现代网络技术在工科教学中的应用分析

李江 李春 张万福

【摘要】随着互联网技术的快速发展，网络教学，如微课程，MOOC和网络公开课等，日趋成熟，已成为大学生第二课堂汲取知识的重要渠道。基于大学工科教学中严密逻辑、繁杂理论等对教学中可视化、虚拟化、立体化等的客观需要，在分析工科专业课程利用网络教学优劣的基础上，与传统授课教学特点进行比较，基于建构主义理论，提出了以传统教学为主导、网络教学和多媒体技术为辅助以及将学生置于学习中心的多方位工科教学途径。

【关键词】网络教学 传统教学工科教学 MOOC 建构主义

进入互联网时代，网络教学以其不受时间和地点限制、便于自主学习、适合群体多样化、内容和形式灵活多样以及海量学习资源等优势迅速发展，已成为各类教育的重要辅助教学手段。国内外许多著名互联网企业和教育机构重视网络教学平台建设，纷纷将其作为重点业务和发展方向。此外，大数据、云计算、人工智能等迅速发展和不断实用化，尤其是国务院发布的《新一代人工智能发展规划》中提出“逐步在中小学开展人工智能教育”要求，给在基础教育阶段就接受了良好网络教育的大学生的专业教学提出了新的任务与挑战。目前，网络教学种类多样，如各类网络公开课、高校精品共享课程、大量开放式在线课程、微课程等。为适应网络教育平台发展的大趋势，尤其是充分利用其独特优势提高教学质量，拓展教学资源，许多高校开始进行这方面的探索与实践。如思政课的教师发布作业“热点事件跟踪调研”，学生需利用网络持续的调查研究，形成自己独到的见解后与教师课上研讨;又如英语学习新理念教学管理系统已较成熟地运用在高校中;再如工科教学中，也开始利用课程中心和微信群等方式进行教学实践。网络教学逐渐被重视和利用，无疑对传统教学造成较大的冲击和挑战。国内大多以教师为中心讲授，导致教学对象的被迫接受，不利于发挥学生的能动性、主动性和积极性。但基于网络平台的教育手段也有其不足，尤其是工科教学中存在大量极具逻辑性、空间想象感的知识点，需要互动交流、教师临场引导、课上学习氛围的营造等，这显然是网络教学所无法达到的，就目前技术层面而言，尚在任何虚拟现实技术的能力之外。

当前对两种教学方式比较统一的认识是，各有其优缺点，即不能完全采用网络化，也应该发挥传统教学的优势和特点。但两者如何舍取，比例如何确定，针对工科专业学生群体如何开展网络教学与传统教学，还需仔细商榷。

针对上述问题，本文比较了新型网络教学平台MOOC和传统教学的各自特点，认为在大学工科专业教学中，传统教学方式仍不可取代，但应以学生为中心，引入建构主义理论，通过与环境的交互构建学生的学习体系。在网络教学大环境下，对工科教学的具体过程进行研究，借助网络手段可使教学体系更加完善。

一、网络教学

上世纪90年代后，随着互联网和计算机技术的迅速发展，网络教学开始兴起，并不断壮大。网络教学是一种利用互联网和多媒体技术，在专用的网络平台上实现在线教学与在线辅导、测试和交流，以学生为主体的远程教育模式。网络教学发展至今，已形成许多各具特色与特点的的网络教学平台。如美国的Coursera、edX和Udacity等;国内也有中国大学MOOC、网易公开课和清华教育在线等。目前，许多国内高校公开或内部提供网络课程学习资源，如各高校搭建的网络教学平台。

1.网络教学平台MOOC

MOOC（Massive Open Online Course），即大型开放式在线课程，又称慕课。2008年，由Dave Cormier与Brayan Alexander一同提出MOOC概念后，很快为世界范围内教育界所接受，仅2012年美国的Coursera、edX和Udacity三大MOOC平台，就有数十万名用户在平台上注册并学习。2012年《纽约日报》将该年度称为MOOC元年。MOOC平台颠覆了传统教学中课堂时间和空间的限制，使教育对象有自主的选择权，且授课教师不受地理区域和任职单位限制，自然地形成了名校名师的优化“师资”队伍资源，其影响与效果则不言而喻。此外，MOOC平台较好地实现了传统教学中十分重视但较难开展的“因材施教”，为全面实现分层次教学提供了重要技术保证和新方法。对不同层次教育对象，如教育发达地区和欠发达地区的学生因教育程度导致的知识水平差异（外语、计算机水平等）和个人素质差异，提供了“各取所需”的教育资源。

2.MOOC课程学习机制

作为专门的网上的教学平台，MOOC平台上的学生有自身的学习体系。选定学习课程后，学生自主选择时间，上线研习教学视频。每个章节均布置有课后作业，学生需认真作答且与其他同学互评作业，在实现互动的同时，加深对知识的理解。每一章学习结束后的测试题用以检验学生掌握本章知识的程度。若测试分数过低会影响期末总成绩，学生此时反思自身的错误与不足，重新学习并在线与教师和同学交流，解决自身的疑惑。最后，参加线上期末考试，总分合格后即可获得本门课程的结业证书。

MOOC的每次授课时长一般为10～20分钟，以实际案例帮助学生理解授课中概念。在视频学习过程中还会给出测试题，以确保学生的注意力集中。在线上答疑论坛，教师会及时帮助解答问题，学生间也可讨论与交流，保证其不断地回顾与反思。在重复答疑、观看视频以及测试等过程中强化自身所学，保证学习质量。

可以发现，MOOC的学习机制是在学习，反馈，进一步学习中强化习得。学生的习得与期望值比较，若有偏差，则会及时反馈，重新学习，最终达到期望的掌握水平。但学生在意识到偏差后必须及时地反馈调整，对学习者自我约束要求非常高，若不能主动地调整状态、克服畏难心理，就很可能出现半途而废无法修完课程的情况。

3.MOOC特点

第一，优质的资源共享。目前，录制MOOC视频的教师皆来自于名校，對于课程的理解较深刻，可以简洁明了地把问题讲清楚。MOOC是交互式的在线学习平台，无疑为因各种原因无法实现大学梦的人员提供了极大的便利。2016年，我国的农民工数量已达2.82亿，相较于往年，农民工的受教育水平已有提高，但仍有较大提升空间。有研究表明，农民工是非常好学的群体，渴望进一步接受教育，而MOOC给他们提供了一个优质教育资源共享的平台。在教育资源相对落后的地区，同样可以在线学习高质量的课程。长期以来，区域性差异导致我国教育资源不均衡，而通过网络教学的方式能够有效缓解这种尴尬的现状。

第二，自主的碎片化学习方式。MOOC平台中一次课程时间较短，且不限学习的时间和地点，这就使得在任意零碎的时间里，通过移动端学习成为了可能，也为以学生为中心的教学理念提供了实现条件。在MOOC平台下已全无教室的概念，也不存在上课时间一说，只要流露出学习的想法，图书馆、宿舍、车站、旅途中都可成为学习的地点。在这些有限的时间，可以反复研习教学视频的片段，有效利用了碎片化的课余时间。

第三，学生的高自我要求。由于视频时间较短，对于内容的掌握还停留在表面，若学生无一定的课程基础，会感到十分困惑，无法深入学习课程。此外，视频中教师无法与同学面对面地交流，也很难调动学生的积极性和学习兴趣。

大学生在步入大学之前，学习是“强制性”的，学校制定了严苛的学习制度，加之班主任时刻的监督，班级中学生的纪律性较高，学习十分有规律且计划明确，同学间良好的学习态度和共同进步的学习氛围使得自律性进一步增强。而MOOC平台的课程为非强制类型，学生在学习课程前，并未制定详细的学习计划，生活中也无人督促。一旦学生觉得复杂难懂且无吸引力，便失去了学习动力，无法坚持学习网络课程。2013年，上海交通大学的首批课程在Counsera平台上推出，以《数学之旅》为例，其最终的结课率仅3%。学生较差的自律性是导致结课率如此低的重要原因，故MOOC平台的学生需具有更高的自我要求。

第四，MOOC平台的完善与规范有待加强。由于参与MOOC的教师大多来自高校，需承担繁重的教学工作以及科研工作，精力有限，因此很难完成做到在线实时答疑。为及时、高效地帮助学生解决疑难，平台必须对答疑平台监管，有效利用起答疑平台，真正帮助掌握课程要点。此外，由于期末考试无法现场监管，证书的含金量相对不高。如何让证书更能体现自身的价值，加强MOOC平台证书的影响力和社会认可度，仍是平台亟待解决的问题。

二、传统工科教学

传统教学是在固定时间，有限数量的学生于教室中现场接受教师讲解，从中习得知识的过程。场所、学生乃至教师固定不变是传统工科教学的主要特点。教师利用板书、教材、挂图和PPT等方式，向学生教授专业知识。鉴于工科教学中的知识点较为复杂难懂、逻辑性强以及需要高度的空间想象和抽象能力等，很多高校设有课下答疑等，如上海市高校自2012年启动“市属本科高校骨干教师教学激励计划”试点工作，就明确规定了一线教师在每一学期的自习辅导和坐班答疑时间。学生可充分利用现场互动的机会与教师进行面对面的交流，教师亦可充分利用实物、语言和形体等现场条件实现答疑解惑，消除学生课堂上理解知识点上的误区和难点。因此，现场感、真实感是这种教学方式的主要优势。传统工科教学主要有以下特点：

1.时空的限定性

学生需在预先确定课表安排的时间和地点上课，生活学习因此较为规律，却也显得教学略有呆板，未能充分考虑在此时段的学习效率、学生情况（如生理、心理）等具体因素。教务处安排课程时，在不适合运动的时间开设体育课、大学各年级课程安排次序和比重不合理、各教学楼（区）相距较远以致无法在课间时间步行赶到等现象在国内高校并不少见。极少考虑人类接受知识需要适当休整和调节的自然规律，不利于学生学习的系统性。

2.教师为中心的教学导向

授课教师往往按自己的思路与理解讲授，授课内容、进度全都由个人决定，自然地形成了教学过程中以教师为主导地位的教学模式。这种教学方法显然未能考虑到受教育对象在悟性、智力和知识储备等的差异，很难适应每个学生的节奏。我国自1999年高校扩招后，接受高等教育人数急剧上升，毛入学率由1999年的10.5%增长至2016年的42.7%，十七年间毛入学率翻了两番。进入高等教育普及化阶段的情况下，教学人数快速增多，这种以教师为中心教学方法的弊端就愈突出，也很难体现“为了学生的一切，为了一切的学生，一切为了学生”的教学理念。

3.良好的师生关系与学习氛围

根据学生的理解状况、听课氛围甚至眼神的流露等，对进度和内容进行微调，还可通过自身教学风格带动学生的积极性，活跃课堂气氛，学生能够较为快速地进入学习状态，达到提高授课效果的目的。而网络教学较难实现近距离的临场接触和实时提问，长期“孤独”状态下的教学环境，缺乏与同学和教师的交流和互动，加之学习场地的任意性和时间的零散性，难以让人集中注意力。

更为重要的是，作为教育者，教育的目的不仅为传授知识，更需要在整个教学活动中通过教师自身的行为，在潜移默化中影响学生的性情和品质，帮助学生更加独立地全面成长，即所谓全方位育人。在长期的教学过程中可以培养师生间深厚的情谊，有助于学生情感的发展和价值观的塑造，而碎片化的时间和毫无情感的教学视频显然无法实现上述功能。从这个角度，网络教学是技术层面的理性教学，而传统教学是情感方面的感性教学。

4.相隔较长的授课周期

传统理论教学过程中，一门专业课程一周只有一次或者两次，使得在此期间，出现了较大的时间断档“真空”期。德国心理学家艾宾浩斯研究发现，遗忘在学习之后立即开始，而且遗忘的进程并不是均匀的;最初遗忘速度很快，以后逐渐缓慢，提出“保持和遗忘是时间的函数”。若在学习后的几天内不及时地温习，会出现大量的知识遗忘。教学相隔时间较长，知识体系的连续性被阻断，对学生的学习非常不利。为此，每次授课前“浪费”一定时间“温故知新”般地重复已授内容成为有经验教师提高授课质量的一种不得已的“常态”。

三、基于网络教学的工科教学改进

在“大众创业、万众创新”的战略背景下，创新型、工程型人才培養自然成为现代工程教育的主要目标。通过对MOOC平台教学与传统工科教学的详尽分析，可以看出，网络教学在提供优质学习资源、自主性和以学生为中心等方面表现亮眼;而传统教学中教师现场引导和培养感情、健全人格方面的巨大作用不可忽略。结合网络教育与传统教育方法的各自优势，取长补短，强强结合，形成以学生为主体，教师为引导，传统教学和网络技术贯穿于整个教学过程的新型教学模式，营造良好的学习氛围、激发教育者的学习积极性和主动性，在提高教学效果和教学质量的同时，实现创新性、工程型人才培养目标。

于教育者，作为对课程内容熟稔，教学经验丰富的教师，要先于受教育者找到自己的定位，要充分认识到自身在教学道路上起到的“指引明灯”的作用，是辅助学习的引路者;调整自身的教学计划，以适应“以学生为中心”的新型教学模式，让受教育者有更大的互动空间和更强的学习欲望，而非仅仅在讲台上“唱独角戏”。同时重视网络手段的运用，发布在线任务，与同学在网络平台互动交流，增强学习的研究深度和时间广度。需充分发挥网络手段的优点，并结合传统工科教学特点，全面挖掘学生“创新型、工程型”特质，以符合当今社会所需科技人才的要求。

于受教育者，首先应做好新教学模式下从被动的知识接受者转变为知识探索者，这一转变对于接受了12年基础教育，刚刚步入高校的大一新生尤为重要。这也从另一个方面表明本文提出的新型教学模式在基础教育推广的重要性，宏观上此为一项庞大的系统工程，需要政府的教育部门从政策层面引导和推进。在这种模式下教师角色转变为学生在知识探索的“助推剂”，学生也要有锲而不舍的钻研精神，完成从“听者”到“问者”“思者”的转变，从被动接受到主动感悟的转变。

1.基于建构主义理论的课上教学体系

在教育领域，建构主义理论从属于认知主义理论，强调学习需要外部刺激与内部心理行为相互结合，以使受教育者形成完整的学习体系，即认识并非简单在人脑中直接的反映，需要在原有习得的知识之上进行建构。必须通过接受外部刺激后，受教育者方能建构新的知识体系。该知识体系绝非一蹴而就，必须基于受教育者在与外部刺激多次反馈、互动中逐步改进形成。这与否认受教育者应具有认识能动性的机械反映论完全不同。当受教育者成为主体时，在接受教师的刺激后产生体会和疑问，与教师互动，达到解决疑问、加深体会的目的。同时，在共同协作完成教师所给课题的情境下，接收到同学间的相互刺激，又可能产生新的疑问，彼此间反馈互动，从而主动地逐步习得需学知识。

在MOOC模式下，学生充分掌握学习的时间和空间，在学习的方式和灵活性上也做到了以学生为主体。但也存在学生只能被动地“闻”与“视”，刺激源仅为屏幕中教师，且只能通过单方面语音和少量动作进行刺激，学生无法架构自身的知识体系。

基于建构主义理论，学生成为直接参与建构知识体系的主导者，而教师则变为学生在课堂上接受的主要刺激源，启发学生思维，引导其知识体系的构建。教师的功能是外界刺激源，其辅助作用十分必要，刺激的手段也应时刻以学生为中心。但建构主义理论下强调多刺激源，即教师不是唯一刺激源，学生间的交流与讨论刺激也尤为重要，如其他学生在专心听讲、认真笔记、积极与同学和教师交流、讨论等，形成了学习环境与氛围的刺激，有助于引导其他学生集中注意力，参与到与教师、同学间的互动中，从而快速架构出自身的知识体系。教师是教学过程中反应的引发剂和催化剂，而学生间的刺激是反应分子间的不断碰撞，产生新的知识体系。

有经验的教师将学生分为若干组交流与讨论的做法即是这一理论的具体应用。参照开展学术、科研项目的基本流程，首先给出某一课题，通过文献、资料获取和研读，提出研究方案、方法、内容和技术路线，并对可能的创新有预想，然后按制定流程开展工作、得出结论。这一过程强调学生自主完成，教师只负责定期的指导、监督进程和对最终结论的评价与建议。学生在此过程中自主学习的综合素质和能力得到增强，该过程的本质即是基于构建主义理论，使受教育者在不断接受外部刺激促成知识架构的形成。

2.应用网络技术建立课下教学体系

首先是线上学习平台的建立。目前，在课上已广泛采用的多媒体教学，使课堂变得活跃、有趣和生动，为展现形象化、具体化的知识发挥了积极作用。相应地，在课下引入网络教学手段，打破时空限制，充分利用学生的课余时间，有助于加深理解和拓展课内相关内容的学习任务。如此，一方面可针对学有余力学生知识的拓展;另一方面对多数学生起到辅助和加深理解的作用。此不但利用了网络教学的便捷性，并延伸了传统教学的广度和深度。网络学习任务亦可按不同类别供学生选择，如对全体学生必须完成的“规定动作”基础类、对学有余力学生自由决定“可选动作”的拓展、加深和强化类等。

其次是线上交流平台的建立。为便于教师与学生更好的交流，需建立如邮箱、QQ、微信等线上平台。此外，教师和学生可通过在线答疑以提高工作效率。此可作为对部分高校，如上海市市属学校实施的教师坐班答疑、自习答疑等传统答疑方式的补充和加强。国内部分高校开展的各类传统答疑方式，虽然校方对教师制订了严格要求和激励措施，广大教师也十分重视，但在规定时间内“空等”的高发更突显了线上交流平台建立的重要性。

采用类似于网络直播的方式，开展网络教学的实时交流，即师生之间的在线视频交流，以更接近现场感的方式提高交流效果和质量。学生也可将问题通过网络上传，教师则可通过数位板等实时解答、推演复杂公式的推演或解题过程，此可很好地弥补以PPT方式未能提供在推演过程中留给学生思考“间隙”的缺陷，而在推演过程的传统板书时间，对学生理解知识十分重要。以这种方式的在线答疑能最大限度地“还原”传统的真实答疑，保证答疑质量的同时又节约了师生双方时间，实现资源利用的高效性。

通过在线交流平台，学生可自由地相互讨论、交流和学习。通过网络课前预习和线上答疑等方式可有效帮助学生系统全面地理解课上讲授知识，实现多维度、全方位的外部刺激，加深学生对自身知识体系的构建。为此，本文提出了基于构建主义理论强调外部刺激，以学生为主体的新型工科教学模式，其流程如图1所示。

在课前，教师发布在线课程任务，学生根据任务查询书本参考文献，对下一学习章节自主预习。教师也可在线与学生交流，得知学生在预习时出现的主要问题，在课上授课时即可“对症下药”，巩固学生的薄弱环节。在课上教学中，教师根据教学内容安排相应的问题，要求小组协作完成，之后教师系统地点评，指出不足之处并改正。课后教师发布作业和在线测试题，检验学生在课前及課上的学习成果。若学生在任一环节有迷惑之处，可与教师在线答疑交流。在课前、课上及课后三个重要的教学环节，都突出和加强了教师与学生间的联系，同时学生自主学习的能力得以大大加强，与知识的联系更加紧密，有助于其形成较为完整的知识体系。

四、结语

本文在分析网络教学和传统教学模式各自优劣后，基于强调刺激的建构主义理论，提出了新工科背景下高等工程教育中在坚持传统教学模式的同时，应坚定以学生为中心的思想指导，教师为学生建构知识体系的引导者。借鉴网络教学中可随时随地学习、方便快捷的特点，适当引入在线教学预习，在线答疑，在线同学互助等措施，增强学生学习的主动性和全面性。教师应制定详细的教学计划，帮助学生课下预习的同时，在课堂上引导学生提出问题，解决问题，加强其主观积极性。

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