曹琳琳，何赟澤，王洪金，張曉飛，文一章，王硯文

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

當(dāng)前，教育部大力推廣信息化資源和信息化教學(xué)手段。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，業(yè)界開始也重視基于大數(shù)據(jù)的教學(xué)改革和學(xué)習(xí)行為挖掘。可以說，資源與數(shù)據(jù)已成為推動教學(xué)改革的兩個主要引擎。研究資源和數(shù)據(jù)的內(nèi)聚耦合關(guān)系、多維協(xié)同機(jī)制和螺旋動態(tài)特征，將信息化資源和數(shù)據(jù)融入DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)，形成基于雙驅(qū)動模型的教學(xué)新方法，有助于高校教學(xué)研究水平的提升。傳感與檢測技術(shù)（以下簡稱為傳感）是湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院面向測控、電氣、控制和電子等本科專業(yè)的學(xué)類核心課，在課程體系中地位非常重要[1-2]。但是，當(dāng)前教學(xué)主要存在以下問題。第一，課堂上教師采用的信息化手段和工具比較少，導(dǎo)致授課的信息化教學(xué)程度比較低；第二，教學(xué)理論知識和課后實(shí)驗節(jié)拍不一致，很難形成合力；第三，相比科技快速進(jìn)步，課本知識比較滯后，難以訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識；第四，教師組織的教學(xué)活動缺乏數(shù)據(jù)作為支撐，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為難以準(zhǔn)確挖掘。針對這四個問題，教師主要從信息化資源和教學(xué)數(shù)據(jù)作為突破口進(jìn)行教學(xué)改革，使用信息化資源產(chǎn)生教學(xué)數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)分析完善資源建設(shè)，最終形成雙螺旋驅(qū)動的混合式教學(xué)方法。如圖1 所示，第一，通過教材信息化、線上線下混合式授課提升信息化教學(xué)水平；第二，通過實(shí)驗視頻上網(wǎng)、手機(jī)APP 與示教軟件讓理論和實(shí)踐結(jié)合的更加緊密；第三，通過教改項目、科研實(shí)驗和論文引入前沿知識，訓(xùn)練科學(xué)思維；第四，通過兩年SPOC 和四年雨課堂數(shù)據(jù)指導(dǎo)教學(xué)活動，挖掘?qū)W習(xí)行為；另外，通過基于案例的思政設(shè)計實(shí)現(xiàn)了隱性的思政教育。改革后的傳感課增加了18 個學(xué)時的線上學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，通過兩個學(xué)期的實(shí)踐，教學(xué)效果和立德樹人成效得到極大提升。

圖1 問題、解決方法及效果

一 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及不足

（一）信息化資源和手段驅(qū)動高?？焖龠M(jìn)行教學(xué)改革

清華大學(xué)的研究表明，高校教師信息化教學(xué)能力已成為提升新時代高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。國內(nèi)高校教師整體上已經(jīng)具備了信息化教學(xué)的基本能力，但是具有較高應(yīng)用水平的教師比例偏低，教師借助信息技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)模式能力和信息化教學(xué)研究能力尚待提升[3]。全國高等學(xué)校教學(xué)研究中心的學(xué)者分析了高校教師信息化教學(xué)能力的內(nèi)涵、現(xiàn)狀及傳統(tǒng)構(gòu)建方式存在的問題，指出在線開放課程從理念傳播、熱情激發(fā)、技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐等方面發(fā)揮作用，為教師提升信息化教學(xué)能力開辟了新的路徑[4]。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息科技的迅速發(fā)展，MOOC 以其豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源得到了廣泛應(yīng)用。MOOC 不斷發(fā)展的同時，不足也逐漸顯現(xiàn)。將MOOC 資源和傳統(tǒng)課堂相結(jié)合的SPOC 教學(xué)模式應(yīng)運(yùn)而生。這一教學(xué)模式既能充分利用MOOC 資源，又保留了傳統(tǒng)課堂教學(xué)的優(yōu)勢，可以更好地提升教學(xué)質(zhì)量[5]。雨課堂將復(fù)雜的信息技術(shù)手段融入到PowerPoint 和微信，在課外預(yù)習(xí)與課堂教學(xué)間建立溝通橋梁，讓課堂互動永不下線。使用雨課堂，教師可以將帶有MOOC 視頻、習(xí)題和語音的課前預(yù)習(xí)課件推送到學(xué)生手機(jī)，方便師生溝通及時反饋；課堂上實(shí)時答題、彈幕互動，為傳統(tǒng)課堂教學(xué)師生互動提供了完美解決方案。雨課堂科學(xué)地覆蓋了課前—課上—課后的每一個教學(xué)環(huán)節(jié)，為師生提供完整立體的數(shù)據(jù)支持，個性化報表、自動任務(wù)提醒，讓教與學(xué)更明了[6]。超星學(xué)習(xí)通是面向智能手機(jī)、平板電腦等移動終端的移動學(xué)習(xí)專業(yè)平臺。教師和同學(xué)不僅可以在超星學(xué)習(xí)通上進(jìn)行線上學(xué)習(xí)，還可以自助完成圖書館藏書借閱查詢、電子資源搜索下載、圖書館資訊瀏覽和查看本校通訊錄，同時擁有電子圖書，報紙文章及中外文獻(xiàn)元數(shù)據(jù)，為同學(xué)們提供方便快捷的移動學(xué)習(xí)服務(wù)[7]。但是，雨課堂和學(xué)習(xí)通都是通用型教學(xué)工具，缺少課程專用的信息化教學(xué)工具。筆者注意到這一不足，正在開發(fā)完善專用于傳感器課程的遠(yuǎn)程示教軟件。

（二）大數(shù)據(jù)時代基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學(xué)組織將更加智慧和科學(xué)

智慧校園的建設(shè)和信息化教學(xué)手段在教育行業(yè)的深入應(yīng)用，教學(xué)活動的開展也愈來愈注重其智慧性和科學(xué)性。大數(shù)據(jù)科學(xué)與教育科學(xué)的結(jié)合，使得教學(xué)朝著更加智慧的方向發(fā)展。數(shù)據(jù)的應(yīng)用可以讓教師更好地了解學(xué)生學(xué)習(xí)行為特征和學(xué)習(xí)效果，做出的學(xué)習(xí)評價更加科學(xué)，能夠關(guān)注學(xué)生個性的發(fā)展，對學(xué)生進(jìn)行個性化的輔導(dǎo)，提高學(xué)生課程學(xué)習(xí)效果。教師亦可以應(yīng)用數(shù)據(jù)分析的結(jié)果對教學(xué)進(jìn)行反思，優(yōu)化教學(xué)效果[8]。凱里學(xué)院的學(xué)者指出，數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)范式是大數(shù)據(jù)背景下的主要教學(xué)范式。在梳理大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)范式概念的基礎(chǔ)上，提出了大數(shù)據(jù)技術(shù)下的數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)范式架構(gòu)[9]。信陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院從數(shù)據(jù)驅(qū)動教學(xué)的視角，依據(jù)師范生的“學(xué)”與“教”的兩種訴求，對師范生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的構(gòu)成要素進(jìn)行解釋，構(gòu)建系統(tǒng)化、隱性化和實(shí)踐—反思—實(shí)踐的培育體系，以提升我國師范生數(shù)據(jù)素養(yǎng)水平[10]。大同大學(xué)外國語學(xué)院的學(xué)者提出，高校應(yīng)以數(shù)據(jù)為依托，遵循決策科學(xué)化、管理精細(xì)化、學(xué)習(xí)個性化和教學(xué)信息化的價值取向，發(fā)展教師數(shù)據(jù)素養(yǎng)，利用數(shù)據(jù)管理平臺提高教學(xué)管理精細(xì)化水平，塑造基于大數(shù)據(jù)的個性化學(xué)習(xí)模式，通過校企聯(lián)合開發(fā)數(shù)據(jù)管理平臺提高教學(xué)信息化水平[11]。天津商務(wù)職業(yè)學(xué)院的學(xué)者分析大數(shù)據(jù)教學(xué)平臺在高職公共英語課程中的應(yīng)用情況，梳理學(xué)生在此基礎(chǔ)上的個性化學(xué)習(xí)過程中各方面的表現(xiàn)及存在的主要問題，從而進(jìn)一步完善基于大數(shù)據(jù)教學(xué)平臺的學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的效果評價機(jī)制[12]。武漢大學(xué)馬克思主義學(xué)院的學(xué)者指出要認(rèn)真研究和解決數(shù)據(jù)教學(xué)與思想政治理論課融合過程中存在的問題和困難，以更好地發(fā)揮數(shù)據(jù)教學(xué)的積極作用[13]?？梢?，在基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的教學(xué)組織和改革中，教學(xué)數(shù)據(jù)甚至是歷年的教學(xué)數(shù)據(jù)及分析方法是最重要的。

（三）信息化資源和教學(xué)數(shù)據(jù)是雙螺旋驅(qū)動模式的新引擎

雙螺旋驅(qū)動結(jié)構(gòu)已經(jīng)在創(chuàng)業(yè)教育、專業(yè)教育等方面發(fā)揮了重要作用，已成為值得推廣的教學(xué)模式。遼寧師范大學(xué)的學(xué)者通過對文獻(xiàn)和政策的雙重梳理，展示了在學(xué)術(shù)與政策“雙螺旋結(jié)構(gòu)”助推下確立和形成創(chuàng)業(yè)教育理念的過程[14]。廣西大學(xué)的學(xué)者將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與高校傳統(tǒng)專業(yè)教育之間的內(nèi)聚耦合方式，形成如DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，促進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才成長的教育合力，進(jìn)而有效激發(fā)和提高學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力[15]。吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院的學(xué)者在創(chuàng)業(yè)教育和專業(yè)教育改革實(shí)踐中融入螺旋驅(qū)動的理念，以創(chuàng)業(yè)教育和專業(yè)教育課程融合與改革為兩條主鏈，通過人才培養(yǎng)方案的調(diào)整、教學(xué)方式方法的改革、健全創(chuàng)業(yè)教育指導(dǎo)服務(wù)體系、創(chuàng)新工作機(jī)制和完善制度、更新教育理念與營造創(chuàng)業(yè)文化氛圍，以及多維聯(lián)動和協(xié)同促進(jìn)融合六個方面構(gòu)建高校創(chuàng)業(yè)型人才培養(yǎng)的雙螺旋模式，形成如DNA 的雙螺旋結(jié)構(gòu)，促進(jìn)創(chuàng)業(yè)型人才成長的教育合力[16]。南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)的學(xué)者研究了職業(yè)院校產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)模式的影響因素與動力機(jī)理，基于能力本位理論、職業(yè)能力發(fā)展階段理論，以政府鏈、職業(yè)院校鏈和企業(yè)鏈為外螺旋，以知識鏈、技能鏈和素質(zhì)鏈為內(nèi)螺旋，構(gòu)建校企合作的實(shí)踐創(chuàng)新平臺，建立雙螺旋人才培養(yǎng)模式，推動職業(yè)院校產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新[17]。近幾年，教育部大力推廣信息化資源建設(shè)和信息化教學(xué)手段，并開始重視基于大數(shù)據(jù)的教學(xué)改革和學(xué)習(xí)行為挖掘。在這個大背景下，資源與數(shù)據(jù)已成為推動信息化教學(xué)的兩個主要引擎，把資源和數(shù)據(jù)嵌入雙螺旋結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)資源和數(shù)據(jù)的內(nèi)聚耦合關(guān)系、多維協(xié)同機(jī)制和螺旋動態(tài)特征，形成資源和數(shù)據(jù)雙螺旋驅(qū)動的教學(xué)新方法，有助于高校教學(xué)研究水平的提升。

根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)研與分析可知，當(dāng)前教學(xué)存在的不足包括：第一，信息化教學(xué)程度不高，公開的高質(zhì)量資源利用率低，實(shí)驗課的信息化手段比較匱乏；第二，教學(xué)活動的組織和教學(xué)總結(jié)沒有足夠的數(shù)據(jù)作為支撐，特別缺少歷年數(shù)據(jù)的分析與使用；第三，混合式教學(xué)做法比較多，但是相關(guān)教學(xué)理念不夠完善，很難進(jìn)行大面積推廣和使用。

二 傳感類課程的雙螺旋驅(qū)動模型和教學(xué)方法

經(jīng)過四年建設(shè)，筆者已經(jīng)建立了傳感與檢測技術(shù)全部知識點(diǎn)的雨課堂課件和微視頻，并開發(fā)了遠(yuǎn)程示教軟件，運(yùn)行了兩年異步SPOC，積累了四年的雨課堂數(shù)據(jù)。在資源和數(shù)據(jù)相輔相成的基礎(chǔ)上，設(shè)計了面向傳感類課程的雙螺旋驅(qū)動的混合式教學(xué)方法。由圖2 可知，課前，根據(jù)四年雨課堂測試結(jié)果改進(jìn)教學(xué)設(shè)計，通過信息化教材和異步SPOC來增加預(yù)習(xí)效果；課中，通過雨課堂進(jìn)行教學(xué)互動，動態(tài)分配講解時間和組織分組討論，通過手機(jī)APP 和示教軟件提升實(shí)踐能力；課后，通過教改項目、科研實(shí)驗和論文引入前沿知識，通過教學(xué)數(shù)據(jù)分析學(xué)習(xí)效果，挖掘?qū)W習(xí)行為。最終，形成了螺旋驅(qū)動、相輔相成及迭代上升的教學(xué)模式。

圖2 傳感課的雙螺旋驅(qū)動教學(xué)方法

為了解決信息化程度低這個問題，形成了異步SPOC+雨課堂的混合式理論教學(xué)模式。首先，對紙質(zhì)教材進(jìn)行信息化改革，每一章都增加了二維碼，同學(xué)們可以用手機(jī)掃描二維碼獲得在線學(xué)習(xí)資源。其次，在中國大學(xué)MOOC 上運(yùn)行兩年異步SPOC，從國家精品在線課程引進(jìn)80 多個知識點(diǎn)課件和視頻。為了突出本校特色，自制了30多個知識點(diǎn)課件和總時長1 100 min 的知識點(diǎn)微視頻，形成了線上線下混合式教學(xué)模式，如圖3 所示。第三，采用雨課堂組織線下教學(xué)和互動，形成了四年的教學(xué)數(shù)據(jù)，為基于數(shù)據(jù)的教學(xué)組織打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 線上線下混合式資源和教學(xué)方法

為了解決理論教學(xué)和實(shí)驗割裂這個問題，首先，把30余個傳統(tǒng)實(shí)驗的教師講解全部拍攝成微視頻，總時長約1 000 min，同學(xué)們可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)驗預(yù)習(xí)；其次，在課堂上，讓同學(xué)們采用手機(jī)APP（phyphox）進(jìn)行光電、加速度、磁場和聲音等傳感器的小實(shí)驗；第三，自主開發(fā)了傳感器示教平臺和軟件，教師可以在課堂上演示十余種國產(chǎn)工業(yè)級傳感器的測量實(shí)驗，如圖4 所示。針對有些實(shí)驗設(shè)備比較大、不易搬遷等問題，開發(fā)了遠(yuǎn)程直播和聊天互動等功能，把工業(yè)場景下的實(shí)驗同步搬遷到課堂上。該軟件于2021 年成功獲批軟件著作權(quán)。

圖4 示教軟件和實(shí)驗

為了解決課本知識滯后于科技前沿這個問題。首先，通過華為教育部智能基座產(chǎn)教融合項目，把騰Atlas200 DK 引入課堂和討論環(huán)節(jié)。通過百度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目，把飛槳PaddlePaddle 引入課堂和討論環(huán)節(jié)。為智能傳感器產(chǎn)業(yè)走向自主可控，提供了與時俱進(jìn)的教學(xué)資源。第二，通過科研實(shí)驗和科研論文引入先進(jìn)傳感器知識，培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識。

為了解決教學(xué)活動缺乏數(shù)據(jù)支撐這個問題。課前，根據(jù)四年雨課堂歷史測試結(jié)果查找重難點(diǎn)，改進(jìn)教學(xué)設(shè)計。圖5為四年的雨課堂測試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)哪些知識點(diǎn)比較難，需要重點(diǎn)講解，哪年的教學(xué)設(shè)計需要持續(xù)改進(jìn)；課中，基于本學(xué)期雨課堂累積分?jǐn)?shù)進(jìn)行動態(tài)分組，克服就近分組帶來的聚集效應(yīng)和隨機(jī)分組帶來的不均衡效應(yīng)，根據(jù)智慧分組結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)每一組的成績分布都比較均勻；課后，根據(jù)雨課堂結(jié)果進(jìn)行知識點(diǎn)答疑，教學(xué)效果評估；每周，根據(jù)SPOC測試結(jié)果查找關(guān)注對象；學(xué)期結(jié)束，自動統(tǒng)計學(xué)習(xí)成績，并對學(xué)習(xí)行為進(jìn)行挖掘。比如，有些到課率比較高的同學(xué)為什么成績比較差？彈幕多與成績高為什么呈現(xiàn)正相關(guān)？視頻觀看人數(shù)與知識的難易程度具有什么樣的關(guān)聯(lián)性？

圖5 四年雨課堂數(shù)據(jù)挖掘

三 傳感與檢測技術(shù)的教學(xué)案例設(shè)計

以下以一個案例“渦流式傳感器”來說明雙螺旋驅(qū)動教學(xué)模型的具體使用。由圖6 可知，首先，在課程導(dǎo)入環(huán)節(jié)，通過波音飛機(jī)的兩起航空事故引出傳感器的重要性，同時提出一個問題——如何檢測飛機(jī)金屬機(jī)體上的裂紋？其次，在知識傳授、能力培養(yǎng)和思維訓(xùn)練三個層次解釋本課時的教學(xué)目標(biāo)——渦流傳感原理，渦流測量位移原理和渦流無損檢測原理；再次，分析SPOC 線上學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)60%的同學(xué)觀看了視頻，70%的同學(xué)測試合格。說明有些同學(xué)對知識點(diǎn)掌握得不牢靠。然后，通過雨課堂、動畫、公式推導(dǎo)和對比等方式對渦流式傳感器的知識點(diǎn)進(jìn)行抽絲剝繭、深入淺出地講解。接著，通過自主開發(fā)的示教平臺和軟件在課堂上演示渦流式傳感器測量位移實(shí)驗。做完實(shí)驗后，通過雨課堂進(jìn)行課堂測試。測試結(jié)果顯示，部分同學(xué)們還沒有掌握“渦流式傳感器探測金屬中的裂紋”這個知識點(diǎn)。因此，老師將繼續(xù)講解這個知識點(diǎn)。在科研拓展環(huán)節(jié)，通過雨課堂累積成績對同學(xué)們重新分組，并按照新的分組展開討論“如何檢測飛機(jī)機(jī)體上的裂紋”，之后選出一位同學(xué)回答這個問題。接著，給出一篇科研論文，請感興趣的同學(xué)繼續(xù)深入學(xué)習(xí)這個知識點(diǎn)。通過國產(chǎn)C919 大飛機(jī)的發(fā)展引出國產(chǎn)渦流檢測儀器的重要性，并介紹自己的科研項目，歡迎同學(xué)們積極參與。最后，對課程進(jìn)行小結(jié)，布置課后作業(yè)和下節(jié)課的線上學(xué)習(xí)內(nèi)容。以該教學(xué)案例為范本，傳感課程形成了十余種傳感器的教學(xué)課件資源和教學(xué)方法。

圖6 教學(xué)案例的設(shè)計框架

四 結(jié)束語

本文提出資源與數(shù)據(jù)雙螺旋驅(qū)動的混合式教學(xué)方法，初步解決了當(dāng)前教學(xué)中存在的幾個問題。首先，通過教材附加二維碼資源、線上線下混合式異步SPOC 授課和微信雨課堂等提升教學(xué)的信息化水平；其次，通過拍攝實(shí)驗視頻、手機(jī)APP 做實(shí)驗和開發(fā)示教軟件做課堂實(shí)驗等讓知識點(diǎn)理論和實(shí)踐能力結(jié)合的更加緊密；第三，通過研究生指導(dǎo)的科研實(shí)驗和高水平英文學(xué)術(shù)論文等引入科技前沿知識，訓(xùn)練同學(xué)們的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識；第四，通過兩年異步SPOC 和四年雨課堂累計的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)指導(dǎo)教師的教學(xué)活動，挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)行為；最后，基于思政案例實(shí)現(xiàn)了隱性的思政教育和“四個自信”的培養(yǎng)。通過兩個學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生實(shí)踐能力得到大幅提升，獲得SIT、省虛擬儀器大賽和全國機(jī)器人大賽一等獎，中國傳感器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽二等獎。部分學(xué)生科研能力得到提高，在國際知名期刊發(fā)表高水平論文5篇，10 人獲得國內(nèi)外頂尖學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的錄取通知書。教師教學(xué)水平得到提升，主持省教改重點(diǎn)項目2 項和教育部產(chǎn)學(xué)合作項目5 項，發(fā)表教改論文5 篇；獲得湖南省信息化教學(xué)競賽一等獎、校教學(xué)比賽一等獎，獲評我心目中最敬愛的老師、青年教師教書育人模范等教學(xué)榮譽(yù)。教學(xué)事跡被湖南大學(xué)新聞網(wǎng)和內(nèi)刊進(jìn)行專題報道，為青年教師堅持走教學(xué)科研共進(jìn)之路樹立了榜樣。協(xié)助專業(yè)兩次通過工程教育專業(yè)認(rèn)證，入選國家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)。