工程教育改革背景下混合式深度学习模式探索

摘  要：高等工程教育正面临着空前的改革浪潮，新工科、“双创”教育和“金课”建设等催生工程教育理念和教学体系的变革，推动着教学模式的改革和创新。该文以单片机原理及应用课程为例，以实现深度学习为目标，在分析混合教学模式必要性和可行性的基础上，提出“合理衔接、共同探索”的混合式教学设计原则、“仿真实践、理实结合”的混合式教学促进策略及“适当适量、过程考核”的混合式教学保障方法，以期为工程教育改革背景下的课堂教学模式变革提供参考和借鉴。

关键词：工程教育改革；混合式教学；深度学习；理实结合；过程化考核

中图分类号：G642 文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）08-0092-06

Abstract： Higher education of engineering is facing an unprecedented wave of reform. The construction of "emerging engineering education"， "innovation and entrepreneurship education" and "golden course" has promoted the reform of engineering education concept and teaching system， and furthermore， promoted the reform and innovation of teaching mode.  Based on the analysis of the necessity and feasibility of blended teaching mode， this paper takes the course "Foundation and Application of Microcomputer" as an example， aimed at the realization of deep learning of learners， and proposed "reasonable connection and joint exploration" blended teaching design principle， "simulation practice， combination of theory and practice" blended teaching promotion strategy and "appropriate amount process assessment" blended teaching guarantee method. This paper is written in order to provide the writers facing the same confusion with the reference about reformation of teaching mode.

Keywords： education of engineering reform; blended teaching mode; deep learning; combination of theory and practice; process assessment

为应对新一轮全球产业变革，实现制造强国目标，国务院印发《中国制造2025》，明确了高校在专业人才保障中的主体地位[1]。在此背景下，高等工程教育迎来了空前的改革浪潮。新工科建设、“双创”教育和“金课”建设等[2-5]变革逐步在各个高校推广开来。高等工程教育改革给工程教育带来了人才培养模式优化的契机，使得人才培养与社会需求相匹配，与国家发展战略相契合。不可避免地给课程建设带来了变革压力和挑战，如图1所示。

新工科以“工程教学新理念、学科专业新结构、人才培养新模式、教育教学新质量和分类发展新体系”为主题，以培养具有实践创新能力的跨学科复合型人才为目标。为实现这一目标，人才培养实施载体的课程体系中必然需要增加其他相关学科课程、增强实践环节、加强创新创业训练。“双创”教育以“大众创业，万众创新”为主旨，以激发民族的创新精神和创新基因为目标，因此要求大学教育要保证学生学习自主权，逐步降低学分成为高等教育改革的新趋势。至此，工科专业的课程体系设计被置于增加课程数量和实践教学环节总量与降低总学分的矛盾之中，在遵循跨学科融合和实践创新能力培养的总原则下，组合课程、压缩课时成了解决问题的主流方式。但是，课程作为人才培养体系的核心要素，是决定人才培养质量的关键。2018年，教育部在新时代中国高等学校本科教育工作大会上正式启动一流课程建设“双万计划”，主题为“淘汰水课、打造金课”，旨在进一步提升课程教学质量。因此，矛盾转嫁到了课程上，如何在更少的课时时间内，以更高质量完成教学学习过程是授课教师必须面对及亟待解决的问题。

近年来，线上教学资源极大丰富，线上线下混合式教学模式[6-8]的改革尝试为该问题的解决提供了思路，将部分教学内容转移到线上不失为解决当前矛盾的有效途径。只是还是存在诸如“应该转移哪一部分？划分的依据是什么？‘线上、线下’2个教学环节应该如何衔接？各自实施要点是什么？如何保证和提升学生在整个学习过程中的配合度？”等问题，需要进一步的分析和探讨。

本文以单片机原理及应用课程为例，以“金课”建设范畴下、学习者实现深度学习为目标，基于高等工程教育改革背景下课程建设中所面临的压力和挑战，分析线上线下混合教学模式的必要性和可行性，讨论线上线下混合教学模式构建中的教学设计原则、教学促进策略及教学保障方法，以期为相关课程的建设提供思路和借鉴。

一  “金课”建设的深度学习目标

2018年，教育部发起淘汰“水课”、打造“金课”行动，计划到2022年，建设一万门国家级一流课程和一万门省级一流课程，即“双万计划”。关于“金课”之“金”，有众多学者做出过解析，其中南京大学吕林海[9]教授基于学习者视角，将“金课”标准指向学生的深度学习，这一点与国际工程教育的评价基准相契合。因此，本文所描述的“金课”，也是深度学习视域下的“金课”，以学生实现深度学习为课程教学的总目标。

深度学习，强调“学习者试图自己抽取出意义、积极参与到学科之中，并力图达到对作者文本意义的理解”，与之相对应的是浅层学习，即“学生更关注记忆和背诵，而非文本背后作者的真实意图”。基于以上分析，以单片机原理及应用课程为例，探讨浅层学习与深度学习的区别与联系，明确深度学习目标，见表1。

浅层学习在知识层面以知识点的记忆、背诵为主，强调知识点的直接复制和搬移，例如单片机片内硬件组成，8051指令系统的111条指令等；在能力层面以具体能力培养为主，比如能够根据具体应用需求，完成单片机应用系统的设计和开发；在情感层面，则以基础学习态度、责任感培养为主。正如字面所示，深度学习在知识、能力和情感3个维度上都要比浅层学习更深入；在知识层面，深度学习关注的重点已经不再单纯是知识点本身，而强调对知识来源的分析，即“为什么是这样？为什么以这样的形式体现？别的方式可不可以？”等；在能力层面，更加强调系统的分析评估能力以及知识和能力的迁移扩展能力，例如“单片机的设计者为什么要这样设计？有没有可替代的方案？单片机相关知识和系统设计方法在嵌入式系统、DSP和FPGA等其他的微控制系统中有何体现？”等；在情感层面，强调更高的站位和格局，例如成就的力量、科技的力量及推动科技进步的使命感等。

事实上，深度学习与浅层学习之间并非互相排斥，浅层学习可以为深度学习奠定基础，深度学习可以反作用促进浅层学习，只是单纯的浅层学习已经不能满足当前的人才培养需求。遗憾的是，长久以来，以讲授法为主的传统课堂中，大部分学生都只能达到浅层学习目标，因此，如何通过教学模式的变革，引导学生实现深度学习，是课程质量提升的关键。

二  深度学习目标下混合式教学的必要性与可行性

面对新工科增加课程数目，“双创”教育降低学分的双重“压力”，各个专业将压缩课程学时作为主要应对措施。在“金课”建设主方向下，矛盾进一步转嫁到课程上：更少的学时与更高的教学质量。在此压力下，当前极大丰富的线上教学资源开始散发“金光”，以合理的方式，将一部分教学活动转移到线上，分解课堂教学压力成为解决这一矛盾的必要方式，课程教学所面临的课时减少与课程质量提升的双重压力为线上线下混合教学模式的尝试提供了强烈的内部驱动力。

当前，线上教学资源极大丰富，中国大学MOOC等灵活易用的线上教学平台，学习通、雨课堂等性能优越的教学辅助工具以及智能终端的普及都为线上线下混合教学模式的实施提供了有力支撑。特别是关于线上教学资源，教师如果受限于建设周期和建设经费，无法自建线上课程，直接引用平台已有的精品课程建设自己的小规模限制性在线课程（SPOC）不失为一种简便、高效的方法，可以几乎无阻碍地快速展开混合式教学的尝试，笔者所授的单片机原理及应用课程采用的就是这种模式。另外，教学辅助工具[10-11]的灵活运用也可以促进混合教学更有效地开展，与此相关的文献资料较多，在此不再详述。

关于混合教学模式的可行性分析，还有一个很重要的问题就是教学内容是否适合分解以及应该如何分解。关于这一问题，对照教学目标，通过分析线上线下教学的特点就可以获得答案。线上教学的优点在于学习时间、地点的灵活性及可复现性，缺点在于互动性较差；课堂教学的优点在于有可以良好互动的条件，可监控性强，但缺点在于学习时间、地点的固定及不可复现，更重要的是时间有限。将此特点对照表1，即可获得大致分解方案：将浅层学习任务和学习目标转移到线上教学，而深度学习目标的实现则在线上学习基础上，通过课堂教学来完成，如图2所示。

需要说明的是，浅层学习是深度学习目标达成的基础，一方面是因为知识的记忆是深层理解的基础，另一方面是因为只有在线上浅层学习的基础上，课堂教学的深度学习才有了顺利开展的基础。同理，线上视频学习和线下课堂教学并不能割裂开来，而是在表面上以知识点相联结，实质上以实现深度学习目标达成相统一。

三  “合理衔接、共同探索”，奠基深度目标达成

教学设计是教学实施的蓝本，是保障教学质量的基础。“合理衔接、共同探索”的混合式教学设计是实现深度学习目标的保障。其中“合理衔接”是指线上线下教学环节的合理衔接和有机融合，而“共同探索”是指课堂教学环节中，以问题为驱动构建师生学习共同体教学模式。本节以单片机原理及应用课程中断与中断系统一节内容为例，对“合理衔接、共同探索”的课程设计过程进行探讨，整体教学设计框架如图3所示。

“线上”“线下”只是从教学平台和教学形式上划分，依据各自特点对教学任务的大致分解，两者通过知识点相联结，达成深度学习目标相统一。因此，线上线下教学环节合理衔接、有机融合是混合式教学设计的关键之一。在中断与中断系统一节中，线上学习的主要任务是通过主要知识点的依次讲授使得学生达成浅层学习目标，能够说明什么是中断、中断系统由什么组成及应该如何去设计中断服务程序。线下课堂教学环节依然以主要知识点为（隐藏）线索，只是不再强调知识点本身，而是关注知识点的由来。例如通过“为什么需要中断”来引出中断的概念；通过分析实现中断机制核心要素来讨论中断系统的组成；通过分析中断服务程序的职责和功能来推断中断服务程序的设计方法等。如此，线上线下教学通过关键知识点联结，通过同一教学目标相统一。

需要强调的是，课堂教学依然是教学学习活动的主战场，其关键在于以线上浅层学习为基础，通过问题驱动式学习共同体的构建达成深度学习目标。所谓问题驱动，是指学习过程不再是传统教学中的“通过讲授告知”，而是“通过问题探究发现”。以中断与中断系统一节为例，以“单片机执行过程中遇到突发事件怎么办？如何更高效地解决按键查询？”问题开始，分析中断的必要性，进而引出中断的概念；然后以“如何保障中断机制正常运行？”问题开始，通过中断应用背景分析中断执行过程，进而分析保障中断机制正常运行的关键模块，引出中断系统组成；最后以“中断服务程序的任务是什么？应该如何完成？”开始，分析中断服务程序的关键环节及架构，引出中断服务程序的设计方法。需要特别说明的是，在整个课堂教学过程中，教师只是问题探究的引导者，和学生一起针对问题进行分析探索，一起寻找解决问题的方法，一起揣摩设计者的设计心理，一起达成深度学习的目标，即所谓学习共同体构建。