势,借助伴随式收集、动态化追踪、自动化分析和精准化反馈等方式,有助于推进大数据驱动和证据导向的过程评价、结果评价、增值评价和综合评价的多元弹性实施。实践中,受数据、技术和工具限制,工程教学评价局限于围绕教学设计对知识习得和学习成效做出分数量化和等级优劣的结果性评定,拘泥于学科逻辑进行知识考试、纸笔测验,忽略过程性学习参与以及工程思维、素质与能力等的高阶发展,大数据驱动的多元化工程教学评价处于失位状态。
一方面,固定考试和作业题测的阶段性评价常态化,忽视了工程学习的过程性参与和成果产出。过程性评价是对学生学习的过程性投入、行为、成果和质量作出的价值评估和水平认证。互联网、大数据、云计算和人工智能等新技术支持工程教学过程性评价,通过网络平台和智能工具对学生课前、课中和课后的学习状态、行为投入、结果成效的全方位数据进行记录与智能可视化分析,能为教师客观、全面和科学评价学生的发展与教学效果提供透明完整的数据信息。当前工程教学阶段性评价虽已常态化,但形式和手段仍较为传统,缺乏信息技术驱动和过程数据支持,学业评价和考核大都通过课上习题测验、课后大小作业、期中期末考试、做项目、写论文等组合方式进行。相关研究指出,工程教学是以教材为导向的——教学靠教材、教师讲教材、学生学教材、考试考教材,教师除传统考试和作业外,无法有效使用其他评价工具[23]。其结果导致工程教学评价多是知识化、固定考试导向的,尚未充分利用数智系统设备实时动态采集和分析工程理论与实践教学中的学习参与、投入、合作、互动和实操等综合性数据,并纳入学业评价范畴,由此造成学生学习行为与状态、师生及人机交互、工程创新与实践训练、成果设计与产出形式等过程性评价缺失,阻滞了评价之于学生学习方式改进、教学质量提升和工程成果产出的功能实效。
另一方面,学分绩点导向的结果性评价占主导,缺少对标复杂工程能力的增值性评价。结果性评价是教师对学生工程课程学习成效作出的综合结果评定。增值性评价指向学业进步评价,测量一段时间内学生学业成就变化增量,强调学生的知识、能力和素质在接受特定阶段教育教学后的进步程度[5]。智能技术能够及时高效地识别、监测和记录学生在不同阶段、不同类型课程和不同实践场景中的工程学习行为、状态、结果和成效等多模态数据及其变化,凭借大数据快速汇聚、智能归类、高速运算、综合分析与自动反馈等功能支持增值性评价便捷实施。现阶段工程教学结果性评价占主导,高校教师主要通过量化等级和考试分数统一集中考核学生的知识存量和增量,将其作为工程学习效果和教学质量的主要评价依据,而对于非认知性、非结构化的工程兴趣、思维、素质、伦理、价值观、动手实操,以及复杂系统工程问题、方案、项目与技术的创新性解决、设计、实践应用能力的增值性评价应用不足。有关研究证实,工程教学评价以课程学分与成绩“供给”为主导,而非以毕业出口的人才“需求”为导向,默认完成学分和考试合格就能够胜任工程岗位[8]。考试分数和学分绩点导向的结果性评价方式、单一与片面的评价标准在弱化学生学习和发展的评价反馈和改进功能的同时,加剧了工程教学“理科化”和“学用脱节”的趋势,无法促进学生复杂工程问题解决能力、工程实践应用能力、工程系统设计思维与创新素质等的发展和增值。
师生作为工程教学的行动主体,其认同度和胜任力是智慧工程教学从理念设计落实为具体实践的“最后一公里”。根据技术嵌入理论,技术的角色嵌入和分配会使原有角色及其功能职责被重新定义与划分[14]。智能时代的技术以社会实体形式存在,人与技术关系将从独立分离的割裂状态走向协同合作的共生体。师生必须廓清工程教育情境中的人机关系及其身份划分与角色定位,主动接纳、适应和胜任人机融合共生的工程教学新形式。纵使时下技术作为重构工程教育教学范式的变革性力量已自上而下形成共识,信息化教学、线上线下融合教学、翻转课堂初具规模,但师生普遍对技术驱动的工程教学新模式存在意识迟疑、驳斥心理和被动适应等情况,师生的数字化素养欠缺、胜任力不强。
一是技术革新工程教学的数字理念与意识窄化。技术作为创造性变革力,在工程教育教学中的地位正由边缘跃向中心。以ChatGPT等新一代大模型、生成式人工智能和数字孪生、虚拟仿真等技术的应用为标志,技术的功能价值逐渐从最初单纯的教学辅助工具升级为构建教学新型环境和革新教学形态、方式和范式的核心驱动力。智慧工程教学作为多种新兴技术系统深度嵌入和耦合的新形态,绝非取代线下教学使工程教学完全在线化、网络化、虚拟化,而是利用数据共享、万物互联、场景沉浸、人机协作、虚实结合、内外协同等智能优势,创新教学模式和学习方式,提升工程教学效率和质量。但囿于工程教育的封闭性和保守性,人们对技术与工程教学的关系争论不休,在“禁止抑或变革”观念认识上莫衷一是。技术替代论认为技术手段、智能工具和数字空间会颠覆学校教育、取代课堂教学,极易弱化师生的情感、行为与思想,放大教和学的不自觉性、惰性和不适应性,虚化工程实际体验和实践应用。技术控制论认为在确定性模型、算法和程序规制下,人的主体性、创造性和建构性会被淡化和遮蔽,师生异化为技术附庸,难以促成系统化、精深化、高质量的工程教学。殊不知,技术智能正在以指数级速度迭代升级,人与技术、教育与技术愈加融为一体,技术对促进人的智慧发展和服务学习需求的固有价值不可替代。悲观主义的技术认知和滞后偏狭的数字意识反映出人们无法辩证厘清智能技术变革工程教学的历史必然性和正向功用,这会加剧数字技术和工程教育教学的对立冲突与二元分化,造成工程教学变革处于技术“打补丁”状态。
二是技术嵌入工程教学引致师生角色定位冲突。数智技术和网络平台在加速知识泛在化分布的同时,拓宽了知识生产和创新的主体、场域和情境,知识传播方式的网络化、数字化与智能化变得不可逆,这种变革赋能工程教育教学从理论主导的科学范式向实践主导的工程范式转型。在技术的深度介入下,大量工程理论知识教学活动会由智能工具分担或代替,教师不再简单定格为工科知识的传递者、教学者,而是转变成工程问题研讨、合作探究、项目实践、虚拟体验等高阶工程教学活动的设计者、引导者。学生不再是被动的知识接受者和专业权威依附者,而是发展为自觉主动的工程教学参与者、建构者和创新者。教和学的过程、方式和机制也因人机协同智能结构而变革,师生角色和关系由传统权威领导型的“师传学承”革新为与学习型社会和“互联网土著民”需求相适应的平等合作型学习共同体。因此,具身于技术场景,面对工程教学根深蒂固的“教师讲-学生听”被动式角色定位和行为惯性,师生普遍难以适应工程共同体新型角色定位。这种角色冲突导致师生未能有效利用数字资源和技术工具进行深度互动、合作探究和创新实践,难以根据工程知识创新、工程能力发展、工程伦理素质与价值塑造的“三位一体”质量观重构师生关系,因而成为智慧工程教学变革的阻力。
三是人与技术作为共生体的人机协同合作能力偏弱。智慧工程教学主张技术的有限负荷论而非万能包揽论,亦绝非用机器取代教师或技术颠覆传统教学,而是更加突出人与机器技术“和合共生”“一体协同”的双向互补关系。人机协同合作新型关系对师生在智能化环境中开展工程教学的技术素养、能力和专业水平提出了更高要求。依据信息技术与学科教学的整合模型,耦合信息技术素养、工程专业理论、工程实践技能和教学法能力是师生实施智慧工程教学的必备素质。教师需要以人机互动合作形式改变“照本宣科”形态,生成个性化、融合式、研究性、体验式等更具创新性和挑战度的高质量教学活动,确保工程教学从规模讲授向个性施教转变,学生学习从被动接受向自主深度建构转型。全国普通高校教师教学发展指数(2020版)显示,在1 226所高校中,373所理工类高校教师教学发展指标的校均分在六大学科类高校中仅列第4位,平均分处于最末位[24]。具体至教学胜任力上,相关研究证实,工科教师课堂教学能力普遍较弱,整节课讲授教学课件现象时有发生,教学水平并不高[25]。同样在学生层面,其人机交互的信息检索、资源应用、泛在学习、沉浸体验、交流协作、内容创造、伦理安全等数字技能、思维和素养亦存在不足[26]。这映射出工科师生运用数智技术开展创新性和挑战性工程教学活动的素质和能力偏弱,多停留在课件放映、电子板书、数字资源共享、在线互动等浅层上,基于数字空间、智能平台和智慧工具的工程混合式教学、翻转课堂教学、沉浸式教学、个性化教学、虚实融合实践教学等设计、实施和评价缺乏人机协同合作基础,因而难以适应智慧工程教学改革实践和卓越工程人才培养的需求。
智慧工程教学是未来工程教育的核心构成,是数智技术内嵌至工程教学耦合互构而成的高级形态。工程教育需要强化智能技术与环境基建,构建智慧教学范式,优化教学质量评价方式,增强数字胜任力,这是加快工程教学转型变革、培育创新型卓越工程师和实现工程教育现代化的关键。
技术是支撑智慧工程教学的基本元件,聚合多技术的智能化环境是智慧工程教学的实施底座。工程教育应借势大数据中心、人工智能、工业互联网等“新基建”行动,以技术升级换代和融合应用为导向,优化智能驱动的智慧教学环境。
1. 接入数智技术,完善工程教育教学设施场景。技术的系统集成和智联互通是智慧工程教学的基础支撑。高校应立足现有信息化技术条件和基础设施,引入和应用5G、云计算、大数据、物联网、人工智能、虚拟现实等新一代技术,健全网络通信、移动设备、在线平台和智慧工具等工程教育软硬件建设。在此基础上,高校还需智能改造和创新升级教室、实验室、工业训练中心等物理实体空间环境,建设工程教学数字空间和虚拟仿真工程场景,借助技术手段增强教学环境与行为智能感知、工程资源与场景智能接入、人机交流与协作智能互动,赋能教学时空和场域的虚实融通、线上线下融合、校内外智能互联,保障多元工程教学活动的实时共享、泛在可视、智能交互与高效高质。
2. 开发、配齐和整合数字化工程教学资源。与传统纸本材料相比,数字资源具有更加便捷生动、海量可视、可共享、更新快和绿色化等特点。高校要大力开发和配齐工程教育在线课程资源,如优质精品工程教育MOOC资源、教师自主设计和录制的SPOC课程资源和各大网络平台的工程专业教学资源等。同时,高校要加强面向工程实际和实践的案例库、项目库、技术库、实验库、场景库和企业资源库,以及中英文教材、教辅参考资料、专业书目和文献数据库等的数字化与整合性建设[5],从而弥合工程教学的“数字鸿沟”、破解“信息茧房”。
3. 建设智能化工程课程教学平台系统。教学平台系统是智慧工程教学的工具支撑,是以技术为媒介联结教师、学生与教学活动,实现工程教学线上化、线上线下异地同步或者混合式教学提质增效的重要依托。面向未来,高校可通过与第三方企业合作开发、优化抑或自建智能课程教学平台系统,集课前、课上和课后应用于一体,拓展和实现教学需求与偏好识别、教学大数据采集分析、课程资源自动推荐、工程场景智能匹配、个性化教与学精准设计与路径规划、智能对话讨论与群体合作学习、教学实时全景监测与质量评估等多元高级智能,以“技术之智”赋能工程教学质量提升。
技术是工程教学变革的内嵌变量和新兴能极。工程教育需要依托技术创新教学,重构人机协同的智慧教学范式。
1. 创新工程教学设计,从知识逻辑转向问题、实践和应用导向。智能技术正在加速知识的指数级增长和碎片化分布。智慧教育不仅改变了工程教学模式、形态、媒介和方式,更瓦解了教师作为专业知识权威的固化身份,倒逼知识本位的工程教学内容体系和组织形式变革,生成基于工程问题、实践和应用导向的教学设计。因而,推进智慧工程教学必须依托技术手段超越传统学科和知识逻辑,基于工程的复杂性、集成性和实践性等内在特点,从培养系统工程能力视角出发,突出教学内容编排的问题性、跨学科性、实践性和应用性。在此基础上,教师要结合数字化教学资源、网络在线平台和虚拟现实技术等,丰富和拓展工程教学内容呈现方式,增强学生对工程原理、问题、项目、生产和技术等的可视化、生动化和立体化感知及沉浸式体验,确保工程教学由封闭走向开放、由静态走向动态、由书本走向现实、由经验预设走向生成创造、由单一学科走向工程系统、由知行分离走向统整合一。
2. 深化人机协同合作,创建弹性灵活的多元化创新型工程教学模式。在传统工程教学体系中,信息技术作为辅助性手段存在,人与技术是分离的。智能技术的深度介入使教学平台、设备、媒介和工具日益具备智能属性,赋能工科教师专业能力提升,人机协同合作趋于常态。工程教学必须深化人机交互,充分发挥技术的智能优势与师生的内源智慧,根据工程课程类型、目标定位及教学内容需求与学生学习方案,灵活选择虚拟或现实、校内或校外、室内或室外、课上或课下等时空,按需推进翻转课堂、线上教学、线下教学、融合式教学等模式的弹性设计和实施,进而在技术支持下广泛生成和精准配备多元新型工程教学模式。
3. 革新工程教与学方式,从大规模标准化讲授转向个性化自主深度学习。在人机协同机制下,人工智能凭借强大的算法和程序,利用感知、推荐、匹配等智能支持进行精准化教学和个性化学习,机器技术、教师、学生构成教学共同体。一方面,教育机器人或智能教师助手等能够系统分担并高效完成大量简单重复、单向静态和低层次的知识集中讲授工作,使教师从标准化的知识讲授中解放出来,从事更具挑战性、创造性和多元化的工程教学活动。同时,在人工智能的合力协作下,教师能够及时获得每一位学生课前、课中、课后的学习行为数据与质量诊断报告,利用智慧教学设计与实施方案推荐等辅助性决策功能为学生学习提供精准有效的个性化指导和差异化教学。另一方面,学生通过智能平台和工具可按需与教师进行深层互动和高频交流,并在学习内容智能推荐、学习路径精准匹配、学习质量动态测评反馈等多重智能服务下自主开展学习活动,实现无边界和自适应学习。
4. 智能对接工程理论教学,强化虚拟仿真实验教学与实践实训教学。传统工程教育的理论和实践教学相互割裂、各成体系,智能信息技术能够赋能并支撑工程理论和实践教学双轨融通运行。一方面,虚拟仿真技术具有模拟和超越现实属性,能够通过智能技术还原、模拟和探索已知与未知工程领域,与实体实验室环境和现实工程条件的实验教学形成有机互补。工程教育需要结合工程理论教学环节大力推进虚拟仿真实验教学,对标确定性或不确定性的理论、方法和技术等开展反复验证和重复性试验,从而突破物理实验环境和条件限制进行更加复杂的工程技术创新实验活动,有效促进学生对工程科学和专业理论知识的直观深入理解与应用,同步提高其实验操作技能、技术动手实践能力和工程问题解决能力。另一方面,人工智能、物联网、区块链、远程链接等技术能够驱动高校工程教育教学与企业、工厂、车间、工程现场和技术生产一线等互联互通。高校必须依托智能技术升级实践实训教学场景、环节和校企合作育人方式,推进实践教学及其资源、方式的信息化和智能化发展,在配合和补给工程理论教学的同时,保障学生不受时空、地域和场所等因素限制而灵活开展远程在线、异地同步、虚实融合的工程实践实训活动,提升其工程综合素养和实践能力。
评价数据化是智慧工程教学的典型应用场景。智能技术凭借超强算法算力、万物互联互通、信息智能感知与存储、区块链分布式记录、大数据可视化分析等复杂程序和性能,赋能工程教学评价手段从人工化走向智能化,评价依据从主观经验走向客观数据[2],评价方式从终结性评价走向过程性评价、增值性评价与结果性评价相统一,评价标准从单一知识与考试维度走向以工程能力认证为核心的多元标准,实现基于大数据的动态、多维、科学和精准的工程教学质量评价。
1. 运用可视数据平台系统,实现工程教学质量数据信息的动态式、伴随式和全方位挖掘、记录、归类与整合。人工智能、大数据等技术支持下的工程教学评价系统能够实时动态采集多场景和全流程的学习行为和结果数据,建立透明完整的学习全过程数据库。高校要抓取工程学习的结构化和非结构化两类数据:前者包括可视化和显示度高的考勤签到、学习时长与学业完成度、课前-课上-课后学习量与核心内容掌握情况、习题测试与作答频率、各项作业完成情况与质量、各类型考试成绩等;后者包括大规模的课程全时段和学习全过程活动观察与监测分析,如课前预习准备程度,课中学习投入、互动参与、问答对话、探究讨论和知识建构,课后学习反思、交流与改进,以及具体至工程情境、问题和实践的工程意识、思维、能力与素质等综合反映学生学习态度与成效的多维数据。
2. 转变工程教学评价方式,开展大数据驱动和多元质量标准的科学立体评价。正如高校现有培养方案过分强调学生对相关理论知识的掌握和相应技能的提升[27],传统工程教学评价是教师对学生课程学习质量的单向度评价,具有考试分数导向、知识本位标准和结果主导等特征。智慧工程教学评价秉持人机协同理念,能够通过数字平台和智能系统整合线上与线下、虚拟与现实、课上和课下、校内和校外等不同空间的工程教学活动,集成工程理论教学、实践教学、自主学习、在线学习、合作学习、习题测验、作业成果、教学互动、行为感知等多元数据,提升评价效率与质量。一方面,高校要构建与智慧工程教学模式相适应的多元评价方式,利用人工智能和大数据技术改进结果性评价的同时,弹性推进过程性评价、增值性评价和综合性评价一体运行。另一方面,高校要开发多维学习质量评价标准,从工程理论知识、考试分数、学分绩点向学习过程体验扩展,注重学生在各类工程学习活动中的参与行为、投入表现、创新设计和成果产出等轨迹,以及工程实际问题发现与解决能力、复杂系统工程思维与实践应用技能、工程技术与项目开发能力等高阶能力发展,确保工程教学评价客观科学、立体全面与精确可信。
3. 推进评价结果实时反馈和精准应用,基于学生学习画像深化工程教学质量与效益。传统工程教学评价属于水平性认证,其促进“质量保障”与“效益增值”的发展性功能发挥不足。智慧教学环境下的评价不再受数据孤岛和信息壁垒限制。教师既可利用人工智能等技术集成的教学评价平台系统,对学生在课前、课中与课后等不同阶段的工程学习状态、行为表现和成果质量等开展全流程、全环节和全要素的数据记录和追踪,从而全方位透视和动态精准评估其课程学习成效与学业质量,完成工程学习精准“画像”;也可借助信息一体化平台统合机评、师评、他评和自评,对各类分布式工程学习数据进行横向关联比较、纵向深度分析和结果实时反馈,以可视化途径智能生成学习数据结果和质量评估报告。这有利于教师实时把握学生的学习进度与成效,预测学习问题,动态开展精准式教学干预和个性化学习指导,助力学生灵活调整学习方式,实现工程学习效能最大化。
网络技术、数字工具和智能产品的迭代创新和介入使工程教学在新理念、新模式和新方法交叠下发生深层裂变和转型,从而建构与未来卓越工程人才培养需求相适应的工程教学新形态和新范式。这种变革绝非表面上外化为技术在工程教学的纵深嵌入、智能升级与空间资源形式更新,而是实质上映射出从技术客体到人之主体的教学媒介和生态再生产,指向人机协同的工程教学观念转型与教学能力再造。工程教育必须提升师生的数字适应力和教学胜任力,促进智慧工程教学的专业化实施与质量的卓越发展。
1. 重塑技术变革工程教学的理念认同。面向未来,技术势必会作为工程教育教学的变革性力量和内生性要素存在。长效推进智慧工程教学需要理念先行,据此高校要塑造师生的数字意识和思维。一方面,师生要深刻认识到技术在智慧工程教学改革和创新中的不可替代性。人工智能技术将传统教学形态、结构和关系由表征教师中心的等级式“教师教-学生学”二元分立转向基于人机协同与师生合作的“教学-技术-学习”三元交互,形塑一种与技术媒介共存、共生与融合的新型教学模态。另一方面,师生要理性审视智能技术变革工程教学的作用关系,走出技术完全替代人的教学活动抑或人的教学行为完全依附技术的两极化误区。高校师生既要认识到技术嵌入工程教学的辅助性工具价值,如浅层的课堂教学在线平台、数字资源、动画演示等使用,也要认识到技术改变和优化课程结构、教学时空、教学模式、学习方式、内容体系和师生关系的固有优势,以及提升教学与学习的效率与深度、实现教学精准化和学习个性化的深层价值,确保师生认同、适应并自觉实践智慧工程教学。
2. 强化数字技术素养、专业培训和工程教学学术研究。智能技术与工程教学的深度融合和普及应用要求师生的教学专业素养和胜任力进行适应性调整与升级,不断提升数智技能和智慧教学能力,避免技术过度依赖抑或不适应。首先,高校要供给专业技术指导与服务,打造一支智能技术娴熟、水平高、经验丰富与能力过硬的一流专业技术团队,为工科师生的数智素养培育、技能发展和智慧工程教学实践提供全流程、全环节、精准化和有实效的技术咨询、问题指导和及时援助。其次,高校要加强师生智能技术教学培训和学习,既要重点面向不同教龄、专业和层次的工科教师,根据不同工程专业课程模块和类型施以专题培训,也要普及学生的信息数字素质教育与实践技能训练,进而夯实师生的信息化、数字化和智能化技术知识与素养基础,提升其运用数智技术组织开展教与学活动的综合技能。比如师生要学习和掌握智能环境设施、移动通信设备、信息处理工具、网络平台系统、虚拟工程场景、AI助手等的使用与管理技巧和方法,数字化学习资源开发制作、整合应用虚拟仿真实验实训的实施技术与策略等,以及基于人机交互的智慧工程教学设计、实施和评价等教与学业务能力。最后,高校要支持工科教师积极实践智慧教学并开展教学学术研究,结合具体专业和不同课程开展创新性设计、实践和专门化探究,挖掘和揭示智慧工程教和学的核心特征、关键过程、运行机制与普遍规律,在实践与研究中总结经验、反思改进,确保智慧工程教学的高质量推进。
3. 增强智慧工程教学的政策保障与制度驱动。作为一项整体性和系统性改革工程,推动智慧工程教学从理念设计外化为实践行动,离不开政策制度的保障和规制约束。一方面,高校要出台智慧工程教学改革和建设的专门政策和制度,赋予工科教师推进工程教学数智化转型的合法性支持,为教师积极参与和持续投入注入动能。另一方面,高校要构建与信息化、数字化和智能化相匹配的工程教学考核评估机制,将智慧工程教学实践情况、成效与质量纳入教师综合考核指标与绩效激励清单,并根据教学的工作量、创新度、贡献度与增值度施以分类分级奖励,配套与教改专项、基金资助、绩效奖励、职称评审、教学成果申报等直接挂钩的倾斜性支持措施,引导和驱动教师提升智慧教学的主动适应力、行动力和胜任力,保障未来工程教学的提质增效。
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