信息化资源与数据双螺旋驱动的传感类课程教学理念、方法与实践

曹琳琳，何赟泽，王洪金，张晓飞，文一章，王砚文

（湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082）

当前，教育部大力推广信息化资源和信息化教学手段。随着大数据的发展，业界开始也重视基于大数据的教学改革和学习行为挖掘。可以说，资源与数据已成为推动教学改革的两个主要引擎。研究资源和数据的内聚耦合关系、多维协同机制和螺旋动态特征，将信息化资源和数据融入DNA 双螺旋结构，形成基于双驱动模型的教学新方法，有助于高校教学研究水平的提升。传感与检测技术（以下简称为传感）是湖南大学电气与信息工程学院面向测控、电气、控制和电子等本科专业的学类核心课，在课程体系中地位非常重要[1-2]。但是，当前教学主要存在以下问题。第一，课堂上教师采用的信息化手段和工具比较少，导致授课的信息化教学程度比较低；第二，教学理论知识和课后实验节拍不一致，很难形成合力；第三，相比科技快速进步，课本知识比较滞后，难以训练学生的科学思维和创新意识；第四，教师组织的教学活动缺乏数据作为支撑，学生的学习行为难以准确挖掘。针对这四个问题，教师主要从信息化资源和教学数据作为突破口进行教学改革，使用信息化资源产生教学数据，再通过数据分析完善资源建设，最终形成双螺旋驱动的混合式教学方法。如图1 所示，第一，通过教材信息化、线上线下混合式授课提升信息化教学水平；第二，通过实验视频上网、手机APP 与示教软件让理论和实践结合的更加紧密；第三，通过教改项目、科研实验和论文引入前沿知识，训练科学思维；第四，通过两年SPOC 和四年雨课堂数据指导教学活动，挖掘学习行为；另外，通过基于案例的思政设计实现了隐性的思政教育。改革后的传感课增加了18 个学时的线上学习环节，通过两个学期的实践，教学效果和立德树人成效得到极大提升。

图1 问题、解决方法及效果

一 国内外研究现状及不足

（一）信息化资源和手段驱动高校快速进行教学改革

清华大学的研究表明，高校教师信息化教学能力已成为提升新时代高等教育人才培养质量的关键因素。国内高校教师整体上已经具备了信息化教学的基本能力，但是具有较高应用水平的教师比例偏低，教师借助信息技术创新教学模式能力和信息化教学研究能力尚待提升[3]。全国高等学校教学研究中心的学者分析了高校教师信息化教学能力的内涵、现状及传统构建方式存在的问题，指出在线开放课程从理念传播、热情激发、技术发展和应用实践等方面发挥作用，为教师提升信息化教学能力开辟了新的路径[4]。随着互联网信息科技的迅速发展，MOOC 以其丰富的网络教学资源得到了广泛应用。MOOC 不断发展的同时，不足也逐渐显现。将MOOC 资源和传统课堂相结合的SPOC 教学模式应运而生。这一教学模式既能充分利用MOOC 资源，又保留了传统课堂教学的优势，可以更好地提升教学质量[5]。雨课堂将复杂的信息技术手段融入到PowerPoint 和微信，在课外预习与课堂教学间建立沟通桥梁，让课堂互动永不下线。使用雨课堂，教师可以将带有MOOC 视频、习题和语音的课前预习课件推送到学生手机，方便师生沟通及时反馈；课堂上实时答题、弹幕互动，为传统课堂教学师生互动提供了完美解决方案。雨课堂科学地覆盖了课前—课上—课后的每一个教学环节，为师生提供完整立体的数据支持，个性化报表、自动任务提醒，让教与学更明了[6]。超星学习通是面向智能手机、平板电脑等移动终端的移动学习专业平台。教师和同学不仅可以在超星学习通上进行线上学习，还可以自助完成图书馆藏书借阅查询、电子资源搜索下载、图书馆资讯浏览和查看本校通讯录，同时拥有电子图书，报纸文章及中外文献元数据，为同学们提供方便快捷的移动学习服务[7]。但是，雨课堂和学习通都是通用型教学工具，缺少课程专用的信息化教学工具。笔者注意到这一不足，正在开发完善专用于传感器课程的远程示教软件。

（二）大数据时代基于数据驱动的教学组织将更加智慧和科学

智慧校园的建设和信息化教学手段在教育行业的深入应用，教学活动的开展也愈来愈注重其智慧性和科学性。大数据科学与教育科学的结合，使得教学朝着更加智慧的方向发展。数据的应用可以让教师更好地了解学生学习行为特征和学习效果，做出的学习评价更加科学，能够关注学生个性的发展，对学生进行个性化的辅导，提高学生课程学习效果。教师亦可以应用数据分析的结果对教学进行反思，优化教学效果[8]。凯里学院的学者指出，数据驱动教学范式是大数据背景下的主要教学范式。在梳理大数据技术和数据驱动教学范式概念的基础上，提出了大数据技术下的数据驱动教学范式架构[9]。信阳师范学院生命科学学院从数据驱动教学的视角，依据师范生的“学”与“教”的两种诉求，对师范生数据素养的构成要素进行解释，构建系统化、隐性化和实践—反思—实践的培育体系，以提升我国师范生数据素养水平[10]。大同大学外国语学院的学者提出，高校应以数据为依托，遵循决策科学化、管理精细化、学习个性化和教学信息化的价值取向，发展教师数据素养，利用数据管理平台提高教学管理精细化水平，塑造基于大数据的个性化学习模式，通过校企联合开发数据管理平台提高教学信息化水平[11]。天津商务职业学院的学者分析大数据教学平台在高职公共英语课程中的应用情况，梳理学生在此基础上的个性化学习过程中各方面的表现及存在的主要问题，从而进一步完善基于大数据教学平台的学生个性化学习的效果评价机制[12]。武汉大学马克思主义学院的学者指出要认真研究和解决数据教学与思想政治理论课融合过程中存在的问题和困难，以更好地发挥数据教学的积极作用[13]。可见，在基于数据驱动的教学组织和改革中，教学数据甚至是历年的教学数据及分析方法是最重要的。

（三）信息化资源和教学数据是双螺旋驱动模式的新引擎

双螺旋驱动结构已经在创业教育、专业教育等方面发挥了重要作用，已成为值得推广的教学模式。辽宁师范大学的学者通过对文献和政策的双重梳理，展示了在学术与政策“双螺旋结构”助推下确立和形成创业教育理念的过程[14]。广西大学的学者将创新创业教育与高校传统专业教育之间的内聚耦合方式，形成如DNA 的双螺旋结构，促进创新创业型人才成长的教育合力，进而有效激发和提高学生的创新精神、创业意识和创新创业能力[15]。吉林农业科技学院的学者在创业教育和专业教育改革实践中融入螺旋驱动的理念，以创业教育和专业教育课程融合与改革为两条主链，通过人才培养方案的调整、教学方式方法的改革、健全创业教育指导服务体系、创新工作机制和完善制度、更新教育理念与营造创业文化氛围，以及多维联动和协同促进融合六个方面构建高校创业型人才培养的双螺旋模式，形成如DNA 的双螺旋结构，促进创业型人才成长的教育合力[16]。南京工业职业技术大学的学者研究了职业院校产教融合人才培养模式的影响因素与动力机理，基于能力本位理论、职业能力发展阶段理论，以政府链、职业院校链和企业链为外螺旋，以知识链、技能链和素质链为内螺旋，构建校企合作的实践创新平台，建立双螺旋人才培养模式，推动职业院校产教融合人才培养模式创新[17]。近几年，教育部大力推广信息化资源建设和信息化教学手段，并开始重视基于大数据的教学改革和学习行为挖掘。在这个大背景下，资源与数据已成为推动信息化教学的两个主要引擎，把资源和数据嵌入双螺旋结构，强调资源和数据的内聚耦合关系、多维协同机制和螺旋动态特征，形成资源和数据双螺旋驱动的教学新方法，有助于高校教学研究水平的提升。

根据国内外现状的调研与分析可知，当前教学存在的不足包括：第一，信息化教学程度不高，公开的高质量资源利用率低，实验课的信息化手段比较匮乏；第二，教学活动的组织和教学总结没有足够的数据作为支撑，特别缺少历年数据的分析与使用；第三，混合式教学做法比较多，但是相关教学理念不够完善，很难进行大面积推广和使用。

二 传感类课程的双螺旋驱动模型和教学方法

经过四年建设，笔者已经建立了传感与检测技术全部知识点的雨课堂课件和微视频，并开发了远程示教软件，运行了两年异步SPOC，积累了四年的雨课堂数据。在资源和数据相辅相成的基础上，设计了面向传感类课程的双螺旋驱动的混合式教学方法。由图2 可知，课前，根据四年雨课堂测试结果改进教学设计，通过信息化教材和异步SPOC来增加预习效果；课中，通过雨课堂进行教学互动，动态分配讲解时间和组织分组讨论，通过手机APP 和示教软件提升实践能力；课后，通过教改项目、科研实验和论文引入前沿知识，通过教学数据分析学习效果，挖掘学习行为。最终，形成了螺旋驱动、相辅相成及迭代上升的教学模式。

图2 传感课的双螺旋驱动教学方法

为了解决信息化程度低这个问题，形成了异步SPOC+雨课堂的混合式理论教学模式。首先，对纸质教材进行信息化改革，每一章都增加了二维码，同学们可以用手机扫描二维码获得在线学习资源。其次，在中国大学MOOC 上运行两年异步SPOC，从国家精品在线课程引进80 多个知识点课件和视频。为了突出本校特色，自制了30多个知识点课件和总时长1 100 min 的知识点微视频，形成了线上线下混合式教学模式，如图3 所示。第三，采用雨课堂组织线下教学和互动，形成了四年的教学数据，为基于数据的教学组织打下坚实的基础。

图3 线上线下混合式资源和教学方法

为了解决理论教学和实验割裂这个问题，首先，把30余个传统实验的教师讲解全部拍摄成微视频，总时长约1 000 min，同学们可以通过网络进行实验预习；其次，在课堂上，让同学们采用手机APP（phyphox）进行光电、加速度、磁场和声音等传感器的小实验；第三，自主开发了传感器示教平台和软件，教师可以在课堂上演示十余种国产工业级传感器的测量实验，如图4 所示。针对有些实验设备比较大、不易搬迁等问题，开发了远程直播和聊天互动等功能，把工业场景下的实验同步搬迁到课堂上。该软件于2021 年成功获批软件著作权。

图4 示教软件和实验

为了解决课本知识滞后于科技前沿这个问题。首先，通过华为教育部智能基座产教融合项目，把腾Atlas200 DK 引入课堂和讨论环节。通过百度教育部产学合作协同育人项目，把飞桨PaddlePaddle 引入课堂和讨论环节。为智能传感器产业走向自主可控，提供了与时俱进的教学资源。第二，通过科研实验和科研论文引入先进传感器知识，培养同学们的科学思维和创新意识。

为了解决教学活动缺乏数据支撑这个问题。课前，根据四年雨课堂历史测试结果查找重难点，改进教学设计。图5为四年的雨课堂测试结果，可以发现哪些知识点比较难，需要重点讲解，哪年的教学设计需要持续改进；课中，基于本学期雨课堂累积分数进行动态分组，克服就近分组带来的聚集效应和随机分组带来的不均衡效应，根据智慧分组结果可以发现每一组的成绩分布都比较均匀；课后，根据雨课堂结果进行知识点答疑，教学效果评估；每周，根据SPOC测试结果查找关注对象；学期结束，自动统计学习成绩，并对学习行为进行挖掘。比如，有些到课率比较高的同学为什么成绩比较差？弹幕多与成绩高为什么呈现正相关？视频观看人数与知识的难易程度具有什么样的关联性？

图5 四年雨课堂数据挖掘

三 传感与检测技术的教学案例设计

以下以一个案例“涡流式传感器”来说明双螺旋驱动教学模型的具体使用。由图6 可知，首先，在课程导入环节，通过波音飞机的两起航空事故引出传感器的重要性，同时提出一个问题——如何检测飞机金属机体上的裂纹？其次，在知识传授、能力培养和思维训练三个层次解释本课时的教学目标——涡流传感原理，涡流测量位移原理和涡流无损检测原理；再次，分析SPOC 线上学习数据，发现60%的同学观看了视频，70%的同学测试合格。说明有些同学对知识点掌握得不牢靠。然后，通过雨课堂、动画、公式推导和对比等方式对涡流式传感器的知识点进行抽丝剥茧、深入浅出地讲解。接着，通过自主开发的示教平台和软件在课堂上演示涡流式传感器测量位移实验。做完实验后，通过雨课堂进行课堂测试。测试结果显示，部分同学们还没有掌握“涡流式传感器探测金属中的裂纹”这个知识点。因此，老师将继续讲解这个知识点。在科研拓展环节，通过雨课堂累积成绩对同学们重新分组，并按照新的分组展开讨论“如何检测飞机机体上的裂纹”，之后选出一位同学回答这个问题。接着，给出一篇科研论文，请感兴趣的同学继续深入学习这个知识点。通过国产C919 大飞机的发展引出国产涡流检测仪器的重要性，并介绍自己的科研项目，欢迎同学们积极参与。最后，对课程进行小结，布置课后作业和下节课的线上学习内容。以该教学案例为范本，传感课程形成了十余种传感器的教学课件资源和教学方法。

图6 教学案例的设计框架

四 结束语

本文提出资源与数据双螺旋驱动的混合式教学方法，初步解决了当前教学中存在的几个问题。首先，通过教材附加二维码资源、线上线下混合式异步SPOC 授课和微信雨课堂等提升教学的信息化水平；其次，通过拍摄实验视频、手机APP 做实验和开发示教软件做课堂实验等让知识点理论和实践能力结合的更加紧密；第三，通过研究生指导的科研实验和高水平英文学术论文等引入科技前沿知识，训练同学们的科学思维和创新意识；第四，通过两年异步SPOC 和四年雨课堂累计的学习数据指导教师的教学活动，挖掘学生的学习行为；最后，基于思政案例实现了隐性的思政教育和“四个自信”的培养。通过两个学期的教学实践，学生实践能力得到大幅提升，获得SIT、省虚拟仪器大赛和全国机器人大赛一等奖，中国传感器创新创业大赛二等奖。部分学生科研能力得到提高，在国际知名期刊发表高水平论文5篇，10 人获得国内外顶尖学术机构的录取通知书。教师教学水平得到提升，主持省教改重点项目2 项和教育部产学合作项目5 项，发表教改论文5 篇；获得湖南省信息化教学竞赛一等奖、校教学比赛一等奖，获评我心目中最敬爱的老师、青年教师教书育人模范等教学荣誉。教学事迹被湖南大学新闻网和内刊进行专题报道，为青年教师坚持走教学科研共进之路树立了榜样。协助专业两次通过工程教育专业认证，入选国家一流本科专业建设点。