三层系统架构支撑的线上线下混合式金工教育模式

2022-01-21孙春雨

科学咨询 2021年49期

孙春雨李佼

（清华大学基础工业训练中心北京 100084）

一、现今金工教育背景

最近十年以来，以移动互联、云计算和大数据为代表的新技术和新科技呈现加速发展的态势，但教育行业对信息技术和科技成果的应用大都停留在介质和工具层面。在这个信息爆炸的社会氛围干扰下，传统课程讲授的格式化、同学们的学习意愿以及效果总是不如人意。突发公共卫生事件对传统的现场金工实习教育模式带来的巨大的冲击，由于部分学生无法进入学校现场实习，传统的现场实习教育模式明显无法满足教学需求。因此我们必须要在互联网金工实习的教育模式与教育方法上做出努力与探索。为满足线上与线下双重实习需求，我们探索出一套相对完善的教育模式。

二、改革的目的与意义

金工实习课是我国工科类院校最为重要的技术基础课程之一，也是学生通过工程实践来学习和了解制造技术和过程的重要途径。学校希望通过此课程让学生能够灵活地构建学科理论与实践科学间的知识体系，达到综合价值塑造、能力培养和知识传授“三位一体”的教学培养目标。

本文通过介绍课程案例，以此说明由三层系统架构支撑的线上、线下混合式金工教育模式与现有教育体制相结合的可行性，解决“金工实习线上、线下相结合的教学模式怎么做”的问题。接着用金工实习课的组织开展作为实例，解释其工作机理。分析此教育模式在一般教学课程中实行的门槛，以及课程开展过程中可能遇到的问题。最后，本文将阐述金工实习课教育模式的未来展望。

三、教学系统架构与先决条件

在课程开展之前必须搭建一个足够稳定且相对安全的课程系统架构，包括知识架构、组织架构和技术架构，其中技术架构的设计、组织和实施方式关系到相关学习理论的具体实现。因为本课程需要满足线下线上混合式教学与全球化分布式教学，所以我们必须要确保技术架构可以同时承载不同环境体系下的知识特征的顺利涌现[1]。同时，可以全面、系统地记录学习者的学习过程数据，以便依据此数据进行个性化教育、开展其他教学活动和实施教育管理。

课程知识架构是课程的核心，也是学生学习行为发生的关键影响因素之一。所以课程开展之前我们必须要保证知识架构的可行性和必要性。并对知识内容进行筛选与精炼，以确保线上全球化分布教学所投递的知识的准确性和易消化性。所以在课程中我们应该建立一个机制，以保证知识的及时投放和被消化。

图1 课程系统架构

课程组织架构是驱动学生完成学习产出的机制，首先我们采用基于学习产出的教育模式，规制学生的思维聚焦在学习产品上，保证学习成果的顺利产出。因为金工实习是全校选修课，所以本课程必须在群体学习和分布式学习的角度出发，让学生在教师的帮助下体验金工实习的知识与技能在真实情境下的应用。

课程技术架构是保证线上线下双重教学的关键，技术架构有四部分组成，专业的实习指导教师、开源的知识记录平台、互联网和软件仿真工具。仿真软件可以让学生在网络体验机床操作，互联网软件可以全球化的直播教学，这样才能让学生在网络中体验金工实习的操作过程，实现全球化分布式网络教学。开源的知识记录平台不光可以记录学生的学习行为数据，还可以记录教师的教学输入数据。这样学生可以在课后反复观看与复制教师的教学行为，这样教师就可以省出时间针对重点难点进行讲解与答疑。

四、教学案例分析

本次课程主要以清华大学金工实习车工教学为基础。本次金工实习课程的主题是制作国际象棋棋子，本着严格工序的教学理念，普车数车相结合粗精分明。学生先分析棋子的加工工艺，制作工艺流程表。然后利用粗车削毛坯，利用数车进行棋子加工。在这个过程中学生可以学习到普车与数车的相关操作技能与经验。同时通过清华云盘、wiki或Github等信息记录工具进行过程数据统计与版本控制，这样学生也可以通过这些过程数据自学和反复的信息迭代。

（一）课程准备

因为本次课程的学生人数远超现场教学的最大容量，且是线上线下同时教学。所以为了保证教学任务的顺利开展，在教学活动开展之前我们必须设定出一个可以保证顺利涌现的课程产出，以及准备好相应的完备的协同平台和教学软硬件工具。之后指导教师要反复测试课程产出的可行性，并确定出一份行之有效的课程任务安排，也就是课程表[2]。

课程开展前：由课程教师把本次课程所用的线上仿真软件、信息记录协同平台账户信息和远程协同软件安装文件等软件，以U盘的形式打包发送给每个同学并保证其安装好测试安全。这种“拿来主义”可以削弱学生对本次课程的排斥性和尽早融入课程氛围。同时教师提前把课程输入文件放到信息记录协同平台中，方便学生提前查看与预习。

课程开展中：指导教师会分为两部分，一部分教师通过腾讯会议和仿真软件进行教学讲解。另一部分教师现场指导学生机床操作与视频演示。让教学在各种技术架构支撑下从传统的线下教学转变成全球化分布式教学工作流。

课程开展后：通过清华云盘、wiki或Github等信息记录管理工具记录的学习过程数据，统计分析本次课程的完成度和教学效果是否达到预期的教学目标。然后对之后教学环节和下次的教学安排进行微调，从而保证本次的教学任务顺利完成，学习成果完整展现。

（二）课程输入

1.课程知识输入

课程开展之前，教师需要把课程所需的参考文件输入到清华云盘、wiki或githab等信息记录管理工具。保证学生在课程开展时可以随时查阅相关的课程数据。相关资料包括：

表1 参考资料表

2.课程教师输入

教师作为课程内容的生产者，是课程顺利开展的决定性因素之一。但由于课程是线上线下混合式教学，学生人数远高于课程最大承载量且教师人数有限，所以课程开展之前必须把教师进行分组、分工管理。

主讲教师：主讲教师是课程组织者，负责协调实验室资源和把控课程进度。

指导教师：指导教师分为两部分，一部分负责线上，利用腾讯会议和雨课堂与线上同学沟通，讲解仿真软件的操作。另一部分负责线下，在真实的实验室环境下开展教学，并为线上同学直播相关技术知识。方便线上同学把真实与仿真相结合，构建出相对完整的正确的知识体系。

协同教师：协同教师负责处理网络教学中的问题解答、帮助学生处理教学中的突发状况，比如软件问题、名词解释、远程协助。同时协助指导教师录制教学视频，并及时发布到信息协同管理平台，方便学生复习查看。

技术专家：技术专家建议由专业的软件工程师担任，主要工作是解决仿真软件技术故障，帮助学生更好地运用仿真软件。

3.课程工具输入

课程工具属于课程的技术架构，是课程开展的先决条件。本次课程用到的工具可以分为三个层面，信息协同、数据管理记录和金工实习实操。信息协同主要有雨课堂、腾讯会议、向日葵远程协助和微信等工具，主要用来协助教师学生沟通与完成授课。数据管理记录则利用EV录屏、清华云盘、wiki和GitHub等工具，制作、记录和传递知识信息和过程数据。因为本课程是实操型课程，所以工具的输入还要包括机床、物料和宇龙仿真软件等实操工具。只有在这些工具的支撑下，才能保证学生体验到相对真实与完备的金工实习过程。

（三）时间管理与成果输出

在课程开展之初，我们就必须要把包括学习任务内容、时间安排、交付成果要求和计分标准的课程表呈现给学生。这样可以有效地帮助学生聚焦到课程，抵消学生对课程的抵触情绪，保证学习行为的发生与学习成果的产出。课程大体可以分为五个阶段：

课程概论：因为金工实习是机械操作类课程，所以在课程概论中我们要着重讲解课程的安全注意事项。另外概论课的时间不宜过长，不然会分散学生的注意力也会影响教学的进程，拖延学生学习成果的产出时间与质量。

程序与操作讲解：这一部分是课程的主体，为了保证课程内容可以被学生完整地消化，我们坚持“20分钟原则”。因为部分同学是网络教学，我们无法保证学生的注意力与对学习内容的消化。所以我们把课程内容分为几个20分钟的模块化教学，这样可以保证学生的注意力不会分散。

现场操作直播：负责现场教学的协同教师，直播讲解机床结构和操作方式。这样有助于学生能把仿真软件与现场机床对应结合，有助于学生理解机床的操作方法。

学习任务发布：学习任务要经过反复测试，保证其可被操作与完成。发布任务的同时要发布任务节点，并严格按照任务时间节点执行。此时后台协同教师要随时跟进学生的任务完成进度。一方面方便随时解答学生的疑问，另一方面符合“跟踪大于激励”的原则。无形中给学生添加压力，保证学习成果的顺利涌现。

收罗成果：学生严格按照任务节点上传学习产品。协同教师查看学习成果的完整性，并给出相应分数。

（四）信息管理

在本次教学中我们主要用到的信息管理工具有清华云盘、wiki和仿真软件自带的学习数据记录工具。清华云盘和wiki平台用来投放教学所需的知识信息，以及记录学生学习过程的版本数据。仿真软件可以记录学生的学习时间，方便教师查看和跟踪学生的学习进度与状况。教师可以通过这些平台对学生的学习进度、学习资料、过程数据和学习产出进行管理和分析。同时也可以从学生、教师等多个视角对教学内容提出优化方案，方便下一次课程的开展。

五、问题与展望

本人从线上线下混合式金工实习教学的组织方案与发展情况分析，对在此类课程中可能存在的一些问题和建议阐述如下：

网络服务：网络服务属于课程的实体架构，网络速度和容量这些硬件构架对课程的规制是我们不可忽略的重要外在因素，教学环境会潜移默化地影响或触发学生的学习动机。尤其是线上线下混合式教学，网络速度和容量对课程的影响是致命的。所以课程开展之前我们必须反复测试课程网络的容量，保证课程开展中不会出现外在的物理因素影响教学的情况出现[3]。

技术架构的搭建：在软件的选择上要兼顾易学和功能完整两个方面，在保证网络上的学生可以真实且完整的体验金工实习的同时，还要注意软件的易操作性。学生可以用很短的时间学会软件操作，保证后续的学习任务能够顺利完成。