AI背景下新工科课程维基系统的建设教学探索

［摘 要］ 得益于大模型的进步，人工智能（AI）方兴未艾，并逐步从计算机领域向其他领域渗透。AI技术为新工科教学提供了强大的辅助工具，能够有效促进人才培养效果和效率。与传统领域相比，新工科领域的理论研发、技术迭代和场景应用之间的时间耦合关系较短，因此，传统教学手段无法快速适应技术发展速度。基于人工智能的维基百科系统为这种问题提供了解决方案。结合人工智能技术、探索利用维基建设解决方案，阐述建设意义，对新工科课堂进行改革，可落实新工科和卓越人才培养理念，形成满足我国实际需求和学生适应能力的教学方法体系。

［关键词］ 维基；百科；人工智能；STEM

［基金项目］ 2018年度浙江大学建筑工程学院教改项目

［作者简介］ 祁宏生（1984—），男，江苏盐城人，博士，浙江大学建筑工程学院副教授，主要从事交通信息工程与控制研究。

［中图分类号］ G434 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）46-0001-04 ［收稿日期］ 2023-11-16

引言

新工科专业是支撑生产力发展及经济发展的重要基础。《普通高等教育学科专业设置调整优化改革方案》明确提出，以新工科、新医科、新农科、新文科建设为引领［1］。进入21世纪，人类社会迎来了数字时代，工科更是成为引领科技发展的核心力量。我国《中国制造2025》战略规划的顺利实施也依赖于工科诸学科的良性发展。工科的融合发展，派生出极具前沿性的人工智能学科。当前，人工智能学科已经成为各国抢占的技术高地。得益于信息技术和通信技术的发展，和传统的学科相比，人工智能学科的理论研发、技术迭代及场景应用之间的时间迟滞越来越短［2］。尤其是2016年Alphago的成功应用、2022年ChatGPT的横空出世，展示了人工智能领域的潜力，并促进了人工智能向其他领域的扩散，例如人工智能+医疗、人工智能+交通等。这一趋势给新工科课堂提出了挑战［3］：传统上，学科内容相对保持静态，例如数学学科的讲授内容，公理、定理等长期保持不变；然而大部分新工科领域的研究日新月异，应用场景层出不穷。因此，如何保持学科基础的深度和研究领域前沿的广度，是相关课程要把握的难点［4］。为应对这一挑战，有必要丰富第二课堂的内涵和外延。维基百科系统为针对这一挑战提供了有力的解决工具：一方面，百科系统可将研究领域前沿的内容包括理论、技术、数据集等包含在内；另一方面，可限制百科内容的范围，从而达到深度和广度的平衡。此外，由于维基系统可以随时访问、编辑，因此，即使课程结束，学生有了解领域前沿的需求，也可以随时访问维基系统，和教师进行持续性的交流、讨论。本文对新工科课堂的维基系统的建设需求进行论述。

一、新工科课堂维基百科建设需求分析及意义

（一）新工科课堂维基系统建设需求分析

新工科课程和其他课程的显著区别在于，课堂讲授内容受到领域内技术进步的影响很大。部分课程材料容易由于技术的进步而过时。同时，课程依托的概念体系、理论基础、模型方法也有不变的部分。因此，合理区分二者是对课程材料进行组织的关键所在。需要厘清不变的概念体系、理论基础和变化剧烈的前沿技术方法之间的逻辑关系，这种逻辑关系方便了知识点之间的通过内链相互引用、指示。对于课程来说，没有必要也没有能力构建含有内容的系统。扩展第二课堂的维基百科系统需要满足如下需求。

1.部分开放式的编辑。由教师和学生进行自由编辑，学生的内容由教师核定，如果学生的编辑页满足科学性要求，则可以纳入课堂维基系统。因此，教师和学生的角色在维基系统构建和应用中是不同的。

2.在内容的形式方面，由于计算机学科的特点，领域前沿研究内容大部分是在学术会议中进行演讲、发表，对其进行分类、归纳，一方面可训练学生的阅读能力、理解能力和应用能力，另一方面可用来考查课堂教学效果，事实上也可作为开放式课堂作业。

3.由于AI的特点，模型构建、数据采集与清洗、模型训练和应用是一个有机的整体。不同于其他领域，数据的类型多种多样，包括常规的表格式数据，以及图像、视频等。

4.普通的开放式维基百科系统的用户进行编辑时，需要学习一系列的系统操作知识，不同的开放式维基系统的语法、设置不一而足。对于课堂维基系统来说，这种额外的学习负担应尽量减少，同时，学生在课堂维基构建过程中学习的技能需应用到其他任务中。

基于上述考虑，新工科课程的维基系统的框架构建分为四方面的内容：（1）课堂知识点的构建。由于计算机领域的发展日新月异，因此，课堂知识点不应仅包括教师授课的知识点，还应包括学生课后阅读的知识点，阅读材料包括领域内顶会的文章等。（2）AI算法不能仅通过推导来讲授，更需要通过实例代码的构建、运行等让学生体会算法的思想和逻辑，从而维基系统也包含了代码和运行结果。（3）学科前沿内容的知识点构建涵盖了领域的热点，这些研究热点散布于学科顶级期刊、顶会、领域内的新闻等。这部分主要由教师确定材料采集方向，由学生搜集、整理材料形成。（4）AI领域的特点是包含众多算法。对这些算法进行测试需要公开的数据集合和测试基准，从而维基系统还应该包括公共数据集合、测试题或者其来源链接。

（二）面向新工科课堂的维基百科系统建设的意义

面向课堂的维基百科系统建设的意义可从多方面角度阐述。

从宏观层面上看，新工科建设是为应对新一轮技术革命与产业变革而采取的战略行动，其特点是新技术、新产业、新业态和新模式的出现，这些呼唤着新工科的发展。国家实施了一系列重大战略，需要新工科的支持；产业也在不断地转型升级、新旧动能转换，也需要新工科的支持；同时，提升国家的硬实力和国际竞争力也需要新工科的支持。在总结技术范式、科学范式和工程范式经验的基础上，我们探索构建适应新时代的工科范式，以适应变革和塑造未来为指导，通过继承与创新、交叉与融合、协同与共享等方式，深入开展新工科的研究和实践，推动思想、机制和模式的创新。实现从学科导向转向以产业需求为导向，从专业分割转向跨界交叉融合，从适应服务转向支撑引领的转变［5］。

从中观层面上看，可以更新工程人才知识体系。在教学过程中引入产业和技术的最新发展及行业对人才培养的最新要求，更新教学内容和课程体系，构建适应行业发展需求的课程和教材资源，打通与产业的“最后一公里”。推动教师将研究成果及时转化为教学内容，向学生介绍学科研究的最新进展和实践发展的新经验。积极探索综合性课程、问题导向课程及交叉学科研讨课程，提高课程的吸引力和学业的挑战性。促进学生的全面发展，注重培养新工科人才的核心素养，强化工科学生的家国情怀、全球视野、法治意识和生态意识，培养设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业能力、跨学科交叉融合能力、自主终身学习能力、沟通协商能力及工程领导力。

从微观层面上看，能够落实以学生为中心的理念，探索新工科自主发展和自我激励机制；促进学生的跨专业和跨校学习，增强师生之间的互动，建立以学习者为中心的工程教育模式；推进信息技术和教育教学的深度融合，建设和推广在线开放课程，并充分利用虚拟仿真等技术创新工程实践教学方式，面向未来并领跑世界，提高新工科人才培养的质量标准。

二、维基系统框架的选择及实践

完成了维基系统的功能设计，需要对设计的逻辑框架进行实现。在选择逻辑框架时，需要考虑下述因素。

（一）系统应尽量简洁、设置简单

众所周知，搭建网络数字化维基系统涉及网络协议、系统构建、内容设计等环节，完整的流程对于教师而言是繁重的任务，因而，如能简化维基系统的构建流程，无疑会极大地提升课堂教学效果。

（二）维基内容的输入和编辑语法应尽量简洁、快速

由于维基系统一般通过网络来访问，因此，传统的网络文本协议如HTTP等是维基系统的终端输出。直接编辑页面需要一系列的前端知识，如果能规避此类要求，无疑会极大提升教师和学生的工作和学习效率。

（三）体量尽量轻量化、方便部署

传统上，维基系统本质上类似于一个网站，其运行效能受限于部署平台、访问量等。如果能依托云平台进行一键式部署，后期维护也会变得非常方便。

面向新工科课堂的维基系统建设，可以进行有选择的维基系统建设。以课程“交通智能优化算法”为例，讲解维基系统的应用实践。笔者考虑各种维基系统的特点、优缺点、部署难度、可扩展性等方面，进行维基建设。笔者选择维基的基准有如下标准：（1）必须是开源方案，允许教师进行按需定制。（2）能兼容目前的主流开发语言，符合教师的技能积累。（3）维护难度较低，不仅符合教师快节奏的教学、科研安排，也能够满足众多不同学科背景、不同学术能力、不同理解能力、不同知识积累的学生的需求，学生能够快速上手、滚动更新，实现长效化机制。（4）面对高校教学软硬件现实，功能丰富而且易于安装，充分满足新工科知识站点的需要；运行环境要求较低，架设过程简捷，即使不熟悉的教师或者学生也可以迅速建立自己的站点；很容易找到范例站点；教师和学生可以进行持续开发，保证未来的支持。

三、教学效果评价

（一）为工科课程建立新的符合行业目标的授课模式

根据世界高等教育与历次产业革命互动的规律，面向未来技术和产业发展的新趋势和新要求，探索并建立新的工科范式。在总结技术范式、科学范式和工程范式的经验基础上，将以应对变化和塑造未来为指导，通过继承与创新、交叉与融合及协同与共享等主要途径，深入开展新工科的研究与实践。目标是推动思想创新、机制创新和模式创新，实现从学科导向转向以产业需求为导向，从专业分割转向跨界交叉融合，从适应服务转向支撑引领。

深入挖掘各类专业课程和教学方式中蕴含的技术、方法资源，破解课程“表面化”“硬融入”等问题。结合专业特点分类推进课程建设，将党的二十大精神有机融入相关专业课程。用好数字化资源，开展相关课程任课教师培训，提升教师课程思政教学能力。强化交叉融合再出新，引领带动高等教育提质创新发展，深化教学模式创新，用好示范项目和数字化资源。

（二）授课效果提升

新工科人才培养的目标是以学生发展为中心，培养未来工程科技人才的跨学科、多学科的知识体系和创新思维，培养其解决复杂工程问题、团队合作、工程管理及领导的能力。除此之外，课堂维基百科注重增强学生的工程伦理意识、全球视野、创新创业和终身学习能力，以培养卓越工程师、企业家、工程科学家和领军者。同时，促进人才培养的全周期、全链条、全要素的持续发展与创新质量体系，构建新工科人才培养的优质生态环境。

（三）学生的综合能力得到了扩展

新工科人才培养的目标是交叉融合再出新，推动现有工科交叉复合、工科与其他学科交叉融合、应用理科向工科延伸。课程维基百科的建设，有效地对正式授课内容进行了补充、扩展、升华，有助于激发学生更大的潜力及更加全面地提升学生的综合素质，促进学生的全面发展；把握新工科人才的核心素养，强化工科学生的家国情怀、全球视野、法治意识和生态意识，培养了学生的设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终身学习、沟通协商能力和工程领导力。

（四）以需求为牵引开展多样化探索

认真研究国家战略和区域发展需要，积极开展新工科研究与实践，让学生树立要对工程科技创新和产业创新发挥主体作用的概念，把新工科建设作为课程改革的“催化剂”，系统推进课堂组织模式、学科专业结构、人才培养机制、学生评价激励等方面的综合改革，推动和引领高等教育深层次变革，推进“理工”“工工”结合、“工医”“工农”“工文”交叉，面向课程内容、面向未来发展趋势，加快形成一批可推广可复制的教学改革成果，在新兴工科的课程体系、新形态教材和教学内容等方面实现突破。

结语

人工智能时代的课堂和传统课堂存在着很大的差异。信息技术的发展一方面给课程的教学提供了丰富且强有力的工具，另一方面前沿学术的快速发展使得课堂的内容存在一定的滞后性。第二课堂作为对第一课堂的补充，存在着多种形式。本文提出利用结合人工智能和维基百科概念作为第二课堂的一种形式，这种形式允许教师和学生协同完善维基内容，也可以最快速度融入学术研究领域的研发进展，从而特别适合新工科课程。本文通过对课堂教学需求分析，阐述了新工科课程维基系统建设的意义，剖析了不同维基系统的适用场景，并提出课程维基系统的建设平台，同时在“交通智能优化算法”课程中进行了实践。主动对标新工科培养理念和卓越人才培育思想，不断推进新工科课程教学改革创新，将是长期需要研究、改进和实践的课题。