新工科“四链”协同教学模式探索与实践

黄赞武　戴胜华　孙绪彬 崔勇

［摘 要］新工科课堂存在3个教学痛点：专业教学与思政教育融合不自然、创新探究外延拓展不够、师生互动气氛不活跃。针对这些痛点，文章提出构建思政教育与专业教学融合链、项目任务驱动链、教学情感互动链、知识能力考核链，通过这“四链”协同教学提升课程思政效果、拓展创新探究外延、丰富专业知识积累、细化教学综合考评。“四链”协同教学模式通过中国大学MOOC、国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心、全国轨道交通信号与控制专业虚拟教研室、轨道交通信号专业产教融合联盟4大平台辐射，MOOC选课人数超12万，联合了14家企业，辐射到48个高等院校，展现出广阔的应用推广前景。

［关键词］新工科；教学创新；课程改革；课程思政；项目任务驱动

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）22-0045-06

新一轮科技革命和产业变革正在重构全球创新版图、重塑全球经济结构。为主动应对新一轮科技革命与产业变革，自2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1] ，具有战略性、创新性、系统化、开放式的特征[2]。

我国高等教育步入大众化发展阶段后，提高本科教育质量已成为当前我国高教界的重要课题[3]。长期以来，高校在一定程度上存在思想政治教育处于“孤岛”困境[4]以及课外实践拓展与课内理论教学脱节等现象[5-6]，“课堂沉默”现象较为普遍[7]。

推动教学创新是实现教育高质量发展、全面提高人才培养质量的根本途径。2018年6月21日，教育部召开新时代全国高等学校本科教育工作会议，提出要坚持“以本为本”，推进“四个回归”，加快建设高水平本科教育、全面提高人才培养能力，造就堪当民族复兴大任的时代新人。为此，《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》《高等学校课程思政建设指导纲要》进一步将指导形成中国特色、世界水平的一流本科课程体系作为教学改革成果的切入点与落脚点[4]。

本文以计算机原理与接口技术课程为例，针对课程教学过程存在的主要问题，提出构建新工科“四链”协同教学模式，提升课程思政效果、拓展创新探究外延、丰富专业知识积累、細化教学综合考评。多年的教学实践证明“四链”协同教学模式实施效果明显，具有一定的参考价值和推广意义。

一、新工科“四链”协同教学模式总体结构

新工科“四链”协同教学模式总体结构以“一核心、双驱动、三目标、四提升”的核心教学理念为基石，即以学生发展为核心，线上教学线下教学混合双驱动，承载知识传授、能力培养、价值塑造三个教学目标，实现学生意志品格、专业素养、创新思维和家国情怀水平的提升（见图1）。教师在教学实践中针对教学痛点，通过优化教学大纲、出版新型教材等措施重构教学内容，采用“四链”协同教学模式，通过成效监测对三个教学痛点进行对比分析，形成闭环反馈，实现持续改进，最后进行创新探究成果应用推广。

二、新工科课堂存在的三大教学痛点

（一）专业教学与思政教育融合不自然，课程思政效果不佳

教育部于2020年5月颁布了《高等学校课程思政建设指导纲要》。课程思政已经成为当前我国高校教育教学改革特别是课程建设与改革的重要内容。受长期以来思政教育与专业教学独自开展惯性思维的影响，专业课程思政实践中仍然存在专业教学和思政教育融合不自然，导致专业课程思政效果不佳，直接影响专业课程价值塑造目标的实现[8]。

（二）创新探究外延拓展不够

在国家“大众创业、万众创新”号召下，创新精神、创新意识、 创新能力已经成为新工科课程的人才培养质量评价重要指标，教师在课程教学中通过创新思想的灌输、创新思维的训练、创新实践的开展来锻造学生的创新品质和创新能力[9]。但是在传统教学模式中，由教师主导先进行理论教学，再去实验室完成实验以验证理论，学生无论是理论课还是实验课都是通过课后作业和实验报告来内化吸收专业知识，学生创新思维和探究能力未能得到充分锻炼和培养，影响专业课程能力培养目标的达成。

（三）师生互动气氛不活跃，学生的专业知识留存率不高

部分大学课堂师生互动气氛不活跃的问题依然存在，就像张楚廷先生所说的，大学课堂原本是一个能激起大脑风暴的地方，但是它寂静得令人害怕[10]。新工科课程一般专业知识内容繁多，受课时紧张等原因影响，课堂的师生互动气氛往往不活跃，学生主体地位未能得到充分体现，这种被动学习的方式使学生的专业知识留存率不高，导致专业课程知识传授目标大打折扣。

三、课程内容重构

北京交通大学的计算机原理与接口技术课程基于“品德优秀、基础宽厚、思维创新、能力卓越、专业精深”的人才培养目标，结合轨道交通工程人才特点，以培养“面向未来、服务国家、引领行业、世界一流”的轨道交通创新人才为目标，对课程体系进行了重构，使课程内容更能适应面向“交通强国”、基于复杂工程问题范式的新工科教育。这门课程建立了知识图谱，重构了课程教学内容，将课程思政案例、创新探索项目、国产自主技术、学科研究进展融合到教学内容中，将教学内容与学科研究新进展、实践发展新经验、社会需求新变化联系起来。

四、“四链”协同教学模式创新

计算机原理与接口技术课程采用“四链”协同教学举措来应对上述三大教学痛点，即通过构建思政教育与专业教学融合链、项目任务驱动链、教学情感互动链、知识能力考核链，提升课程思政效果，拓展创新探究外延，丰富专业知识积累，细化教学综合考评。

（一）构建思政教育与专业教学融合链，提升课程思政效果

据调查，大学生学习的动力主要来自“提高素质实现自身价值”（占42.8%），而将“为国家富强贡献自己的力量”作为第一学习目的的学生仅占12.6%[11]，因此需要重视引导学生将个人理想和中华民族伟大复兴目标紧密联系在一起，基于此构建思政教育与专业教学融合链。从专业背景和课程内容中挖掘思政元素，构建思政链，并将课程思政案例与专业链连接融合， 以专业链为主链、思政链为副链，形成类似DNA的螺旋双链结构，将思政元素像DNA一样融入教学过程中，让改变自然发生，让价值自我生长。通过构建思政教育与专业教学融合链，开展基于案例的教学，变专业学习为全面学习，实现从知识课堂到知识与价值课堂的转变。

计算机原理与接口技术课程通过挖掘思政案例（见表1），以讲故事的形式润物细无声地开展价值塑造。比如结合美国芯片“断供”的社会热点进行中国“芯”痛的课堂专题讨论；在讲并行接口时引入CBTC系统案例，讲述本校师生如何突破国外技术封锁并最终实现国际领跑的故事。

（二）构建项目任务驱动链，拓展创新探究外延

计算机原理与接口技术课程团队发现，只有7.9%的学生进行课前预习，而自己能把课余时间安排得清清楚楚的学生也只占22.6%，其原因中“老师讲课没有吸引力”“对课程没有兴趣”排在前两位[11]。课程团队基于此学情构建了项目任务驱动链（见图2）。

横链为项目链。课程团队按照课程教学进度和教学目标层次由简至难递进式地设置四个项目即屏幕画圆项目、电子时钟项目、钢琴演奏项目和自由探索项目，根据课程教学时间线，每个项目历时四周，学生开展分组探究、组内分工合作、组间公平竞争。

纵链为任务链。将每个项目设置为六个课内/课外任务，按照项目研发阶段将教学环节定为“讨论→设计→编程→调试→报告→答辩”，任务环节和课程进度同步依次进行。

横链与纵链构成项目任务矩阵，人人都在矩阵中，每个学生在每个学习阶段都分配有具体任务，给学生施加学习压力，传递学习动力，激发学习兴趣。当学生产生兴趣时，教育就自然发生了。构建以学生为主体并由递进式项目驱动的教、学、做一体化的实践教学模式，实现理论与实践的融会贯通，完成学生自主探究的学习过程[12]。通过构建项目任务驱动链，开展基于项目的教学，体现新工科“金课”“两性一度”的要求，激发学生兴趣，衔接课内课外、联通线上线下，让学生在做中学、在学中做，通过实践积累“暗默知识”，拓展创新探究外延，变知识学习为创新学习，实现从封闭课堂到开放课堂的转变。

（三）构建教学情感互动链，丰富专业知识积累

教育科学研究表明，如果学习者将所学知识外化于行，通过交流表达自己正在形成的认识，将会取得更好的学习效果[13]。大量的研究结果显示，传统的讲授法对于促进学生深层学习、改变态度或价值观、培养批判性思维、掌握操作技术、提高交流能力等诸多方面存在明显的不足[3]。

学情调查结果显示，学生认为教师讲课没有吸引力的占55.9％，其中，教学方式单调和教师缺乏调节课堂气氛的能力分别占56.7%和62.6%[11]。2014年，《中国教育报》发表了《大学课堂为何“有问无答”》一文，揭示了“安静”的大学课堂里“有问无答”的现象，我们称这样的课堂为“油腻课堂”。

按照学习金字塔理论，听讲这种被动学习方式的知识留存率仅为5%，基本上是“听完—写完—背完—考完—忘完”，而讨论、实践、教他人等主动学习方式的知识留存率可分别达到50%、75%、90%[14]。基于此，课程团队为提升学生的知识留存率构建教学情感互动链（见图3）。

按课程教学时间构建时间链即课前→课中→课后，按照“起点→热点→重点→难点→疑点→亮点”的讲授顺序构建教学链，通过问题链驱动教学链有序进行“求问→设问→互问→反问→追问→结问”，环环相扣。教学互动链是明链，情感互动链是一条暗链，隐含在各个互动环节之中，推动互动中的情感交流，提升互動的效果。

在课前预习阶段，学生利用线上资源自学基础知识（起点），学生在自学中“求问”，师生在线上平台互动。课中部分，通过暖场提问、翻转课堂、对分教学、课堂小结分别以设问、互问、反问、追问的方式，解决学生在课前自学过程中存在的带有共性的热点问题、重点问题、难点问题、高阶问题。问题可延伸到课外，通过微信平台进行师生课外互动，解答课堂问题，形成闭环，总结提炼出亮点。

翻转课堂适用于课程重点内容教学，分三步完成：（1）课前线上自学，向线上资源要时间。（2）课中研讨讲学，向线下课堂要效率。（3）课后探究互学，向课外学习要积累。通过翻转课堂，培养学生自主学习的习惯、 探究式学习的方法与能力、团队协作的意识与能力、问题意识与问题提出能力[15]。

对分教学[16]适用于课程难点内容，同样分三步完成：（1）教师精讲留白。（2）学生内化吸收。（3）师生互动研讨。注重教学留白，给学生留出进一步主动生成的空间和进一步深入探索的窗口。

通过构建教学情感互动链，开展基于问题的教学，让学生变被动学习为主动学习，实现从“油腻课堂”到活力课堂的转变。

（四）构建知识能力考核链，细化教学综合考评

大三第一学期是学生争取保研资格的关键时期，不少学生对于每个教学环节的得分都比较关心、在意。为保证教学创新举措得到顺利实施，保证对所有学生公平公正，课程团队构建了知识能力考核链。

知识能力考核链采用知识考核与能力考核相结合的模式，以学生综合能力评价为核心，内链为三大考核手段，即研究讨论、实验测试、考试测验，外链为九部分考核，包含属于考试测验的课程作业、期中考试、期末考试，属于研究讨论的研讨提问、研讨主讲、研究报告，以及属于实验测试的实验报告、实验创新、实验结果，既注重知识的考核也注重能力的考核，既考核测试结果也考核研讨过程。

五、创新探究效果及成果应用推广

（一）课程思政效果明显

计算机原理与接口技术课程于2020年获评为学校课程思政示范课程，2021年获批为华为智能基座建设教改项目；课程团队所教的班级获得多个班集体荣誉，比如“校十佳团支部”“北京市先进班集体”“首都先锋杯优秀基层团支部”等，信号1703班在参加第二十届“周恩来班”评选时获得北京市优秀基层组织奖；也培养出很多优秀的学生代表，其中，全国、北京市“青马工程”各1人，“本专科生国家奖学金优秀代表”“北京市三好学生”各1人，校“五四”青年奖章7人次，校本科生最高荣誉即知行奖学金7人次，1名学生曾当选“北京市学生联合会驻会执行主席”。

（二）创新探究成果丰硕

通过项目任务驱动链，学生学习兴趣被激活、学习激情被点燃，课堂和课外探究活动氛围明显改善，具有挑战度的项目完成得也非常好。课外科创活动如火如荼开展，自2010年开始组织实施“国创计划”，截至2021年底，学生累计立项1351项，结题900项（其中国家级203项），参与学生达到3513名。近5年年均立项约134项，年均国家级项目约18项，年均参与学生约400名。学生荣获大量奖项 ，如全国大学生创新创业年会国家一等奖、全国高校电子信息实践创新作品评选特等奖、全国大学生电子设计竞赛二等奖等。2022年，获“挑战杯”国家级一等奖、三等奖和“互联网+”国家级主赛道银奖各1项。

（三）考核成绩提升显著

课程团队通过监测“四链”协同教学模式实践实验班级和其他班级的成绩发现，在本专业所有的6个自然班中，前者在平均成绩、优秀率、良好率、及格率等指标上都超过其他班级，其中优秀率达到20.69%，及格率达到100%，这说明“四链”协同教学模式对促进学生提升知识留存率效果明显。

（四）应用推广前景广阔

计算机原理与接口技术课程被评为“国家级一流本科课程”、全国首批百门“拓金计划”示范课程，课程团队被评为“北京高校本科优秀育人团队”，相关成果获北京市教学成果二等奖，出版了北京高等教育精品教材和高等教育出版社数字课程。

“四链”协同教学模式通过中国大学MOOC、国家级轨道交通通信与控制虚拟仿真实验教学中心、全国轨道交通信号与控制专业虚拟教研室和轨道交通信号专业产教融合联盟四大平台辐射。课程自2017年12月上线MOOC平台以来，共开设了11期，选课人数超过12万，在同类课程中名列前茅。虚拟仿真实验网站访问人数达53685人次，通过全国轨道交通信号与控制专业虚拟教研室和轨道交通信号专业产教融合联盟，辐射到全国48所高等院校和联合了14家企业。2021年，《中国教育报》通过《一场深刻的信息化教学改革》一文对北京交通大学计算机原理与接口技术课程及课程团队进行了报道。

六、结语

新时代对新工科建设提出了新的要求，然而新工科课堂还存在诸多教学痛点，本文以计算机原理与接口技术课程为例，针对课程的三大教学痛点，实施了“四链”协同教学模式。实践表明该模式实施效果良好，能在一定程度上解决课程教学痛点问题。新工科“四链”协同教学模式结构简单、可操作性强、创新效果明显，可以在同类课程中借鉴复制：建立课程专属的课程思政案例库，形成适合课程本身的项目任务矩阵，将案例库和矩阵嵌入到相应课程的链条中，教学模式即可运转。这个教学模式探索对新工科课程改革具有一定的参考意义。

［ 参 考 文 献 ］

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［责任编辑：林志恒］