面向大學生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數字化教學模式研究

郄培 郭凱 葉起惠

[摘 要]社會對于高質量人才的需求日益增長，高校作為人才的主要輸出來源，采用傳統的教學模式已無法滿足對創(chuàng)新人才的培養(yǎng)目標。本文旨在提出一個面向大學生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數字化教學模式，通過引入跨學科交叉融合的虛擬教研室，建立基于非線性規(guī)劃的隊伍組建模型，引入基于K-means聚類模型的智能教育助理，最終實現集“強化團隊優(yōu)勢能力”和“補足個人短板能力”于一體的“強優(yōu)補短”創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標。

[關鍵詞]創(chuàng)新能力；數字化；強優(yōu)補短

[中圖分類號] G642? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2023） 08-0108-05

一、引言

現今世界正在面臨百年未有之大變局，新一輪的科技革命和產業(yè)變革正在逐漸興起，社會對于高質量人才的需求日益增長。習近平總書記指出：“要增強教育服務創(chuàng)新發(fā)展能力，培養(yǎng)更多適應高質量發(fā)展、高水平自立自強的各類人才?！秉h的二十大報告中強調，必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略。所以說創(chuàng)新人才的培養(yǎng)是高等教育的當務之急，面對一些領域的“卡脖子”難題，只有激發(fā)出創(chuàng)新人才的科技驅動力，才是攻堅克難的根本解決之道。作為向社會輸送人才的主要來源，高校肩負著培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要責任。

隨著信息技術的飛速發(fā)展，依托于信息技術的數字化教育方法日漸普及。教育部高等教育司印發(fā)的《教育部高等教育司2022年工作要點》提出：“全面推進高等教育教學數字化，具體任務包括：加快完善高等教育教學數字化體系、提升數字化應用能力、提升數字化治理能力、提升數字化國際影響力等。”相較于傳統的教學方法，基于信息科技的數字化教學方法更能滿足高校對于創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求。在此背景下，本文提出了一個面向大學生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數字化教學模式，以實現高校對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標。

二、創(chuàng)新能力的內涵與培養(yǎng)目標

教育部在《關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》中指出：“要堅持把深入推進創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革作為中央高校教育教學改革的突破口和重中之重?！弊鳛橄蛏鐣斔腿瞬诺闹饕獊碓?，高校肩負著培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要責任，創(chuàng)新人才培養(yǎng)是每一所高校人才培養(yǎng)的法定目標。[1]創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)，主要在于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，而創(chuàng)新能力主要由創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技能構成。[2]創(chuàng)新意識是實施創(chuàng)新活動的基礎，創(chuàng)新思維是產出高質量創(chuàng)新成果的重要前提，創(chuàng)新技能是將創(chuàng)新成果進行落地轉化的必要保障。

本文將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與大學生工程實踐相結合，采用“以學生為中心”的項目驅動式教學方法，通過團隊協作的模式完成創(chuàng)新活動，最終實現“強優(yōu)補短”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標?！皬妰?yōu)”即為“強化團隊優(yōu)勢能力”，旨在激發(fā)學生團隊中不同角色的成員所擅長的能力，做到交叉融合和優(yōu)勢互補，從而實現團隊創(chuàng)新能力的整體提升；“補短”即為“補足個人短板能力”，在創(chuàng)新活動開展的過程中，個人的短板可由其他優(yōu)勢成員帶動，從而實現個人創(chuàng)新能力的提升。

三、數字化教學模式

基于高校對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，本文提出一個面向大學生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數字化教學模式（如圖1所示），主要包括創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育虛擬教研室、團隊組建模型、智能教育助理三個模塊，最終實現“強優(yōu)補短”的創(chuàng)新能力人才培養(yǎng)目標。

（一）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育虛擬教研室建設模式

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是深化高等教育改革的突破口，目前來看各高校專職的雙創(chuàng)師資相對不足，大量的雙創(chuàng)教師都是其他學科的教師兼職，與其他領域相比是較為薄弱的環(huán)節(jié)。要解決這個問題，首先需要進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基層教學組織的建設，而虛擬教研室可以讓教師跨越空間和學科的限制，開展教學研討和學術交流，滿足跨地域的學校、不同專業(yè)的教師之間進行教學交流和教學創(chuàng)新的需求。以學生發(fā)展為中心，依托現代信息技術，創(chuàng)新教研形態(tài)，以“共研、共建、共享、共贏”為原則，建成理念先進、覆蓋全面、功能完備的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育虛擬教研室。

1.開展多種多樣的聯合教研

探索跨地域、跨學校、跨專業(yè)、跨校企的資源整合，建立“線上+線下”融合、突破時空限制、途徑高效便捷、形式豐富多樣的雙創(chuàng)教師教研模式，探索創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育虛擬教研室建設管理的新思路、新方法、新范式。

2.打造特色化雙創(chuàng)教研團隊

虛擬教研室突破了單一學科的實體教研室的限制，通過聯合各高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)負責人、雙創(chuàng)教師、企業(yè)家，定期開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學交流，一起討論教育教學、共享教研經驗，組織開展常態(tài)化教師培訓，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教研教學交流，可以打造出一批特色化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教研團隊，服務教研室相關的教育教學，有效提升雙創(chuàng)教師的教育教學研究能力，促進雙創(chuàng)教師的成長和發(fā)展。

3.培育雙創(chuàng)教研與實踐成果

在現有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教研成果的基礎上，爭取在一流課程、高新課程、教學成果獎、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目以及雙創(chuàng)類競賽等方面培育一批雙創(chuàng)教學研究與實踐成果。

4.建立創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資源大平臺

虛擬教研室與高校、政府、企業(yè)多方聯動、資源整合，可以協同建好創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程群、課程線上直播或錄播平臺，探索建立多校適用的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)方案、教學視頻、電子課件、習題試題、創(chuàng)新項目等各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學資源庫、優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學案例庫等，[3]形成優(yōu)質共享的雙創(chuàng)資源大平臺。

5.建立一體化長效發(fā)展機制

在“共研、共建、共享、共贏”的理念下，探索虛擬教研室的頂層設計和制度建設，制定虛擬教研室建設評價制度，構建保障、激勵和評價一體化長效發(fā)展機制，有了制度保障，虛擬教研室一定會規(guī)范有序地蓬勃發(fā)展。

（二）團隊組建模型

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動一般是以學生團隊的形式開展的，一個結構合理、優(yōu)勢互補的團隊配置是取得高質量創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果的必要前提。團隊組建問題是一個經典的動態(tài)規(guī)劃問題，此前研究人員[4-5]已經對此做了大量的研究。結合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的具體要求，本文提出了一個基于非線性規(guī)劃的團隊組建模型，用來構建科學合理的團隊配置，實現不同能力的學生的交叉融合，從而提升創(chuàng)新能力培養(yǎng)的質量。

1.條件假設及數據處理

經過教研室的研討，本文將對學生的能力考查設定為學科成績、思維能力、動手能力、寫作能力、英語水平、協作能力和領導力七個方面。首先，我們完成七個維度的數據獲取，包括調取專業(yè)課程成績、調取實踐課程成績、調取學生活動數據、進行問卷調查表等。進一步的，我們完成數據清洗和歸一化處理，將每項數據進行量化。通過參考文獻，[4]我們設置了七項能力的相關權重。特別的，由于隊長需要統籌團隊的整體進展、協調人員分工及與導師溝通等，其領導力對團隊起到關鍵作用，因此我們將該權重調整為0.311746。綜上，本文中七項能力的權重表示為：

w=（0.354284，0.230027，0.158655，0.103624，0.0675646，0.447603，0.311746）T ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

假設參加創(chuàng)新活動的學生數為N，每組成員數為4，組成的團隊數量為N/4。對所有成員做如下假設：

（1）上述量化數據能客觀地反映出成員的真實情況，且活動過程中不會受到外界影響，各項能力可長期保持；

（2）各成員都能全身心投入，且能發(fā)揮正常水準；

（3）各成員量化值之間不會相互影響；

（4）該團隊在某個單項上的能力水平取4名成員的最高水平；

（5）N為4的倍數，所有成員都能參加團隊，每個成員只能加入1個團隊。

2.模型建立與分析

定義第i個成員的第j種能力量化值為Xij? （i=1，2，...，N; j=1，2...，7），[5]團隊編號為k （k=1，2，...，N/4）。某i成員參加k團隊的賦值為yik， 第k個團隊參賽水平表示為Ck，所有團隊的總參賽水平表示為S，

將團隊組建問題進一步抽象為以下子目標：

（1）N個學生中選取其中4個成員組隊，取得最好成績，即單個隊伍參賽水平取得最高值MAX（Ck）；

（2）所有學生組成N/4支團隊，最終這些團隊都取得了良好成績，即總參賽水平取得最高值MAX（S）。

3.實例

根據以上模型進行實踐，取20名學生、每組4人進行組隊。表1是對所有成員的能力數據進行預處理后的信息。代入以上模型，通過計算求得最優(yōu)全局的分組結果如表2所示。其中最佳團隊為團隊四，K（4） = （4， 7， 8， 12）， C（4） = 15.99，全局得分S為77.410。

（三）智能教育助理

對學生進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能的培養(yǎng)，其顯著特點是跨學科交叉融合。這不僅對于師資融合提出了要求，也直接導致了培養(yǎng)對象的多樣化。通過學情分析，被培養(yǎng)對象（即學生群體）的情況較為復雜，其專業(yè)背景和學習目標都不一樣。在此背景下，對不同學生的技能培養(yǎng)采用因材施教的方法就更加必要，而其難度也相較于一般課程更甚。結合國務院關于《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的相關要求，在教學過程中引入“智慧教學”成為助力因材施教的有力途徑。

“智慧教學”旨在利用信息化手段，通過大數據記錄學生的成長軌跡，經過科學的統計分析，刻畫學生的用戶畫像，根據數據對學生學習狀況做出預測，[6]進而反饋至教學過程并提升教學質量。（具體模型如圖2所示）。

1.數據采集

本模型采集了靜態(tài)數據和動態(tài)數據兩種數據類型用于綜合分析。[7]靜態(tài)數據指學生以往獲得的常規(guī)數據和歷史數據，如學生的專業(yè)信息、相關前置課程的成績等。動態(tài)數據指學生在學習過程中所產生的數據，包括線上學習行為和日常交互行為。學習行為主要體現在學生在線上平臺進行的課程學習、作業(yè)表現等，日常行為主要體現在考勤、交流頻率、答疑表現等。

2.數據處理

第一步采集到的數據質量是參差不齊的，存在信息不完整或異常數據。此外，不同數據的單位可能不一致，如學習頻率數據為“x次”，而答疑表現數據為“優(yōu)秀/良好”等。本模型需要對于數據進行預處理，包括數據清洗、數據整合、數據轉換[8]等。

3.數據分析

基于以上預處理的數據，本文引入了K-means聚類模型進行數據分析。K-means算法是一種基于機器學習的無監(jiān)督聚類方法，具體表現為給定K值和初始簇中心，根據數據的特征把數據對象劃分到距離最近的簇中心所在的簇中，再根據已分配的數據對象重新計算簇中心的值，之后進行迭代直至達到既定要求。[9]通過K-means算法，可為學生構造不同的用戶畫像，如“積極型”“中值型”“落后型”，從而為不同的學生提供有針對性的指導。

4.反饋教學

把數據分析的結果反饋到日常教學中，從而提升教學質量。通過K-means為學生構造不同的用戶畫像，從而觀測學生的學習成效，分析學生對不同內容的掌握情況，對于有可能出現學習困難的學生提供預警和必要的幫助。

四、實踐成效

基于以上模型，本文依托北京郵電大學國際學院創(chuàng)新實踐基地，組建了雙創(chuàng)虛擬教研室，在《Web創(chuàng)新實踐》課程中進行了實踐，并取得了較好的教學效果。

在師資建設方面，雙創(chuàng)教育虛擬教研室以立德樹人為根本，以項目導引、工程訓練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)深度融合的工程創(chuàng)新教育模式為研究方向。使用“飛書學習平臺”，將線上線下融合式教學方法運用于教學過程，形成“加強訓練、鼓勵創(chuàng)新、開放共享、合作共贏”的師生協同創(chuàng)新機制，探索多主體參與及資源共享的跨學科協同育人機制；建設開放共享的教學資源平臺，實現優(yōu)質教學案例、慕課資源、虛擬仿真實驗平臺、實驗設備、創(chuàng)新項目開發(fā)平臺等資源共享；經驗與成果共享，實現成員單位在教學方法、內容、模式、手段等方面的經驗分享與成果共享。

在課程實踐方面，本課程引入了由學生提出原創(chuàng)命題的創(chuàng)新培養(yǎng)方式，激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維。進一步的，在實踐過程中采用了“項目驅動式”教學方法，基于團隊組建模型為學生的團隊組建提供建議，助力實現更合理的團隊結構配置。為了采集線上教學數據，本課程采用“飛書”平臺作為交流協作的工具，并將采集到的數據應用于智能教育助理，從而為學生提供了因材施教的輔導，對于學習有困難的學生做了預警。課程的實踐效果良好，部分團隊基于課程的原創(chuàng)成果參加了“中國高校計算機大賽——微信小程序應用開發(fā)賽”（清華大學與騰訊公司聯合舉辦），并榮獲全國二等獎、三等獎及多項賽區(qū)獎，課程的整體教學質量得到了明顯提升。

參考文獻：

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Research on Digital Teaching Mode of Cultivating Engineering Innovation Ability for College Students

Qie Pei? Guo Kai? Ye Qihui

（International School， Beijing University of Posts and Telecommunications ）

Abstract： The demand for high-quality talents in society is increasing， and universities， as the main source of talent， can no longer meet the goals of cultivating innovative talents through traditional teaching methods. This paper aims to propose a digital teaching model for cultivating engineering innovation abilities among college students. By introducing a virtual teaching and research office that promotes interdisciplinary fusion， establishing a team-building model based on nonlinear programming， and integrating an intelligent educational assistant based on the K-means clustering model， the paper seeks to achieve the goal of cultivating innovative talents that combine "strengthening team advantages" and "addressing individual weaknesses."

Key words： Innovation ability; Digitalization; Strengthening advantages and addressing weaknesses