疫情常态下机电类高等教育的教学改革探索

曹京亚, 牛江川, 张婉洁

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄 050043)

一、 引言

据美国约翰斯·霍普金斯大学新冠肺炎疫情最新统计数据显示，截至2021年8月5日，全球已累计新冠确诊病例超2亿例，累计死亡病例425万例。全球累计确诊病例数呈加速增长趋势，从1亿例升至2亿例，仅仅用时190天[1]。我国在疫情防控方面外防输入、内防反弹，及时采取针对性和实效性的防控措施，取得了阶段性成效。然而，在国际疫情持续蔓延的情况下，始终要绷紧“疫情防控”这根弦，稍有环节疏忽就容易造成严重的影响。世卫组织总干事谭德塞曾表示：“新冠病毒将与我们长期共存，虽然许多国家的居家令或其他一些限制措施成功地抑制了新冠病毒的传播，但这种病毒仍极其危险。证据表明世界上大多数人口仍然容易感染新冠病毒而使疫情死灰复燃[2]。”国内机场、口岸及定点医院多次出现境外输入关联病例，并造成一定范围扩散。教育部要求各地教育部门和高校要确保师生安全防护指导到位，严格控制组织开展大型活动等。

2020年春季学期，全国1 454所高校响应“停课不停教、不停学”的号召，约103万教师在线开出了107万门课程，合计1 226万门次课程[3]。教师们积极适应新环境、新形式，保障教学质量与教学进度，确保教育教学工作顺利进行。秋季学期因疫情基本得到控制，学生返校恢复课堂教学。然而，接近学期结束疫情又有扩散趋势，许多高校紧急停课提前放假以免学生无法回家过年[4]。目前临近2021年秋季开学疫情再次“卷土重来”，如此反复的态势使线上教学逐渐从“新鲜感”走向“新常态”。由于强大的教育惯性、教学惯性、教师惯性和空间惯性等因素，限制了在线教学在教学第一线的推进[5]。教师们不断努力提升混合式教学水平，基于“互联网+智能”技术的在线教学已经成为高等教育的重要发展方向[6]。

二、 疫情下高等教育面临的风险与挑战

(一)实施线上教学的机遇与困难

疫情形势下，高校在开展线上教育教学的实践中出现了四大新变化：教师的“教”、学生的“学”、学校的“管”以及教育的形态。“停课不停学”涉及的师生中，从未接触过线上教学或在线学习的占较大比例。在此之前，以教师为中心的传统授课方式在高等教育中占统治地位，主要表现为教师采用互联网多媒体与板书结合的方式讲课，随堂测试和课后作业以纸质形式上交再由教师批改记录等。在国家有关“互联网+教育”政策的指引下，依旧只有少部分教师选择使用互联网产品辅助授课。与此同时，线上培训机构具有价格相对较低、时间场地相对灵活及覆盖面广等特点，并采取多种在线教学方式，满足了一部分学生个性化、定制化的需求。然而，由于培训机构教师专业能力良莠不齐等原因，影响了在线教育的质量。疫情的出现让老师们主动或被动地走在线上教学的第一线，疫情常态化成为了“互联网+教育”的有力推手。

然而，突如其来的教学方式转变也带来了诸多的挑战，包括线上教学质量、线上课程设计方式、教师未掌握线上教学特点以及线上学习生态系统失衡等问题[7]。疫情影响下，教学评价结果反映出高校线上教学的满意度普遍低于线下教学。线上教学网络环境、设备、平台是支撑教师开展在线教学的基本条件[8]。国外学者研究认为，在线教学满意度的影响因素包括教师技术熟练度、教师的信息技术应用能力、学生交流沟通水平、学校政策支持、教学环境以及技术支持等方面。教师的线上教学胜任力是教学成效的关键所在，其影响因素也比较复杂，如课堂互动效果差甚至无互动、对线上平台功能的使用不熟悉或不熟练、教学质量受到网络条件制约、学生注意力难以集中等[9]。

(二)线上教学与线下教学的衔接问题

厦门大学教师发展中心在疫情期间开展的《全国高等学校质量保障机构联盟——线上教学情况调查》结果表明：在疫情稳定或结束后，超过76.5%的高校教师愿意采用“线上+线下”的混合式教学，近一半的教师愿意继续采用线上教学，而不愿意采用线上教学的只占23.1%[10]。面对信息技术的更新换代和层出不穷的教学形态，教师原有的知识结构已经不能很好地满足自身职业发展的需要，疫情期间“被迫”学习使用线上平台进行教学让更多的教师认识到互联网教学的便利，从而对所授课程的教学方式产生了转变的想法。然而，将学生提交的线上作业和线上测试答卷与学生返校面对面考查后的测试数据对比发现，教师对学生的评价结果存在较大差异，大部分学生对知识掌握的真实程度远远低于线上作业或测试的反馈结果，线上学习时的学业质量评估有待深入分析。疫情形势下，实践教学、课程设计和毕业设计等教学环节也受到较大影响，这些环节都需要学生实地参与进来。比如，机电类课程中经常出现一些设计类题目，学生居家无法通过实验验证，特别是对于工程实践，一个小小的变量定义与使用不一致都无法成功编译和运行程序。因此，针对实践类教学环节，没有合理的应对措施只能看着时间流逝，将干扰或打乱后续的教学环节。

(三)疫情下的考核方式

线下课程的考核方法通常以期末考试为主，考核方式为卷面考试，无论是闭卷还是开卷，对学生的评价以终结性评价为主，偏重考察知识记忆。随堂测试和期末考试是在授课教师或监考考试的监督下进行的，测试过程中少有机会查阅资料或者“耍小聪明”得到网上的解答方法。然而疫情下的居家考试，如果仍然依照“期末考试+视频监考”的考核方式，达不到严格监督的目的，效果不甚理想。互联网加快了资源的整理展示，也间接助长了抄袭和作弊之风，学生突击应付考试现象更加泛滥，割裂了一次完整教学过程中的教与学的关系，无法真实地反馈学生的学习效果。在线上考核前的复习阶段，学生之间无法集中学习或讨论，学生成为只与网络平台作伴的个体，相较于与老师、同学面对面交流多了层屏障。在面对问题时，居家学习的学生更倾向于去网络上寻求答案，遇到与老师讲述不一致的内容容易产生混淆，严重影响学习进度。因此，单一的将传统线下考核直接转变为线上考核无法科学地考量和评价课程目标的达成情况。

三、 机电类人才的政策环境

(一)新工科建设

近年来，教育部积极推进“新工科”建设，“新工科”建设是主动应对新一轮科技革命与产业变革的战略行动。通过“新工科”建设推进大学组织模式、学科专业结构、人才培养机制、教师评价激励等方面的综合改革[11]，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。相对于传统的工科人才，未来新兴产业和新经济需要的是实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型新工科人才。新工科专业主要指针对新兴产业的专业，以互联网和工业智能为核心，包括大数据、云计算、人工智能、区块链、虚拟现实及智能科学与技术等相关工科专业。

(二)机电类人才需求

国际货币基金组织发布的《世界经济展望》报告认为，新冠疫情暴发一年后全球发展前景仍存在巨大不确定性，全球未来经济走势将取决于健康危机的发展路径。自疫情以来，我国从中央政府到地方政府都加大了推广数字经济发展的新方略，打造经济新的增长点[12]。新冠疫情使各类数字科技成果的实战效应凸出，数字化平台应用的需求集中爆发，新基建的支撑性作用进一步凸显，为其发展打开了新的窗口期。在建设“新工科”和传统工科专业升级改造的大背景下，传统工科的界限已经变得越来越模糊，尤其在机电类(机械电子工程)领域较为明显。机电一体化技术是将机械和电工电子技术等多种技术有机地结合起来，并综合应用到实际中的综合技术，培养与发展机电类人才是当务之急，也是长远之策。

国内机电类专业在“新工科”建设要求下存在一些不足，如教育理念不适应，知识体系不合理以及社会实践能力弱等问题。随着微电子、信息技术及计算机技术等高新技术与机械设计制造技术的融合，为了培养具有较强工程技术能力的“零适应期”的机电类专业人才，应加强在教育理念、培养途径和培养要求方面的创新。机电类课程与企业商议拟定的题目应紧跟时代发展，增强学生专业技能，提高综合设计能力，加强对专业技能知识的学习与了解。在大数据、智能化的时代背景下，单一的传统工科如机械工程或电子信息是不够的，需要各专业知识的相互融合，因此更需要打造“创意—创新—创业”完整链条的创新人才培养模式[13]。

四、 疫情常态化下的教学探索

(一)结合实事讲解知识点

疫情期间，学生每天长时间坐在电脑前观看视频课程，学习方式单一容易滋生厌烦情绪，产生“假学习”现象，部分学生出于“课程及格的需要”而非“课程兴趣”被动地学习。机电类专业课程大多为工程应用的基本概念、原理以及系统分析、计算等内容，学生经常陷入复杂的理论推导中，兴致不高，难以体会到理论知识在实际中应用的魅力。教师在课程设计中补充一些典型实例可使理论具体化，引导学生利用所学理论知识解析案例，能快速提升学生解决实际问题的能力[14]。结合实事或生活中简单易懂的例子，让枯燥复杂的理论“接地气”，使学生更容易掌握，不会产生畏惧心，愿意听且听得懂，提高学生的学习热情和学习效率。下面以《控制工程》课程为例展开分析。

《控制工程》是机电类专业的重点课程之一，它将控制论与工程技术相结合，研究自动控制系统中具有一般性的规律。这门课程具有理论性强、系统性强、涉及知识面广、信息量大以及更新发展快等特点，对机电类专业的学生解决工程实际问题和学习后续课程有着深远的影响[15]。该课程的主要特点是理论分析内容多，解题计算量比较大，公式复杂难记忆。因此，教学方法的有效性显得尤为重要，否则会让学生认为是在学习一门枯燥的公式课，丧失对课程的兴趣。

对于《控制工程》这种与工程实际应用密切相关的理论课程，教师不仅可以充分运用音频、视频和动画等多种教学手段，还可结合学生熟知的生活中的产品或场景来讲授。比如有关闭环和开环控制系统的内容，可以举例学生熟悉的自动调温空调，它是典型的闭环控制系统，当环境温度高于设定温度时，空调制冷系统自动开启，调定室温到设定值。微波炉则是典型的开环控制系统，对食物温度的控制属于开环控制，不用温度而是通过设置时间长短和火力大小来控制加热。此外，引导学生思索身边还有哪些电器或其他产品具有与空调或微波炉类似的控制特点，可提醒学生思考电饭锅保温功能是否是闭环控制，由于电饭煲更新换代较快，也许学生会提出功能方面的异议，课堂氛围因此带动起来，并且得到了有效地思考和反馈。

有关控制系统中干扰项的内容，结合目前新冠疫情的严峻形势，认为疫情就是整个教学系统的干扰项，每个教学环节都要考虑和分析这个干扰项带来的影响。在结合实事讲授课程的同时还可渗入课程思政，即将新思想结合新形势，在理论阐释、中国实践和互动交流中根植理想信念。网络课堂不仅让学生在互动中学到了课本知识，而且通过网络丰富案例又进一步强化了学生对理论知识的深度理解，帮助学生树立正确的世界观、人生观和价值观，依托网络平台，依据社会和学生普遍关心的问题为教学内容，比传统的依据教材进行单项灌输要更具启发性和实效性[16]。

(二)借鉴其它领域直播经验

习近平总书记曾指出：“从全球范围看，媒体智能化进入快速发展阶段。我们要探索将人工智能运用在新闻采集、生产、分发、接收、反馈中，用主流价值导向驾驭‘算法’，全面提高舆论引导能力。”通过主流价值导向持续引导舆论这一方面表现最为突出的就是电商直播领域。根据淘宝平台公布的数据，疫情期间直播平台开播商家数量环比增长达7倍多，充分凸显出网络经济持续走高的趋势[17]。直播带货是主播与消费者通过网络实现传递产品价值的方式，越来越多的消费者被直播购物所吸引，逐渐减少了实体店购物或自主搜索式网络购物的频次，也许这种现象可以为线上教学欢迎度的提升带来一些启发。以电商直播作为参照，表1中列出关于线上教学的一些改进办法。

表1 由电商直播得到的线上教学启发

(三)线上线下的灵活衔接

疫情期间，学生的学习场所多发生在家庭里，场景变化可能贯穿了整个学习过程。在此过程中，知识获得的场所由以教室为主，转变为线上平台和家庭中。由此意味着知识的权威也在消减，知识不再局限于教师，而是呈现出非正式、社会性、情境性、分布式网络传播等特性[20-21]。当疫情得到一定控制且风险减弱后，组织学生集体返校迅速开启线下教学，这个过程存在教学方式的突变，学生从“线下转线上的新鲜感”变成“线上转线下的新鲜感”，往往需要一定的适应期，而这个适应期间很容易降低学习效率或遗漏重要的知识内容，课程内容割裂无法自然衔接。疫情的反复且常态化，使线上线下的衔接问题逐渐突显出来，下面以机电类重点课程《DSP原理与应用》为例分析如何有效缓解此类问题。

21世纪以来，数字化技术的飞速发展与DSP(Digital Signal Processing)技术的强大支持密不可分，DSP芯片出现在各种电子产品中，已成为通信、计算机和消费类电子产品等诸多领域的基础器件。对于初次接触DSP的机电类专业的学生来说，一些基础的概念性问题往往成为了入门的第一道障碍。尤其是学生居家线上学习，遇到问题或某些概念没听清时无法如在课堂上那样迅速请教身边的同学或者给教师眼神或表情等回应，导致后续更加低效的学习。因此，教师应比线下教学更加注重与学生的互动性，通过网络与学生产生密切的呼应。

《DSP原理与应用》课程通常安排在本科教学的第6或第7学期。高年级学生经历了一部分基础课和专业课的学习和实践之后已经对本专业的基础理论和发展方向有了一定的认识，经过一系列考核对所学过的课程留有一些记忆，教师可以在这些已讲授过的课程基础上引出其它的专业课程。《数字信号处理》也是机电类专业的必修课程，其在本科生专业课程培养方案中与《DSP原理与应用》是承前启后的关系。《数字信号处理》一般安排在第5或第6学期，主要讲授信号处理算法的基础理论，而《DSP原理与应用》主要讲授支持复杂运算的DSP嵌入式统的应用设计。利用学生较为熟悉的数字信号处理相关理论知识引出DSP应用的内容，充分展示知识的交叉融合，降低学生的理解难度并提高学生的学习热情。

为了实现线上和线下教学的灵活衔接，将课程内容“片段化”是不错的方法，即在教材目录的层次基础上再进行分割。例如，目录划分了章和节两级，将节进一步划分，由若干个第三级段落组成，每个段落设置一个知识点名称。如此设计，学生可以更清楚地了解自己学习或遗漏了哪部分知识点。线上教学重点结合案例教学法和以解决问题为导向的提问法，使学生对DSP 技术具有宏观的基础认识，而线下教学侧重于将课程内容中若干节之间的关系以及若干第三级段落之间的关系做更深入的讲解，进而提高学生解决复杂工程问题的能力，适应“新工科”发展要求[22-23]。线下教学的同时也可利用线上网络资源，即通过翻转课堂的形式优化《DSP原理与应用》的实验教学，形成“预习—实践—报告—反馈—复习与讨论”的闭环实验教学模式[24]。课程内容“片段化”使学生可在课余期间选择适合自己的内容、模式来同时满足教育下限的标准和自己差异化成长需求。线上教学期间，将预习内容可视化来提高预习效果，打破教学时限。实践环节居家无法操作时，可先参考可视化预习资料以及实验视频完成一些基础的理解工作，后续返校线下教学即可迅速地使学生将更多精力集中在实验创新环节[25]。

此外，在线直播场景化功能在不断地完善，教师应积极尝试和采用更先进的线上平台，不仅大量解放在机械性批改等事务上付出的劳力，而且优秀平台提供的语言环境和互动方案能够为学生提供沉浸式的学习感受，提高学生的专注度和接受程度，对学习效率和效果的提升有重要意义。通过丰富的网络资源传输，为学生提供一系列居家也可完成自主学习的内容和工具，例如寻找家中应用DSP技术的电子电器，培养学生工程意识，让他们体会到自己发现新知的成就和乐趣，教师可通过观察、分析、指导、陪伴学生的学习过程，比以往更加精准地完成机器无法完成的个性化教育任务。线上教学资源可为教学设计提供重要补充，强化学生自主学习环节，有助于进一步打造高效率、开放性的课堂。

(四)考核方式的灵活性改革

教育部高等教育司司长吴岩提到关于在线教育要向“新常态”转变时指出：“学校正常开学之后，在线教学依然可以和课堂教学并行，这是物理变化。比物理变化更深刻的是化学变化，从在线教学中总结出来的教和学的技术方法，包括内容和标准、评价和范式，都会发生深刻变化。”疫情严峻时期的线上教学，相当一部分学生认为这是特殊情况下的补救措施而非正常的教学，学习态度和积极性远不如平常状态，再加上居家舒适轻松的氛围，诱惑源较多，很容易屈服于个体欲望的昼夜颠倒、游戏成瘾和社交退行等行为，缺乏群体环境和注意力的影响，教学效果更加依赖于学生的自觉性[26]。因此，如何有效地加强过程考核和师生交流，让教师尽可能地了解学生的听课状况，使学生注意力集中到讲课内容上显得尤为关键。

学生对新媒体、新技术、新理论的接受能力和领悟速度是非常惊人的，教师首先应把握越来越先进的多媒体教学理论和技术。例如，机电类课程中采用图片、音频、视频等多种教学手段结合营造真实、具体、生动的工程场景氛围，尽可能消除学生对于机电设备的陌生感，引导学生“体验式”学习[27]。教师不仅需要提升在线教学设计和组织课堂互动的能力，还应积极地将“注重考核学生实际能力”“全面考核”“过程考核”等先进理念融入到线上教学考核方式当中，促进学生在线课堂学习主动性，建立双向式、沟通式的考核信息反馈机制，增强课程形成性评价，调整课程成绩构成，提高过程考核性成绩比例[7]。教师应提高课程需求的趣味性和应用性，通过动画演示、游戏互动等方式增加学生的兴趣，将学生对课程内容讨论的积极性和举一反三等表现融入课程考核评价中[28]。这种特殊环境下，将考核渗透到学生学习过程的各个阶段，有利于学生加强日常学习。学校层面可充分利用平台系统的测试功能，强化阶段性学习效果评价，建立以知识、能力和素质为主要内容的学习效果评价指标，对学生的线上学习效果进行多阶段、多种形式、多种内容的评估，有助于教师对线上教学质量的跟踪、诊断和反馈[29]，并对教学内容和教学方式作出及时调整和改进，提高课程教学质量。

五、 结语

疫情常态下，机电类高等教育在“新工科”建设等政策的指引下，努力探索与实践“互联网+教育”的教学模式，掌握先进的多媒体教学理论和技术，坚持教学手段的创新。疫情形势下线上教育面临多种风险与挑战，基于国家对于机电类学生发展的政策支持，研究并提出结合实事切入知识点、借鉴其他领域优秀经验、线上线下教学的有效衔接以及灵活的综合性考核方式等教学改革方法，为机电类高等教育的发展提供思路。