“互联网+”学习场域下工程知识的有效建构

陶 平，侯 宇

(武汉科技大学 机械学院，湖北 武汉 430081)

工程教育的主要目的就是培养学生能够深入运用工程知识，分析和解决复杂工程问题的能力，因此工程知识的学习是工科学生的主要任务。教育部高等学校机械类专业教学指导委员会关于落实《中国制造2025》行动倡议中提出，促进机械工程教育与信息技术深度融合是教育改革发展的必然趋势。

随着互联网技术的快速发展，互联网教学模式层出不穷，知识的获取方式发生了巨大变化。宋艳玲、赵兴龙[1-2]从认知负荷视角，探究翻转课堂中知识内化的过程和机理，对翻转课堂教学模式进行了设计；张务农[3]采用关联主义理论，对混合式学习认知工具进行了研究，认为该认知工具是一种建构的、混合的、复杂的认知工具，其功能是促进深度学习；张苗[4]探讨了“互联网+”场域下大学生学习适应能力提升路径；王竹立[5]认为关联主义和新建构主义都是网络时代的学习理论，提出了将两者互相融合、共同指导网络时代学习的基本思想；黄建锋[6]探讨了互联网时代的碎片化学习内涵及应对措施，目前大家研究的热点主要集中在网络课堂的建设、混合式教学模式及教学方法方面。随着互联网技术的进步，工程教育的内容、手段、方法等都发生巨大的变化，人们将更多地借助网络资源获取工程知识，因此，基于“互联网+”的学习环境下，如何引导学生有效构建自我个体的工程知识体系，探索工程知识建构及工程能力培养的途径，对促进工程教育的发展，具有重要的意义。

一、互联网时代学习的特点

“互联网+”学习环境下，教师和教科书不再是知识的唯一来源，工程知识的获取途径更加广泛，学习资源丰富多样。除了教材课本、课堂教学外，还有丰富的网上教学如“爱课程网”、 慕课(MOOC )平台等，互联网已经成为知识的重要来源；教学模式也从单一的课堂教学转变为线上线下相结合的混合式学习模式，翻转课堂、MOOC在线课程、在线虚拟学习社区等互联网教学模式为学习带来颠覆式的革命；“互联网+”场域下大学学习生态的嬗变表现为学习时空的自由无界、学习资源的优化配整、学习模式的私人定制[4]。

互联网时代，学生在工程知识的学习和建构方面也面临着新的问题，主要表现在：学习呈现很强的碎片化学习特点，如何突破知识碎片化，建构完整、系统的工程知识体系；面对丰富的教学资源和网上海量的信息，如何优化资源，提高学习效果；学习时空的自由无界，学生主动构建工程知识体系的能力有待提高。教师的主要作用不再是如何传授知识，而是如何有效帮助学生去主动获取、处理、重构知识，帮助学生有效建构个体的工程知识体系。

二、突破知识的碎片化，实现工程知识的整合与重构

工程知识是人们经过长期的工程实践而总结出来的关于工程原理与规律、技能和能力等方面的知识[7]。在传统工程教育中，学生主要通过课堂教学和教材系统学习工程知识。“互联网+”时代，学生随时、随地都可以通过慕课、微课程等网络课堂进行学习，突破了时间和空间的限制，是一种碎片化的学习过程，“互联网+”环境下的学习呈现很强的碎片化学习特点，这种碎片化学习导致了严重的知识碎片化；知识的碎片化严重影响着学生的学习效果，阻碍了学生对知识的有效建构。新建构主义理论[8]认为，面对知识碎片化，应采取“零存整取”式学习策略，对知识碎片进行加工处理，实现意义建构。在这个知识建构过程中，教师的主要职能将由传统的知识传授者转变为学生学习的引导者，即引导学生对这些知识碎片进行整合与重构，帮助学生构建个性化的工程知识体系，实现意义建构。

要突破知识碎片化，必须进行知识重构，通过翻转课堂和翻转学习等教学形式帮助学生进行知识内化和重构，将这些零散的工程知识复原到原有的知识体系，形成系统化的认知，完成工程知识的内化和重构。在翻转课堂教学中，首先要求学生以工程问题为导向，采用网上教学视频进行课前自学，学习有关的工程知识，根据问题寻找答案；课堂教学中，以工程案例分析为主线，进行讨论、交流、合作、答疑，通过对工程问题的解决来评价学生对工程知识的掌握情况；并且课后不断强化工程项目训练，促使工程知识的整合和意义建构。通过“问题引导-自主学习-相互交流-问题解决-应用提高”的流程帮助学生多次内化知识，形成不断完善的知识概念和体系，将割裂的碎片化知识按其在学科知识体系上的位置进行复原，复原到知识被碎片化之前的原有知识图谱中。

如图1所示，“互联网+”场域下学生通过各种智能移动终端，突破时空约束，采取自主探究与合作学习相结合，充分利用丰富的网上学习资源来学习工程知识。这种学习是一种典型的非正式学习方式，呈现很强的知识碎片化特点，教师要通过翻转课堂和翻转学习引导学生对知识进行汇集、过滤、归纳、反馈，最终内化知识，逐步构建工程知识体系。

图1 知识的整合与重构

三、以工程问题为导引，优化整合网络教学资源，促进工程知识建构

“互联网+”时代，知识的建构已经发生了质的变化。关联主义学习理论[9]认为网络时代的学习是一种将不同专业节点或信息源连接起来的过程，这种关联不仅指不同领域、理念和概念之间的联系，也指不同节点和信息源之间的连接。要促进知识的建构，必须优化教学流程，整合教学资源，围绕学生的学习活动创设有利于知识建构和探究问题的资源环境与运行机制，引导学生有效利用网络资源进行知识建构。

互联网+”学习环境下，学生可以借助各种网络技术工具和互联网上丰富的学习资源来学习工程知识。当前网络教学平台层出不穷，“学堂在线”“中国大学慕课”“好大学在线”“网易公开课”等各类慕课平台相继产生，慕课(MOOC)以短视频的课程形态，采用化整为零的方式，将整个课程分解为多个微课程，通过视频资料、动画、PPT 等媒体手段对多个相对独立的知识点进行介绍。慕课创新了一种互联互通的教学服务模式，将学习变成与同伴、与知识网络的相互联结，通过同伴互助学习模式完成学习过程[10-11]。“私播课”(SPOC)即小规模限制性在线课程将慕课与传统课堂有机结合，继承了慕课网络在线学习的创新特征，又在学习方法上引入翻转课堂教学模式，对教学流程进行了再造和重构。要促使学生充分利用网络教学资源来学习工程知识，就必须以工程问题为导引，课前给学生抛出一些工程问题，驱动学生去思考，激发学生的学习热情，引导学生在课前积极主动去网上课堂进行自主学习，同时在SPOC中发布课程学习基本要求及考核评价标准，为学生提供合适的微课资源、优质的慕课资源、工程设计案例、工程机械动画资源库等，学生通过SPOC进入线上学习平台，进行线上学习和讨论，完成作业和考核。在整个学习过程中，教师要实时监督学生的学习过程，及时网上答疑解惑，评测学生的学习效果；针对共性问题采用线下翻转课堂的教学模式，对重点和难点问题进行深度解析，促进工程知识的内化，通过工程案例教学、项目教学、基于工程问题的教学来促进工程知识建构。

工程知识本身具有学科综合、专业综合、科学与技术综合的特点以及与工程背景紧密关联的属性，它属于非良性领域的复杂知识。工程知识的学习目的是为了解决工程问题，要实现工程知识的有效建构，培养学生工程能力，就要在学习中不断关联工程背景和工程问题，基于工程问题的需求来学习相关的知识。利用计算机技术和互联网技术，建立工程问题库，通过数据库技术将这些工程问题切入网上课堂教学中，由工程问题驱使学生去学习有关的工程知识。例如在机械设计知识学习中，涉及大量机械工程专业的工程知识，如各类机械零部件的设计准则、设计规范、设计方法等。如果仅仅就这些知识点的字面意思来学习，是一种陌生、枯燥、抽象的感觉，可以将知识的学习用相关的工程问题引入，例：散装物料(如糖、盐等)如何包装成袋、包装机械如何运动和工作、洗衣机的工作原理、由哪些机构组成、各机构由哪些构件组成、各构件之间如何连接、有哪些运动副、洗衣机中有哪些机械零部件、各零部件的作用、如何保证洗衣机的工作能力等，通过问题引出有关的工程知识点，学生从问题出发，通过网上教学资源，观看各种机械的工作视频，促进学生对知识点的理解和内化。

SPOC的学习呈现为线上与线下有机结合的混合式学习模式，混合式学习认知工具研究[3]认为混合式学习的目是促进深度学习而非作为信息通道，其认知过程是一种建构的、混合的、复杂的认知过程。混合式学习不仅要关联网络节点上各学科知识，更重要是借助于网上丰富的教学资源对这些知识进行深加工。工程教育中，学生对工程知识的学习就是一个对各专业知识点和工程背景不断关联和建构的过程。要实现工程知识的深度建构，必须将自身认知工具与外部智能辅助认知设备充分利用，利用网络技术和智能设备，创设丰富多样的学习环境和学习体验。如利用网上大量的工程案例和工程项目视频，可帮助学生了解工程知识的应用，“我爱发明”“创客“等网络节目，激发工程创意和学习热情，工程仿真平台、VR工程体验、混合工程现实体验平台等虚拟现实教学实现交互式和浸入式学习和工程体验，网络、仿真系统、未来的智能系统都给以学生提供很好的非正式学习手段。通过线上与线下学习资源的优化配整，促进工程知识的深度建构，如图2所示。

图2 基于“互联网+”工程知识建构

四、工程问题驱动下的探究式学习，培养自主学习能力

网络学习时代，由于学习时空的自由无界，失去了传统课堂和教师管束的有力约束，自控能力弱的学生往往学习能力下降。要提高学生的自主学习能力和学习兴趣，采取基于信息化环境的、强调以工程问题为中心的探究式学习。

探究式学习是基于问题、案例和项目的一类学习方式，其学习的核心理念是：注重从问题开始，使学生在学习学科知识、专业原理和在思考、分析和探究问题的过程中获取、应用和更新知识，在探究问题的过程中培养和训练发现、研究和解决问题的能力[12]。工程问题意识是工程知识学习的动力，工科学生在专业学习中应置于工程问题空间，以解决工程问题为导向，不断去学习和关联各学科工程知识，通过培养学生的问题意识，在解决问题的过程中，逐步构建工程知识体系，培养工程能力。

“互联网+”学习环境下，工程知识的获取途径更加广泛，学习资源除了教材课本、课堂教学外，还有丰富的网上教学资源，网络学习环境(小组讨论、课程群、工程设计群、校企结合的虚拟社区)成为学习工程知识及解决工程问题的主要平台。

在工程问题设计时，工程问题类型和复杂难易程度必须与教学目标相匹配，以真实的工程案例及工程背景，激发学生的关注度和探究热情；现代计算机技术和网络技术为工程问题的情景模拟提供了技术手段，将工程问题模拟成物理情境、仿真模型、视频情境、多媒体演示等多种情景，形成工程问题库，以网络教学资源的形式切入网上教学课堂中，通过网上教学平台来进行探究式学习。

探究式学习通过自主学习和合作学习的有机结合来完成主要学习内容，互联网环境和条件为学生的自主学习和合作学习提供了形式多样的教学活动。教学活动方面主要包括有学生网上自学、教师课上课下指导、小组讨论、学生展示、课外实践等活动，可积极采取各种互联网教学模式来开展学习，帮助学生易化知识难点，进行知识之间的连通与重构，实现知识内化，在建构工程知识过程中培养分析解决工程实际问题的能力。合作学习是解决工程问题不可缺的学习方式，学生通过线下和线上讨论与交流相结合，不仅仅限于小组讨论和课堂交流等传统合作学习形式，还能充分利用网上的课程群、学科群、工程设计群，网上虚拟社区等交流平台，充分利用社会资源，采取多方之间合作学习，将知识学习与研究问题相结合，促使学生主动建构知识，在思考、分析和探究工程问题的过程中逐步获取、应用工程知识，从而促进自身工程知识体系的建构。

网络学习环境打破了传统学习在时空上的局限性，提供了自由、开放的学习空间和丰富的学习资源，学习交流更加直接、便利和快捷，学习资源的使用效率得到提高。在网络学习环境中，学生借助于各种搜索工具，可以检索到各工程专业信息资源，如课程课件、视频、文献及相关的慕课课程、专业工具书、工程设计手册、设计规范标准、产品设计方案等。教师要积极引导学生如何去搜索合适的信息资源，有助于学生从这些资源中获益。

“互联网+” 时代信息技术的发展，推动着工程教育不断改革和创新，教学的手段、教学内容及教学模式都会发生极大的变化。互联网将学习的领域进行了无限延伸，教学内容呈现出不确定性，对学生的学习能力和教师的教学水平提出了更高要求。面对网络上丰富的教学资源，教师要帮助学生合理有效利用网络资源，引导学生去积极主动获取、处理、重构知识，建构起学生个体的工程知识体系。逐步培养工程分析与设计能力。