工科基础课程数字化教学资源建设的实践与应用

沈火明，龚 晖，李翔宇，刘娟

（西南交通大学 力学与航空航天学院，四川 成都 610031）

引言

“互联网+教育”已成为世界各国掌控下一轮高等教育改革发展主导权、话语权的重要阵地和焦点领域，教育领域将因数字化发生颠覆性的变革和结构性的改变，数字技术已经在教育领域广泛应用。2018年6月21日，教育部在成都召开了新时代全国高等学校本科教育工作会议，会议指出，要推动优质资源开放共享，加大慕课平台的开放力度，建立慕课学分认定制度，推动教师用好慕课和各种数字化资源，着力破解区域之间、校际之间优质教学资源不平衡的突出问题，尤其是要大力推动慕课在中西部高校中的推广使用。会议还指出，要重塑教育教学形态，高校要将现代信息技术深度融入教育教学，打造智慧学习环境，探索实施智能化的精准教育，提升教学效果，培养学生在智能时代的竞争力。因此，高校一定要紧紧抓住信息化技术变革带来的历史性机遇，加快提高人才培养的整体水平，推动实现高等教育质量的“变轨超车”。培养优秀的新工科人才，亟须打造新工科“互联网+”“智能+”交叉融合的人才培养新模式，而在人才培养中比较重要的一环是课程、实验、实践环节的数字化教育教学新形态，其涉及如何利用好网络、仿真系统、未来智能系统等非正式学习的手段，涉及新形态教材、数字课程建设、以学生为中心的教育理念的持续深化，也涉及以结果评价为主向过程与结果评价相结合的转变。［1］其中，数字化教学资源建设至关重要。

一、数字化教学资源平台的建设

（一）研发智能型慕课平台（SOTS）

根据当前慕课平台的技术情况和学习要求，开发研制了智能型慕课平台（Smart Online Tutor System,SOTS）。SOTS是目前国内唯一的智能型慕课平台，它实现了课程教学中的讲授、互动、作业、学生学习行为监管和质量保障等各个环节的网络化和智能化。SOTS平台通过人工智能和符号运算等技术，解决了数学表达式自动识别的难题，实现了计算题和证明题等主观题型自动批改的功能。2020年以前，在SOTS平台上，西南交通大学材料力学已经完成了12个学期29个教学班2763名学生的慕课教学，“高等数学”课程已经完成了2个学期2个教学班245名学生的慕课教学，两门课程均取得了十分良好的教学效果。“物理化学”课程则从2020年春季学期开始，采用资源滚动开发的策略在SOTS平台上进行了第一轮慕课教学。在2020年春季抗击新冠肺炎疫情期间，学校“材料力学”课程的15名教师29个教学班的2196名学生和电子科技大学基地班的30名学生，在SOTS平台上开展了“材料力学”慕课教学。除此之外，“高等数学”课程的2个班257名学生和“物理化学”课程的3个班158名学生在SOTS平台上开展了慕课教学。目前，平台上线课程有“材料力学”“理论力学”“工程力学”“高等数学”“大学物理”等课程，很好地实现了在慕课中在线讨论和互动，客观题、主观题在作业及网上测试中均可实现。同时，平台研制了自设公式编辑器，可实施多种教学和练习功能。

（二）研制虚拟仿真实验教学平台

虚拟仿真实验教学平台建设是教育信息化的重要组成部分，其综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通信等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中，开展高效、安全且经济的工程实践活动或实验，进而达到真实的实验或实践不具备或难以实现的教学效果，尤其是对于一些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作。目前，已建设完成基础力学和大学物理两个虚拟仿真实验教学平台，很好地实现了上述功能，得到了一致好评。

（三）建设工科基础课程在线题库和组卷系统

结合高等教育出版社教育教学改革项目，联合国内20多个学校，笔者主编和出版了《工程力学在线题库和组卷系统》，参与建设了《理论力学在线题库和组卷系统》，其他课程的在线题库和组卷系统建设正在积极推进中。工科基础课程在线题库和组卷系统资源的建设，不仅有力促进了课程建设，提高了人才培养质量，还通过校校协同构建了此类教学资源建设的协同机制和共享机制。

二、数字化教学资源建设

（一）建设精品在线开放课程

新工科工程教育信息化建设的一个重要内容是数字化教学资源建设，而慕课资源是其重要部分。慕课建设的基本原则有四条：一是建用结合，推进教与学变革发挥优势，建设具有课程特色的慕课资源并应用，如用于线上教学或混合式教学。二是体系化建设，调整慕课课程以碎片化知识传授为主的教学方式，构建体系化的慕课资源，支持学生的建构式学习与创新能力培养。三是线上线下融合，优化课程设计，以学生预期学习成果为目标，整体开展教学设计，优化线上线下学习内容、方法与策略，建设教学资源，支持课堂学习与在线学习的深度融合。四是完善“以学生为中心”的质量保障体系，以学生与学习为中心，完善质量保障体系，降低教学改革风险，不断提升教学质量。

根据上述基本原则，建设了系列在线开放课程，仅工科基础课程及力学专业课程就超过了22门，主要上线中国大学MOOC平台，其中8门上线课程已评为国家精品在线开放课程（国家级线上一流课程），包括“工程力学”“材料力学”“理论力学”“结构力学”“机械设计”“大学生科技创新”等系列课程。目前，又开发了一系列新工科慕课课程，主要有“大学生创新与创业实践”“高等机械设计”“机械设计基础慕课”“有限元计算分析”“弹性力学”“振动力学”等，并已逐步上线。同时，积极深入研究慕课的应用模式和机制，包括全程慕课、翻转课堂、SPOC等。在2020年新冠肺炎疫情期间，SPOC被广泛应用于在线学习，MOOC和SPOC选课人数超过10万人次。混合式教学是当前课程教学的一种重要模式，结合已建设的慕课资源，系列工科基础课程进行了混合式教学，努力探索教学模式，不断提升课程教学质量。其中，4门课程入选首批国家级线上线下混合式一流课程。

（二）出版数字课程和新形态教材

联合多个学校在数字课程云平台ICC上建设数字课程，目前已有“工程力学数字”“电磁场数字”等课程，“理论力学”数字课程正在建设中。数字课程资源丰富，具有自己的版权。数字课程出版后，通常由使用学校购置权限（学生的学习权和教师的管理权），购置后开通课程授权，教师具有课程管理权，包括资源开放、资源调用、在线讨论、学生学习行为分析和学习结果应用等。由于数字课程具有优质资源、实时检测、后台管理权限等优势，深受教师和学生的欢迎，已逐渐在高校开展试点，且效果较好。2020年春季学期，西南交通大学就有6个教学班采用ICC平台进行课程教学。在慕课和数字课程资源的基础上，对数字资源和教材进行了有效整合，编写出版了新形态教材和新形态辅导书9部，包括《材料力学》《工程力学》《理论力学》《材料力学基本实验与指导》《机械设计基础》《大学物理实验数字化教程》《概率论与数字统计》《工程力学学习指导》《材料力学实验仿真与理论》等。教师应用数字化教材可以开展多模式教学改革，研究学生的学习行为，及时调整教学进度，开阔学生的视野，开展课程思政引领；学生通过应用数字化教材，可以检查学习成果，巩固学习，夯实专业基础。

（三）开发虚拟仿真实验

虚拟仿真工程实践教学平台的建设是教育信息化的重要组成部分。虚拟仿真工程实践教学平台是综合应用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通信等技术，通过构建逼真的实验操作环境和实验对象，使学生在开放、自主、交互的虚拟环境中开展高效、安全且经济的工程实践活动或实验，进而达到真实实验和实践不具备或难以实现的教学效果，尤其是一些涉及高危或极端环境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗的大型或综合性实验项目，虚拟仿真教学的实践实验具有明显优势，并对传统的实验教学的思想、体系、模式、内容、方法及手段等产生了颠覆性影响。可以说，虚拟仿真实践实验教学是高等工程教育信息化建设和实践实验教学中心建设的重要内容，体现了数字化技术与工程教育教学融合发展，以及学科专业深度融合带来的实践实验教学改革和创新。目前，仅基础力学就开发了20多个虚拟仿真实验项目，如金属材料冲击、微纳米金属丝拉伸、低速风洞实验、简支模型桥静动力实验、弹性体跌落内应力模拟、空间桁架桥模型静力综合实验等。

（四）建设课程思政案例

每门课程都具有传授知识、培养能力和思想政治教育的双重功能，承载着培养学生正确的世界观、人生观和价值观的作用［2］。在课程建设中，工科基础课程不断挖掘课程思政元素，包括家国情怀、人格养成及科学观和方法论等。目前，各工科基础课程已形成系列课程思政教学案例和一批课程思政教学资源，并逐渐推广应用，如工程力学课程，构建了“1234”课程思政模式，建设了课程思政案例库，并探索了如何增强教材的育人导向和育人功能。［3］

三、数字化资源的共享机制

创设可靠完整的、智能化的数字教育资源平台，实现教学资源共享。当前，无论是自主学习还是翻转课堂，都需要一个完整可靠的教学资源学习平台，使各种资源得以共享，以保障学生能够即时获取需要的学习资料。在线课程的出现将课上学习内容搬到了课下，要想整合这些视频资源以便学生能够随时随地学习，需要构建一个智能化的教学资源平台，让学生能够通过各个终端进行下载学习，将手机、平板及其他移动设备变成获取学习资源的入口，让学生真正实现足不出户就可以随时随地地下载教师布置的学习任务，完成预习、复习等环节，甚至享用全国各地的优质教育资源，传递、分享各种消息。研发的SOTS，将传统慕课平台和智能作业系统进行了有效衔接，线上课程模拟课堂教学，课后可实施主观题、客观题等练习，使学生巩固所学知识，平台实施的教学效果得到了广大师生的肯定，已有多个学校作为建设联盟，共享平台、共享资源，其经验和做法在国内多个大学论坛举办了报告活动。

数字课程是MOOC商业模式的实现，协同建设高校具有独立使用后台管理权，教师通过数字课程系统平台、电子课本、海量优质资源等功能的应用，轻松、高效地打造了完美课件，学生则通过交互式的电子书，快乐预习所学内容。课堂中，师生通过数字课程实时互动，通过随堂测试和实时统计，教师准确掌握了学生的学习情况，学生也在第一时间找到了自己的知识弱点。课后，通过数字课程系统中的作业布置与练习，教师轻松进行教学管理，学生及时巩固学习成果。通过班级空间的资源共享和在线问答，更是实现了跨时空的数字化教与学。上述平台和资源建设均为高校协同建设，既突出了各高校的优势和特色，又使参与的高校实现了资源共享。参与高校既可以将数字课程作为学生的预习复习资源和巩固课程，也可以应用数字课程进行混合式教学。而非协同高校则需通过购置数字课程，获取单属平台的后台管理权，从而在数字课程平台上得以实现同样的应用功能。目前，工科基础课程数字课程已发挥了积极作用，辐射全国，取得了很好的社会效应，反响很好。

四、示范与辐射作用

作为学校教育教学改革的排头兵，学校工科基础课程始终推动课程数字化教学资源建设，教师团队全心投入，教改经费有所保障。数字化教学资源的建设为工科基础课程一流课程建设奠定了扎实的基础，并取得了优异的成绩，相关成果获得2021年四川省教学成果特等奖1项、一等奖1项；5门课程入选首批国家级线上一流课程，2门课程入选首批国家级线下一流课程，4门课程入选首批国家级线上线下混合一流课程；1门课程入选首批国家级课程思政示范课程，2门课程入选四川省课程思政示范课程；获评国家优秀教材建设二等奖1部，推荐评审1部；1个教研室入选首批国家级虚拟教研室试点项目；出版数字化教材和数字课程9部；建设智能型慕课平台1个、仿真实验平台2个；开发仿真实验项目50多个。同时，积极组织和参加多个重要教学研讨会，如承办2021年全国工科基础课程思政教学研讨会、2021年教育部力学基础课程教学指导委员会工作会议、2019年全国基础力学教学研讨会、第五届全国力学课程报告论坛等，举办大会报告和主题报告活动超过30场，积极发挥教学改革的辐射作用，使更多的高校和教师受益。