数字人才培育背景下水力学智慧课堂教学研究

摘  要：为落实国家新工科高等教育改革要求，顺应加快数字人才培育支撑数字经济发展行动的国家战略需求，改善水利工程专业基础课程理论内容抽象和教学形式相对单一的现状，该研究提出利用美国工程技术教育认证标准（ABET标准）指引线上线下混合式的智慧课堂教学模式，以水力学为例，对教改方案的设计、执行与效果进行介绍。基于学生参与率、互动率、完成率的客观评分发现，该教学模式可显著提高学生对于专业内容的学习效果，连续两年课程期末成绩平均分相对提高14%、20%，优秀率较往年增长63%、92%。该模式可为更多相关工程专业课程的智慧课堂教学提供借鉴。

关键词：新工科；数字经济；美国工程技术委员会认证标准；智慧课堂；水力学

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）23-0013-06

Abstract： In order to implement the requirements of the national New Engineering higher education reform， comply with the national strategic needs for accelerating the cultivation of digital talents to support the development of the digital economy， and improve the current situation where the theoretical content of basic courses in hydraulic engineering is abstract and the teaching methods are relatively simple， this study proposes the use of the American Board for Engineering and Technology（ABET） standards to guide an online-offline hybrid smart classroom teaching model. Using Hydraulics as an example， the design， implementation， and effects of the teaching reform plan are introduced. Based on objective scores of student participation rate， interaction rate， and completion rate， it was found that this teaching model significantly improved students' learning outcomes for professional content. The average final course scores over two consecutive years consistently increased by 14% and 20% respectively， and the excellence rate increased by 63% and 92% compared to previous years. This model can provide a reference for smart classroom teaching in more related engineering courses.

Keywords： New Engineering; digital economy; ABET standards; smart classroom; Hydraulics

随着全球化和科技革命的深入，人类社会正迎来数智化时代的新篇章。这一时代背景下，工程技术人才的培养面临着前所未有的挑战与机遇。中国自2016年加入《华盛顿协议》以来，工程教育的国际化进程加速，同时数字技术的迅猛发展也要求高校工程教育必须紧跟时代步伐，不断创新。特别是在《加快数字人才培育支撑数字经济发展行动方案（2024—2026年）》的指引下，数字人才的培养成为国家发展的重要战略。智慧课堂的兴起，为高校工程教育提供了新思路和新途径。本文以此为背景，剖析新工科教育教学改革的时代要求和面临的挑战，借鉴美国工程技术教育认证标准（ABET标准）的相关要求和准则，通过线上线下混合式教学呈现的智慧课堂，以水力学本科教学为例，探索在数智化时代下的教学改革路径，旨在为我国新工科人才培养提供借鉴和参考。

一  我国高校工科教育教学现状

（一）  时代变革和国家政策需求推动新工科高等教育改革

习近平总书记2021年4月在清华大学考察时强调指出要“推进新工科、新医科、新农科、新文科建设”。这一重要讲话指明，推进“四新”建设，需要在构建一流大学体系的前提下，充分利用好学科交叉融合的“催化剂”，对现有学科专业体系调整升级，瞄准科技前沿和关键领域，实现加快培养紧缺人才。习近平总书记的讲话体现了新时代对新工科人才培养提出了更高的要求：“四新”不仅要从数字上增加高校毕业生的数量，更要实现人才培养模式的转变，从质量上培养真正占领国际科技产业前沿的高端人才。作为“四新”之首的新工科人才培养方案[1]，首当其冲成为引领中国高等教育改革创新的重要示范基地。新工科的建设，与学科专业优化、创新能力提高、产学研用融合和时代新人培养有着紧密的联系；高校培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策[2]。

（二）  高校智慧课堂建构符合国家发展战略需求

随着全球化进程的加速与科技革命的深入，人类社会正在步入数智化时代，产业结构的快速调整和经济模式的转型升级，对工程技术人才提出了更高、更复杂的要求。2016年，中国正式签约加入《华盛顿协议》，成为我国工程教育走向国际化的重要里程碑，也标志着高校工程教育必须在全球视野下进行自我革新，以培养能够适应国际发展需求的工程技术精英。与此同时，数字技术已成为引领社会全面变革的核心力量。2024年4月，人力资源社会保障部、中共中央组织部、中央网信办、国家发展改革委、教育部、科技部、工业和信息化部、财政部、国家数据局九部门发布了《加快数字人才培育支撑数字经济发展行动方案（2024—2026年）》。该行动方案要求紧贴数字产业化和产业数字化发展需求，各部门在三年内开展专项行动，增加数字人才有效供给，形成数字人才集聚效应。这项多部门联合行动的举措，与党的二十大报告中提出的“推进教育数字化，建设全民终身学习的学习型社会、学习型大国”的战略部署相契合。教育数字化转型在全球范围内已形成共识，联合国教育变革峰会将其纳入五大行动领域之一。近年来，为顺应国家政策和时代需求，智慧教育发展快速，其中智慧课堂成为实施智慧教育的核心力量和重要落脚点，通过创新教学模式转变传统教育，实现教育教学从培养“知识人”向培养具有高阶思维能力和创新能力的“智慧人”转变[3]。

（三）  高校智慧课堂建设的客观条件已具备

得益于云计算、虚拟技术、人工智能等技术的迅猛发展，以及三年新型冠状病毒感染疫情的考验，全国高校均通过长时间的摸索，对高校日常教学实现了课堂面授到线上教学的转化。在后疫情时代，前期的基础建设投入大部分得到了有效的保留，为高校智慧课堂实现线上线下相结合的混合式教学提供了良好的基础[4]。本文中采用的雨课堂由清华大学与学堂在线于2016年共同研发并推出，将幻灯片、慕课、微信有机融合，实现了互联网—教学资源—移动终端的实时连接[5-8]，实现以教师向学生为中心的转变[9-11]，极大提升了教学效率和自主学习效果[12-17]，可作为一款支持线上线下混合式教学的智慧课堂平台[18]。

（四）  传统的水力学教学方式亟待改革

作为“两新一重”建设中的“一重”，国家加强水利工程建设的宏观调控是对工程科技人才培养提出的新的要求。水力学是水利工程相关专业的重要专业基础课。笔者在前期的教学实践和走访调查中发现，传统教学方式存在诸多亟待改革的问题：首先，教学目标不明确。学生难以将相对抽象的理论内容与实际工程应用相联系，对水力学的实践应用及相关知识积累缺乏兴趣。这些问题没有在教学过程中得到良好的解决，导致学生学习积极性不高。其次，课堂互动性较差。由于大量枯燥的公式推导和例题计算难以调动学生的积极性，形成了“教师单调讲授，学生被动接受”的课堂氛围，没有建立以学生为中心的教学模式。再次，学生实践能力缺乏。由于理论教学与实践能力培养未能有效结合，学生解决实际工程问题和运用创新思维的能力未能够得到充分的锻炼。最后，单一的期末评价机制难以全面衡量教学成果和学习成效。传统以考试成绩为基准的考核方式，未能全面精准地检测学生的学习成果，不利于培养真正全方面发展、具有工程实践能力的工科人才。

二  智慧课堂混合式教学建构理论背景

（一）  智慧课堂建构提升教学质量

高校着力打造智慧课堂，不仅为智慧学习活动的有效实施提供了基础，更是智慧教育建设的核心内容。通过运用大数据、云计算、人工智能等现代信息技术，可以在高校课堂中创造一个智能化、高效率的课堂教学环境。教师在智慧教育理念的指导下，推动传统的“知识课堂”向以学生为中心的教学模式转变，进而形成一个旨在培养学习者高级思维和创新能力的“智慧课堂”[19]。

在高校实施智慧课堂的优势主要体现在以下几个方面：①教学资源丰富。高校智慧课堂可通过整合线上丰富的教学资源，将不同形式传递的专业知识引入课堂，扩充教学内容，激发学生学习的兴趣。②教学策略多元。智慧课堂利用大数据、云计算、虚拟技术等现代信息技术手段构建出一个智能的教学环境，通过大数据演算智能方法调整教学资源、优化教学策略。③师生互动高效。通过智慧课堂教学平台提供的各种互动手段，如在线答题、分组讨论等，教师可以实时了解学生学习动态，第一时间给予学生积极的反馈。④教学成效评估全面。通过多维度的教学评估系统，可以从日常互动、思维方法、实践能力等多方面评估学生学习成效，有助于教师及时进行教学调整[20]。

（二）  借鉴美国工程技术教育认证标准构建课程体系

美国工程技术认证委员会（ABET）是美国权威的工程教育专业认证鉴定机构，其发布的美国工程技术教育认证标准受到了美国乃至世界各国高等教育界和工程界的认可。截至2024年5月，全球40余个国家的920所高校工程相关本科专业获得了美国工程技术认证委员会认证。在美国工程技术教育认证标准的指导下，各国高校建立并完善其工程相关专业课程系统，实施课程改革，源源不断输出优质工科人才。

分析和借鉴美国工程技术教育认证标准可为提升我国工科教育的质量提供新思路和新途径，为国内工程专业的课程改革提供思想指南和行动指导。其核心理念是，课程体系围绕学生毕业需达成的学习成效为中心开展建设，以达到预先设定的目标能力为导向，重视课程体系与产业实践的结合，鼓励持续改进课程体系，实现其对达成培养目标的支撑作用。

美国工程技术教育认证标准下的本科工程专业学生毕业能力（2023—2024）中规定了以下七项要求：①具备运用工程、科学、数学原理识别、构建、解决复杂工程问题的能力；②能够运用工程设计为特定需求提出解决方案的能力，同时能兼顾公共卫生、安全、社会福利，以及全球、文化、社会、环境和经济等影响因素；③具有与大众进行有效沟通的能力；④能够在工程环境中认识到职业伦理和责任，始终考虑到工程解决方案在全球、经济、环境和社会环境中的影响，从而作出明智的判断；⑤能够在团队中有效工作，与团队成员共同发挥领导作用，创建协作和包容的环境，确立目标，策划任务，并实现目标；⑥能够开发和开展适当的实验，分析和解读数据，并利用工程判断得出结论；⑦能够通过适当的学习策略，根据需求获取和应用新知识。