工程教育智能化:内涵、特征与挑战

林 健 杨 冬

(清华大学 教育研究院,北京 100084)

纵观全球,第四次工业革命方兴未艾,人工智能、5G、元宇宙、大数据、云计算、区块链、ChatGPT等新兴技术在社会各个领域和行业的应用推广渐趋普及化,人类社会正处在一个技术驱动与技术互嵌共生的“数字-智能时代”。从农业化到工业化、信息化再到智能化的社会嬗变进程证实,技术变革不仅重构社会生产力、产业经济形态和人才需求,而且深刻改变着教育教学体系、模式和方式。工程教育是以科学和技术为基础的专门教育,与社会生产方式和行业产业发展具有极强的关联度。顺势新一轮数字与智能技术变化和发展,推进技术与工程教育教学的内嵌融合和创新应用,实现工程教育智能化,既是现实急需,也是未来所向。

工程教育智能化是“数字-智能时代”工程教育发展的必然趋势,是工程教育界必须直面且无法回避的挑战。本文立足工程教育智能化的实现,分别从其现实必要性与紧迫性以及概念内涵、具体特征和主要挑战等四个方面进行论证解析,以为工程教育智能化的相关研究和系统设计提供思路借鉴和具体参考。

一、智能化:工程教育的时代变革

工程教育承担着培养服务和引领“数字-智能时代”发展的工程人才的重任。(1)周列等.智能化时代的工程教育:工程哲学的视角[J].教育发展研究,2022,(11):77-84.面对新兴智能技术的冲击、挑战及其在教育领域的广泛渗透与深度融合,工程教育必须识势应变、率先推变和有效促变。智能化作为工程教育的变革趋势,是主动适应科技进步和产业变革、未来工程教育教学体系革新、教育数字化、中国式现代化和卓越工程师高质量培养等内外需求合力使然。

1.社会变迁:适应科技进步和产业变革的主动选择

当前,以人工智能为代表的新一代科技,作为新的生产力,在催生工业经济新业态、行业产业结构新格局与社会治理新方式等方面发挥着“头雁”效应,社会各行各业处在数字化转型和智能化升级的关键阶段。工程教育是高等教育的主体,与技术发展和社会变迁同频共振,直接面向科技创新应用、行业产业变革和社会需求服务,既承担着促进科技进步、产业转型、经济发展和工业模式创新的社会重任,也肩负着培养适应和引领社会发展的各类工程人才的本质使命。系统推进工程教育智能化建设是工程教育顺势接轨智能社会变迁、主动适应科技进步和行业产业变革的时代应答与必由之路。

2.技术赋能:革新未来工程教育教学体系的趋势所向

工程教育作为一种运用科学与技术等复杂领域知识培养工程科技创新人才的专门社会活动,自然无法游离于智能技术驱动教育教学体系重塑的大趋势之外。面向未来,工程教育必须依托技术赋能,积极应对智能技术发展与产业变革带来的机遇和挑战,加速推进智能化改造升级,系统完善智能信息技术环境设施、资源平台建设及其在工程教育教学全过程、全要素与各环节的融合应用,从而建构与智能化时代发展适配的未来工程教育教学新体系和人才培养新模式。

3.战略牵引:教育数字化和中国式现代化的强大引擎

党的二十大报告指出,未来五年发展的中心任务是全面建成社会主义现代化强国,以中国式现代化推进中华民族伟大复兴,并在顶层设计进行科技、教育和人才三位一体战略部署,正式确立数字中国和教育数字化战略。数字与智能技术既是现代化高度发展的产物,也是现代化纵深推进的催化器。工程教育与科学、技术和人才等国家核心竞争力紧密相关,对于中国式现代化发展具有基础性和战略性的支撑作用。超前布局和率先实现工程教育智能化,直接关系教育数字化和中国式现代化的战略目标与效益达成。

4.需求驱动:卓越工程师高质量培养的内生动力

卓越工程师是中国从大国走向强国的战略人才支柱,从“卓越工程师教育培养计划”1.0(简称“卓越计划”1.0)到“新工科”建设(又称“卓越计划”2.0),再到国家卓越工程师学院建设,工程教育的使命和目标始终锚定探索工程人才培养的中国模式,实现工程教育内涵式、高质量发展,造就肩负国家科技创新、社会经济发展和工业产业转型升级等重任的创新型和复合型卓越工程师。数字化与智能化作为变革性力量,与工程教育双向赋能,工程教育与智能技术结合为工程人才培养体系升级、模式创新和提质增效提供新动力。工程教育智能化是实现工程教育教学体系重构和卓越工程师高质量培养的必要保障。

二、工程教育智能化的内涵

新一代智能技术是工程教育变革的关键力量,智能化是工程教育在数字-智能时代的发展趋向。究竟工程教育智能化谓何?如何定义和理解其概念内涵?厘清这一上位性问题,是指导和保障工程教育智能化沿着正确方向有效推进的逻辑前提和认识基础。

1.智能的本体阐述

智能是工程教育智能化的本体概念。关于智能的定义,目前并无共识和统一界定。相较而言,偏主流的智能内涵论述,不外乎两种学科视角和取向:

一种是从心理学和人的发展角度,通常等同为智力或能力,抑或智力和能力的总和,视为人的认知水平和行为技能的统合体,将智能定义为人所特有的记忆、观察、感知、思维、理解、判断、学习、分析、决策和行动等内隐性心智和外显性能力的集中映射,是认识事物、解决问题、实践工作与改造社会的多项能力的有机集成和综合外化。

另一种是根植于人类社会从信息化时代向数字-智能时代转型过渡的大背景,赋予技术、机器、产品或工具等人造物以“人类智能”,使人工智能模拟、负载甚至超越突破“类人属性与功能”,并通过数据、程序、算法、算力和模型的持续迭代和智能升级,完成部分人所能做的抑或难以做到的事。

本文将“智能”概念限定在智能科技大发展和大变革的时代语境下,既强调智能类产品、平台、系统、工具、机器人等“技术器物”的使用和赋能,也关注利用技术智能优势促进人的高阶智能发挥、生成与发展,同时突出人机合作交互的智能运行状态,是技术智能与人的智能兼而有之、相辅相成、共生互构。

2.智能化概念辨析及其教育延伸

智能化作为核心概念,建立在智能概念的基础上,在本义上与信息化、数字化等概念存在本质联系,它们皆统一于网络信息和智能技术主导的社会演进进程之中。其中,信息化是将物理世界的活动、信息和流程加以数据化和线上化,是数字化和智能化的基础;数字化是利用信息系统和新一代数字技术实现部门、资源、数据、流程和业务等的全链贯通、整合优化和互联共享,是信息化的技术深化和智能化的大数据支撑;智能化是信息技术和大数据驱动社会变迁发展的终极阶段,表现为技术具有满足人的高阶需求的功能特性。

作为信息化和数字化发展的最高阶段,狭义上,智能化专指智能机器、技术或软件系统应用等人工智能,模拟人类智能进行感知、思维和行为的过程,以及其所表征和外化出的满足人类需求的智能属性和特征。(2)刘少杰.从实践出发认识网络化、数字化和智能化[J].社会科学研究,2022,(2):66-71.广义上,智能化作为工业革命的新趋势、科技革命的新特征与社会发展的新形态,主要对标人和机器的关系,意指在计算机、互联网、大数据、物联网、云计算和人工智能等技术加持下,对信息资源进行智能感知、获取、处理、分析、挖掘和传播,通过“人”与“机器”双重智能的叠加深化、交互演化、协同共生,实现人类社会各领域、各行业和各类社会生产与实践活动的智能升级、模式创新和体系变革。教育智能化则是教育信息化和数字化的升级版,是智能技术在教育中深度普及和常态化应用的必然结果,是未来教育模式转型升级的总体趋势和发展方向。(3)祝智庭,胡姣.教育智能化的发展方向与战略场景[J].中国教育学刊,2021,(5):45-52.

在本文中,智能化采用广义范畴,认为智能化并非信息化和数字化的线性替代,而是进阶和升华,泛指智能科技主导下的未来社会发展的新趋势和新形态。包含两层含义:既强调互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代网络信息和数字智能技术,通过支持、嵌入和融合应用而产生系统性演变的整体过程;也指涉由智能信息技术驱动所引发的智能化转型和创新性变革,指向人类社会最终达成的一种高级发展状态。

3.工程教育智能化的内涵厘定

结合智能与智能化的时代语境和实质意蕴,以及技术变革与工程教育的发展关系论,本文将工程教育智能化界定为:依托新兴数字智能技术,变革和创新工程教育,构建面向未来“数字-智能时代”的工程教育新形态、工程人才培养新模式和工程教育教学新方式。具体而言,它指运用互联网、大数据、物联网、云计算、虚拟现实、人工智能等现代技术,通过与工程教育环境、教育资源、课堂教学、课外学习、工程实践、创新活动、质量评价等人才培养全过程、各环节和全要素的深度嵌入和融合应用,赋能并驱动工程教育教学体系的智能升级、深度变革和系统创新,构建智慧高效的人机交互、学生中心、虚实结合、校企协同的工程教育教学育人体系,形成学习环境智能化、学习场景混合化、学习模式多元化、学习手段便捷化、学习方式个性化、学习成效显著化的多样化培养高质量卓越工程人才的全新工程教育形态。这一概念意味着工程教育智能化具有双重内涵:

其一,智能技术在工程教育中的有机内嵌和深度应用。工程教育智能化是智能技术嵌入工程教育的过程与结果,智能技术以内嵌变量形式存在工程教育中。它的基本逻辑是数字智能技术与工程教育的深度结合,在技术介入和加持下,设计开发工程教育智能环境、资源、数据和平台,利用现代网络技术和信息系统或先进的智能空间、技术和设备,助力师生从大量的繁杂机械、简单琐碎、低质重复的工程教育教学活动中解放出来,有效提升教育教学效率、优化教育教学过程和保障教育教学效果与质量。因此,工程教育智能化是智能技术手段与工程教育教学互嵌共构的混合形态,其内在意涵是新一代信息化、数字化和智能化技术深层融入并广泛应用于工程教育教学实践,依托高新科技和智能工具与产品创设,集网络化、数字化、智能化于一体的智慧工程教育教学场域、空间、资源、操作系统和方式方法等硬软件,型构智能技术与工程教育的内嵌融合、协同交互和共生共存形态,从而有力支撑开放共享、弹性灵活、高效高质、综合复杂且极具个性化、创造性和多模态的工程教育教学活动实施,确保工程教育教学模式创新和提质增效。

其二,智能技术支撑并赋能工程教育的系统转型和体系重构。技术嵌入是工程教育智能化在技术层面的集中映射和外化表征,其更深层的价值和效能在于依托技术作为工程教育教学变革的巨大驱力和核心引擎,借助新技术及其优势对传统工程教育进行优化、升级和创新,进而引发工程教育教学的革命性变化和系统性再造。换言之,工程教育智能化并不简单等同于工程教育与信息技术或智能技术的直接应用和机械相加,而是愈加强调技术增强和赋能,利用各种智能技术全方位重塑工程教育教学系统、业务活动和方式手段,达成工程教育环境、人才培养模式及教育教学方式的智能化运行状态。

4.多层面把握工程教育智能化内涵

工程教育智能化并非一蹴而就,需要历经一个长期、渐进、动态和持续的演化过程,是智能技术有机嵌入工程教育且不断深度融合和复杂交互应用而最终形成的工程教育新形态、新模式和新方式。科学、理性且正确把握工程教育智能化的内涵,需要综合考虑五个层面:

一是在本体论上,秉持技术与工程教育的线性嵌入和创新变革辩证统一,以“技术嵌入论”和“技术赋能论”为工程教育智能化的逻辑前提和认识起点,即技术是“数字-智能时代”最大的创新变量,是工程教育教学的内嵌要素、变革驱力和实施载体,工程教育需要积极主动应对新技术革命,应用新一代智能技术促进工程教育教学体系的系统升级和智慧转型。

二是在价值论上,认可技术变革工程教育的积极作用和正向效应,即技术对工程教育的影响虽具有基础性、整体性和系统性,但绝非对传统教育教学形式的摒弃或颠覆,而是依托数字和智能技术促进工程教育环境资源、教和学模式、工程实践活动和质量评价方式等创新和变革,构建面向“数字-智能时代”的新型工程教育教学体系。

三是在关系论上,视工程教育智能化为工程教育信息化和数字化的深化与拓展,而非对立割裂或线性替代。同时,它不是对人之主体的角色及功能的机械置换,是基于技术智能驱动人的主体性和创造性最大化发挥,实现“技术之智”与“人之智慧”的有机结合与双向赋能,形成人机协同、高效合作和深度交互的育人新模态。

四是在要素论上,坚持普遍性和特殊性相结合。工程教育智能化不是泛泛对教育或高等教育智能化进行机械移植或简单沿用,而是在彰显技术变革高等教育的共性元素和普遍特性的同时,更加突出工程的固有范畴,以及工程教育的实践性、协同性、系统性等独特特征。

五是在实践论上,工程教育智能化是一项复杂系统工程,含括技术基建与融合应用、机器与人、教学和学习、理论与实践、校内与校外、课内与课外、虚拟与现实、高校和企业等多个方面,必须统筹推进、科学规划、系统整合和有效实施。

综上,工程教育智能化是依托技术驱动对传统工程教育教学的超越、发展、升华和创变。它通过技术耦合构建智能化工程设施、场景、工具、平台和资源等硬软件环境,利用人机协同合作助力工程教育教学各环节、各活动的模态创新、效率提升与质量保障,进一步推动传统工程教育模式和教学方式的转型升级,最终构建与新兴智能技术全程贯通与全向交互的全新开放式育人系统,服务于培养具有创新思维、素质优良、能力卓越、德才兼备的高质量、多元化且全面发展的创新引领型卓越工程科技人才。

三、工程教育智能化的特征

工程教育智能化有何具体特征,明确这一问题对于深入解构和有效推进工程教育智能化尤为关键。立足工程教育的本质及其特殊性,从技术嵌入和变革工程教育的综合视角,工程教育智能化呈现九大基本特征。

1.技术集群耦合

技术是工程教育智能化的元器件。智能技术作为重塑工程教育的先进生产力和变革性力量,必须经过一个个单体技术的相互叠加、整合和重混形成技术集合和技术链条,才能产生赋能未来工程教育新形态构建的实际效能。工程教育智能化是多项技术内嵌集成的产物,仅凭任何单一技术并不能支撑其有效运行。与信息化和数字化相比,工程教育智能化不仅仅限于计算机、网络、通信和多媒体等“弱智能”技术、设备和工具的接入和使用,而是广泛引入和应用人工智能、5G、教育机器人、区块链、大数据、云计算、传感器、虚拟及增强和混合现实等新一代“强智能”科技及其产品,通过技术的交叉融合形成“技术集群”,共同作用于工程教育智能化布局,以根本打破传统工程教育资源、数据和信息“孤岛”,赋能工程教育教学创新、提质与增效,创构与未来工程人才培养适配的万物智联互通环境、混合式多模态教与学范式、沉浸式工程实践体验、大数据精准评测等工程教育新生态。

2.资源多元集成

资源是工程教育的物质构件,在智能化条件下,工程教育资源的类型和形式变得多种多样。除了将传统的教材、图书、文献等纸质材料数字化外,电子文档、图片、视频、ppt、MOOC、spoc及工程实物、实验、专利、案例、项目、现实场景、技术装置、企业生产等的多媒体、网络课程和现场与远程实践资源也会越来越多元丰富。同时,借助国家、地方、高校和企业等各级各类工程教育数字系统和智能平台,校内外一切可用的工程教育资源将从孤立分散走向共享集成。相关工程学习资源在进行多个利益主体共建、互通和流转的基础上,能够通过网络生态、智能引擎和统一门户改变不同类型资源的扁平式排列、离散化布局和局域性接入形态,由传统的分布式、碎片化、粗颗粒度的单一“课程包”,逐步进阶为基于大工程范式和教育教学需求导向的整合式、体系化、精细化的海量“资源库”,实现工程教育资源的开发和供给真正面向工程学科专业建设和工程人才培养实际,保障师生自主科学地根据不同工程课程教学和学习活动需求进行资源的智能汇聚、精确整合、精准匹配和综合选择。

3.平台一体智联

平台是由网络、机器、信息、数据和技术等复杂集成的数字系统,工程教育智能化能够较大程度地改变各类在线教育平台、网络课程平台与教育教学信息平台的分散运行现象,增强平台的一体智联建设。一方面,互联网、数字信息和远程链接等技术支撑平台互联互通,教师和学生能够根据不同工程专业课程教学的需求,借助搜索引擎与专用数字工具便捷高效地获取并使用多元、海量和优质的在线教育资源。另一方面,随着数字与人工智能技术的算力升级和模型迭代,以及教育机器人、机器学习、神经网络、知识图谱、大语言模型等教育产品的普及化应用,相关工程教育教学在线平台、工具或应用系统将越来越智慧化,具备更多的“助教”和“导学”价值,超越课程教学的通知发布、资料传输、实时录播、留言反馈、点到签退、弹幕问答、随堂测试等常规辅助功能,承载并完成教学数据记录、资源精准推荐、教学组织设计、学习内容与方式规划、工程场景匹配、用户整体画像、人机深度对话与合作等高阶功能,服务教师教学精准设计、学生学习深度合作参与和个性化发展。

4.人机协同交互

人工智能科学与技术的快速迭代和创新,使得机器的智能水平不断提升,日益朝着接近甚至可能超越人类智能的方向纵深化发展。在智能技术的加持下,工程教育智能化将打破要么盲目用技术完全取代人、要么绝对依靠人而否定拒斥技术的机器与人二元对立关系,推动教育教学转变传统的窠臼于师生主体间面对面、人与人的知识相授与在场交互,抑或把技术工具与机器系统当作传统教学媒介的网络化再现与数字化替代,进一步形成人与机器有机协同、有序交互、智慧合作的共生态。人机协同交互成为未来工程教育的基本形式,意味着计算机以及各类智能教与学软件工具和平台系统不再仅仅是工程教育教学的辅助者角色,更多情况下扮演“代理人”、合作者与共同体的重要角色和身份定位,人与机器相互协作、缺一不可,最终通过人机双向互动和赋能,打造以智能技术和机器终端为中介的“人-机”或“师-机-生”深度交互模式,集人工智能“机器”的技术性能和作为教育主体的“人类”的大成智慧于一体,(4)殷宝媛,孙馨.面向高质量发展的高校人机协同育人研究[J].黑龙江高教研究,2023,(5):1-5.充分发挥各自优势并实现协同增效,协助师生完成知识活动之外的更具个性化、生成性、创造性和价值性的复杂工程教学活动和育人任务。

5.时空开放泛在

工程教育教学活动发生在特定的时空和场域中,一直以来,工程教育局限在传统的教室、课堂、实验室、工业训练中心等学校内部固定物理场所开展,行动空间整体较显单一化、机械化和封闭化。在互联网、移动设备、网络通讯、远程链接和数字智能技术等的加持下,工程教育将进一步突破物理条件限制,拓宽教育教学活动的范围和边界,重构开放泛在化的时空和情境。依托智能技术、设备和工具,工程教育教学活动将不再囿于有限封闭的校内物理空间,而是向更广域更宽泛的外部空间、数字空间、虚拟空间和混合空间无限扩展和延伸,支持在任何时间、任何地点、任何情境进行规模化教学和个性化学习,通过接入网络设备、智能终端和虚拟交互技术按需生成、自动匹配并敏捷性地供给和嵌入多种多样的教学和学习空间、资源与服务,确保工程课堂教学、自主学习和实践活动的无时无处不在、虚实场景动态切换和弹性灵活实施,实现工程教育教学从单学科向学科交叉、学校内部向社会外部、物理场域向数字空间的演化和跨越。

6.教学精准高效

教学是工程教育的中枢环节,智能技术赋能教学创新,促进教学精准实施和增效提质。教师能够借助智能技术和工具平衡教学低负荷和有效性间的张力,驱动教学“量”与“质”相统一的目标达成。比如,人工智能和教育机器人在教学中的介入和应用,将打破教师作为工程专业知识传授者的传统角色定位和职责任务分工,分担大量的基础性、程序性和重复性的知识教学工作,支持在有限教学时间内设计和实施师生合作互动、研讨探究、技术实操和实践应用等富有探究性、挑战性和创造性的多元教学活动,大幅精简教学流程、减轻教师负担和提升教学效率,确保教学过程最优化和效果最大化。再如,在智能感知、大数据分析和知识图谱等技术的辅助下,教师能够快速精准地识别和掌握学生的专业基础、学习进度、心理活动、行为表现、投入度、参与度和收获度,根据可视化和数字化“教学画像”精准编制与呈现教学内容,并及时根据学习状态和教学效果动态调整和优化教学设计。另如,基于统一化网络教学平台、智能终端、社交软件和大模型机器交互工具设备等,课前预习测试、课中学习互动和课后辅导答疑等环节能够整合起来,助力建构师生关系平等的合作教学共同体机制,实现教学减负、增效和质量保障的多功能统一。

7.学习个性自适

工程教育智能化为学生进行个性化学习提供强大支撑。传统工程教育是大规模、集中性的,注重为工业社会培养和输送“适销对路”的工程科技人才,学生学习往往是批量化、标准化和趋同化的,学习目标、内容、方式和形式等基本上呈现为整齐划一、教材导向、进度同频和被动灌输式的样态,导致学生的自主性、能动性和创造性被严重忽视和遮蔽。人工智能、传感器、知识图谱、大数据、神经网络、机器学习、智慧平台、数字资源库、大模型等技术工具和智适应传导系统,能够改变院系制和班级制下统一性、同质化的学习模式,通过学生学习行为、过程和结果信息的实时记录、全景扫描、动态监测和数据分析挖掘,为每一位学生精准规划和智能定制符合自身学习兴趣、需求及发展特点的工程教育学习资源,并及时根据其个性化学习进度和成效进行质量诊断、科学推荐、自动匹配、整体画像和差异化指导,为学生灵活设计、组织和调整学习方案、内容、策略与路径提供科学依据和决策参考,从而加速实现从被动依附教师的接受式学习向自主深度探究的个性化、自适应学习转型(5)周琴,文欣月.从自适应到智适应:人工智能时代个性化学习新路径[J].现代教育管理,2020,(9):89-96.,促进工科学生学会学习、提升学习质量和创新实践水平。

8.实践虚实贯通

实践是工程教育的固有属性,情境感知、增强现实、虚拟现实、仿真模拟等技术为创生数字孪生的工程空间、情境和场域,丰富和整合工程教育实践的资源和形式提供底层技术支持,工程教育的现实物理空间和虚拟数字信息空间、学校课堂内部和社会外部资源与情境间的边界愈加模糊化。借助物联网、移动互联设备、虚拟技术手段和数字化平台,工程实验、实训和实习等实践活动能够从固定的物化实体场所转向弹性的虚实融合空间,实现远程协同、联动互通、智能对接和开放交互,从而有效弥合工程实践教育内外资源和信息交互壁垒。工程教育教学可根据实际需求在现实物理空间和虚拟技术空间之间做出灵活选择和设计,实现理论教学、实验教学、工程实训和企业实习等工程学习和实践活动由孤立封闭状态向动态开放转型,推动师生更加客观、真实和立体地感知、验证和理解工程科学与技术原理、规律与过程,沉浸式接触和体验企业、工厂、车间、生产、技术等现实和虚拟工程情景及实践活动,达成工程理论与实践的联结、贯通和应用,全面培育和提升工程问题发现与解决能力、创新意识、创新思维及创新技能。

9.评价数据驱动

智能化的核心在于大数据及其强大的算法、算力与运行模型和机制,工程教育智能化是技术、信息和数据互构而成的。在传统工程教育评价中,囿于学校各组织部门和院系单位层级分立、信息闭塞分散和协同合力不足,评价活动大多是行政力量自上而下干预型和人为经验管控型的,具有固定化、限时性、单主体、高成本、迟滞性的特点,工程教育教学评价涉及的一系列问题大都要经历较长的时间才能发现和解决,致使评价结果的时效性滞后以及动态监测、精准反馈和持续改进的功能与效益弱化。工程教育智能化通过充分利用智能数字技术、大数据系统和可视化信息平台,建构起各部门和多主体信息一体化机制与数据共享渠道,基于对各个阶段和不同场景教师的教、学生的学及其相关质量数据的数字化编码、伴随式记录、动态化储存和智能化流转,支持对工程教育教学进行实时、全程、全向的数据监测追踪和质量科学评定,全面开展数据驱动的科学、客观和高效的全过程工程教育教学评价,进而大大缩短评价周期,简化评价程序,优化评价方式方法,实现评价结果的立体可视、综合认证、智能分析、精准反馈和共享互通,有效保证工程教育教学“以评促改”“以评促建”和“以评提质”的评价育人效果发挥。

四、工程教育智能化面临的挑战

人工智能、大数据、虚拟现实等新技术的快速迭代为工程教育教学变革赋能,支撑并加速工程教育的智能化发展。但是,作为一个涉及多主体、全方位、高复杂和长周期的系统性变革,工程教育智能化是对传统工程教育理念、思想、模式、方案和行动的颠覆性革命。工程教育智能化对工程教育的影响是整体性和全方位的,而非碎片化、局部性的,涉及智慧学习环境建设、人才培养目标与教学内容更新、学生中心的师生关系与角色定位重构、(6)林健.培养大批堪当民族复兴重任的新时代卓越工程师[J].中国高教研究,2022,(6):41-49.人机协同的多模态教学实施、教和学的个性化和泛在化、工程实践虚实一体化及教育教学评价智能化等多个方面。因此,在工程教育智能化实现过程中必将遇到来自包括传统工程教育教学体系方面的诸多挑战。

1.对现有教育教学环境的挑战

传统工程教育局限在纸本教材、电子资源以及固定的教室、实验室和工程训练中心等单一媒介和物理场域内,停留在基础性的网络化手段支撑和信息化工具应用层面上,主要表现在:(1)人工智能、大数据、物联网、虚拟现实等技术的规模投入和普及使用不足,难以支撑平台互联、数据互通、资源互享、场景互融的新型工程教育融合基础设施建设;(2)教室、实验室和工程训练中心等教育教学场所局限于网络、通信、监控、计算机、投影、电子屏、多媒体设备等的硬软件工具和产品接入,而智能感知、数据记录、实时共享、实景导入、虚拟仿真、沉浸体验、人机互动、远程操控等的智能化升级和虚实一体化建设远远不够;(3)数字资源单一零散、适配性不高,缺乏统筹规划、精准供给、智能汇聚和系统共享,未能结合工程专业人才培养需求进行配套开发和体系建设,多以各级各类平台固定收录的网络化课程形态存在,侧重开发慕课、微课、短视频、教材、课件等在线工程通用知识类资源,相对缺少有关工程案例、实物、工具、实验、项目、场景和数据库等学科专用资源库的整合建设;(4)智慧教育系统平台低端化,主要承载支持和辅助网络教学功能,比如直播教学、通知发布、课件传输、课堂考勤、作业收集、答题测试和留言评论等,而未融合深度学习、知识图谱、大数据分析、自然语言处理和生成式人工智能等技术与大模型工具,按需研发和配备资源推荐、内容生成、数据共享、人机对话、智能画像、分组协作、场景匹配、个性化辅导等高级交互功能。以上表现反映出目前工程教育缺乏实现智能化的坚实技术底座。

数字-智能时代的工程教育教学环境是与技术深度嵌入和高度开放式的。它通过加强现有工程教育教学环境与数字孪生、虚拟现实和人工智能等技术、产品及工具的融合应用,集成数字资源、虚拟场景和智能平台,有机联通物理、虚拟和社会三维空间,构建开放泛在、虚实结合、人机交互、智联共享和智能绿色的智慧学习环境,支撑工程教育教学突破时空与场域限制以及学科组织和学校内外场景界限,从有限封闭场所扩展至无限混合空间,确保工程教和学活动弹性化、无边界、泛在化、沉浸式和交互式地展开。

2.教师与学生角色定位的挑战

技术的智能水平正在挑战人类智能,人机融合成为未来学习的基本方式。随着数字与智能技术的全面介入和深度应用,网络在线平台、智能助教系统、智能导学系统和教育机器人等将以辅助工具形式和合作伙伴身份融入工程教育,教学活动从传统线性机械的师-生二元面对面传授交流转变为基于技术中介的师-机-生三位一体人机合作交互。

人机协同教学对传统的师生角色定位和关系造成革命性的冲击和影响。智能技术除了可为教师大幅分担浅显通俗的基础性和重复性讲授工作,支持学生通过网络平台、电子设备和移动终端等不同渠道开展在线自主学习外,还能够辅助师生进行课程资源整合、教学方案设计、学习路径规划、学情监测诊断、习题作业评测、答疑交流和因材施教等,从而推动教师从单一固化的专业知识传授者变为高阶复杂的智慧工程教学设计者、服务者和引导者,推动学生从被动的受教者角色变为积极主动、个性化和创造性的自主参与者、合作者与创新者。师生角色定位的新变化倒逼师生关系重构,由学生依附和顺从教师权威的传统形态转变为教师与学生平等对话与深度交互的新型工程学习共同体。

现行工程教育教学体系仍是教师中心导向的,注重教师围绕既定专业教材或课本知识对学生进行系统讲解和集中灌输,学生学习的主体性和创新性被严重忽视。因而,未来在技术智能体的加持下,人机合作的范围和程度将持续深化,工程教育必须正视由技术嵌入带来的师生角色冲突,主动调适机械僵化的“教师讲-学生听”角色定位,建构和发展以学生为中心、人机协同交互的教学共同体关系,确保工程教育教学活动更加灵活、多元、高效和有质量。

3.教学内容和教学方式的挑战

工程教育智能化的核心是借助技术的万物互联、智能可视、共享开放、人机交互等优势,基于数字和智能设施、资源及平台等媒介,实施人机协同、师生交互的多元化与个性化工程教学,创新和变革工程教育教学内容和方式,包括帮助和支持教师和学生便捷高效地检索和选择教与学内容,并与师生深入互动和合作完成更精准与更高质的教与学活动设计,抑或直接以“智能代理教师”身份承担部分浅层知识讲授和答疑解惑职责,从而通过融合技术“智能”和人的“智慧”推进人机协同、学生中心教学,根本改变单一的“师讲生听”工程教学形式和方法,生成混合式教学、翻转课堂教学、研究性学习、项目式学习、合作式学习等多种形式的新型教与学活动,促进工程教育教学内容与方式的问题导向、项目式、个性化、自适应和深度化。现阶段,技术驱动的工程教育改革存在重技术供给而轻教学创新倾向,尚未实现与智能技术的深度融合,工程教育教学内容和方式仍显陈旧和传统。

一方面,工程教育教学内容亟需打破固定教材和知识导向。信息技术的发展加速工程知识和学习资源的爆炸式增长和碎片化分布,凭借网络媒介、数字资源和智能工具,工程知识的获取来源和学习渠道愈加多元广泛,工程学习变得更加自主、泛在、快捷和高效。未来工程教育教学的任务中心不再是知识结构体系的系统传授,关键在于突破单一封闭的室内课堂、教材书本和学科专业的束缚,通过使用各类工程学习数字资源,将工程领域最核心最前沿的理论、技术、方法和成果纳入课程教学内容之中,从工程核心能力培养、行业产业发展需求、工程现实场景应用和工程实际问题解决的视角丰富教学内容构成与呈现方式,创设和生成基于工程问题、案例、项目和实践的创新型复杂高阶教学。因此,工程教育教学须彻底改变照本宣科,从知识学习转向实践应用、问题解决和探究创新,确保工程教学的精准性、有效性、挑战性和高质量,加强工程学习的探究性、实践性、创造性和跨学科性。

另一方面,工程教育教学方式亟需实现多元化和个性化。互联网、大数据和人工智能等技术通过创设线上和线下、虚拟和现实、课内和课外融合的交互平台和空间,支持工程教学从传统封闭的线下课堂走向课前-课上-课后全过程的智能贯通,实现由标准化讲授教学向个性化精准教学转型。目前,技术驱动的在线教学和混合式教学多是根据环境变化在实体和虚拟空间中进行转换,局限在网络课程、教辅资源、多媒体设备和在线应用系统的简单使用,属于传统课堂教学模式在数字虚拟空间中的重复与再现。工程教学总体仍以大规模集体讲授为主,学习内容一致趋同,学习进度整齐划一,鲜少借助数字孪生、虚拟现实、大数据、人工智能等技术创生以学生为中心的多元化教学活动,引导学生积极自主地开展双线融合式学习、个性化深度学习、群体合作式学习、人机交互式学习和虚拟沉浸式学习。这种表征知识线性传递和一对多的单向教学方式,降低了工程学习的互动性、综合性和可视性,忽视了学生的自主性、能动性和个性化发展,不利于培育直观立体的工程认知、系统思维、创新素养、实践能力和创新能力。

4.重构工程实践教学体系的挑战

工程教育智能化能够使学生按需在物理、虚拟和社会三元空间中开展工程实践活动。虚拟仿真、增强现实和远程链接技术等能够对不同类型工程环境进行模拟和仿真,形成网络化、虚拟化和远程化工程实践平台、情境与场域,联通企业等多方合作育人主体,构建物理、虚拟和社会三元交互的立体空间,支持工程实践场景和资源的按需匹配、智能接入、虚实交互与共享互通,实现工程实践教学的虚实一体化和校内外贯通,赋能工程实践教学体系的重构和创新发展。

目前,工程实践教学以实体空间内开展的实验操作、工程实训和企业实习三类形式居多,主要存在三类问题:(1)囿于虚拟仿真技术条件不成熟、虚拟工程实验环境和平台性能不稳定、实验结果真实性无法保证、专业实操技能要求高等,虚拟仿真实验教学局限在部分专业、少数课程和个别教师层面,覆盖面较窄,流于碎片化,成效不足;(2)工程实训基地的数字设备供给和智能技术升级尚不到位,缺乏智能交互终端或一体化网络操作平台,并不支持大规模的虚拟仿真工程实训体验,不利于工程课堂教学和实践教学的同步交互和一体融合;(3)受制于校企合作机制不畅通、企业实践资源数字化建设滞后、企业参与高校合作育人积极性不足等,校企合作的主流渠道仍采用传统的定时定点定向的工程实践和企业实习,基于远程在线的课程教学、项目指导、企业实习等合作实践教育形式还不普遍不深入。

因此,实现工程教育智能化就必须从虚实互补的角度规划和开展工程实践教学,加强虚拟仿真实验、虚拟仿真实训、校企远程合作等新型实践教学的系统供给和普及实施,确保与工程理论教育同步对接,促成工程理论与实践的融通,不断强化对工程现实问题的实际感知和沉浸体验,发挥实践教学培养和提升工程人才理论应用、技术创新和综合能力的内生效能。

5.教师与学生惯性惰性的挑战

工程教育智能化并非浅表的“+数字资源”与“+智能技术”,抑或用技术替代与颠覆传统教学,其深层意义在于利用技术智能解放和增强人的主体智慧,通过人机协同合作加强工程教育教学设计和实施的多元性、复杂性、挑战性和创造性。技术虽为工程教育智能化提供工具性条件支撑,但仅凭技术并不能达到预期目标,更离不开教师和学生的积极实践和自主推进。然而,长期的教育教学实践在教师与学生中形成的惯性和惰性,必将对工程教育智能化形成挑战。

一方面,在认识上长期秉持狭隘的技术价值观和人技关系观。大多数师生对于数字-智能时代的工程教育变革缺乏理性认知和内在认同,普遍认为技术手段对教育教学的影响是局部性和有限度的,过度高估技术价值、突出技术中心不仅容易弱化人的主体性地位和主观能动性而加剧技术依赖,(7)郭丽君,廖思敏.智能时代大学教学生态系统:演化逻辑、现实隐忧与发展向度[J].现代大学教育,2023,(4):93-100.而且会造成工程学习虚化和真实体验淡化、人际交往互动疏离、教学行为被技术操控、助长师生惰性与不自觉性等负面影响。这种认识未能从技术与教育、技术与人的融合共生、深度互动和双向赋能关系进行辩证审视,陷入技术要么仅作为教育教学辅助性应用工具、要么直接取代教师身份或者传统教学的二元对立论,师生对于智能技术变革工程教育教学的认可度和接受度并不高。

另一方面,在行动上具有传统教学惯习依赖和教学创新惰性。工程教育智能化要求师生从过往浅层的知识性教学中解放出来,按需结合网络平台、数字资源、虚拟情境和智能工具,投入更多时间和精力去设计和实施更高阶、更具创造性和个性化的多元新型教育教学活动。但囿于工业时代的大规模、标准化和统一性讲授教学模式惯习,加之各种制度限制、考评压力和技术操作负担,以及智能化工程教育教学创新和变革本身环节繁琐、过程复杂、难度大、任务重、专业能力要求高且成效难以保证,师生普遍存在畏难情绪、逃避心理、排斥态度和不适应性,参与动力、意愿和执行力并不强,对于一以贯之的理论灌输式教学和被动接受式学习表现出极强的选择偏好性和行动依赖性。

因此,必须解决师生思想上的认识和行为上的惯性与惰性问题,主动适应、自觉配合和融入技术驱动的工程教育教学改革和创新实践,积极推进工程教育智能化。

6.教学效果和质量评价的挑战

提高教学效果和保障教学质量是工程教育智能化的重要目标,然而当前工程教育教学质量评价基本聚焦在单一评价主体、知识获取和结果导向的评价,而忽略了多评价主体、能力提升和过程、综合等评价,主要表现在:(1)大多侧重考察工程专业知识的存量习得与体系建构,忽视对复杂工程问题解决能力的衡量;(2)主要采取统一考试、习题测验、课程作业和成果作品等“一考定乾坤”的标准化和终结性测量;(3)忽视了工程学习的过程性体验、自主性参与、创新成果产出等;(4)工程教学效果和质量评价仍局限在高校内部、由教师单方开展,学生及其他利益相关者参与度不高。这些表现难以客观综合地对教学质量做出多维立体评价,呈现动态、及时、准确和全面的教学诊断和结果反馈。

工程教学质量评价亟需通过工程教育智能化实现突破唯知识、唯考试、唯分数和唯绩点的单一评价标准和方式,形成基于大数据的客观、科学和公正的工程教育教学质量评价。

(1)基本数据采集分析:凭借强大的算法和算力能够对教学各个阶段和不同时空产生的多种类型数据进行精准采集、动态记录、自动存储和智能分析,如出勤、习题、作业、考试分数等结构化数据,课前投入、课上参与、课后互动以及课外学习、问题探究、项目设计和成果作品产出等阶段性、非结构化数据,辅助教师以定性和定量结合方式、根据多元标准和多模态数据进行学习质量科学评估;

(2)专门数据采集处理:借助智慧评价平台、工具和手段,实时采集整理合作探究、人机互动、沉浸体验和结果成效等过程性数据,对工程创新思维、项目方案设计、技术动手操作、创新成果产出和复杂工程问题解决能力等发展性数据进行伴随式收集和可视化处理,按需分类开展结果性评价、综合性评价、过程性评价和增值性评价,进而对教学方案和策略加以动态调整和改进优化,并根据学情及其个性特征和学习需求提供精准适切的个性化指导和服务;

(3)多主体参与评价:利用智能技术手段和一体化网络平台,吸纳企业、校友、教师和学生等内外部利益主体参与,对标工程行业产业的人才需求和规格标准,进行人才培养质量的评价。

本文基于智能化的时代变革趋势,重点界定诠释了工程教育智能化的概念内涵,系统解析了工程教育智能化的基本特征,客观分析了工程教育智能化面临的主要挑战,以期为工程教育智能化的认识深化和实践推进奠定基础和提供参考。限于篇幅,关于工程教育智能化的系统设计和具体实现,将另文予以专题讨论。