基于智慧教育的专业基础课程教学体系重构

胡会娥　王皓　迟钧瀚　刘信　陈泽

［摘 要］智慧教育是数字教育发展的高级阶段，是教育现代化的必由之路。专业基础课程作为基础课程和专业课程学习之间的桥梁，既包含一些不同专业的通识理论，又包含具有本校特色的专业基础知识。传统的教学模式很难完成教学的高阶目标。基于智慧教育理念的专业基础课程教学体系重构模型主要从教学效果出发，按教学目标将教学内容进行分解，重构教学体系，并采用线上线下混合式教学来实现内容、技术、教学的融合，使学生由被动学习变为主动学习。课题组据此模型对工程材料课程实施教学实践，效果良好，尤其是学生的知识迁移能力提高明显。此模型可以推广到其他专业基础课程的教学活动中。文章指出，要想持续推进专业基础课的智慧教育，师生的教学观念、教育技术环境、教学资源建设三个方面亟须提高。

［关键词］智慧教育；专业基础课；重构；教学改革；工程材料

［中图分类号］ TB30-4; G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）06-0011-04

教育部在2018年4月发布的《教育信息化2.0行动计划》中提出，要以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，开展智慧教育创新示范，推动教育模式变革和教学体系重构。在教育信息化背景下，智慧教育蓬勃发展。智慧教育是主要利用智能化技术构建与学科融合的智能化环境，让师生施展灵巧的教与学方法，从而培养智慧型人才的一种教育理念，主要目的是实现信息技术与教育主要活动的深度融合，促进学生、教师、管理者等的智慧养成和可持续发展，具有情境感知、全向交互、按需推送、可视化感知等特征[1-2]。

作为数字教育发展的高级阶段，智慧教育是教育现代化的必由之路。国外对智慧教育的系统性研究已近20年，主要以应用为导向，集中在教育资源整合、教学环境营造和软件提升三个方面。其中，欧美一些国家对智慧教育的研究起步较早，如IBM公司从技术角度着手，为实现智慧教育设计了一系列解决方案，取得较好效果[3]。亚洲的韩国和新加坡近年来也较重视对智慧教育的投入，如新加坡将智慧教育上升到了事关国家竞争的高度，启动了“iN2015”计划，依托智慧教育体系，使全民都能够进行高质量的个性化终生学习，从而达到提升国家竞争力的目的[4]。我国关于智慧教育的研究开始于2011年，比国外晚了近10年，智慧教育的系统性研究则以2012年的论文《智慧教育：教育信息化发展的新境界》为标志[5]，主要探讨智慧教育的内涵和特征、研究智慧教育的相关战略和框架、设计智慧教育的模型等[6-8]。相对而言，我国的智慧教育研究针对课程建设和应用方面的成果较少，且都属于小范围的经验，不能普遍推广。

根据上述国内外研究现状，本文拟以智慧教育理念为抓手，以工程材料课程为例，结合该课程教学实施现状和信息化革新发展阶段进行梳理，分析高校专业基础课程信息化革新的难点，重构基于智慧教育理念的专业基础课程教学体系新模型，以期为专业基础课程的信息化革新提供理论指导和经验借鉴。

一、专业基础课程的教学现状分析

（一）教学目标方面

专业基础课程作为基础课程和专业课程学习之间的桥梁，既包含不同专业的通识理论，又包含具有本校特色的专业基础知识，通常开设于第四或第五学期。如工程材料是我校大部分工科专业的一门必修专业基础课程，起到连接机械制图、金工实习等基础课程和船舶设计原理、材料加工原理等专业课程的作用。学生通过该課程的学习，掌握各种船体、机器零件、武器装备等常用材料的化学成分、显微组织、使用性能、热处理工艺以及失效等方面的基本理论和基本知识，为后续课程的学习提供必要的知识基础，为将来从事船舶与海洋工程结构、武器装备相关的设计、制造、使用和维修提供有关正确选材、合理用材的必要理论指导和实际帮助。

工程材料课程主要内容包括材料学基本理论、材料变形过程中的组织和性能变化、热处理基本原理及工艺、常用工程材料介绍及选用、材料的失效分析五大部分，需要理解金属、陶瓷、高分子和复合材料四大类常用材料的成分及工艺、微观结构与性能之间的关系。在具体教学内容设置上，包括记忆内容，理解内容，应用内容，分析、评价和创新内容，其中需记忆的内容主要是一些概念和专业术语，如相和组织的概念、铁碳相图等；需理解和应用的内容主要是记忆内容的进一步延伸，如铁碳合金的冷却结晶过程；分析、评价和创新内容则是在理解和应用的基础上进行教学的内容，如选材、材料失效分析等。由于该课程基本概念、专业术语多，内容庞杂，且有些内容涉及材料的微观结构，十分抽象，学生普遍反映该课程难记忆、难理解，导致学习困难、抓不住重点。有些学生在刚开始接触这门课时，感觉比较轻松，但随着学习深度和难度的增加，学习越来越吃力，后期只能靠死记硬背来应付课程考核，很难将所学知识融会贯通，更难进一步创新。在传统教学过程中，学生即便花费较大的精力也仅能达到该课程教学的记忆、理解和应用目标，只有极少部分人能达成其评价和创新的高阶目标。因此，要想提升教学效果，全面达到专业基础课程的各项教学目标，必须进一步加强教学设计，从教学模式、教学资源建设、考核方式等方面着手开展智慧教育。

（二）教学活动方面

在新冠疫情期间，全国高校都进行了线上教学，所采用的教学模式也多种多样，最有代表性的是依托中国大学MOOC、智慧树等教学平台进行SPOC教学和借助钉钉、腾讯会议等平台开展直播教学两种。其中，第一种教学模式主要借助平台已有的教学资源开展教学，选择与本校教学计划契合较好的内容，定期推送学习视频给学生，利用平台的作业发布、讨论区、考试等功能组织教学活动。这种教学模式主要适用于高等教育中课程知识点相对固定的基础课程，如高等数学、大学物理等课程，或者本校在平台上自建的有完整教学资源和体系的课程。专业基础课程如果没有相对完整的自建教学资源，就不适合进行SPOC教学。借助钉钉、腾讯会议等平台开展的直播教学主要通过平台与学生共享课件，进行自主教学。这种教学模式下的知识点与平常线下教学的知识点基本一致，教师可以自主确定授课内容，只是将教学环境从教室换到了线上，因此其教学本质与常规线下教学活动相同。虽然新冠疫情期间的教学模式对高校的日常教学活动影响较大，但由于不同高校的专业基础课程都具有一定的院校专业特色，目前还是以线下常规教学为主。以工程材料课程为例，如果以“工程材料”和“教改”为主题，在中国知网进行查询，仅能搜索到36篇相关的教学研究论文，其中包括实验教学改革、课程模块化教学内容体系改革、案例式教学的教学方法改革、双语教学方面的思考等，没有找到关于线上线下混合式教学的相关论文，更没有涉及智慧教育的相关论文。

（三）教学资源方面

上述专业基础课程教学的现状主要与专业基础课程的教学资源过少有关。由于专业基础课程是专业课程学习的先导课程，具有一定的专业特色，且其在不同学校和不同专业的教学重难点不同，因此其教学资源不如高等数学、大学物理等基础课程教学资源普适性强。如工程材料课程，有的学校偏重金属材料研究，如西安交通大学；有的学校偏重无机非金属材料研究，如武汉理工大学；有的学校则更关注高分子材料研究，如四川大学等。由于海军工程大学（以下简称我校）的专业背景多与海军装备相关，其所开设的工程材料课程更关注金属材料，且不同专业关注的金属材料类型又不同，其中船舶与海洋工程专业主要关注船体钢和低合金结构钢；动力工程专业主要关注机器零件用钢；而兵器工程专业更关注各种有色金属。因此，不同的高校进行相关课程建设产出的教学资源普适性不强。而对不同的专业来说，专业基础课程与本专业的直接关联度不如专业课程高，因而不会花费大量的精力來进行教学资源建设。也有些专业的专业基础课程由其他专业开设，如我校的船舶与海洋工程、动力工程、兵器工程等专业的工程材料课程就是由材料科学与工程专业开设的，而教学单位一般没有给予这些专业基础课程更多的重视。上述原因导致高校专业基础课程开展线上线下混合式教学的资源普遍欠缺，高校之间也不能形成合力推动专业基础课程教学模式的改革。如在中国大学MOOC教学平台上，各种各样与工程材料相关的课程共19门，可参与学习的人数普遍不多，大多数课程的学习人数在1000人左右，参与人数最多的为北京理工大学的工程材料基础课程，共4943人，主要满足本校相关课程的SPOC教学。由此可见，要想实现智慧教育理念下专业基础课程的教学改革，必须加强课程的教学资源建设，尤其是电子资源建设。

（四）评价机制方面

由于教学资源不足，专业基础课程的教学模式以传统的线下课堂教学为主，现有的评价方式也是以期末课堂考核为主。现在提倡形成性考核，部分专业基础课程的形成性考核占比达到40%，考核平时作业、实验、期中测试、课程论文等。形成性考核方式在一定程度上反映了学生对知识点的掌握情况，利于教师在后续教学过程中及时调整教学节奏，但与智慧教育的理念还有一段距离。因此，要实现专业基础课程智慧教育，优化考核方式也是必不可少的一个环节。

由以上分析可知，要想提升专业基础课程的教学效果，可在智慧教育理念下重构其教学体系，通过教学电子资源建设，实现教学模式的改革，并通过考核方式的改革进一步提升教学效果，全面达成专业基础课程的教学目标。

二、智慧教育理念下专业基础课程教学体系的重构与实施

（一）重构原则

要达到专业基础课程的教学目标，必须在有限的学时安排下进一步提升教学效果，因此基于智慧教育理念进行专业基础课程教学体系重构的基本原则就是保障教学效果的提升。美国缅因州国家训练实验室的学习专家爱德加·戴尔（Edgr Daie）通过量化学习者采用不同方式学习两周后还能记住的内容（平均留存率），评估了不同学习方式的学习效果，并建立了如图1所示的学习金字塔。由图1可知，学习者通过听讲、阅读、视听、演示四种传统课堂常用学习方式学习两周后的学习内容平均留存率均≤30%，学习效果相对较差；而通过讨论、实践和教授给他人这三种方式学习两周后的学习内容平均留存率均≥50%，学习效果较好。学习效果在30%以下的几种传统方式，都是个人学习或被动学习；而学习效果在50%以上的，都是团队学习、主动学习和参与式学习。因此，从学习方式来看，重构专业基础课程教学体系时，应根据教学计划尽量重构教学内容，以便学生组建团队或通过实践来学习，变被动学习为主动学习。

（二）重构模型

基于智慧教育理念，专业基础课程教学体系的重构可通过特定的教学设计来实现，即根据具体的教学内容，利用现代教学技术、方法进行教学，促进学生智慧学习，其核心是将内容、技术、教学三者进行有机融合。因此，我们主要从教学内容、技术手段和教学方式三个层面来重构专业基础课程的智慧教育体系。

教学内容是课程教学体系重构的起点。根据专业基础课程的教学知识目标，可将教学内容分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造六类，不同的教学内容适合的呈现方式不同，适合的技术媒体、教学方式也不同。教学技术一方面承载着教学内容对教学目标达成的技术需求，另一方面也对教学方式具有启发和引导作用，在教学中具有“替代”“扩增”“调整”和“重构”的作用[7]。其中“替代”是指利用信息技术使各种教学要素电子化、信息化；“扩增”是指在替代基础上，突破时空限制，丰富教学要素，如将抽象教学内容可视化等；“调整”是指调整教学局部结构，如基于微课的翻转课堂等；“重构”是指重构教学体系，生成新的教育生态，如个性化学习生态。教学技术具有选择性和多样性，但并无优劣之分，不同的教学技术只要在教学过程中发挥恰当的作用就是最优选择。从教学层面来说，教学过程是课程教学体系重构的核心和落脚点，具体的教学过程体现了内容、技术、教学的融合水平，包括教学要素优化、教学流程改造和教学结构重构三个阶段。内容、技术、教学的相互关系如图2所示。

（三）工程材料课程教学体系的重构及实施

根据以上教学体系重构模型，以工程材料中铁碳相图的教学为例进行教学体系重构，并开展线上线下混合式教学。具体的教学体系重构及实施方式如图3所示。在铁碳相图教学中，铁碳合金的定义及分类为记忆性内容；铁碳相图的特征及分析为理解性内容；铁碳合金冷却过程分析为应用性内容；不同铁碳合金的室温相组成和组织组成为分析性内容；不同的相组成和组织组成对性能的影响为评价性内容；根据性能需要设计不同相组成和组织组成的铁碳合金则为创造性内容。在传统教学活动中，铁碳合金的定义及分类、铁碳相图、铁碳合金冷却过程的教学占用了大部分的学时；通过反复讲解练习，学生基本能掌握记忆、理解和应用性内容，部分学生能掌握分析性内容，能掌握评价和创造性内容的学生相对较少。

参考图1学习金字塔中不同学习方式的学习效果，将铁碳相图的教学内容进行分解后，利用现代教学技术为不同的学习内容定制不同的教学方式。将难度不大的记忆性内容录制成预习微课，课前推送给学生，通过微课中的练习题加强学生的记忆，并利用雨课堂等教学工具进行课堂实时互动以巩固记忆。在讲解铁碳相图后，通过翻转课堂教学应用和分析相关知识，引导学生分析铁碳合金的结晶过程及判断结晶产物，并通过铁碳合金结晶过程的分析进一步理解铁碳相图。在教学过程中，教师随时通过课堂实时互动工具了解学生的学习情况，并调整教学节奏。由于结晶过程的分析及结晶产物的判断为学习的重难点，教师可以在学习网站上上传相应的授课视频，供学生课后复习巩固。教师也可以通过为不同专业的学员录制不同侧重点的微课并推送不同的巩固复习题，实现不同专业的差异化教学。在教学过程中，由于运用了微课、实时互动工具、学习网站等技术手段，采取了翻转课堂的模式进行教学，记忆、理解、应用、分析相关知识的教学较传统课堂教学节省了大量课时，教师和学生有更多的时间和精力关注评价性内容和创造性内容，从而达成教学的高阶性目标。如通过显微镜观察不同成分铁碳合金的微观组织，并利用硬度测试、拉伸试验评价成分、组织对性能的影响；分组讨论针对不同性能要求设计铁碳合金的成分和组织等内容。由于使用了翻转课堂和分组讨论的教学方式，且整个教学过程中贯穿使用了实时互动工具，学生在翻转课堂、小组讨论中的表现和课堂实时互动情况都可计入形成性考核中。因此，整个考核更加科学，且及时反馈了教学中存在的问题，有利于教师及时调整教学活动，获得更好的教学效果。

（四）实施效果及教学反思

我校根据以上模型重构教学体系并实施了两轮工程材料课程的教学改革。为考察教学效果，从每轮工程材料的授课班次中选取一个由多专业组成的人数较多的大班和仅由一个专业组成的人数较少的小班进行线上线下混合式教学，并与采取传统教学模式的班级进行对比。从最后的考试成绩和试卷分析来看，采取传统教学模式进行教学的班级的记忆和理解类试题答题情况普遍较好，应用和分析類试题答题情况呈两极分化状态，评估和创造类试题答题情况普遍较差，整体试卷得分也呈两极分化状态。将教学体系重构并采取线上线下混合式教学后，大班及小班的记忆性考题的得分稍低，理解性考题的得分与采取传统教学的班级相当，应用和分析类试题普遍答题较好，评估和创造类试题答题情况较好。总体来说，采用新的教学模式的班级平均成绩优于采取传统教学模式的班级。从班级人数对教学效果的影响来看，小班平均成绩高于大班，这主要是由于小班的应用和分析类试题的答题情况普遍优于大班。从课后的问卷调查来看，新的教学模式对于教师和学生来说，都需要投入更多的时间和精力，甚至有个别学生因为投入过多的精力而产生抵触情绪。在课程结束一个月和六个月后，课题组又分别对教师和学生进行了问卷调查，并在对学生的问卷调查中同时配套了部分考题。从问卷调查的结果来看，重构教学体系后采用线上线下混合式教学的师生对整个教学过程记忆更深，师生之间的相互印象也更深，所有学生都认为新的教学模式更科学、掌握的知识更牢固。

对这两轮教学实践活动进行分析，可以总结出专业基础课程教学过程中一些亟须改进的地方：（1）师生的教学观念需要更新。虽然重构课程教学体系后，采用线上线下混合式教学模式的授课效果更好，但由于重构教学体系和授课过程中师生需投入的精力更多，在同样的授课学时下，教学节奏更快，导致有些师生对教学模式的改变有抵触情绪。对此，需要广大师生改变教学观念，以更积极的心态参与到智慧教育中来。（2）需进一步创设智慧教育技术环境。虽然近年来人工智能、网络环境等相关智慧教育支持技术发展越来越快，但各高校差异较大。对于普通高校来说，基本的硬件和软件条件都有待加强；对于军校来说，还需进一步考虑如何智慧地使用地方网络教学资源。（3）需加强教学资源建设。如前所述，专业基础课程现有的教学电子资源较少，需进一步根据本校相关专业的特色进行差异化资源建设。

三、结束语

作为基础课程和专业课程学习之间的桥梁，专业基础课程既包含不同专业通识的基础理论，受众面广，又具有一定的学校和专业特色，因而不同的高校不能完全形成合力共同建设，各种可用教学资源相对较少。在高校专业基础课程的教学过程中，可以以实现教学目标为指引，重构教学体系，将教学内容分解为记忆、理解、应用、分析、评价、创造类知识，结合不同的技术支持手段，为不同的教学内容选择合适的教学方式，通过线上线下混合式教学来实现内容、技术、教学的融合。现有工程材料课程教学实践表明，新的教学模式有利于实现专业基础课教学的高阶性目标，提高学生的知识迁移能力，可以推广至其他专业基础课程的教学中。由于师生教学观念、智慧教育环境和专业基础课程的智慧教育资源等各方面的原因，实现专业基础课程的智慧教育任重道远。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 杨现民，余胜泉.智慧教育体系架构与关键技术支撑[J].中国电化教育，2015（1）：77-84.

[2］ 杨现民，李新，邢蓓蓓.面向智慧教育的大数据实践框架构建与趋势分析[J].电化教育研究，2018（10）：21-26.

[3］ IBM. Smart education with IBM [EB/OL]. （2017-10-11）[2021-10-30].http：//www-304.ibm.com/easyaccess/ fileserve？contentid=232269.

[4］ 陈耀华，杨现民.国际智慧教育发展战略及其对我国的启示[J].现代教育技术，2014，24（10）：5-11.

[5］ 祝智庭，贺斌.智慧教育：教育信息化的新境界[J].电化教育研究， 2012，33（12）：5-13.

[6］ 张文.基于智慧教育理念的高校体育MOOC革新重构策略研究[J].中国教育信息化，2019（19）：24-28.

[7］ 荣子健.智慧教育理念下高校学科教学质量提升策略[J].中国成人教育，2020（20）：55-57.

[8］ 余钢，郭衍超.地方本科院校智慧教学的关键问题思考[J].湖北理工学院学报（人文社会科学版）， 2020，37（5）：76-80.

［责任编辑：钟 岚］