郄培 郭凱 葉起惠 （北京郵電大學(xué)國際學(xué)院）

一、引言

現(xiàn)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(chǎn)業(yè)變革正在逐漸興起，社會對于高質(zhì)量人才的需求日益增長。習(xí)近平總書記指出：“要增強(qiáng)教育服務(wù)創(chuàng)新發(fā)展能力，培養(yǎng)更多適應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展、高水平自立自強(qiáng)的各類人才?！秉h的二十大報告中強(qiáng)調(diào)，必須堅持科技是第一生產(chǎn)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(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)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(dāng)務(wù)之急，面對一些領(lǐng)域的“卡脖子”難題，只有激發(fā)出創(chuàng)新人才的科技驅(qū)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(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要責(zé)任。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，依托于信息技術(shù)的數(shù)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(jìn)高等教育教學(xué)數(shù)字化，具體任務(wù)包括：加快完善高等教育教學(xué)數(shù)字化體系、提升數(shù)字化應(yīng)用能力、提升數(shù)字化治理能力、提升數(shù)字化國際影響力等。”相較于傳統(tǒng)的教學(xué)方法，基于信息科技的數(shù)字化教學(xué)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(xué)生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)字化教學(xué)模式，以實現(xiàn)高校對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)。

二、創(chuàng)新能力的內(nèi)涵與培養(yǎng)目標(biāo)

教育部在《關(guān)于中央部門所屬高校深化教育教學(xué)改革的指導(dǎo)意見》中指出：“要堅持把深入推進(jìn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革作為中央高校教育教學(xué)改革的突破口和重中之重。”作為向社會輸送人才的主要來源，高校肩負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要責(zé)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(biāo)。[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(gòu)成。[2]創(chuàng)新意識是實施創(chuàng)新活動的基礎(chǔ)，創(chuàng)新思維是產(chǎn)出高質(zhì)量創(chuàng)新成果的重要前提，創(chuàng)新技能是將創(chuàng)新成果進(jìn)行落地轉(zhuǎn)化的必要保障。

本文將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與大學(xué)生工程實踐相結(jié)合，采用“以學(xué)生為中心”的項目驅(qū)動式教學(xué)方法，通過團(tuán)隊協(xié)作的模式完成創(chuàng)新活動，最終實現(xiàn)“強(qiáng)優(yōu)補(bǔ)短”的創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標(biāo)。“強(qiáng)優(yōu)”即為“強(qiáng)化團(tuán)隊優(yōu)勢能力”，旨在激發(fā)學(xué)生團(tuán)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(bǔ)，從而實現(xiàn)團(tuán)隊創(chuàng)新能力的整體提升；“補(bǔ)短”即為“補(bǔ)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(xiàn)個人創(chuàng)新能力的提升。

三、數(shù)字化教學(xué)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(xué)生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的數(shù)字化教學(xué)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(tuán)隊組建模型、智能教育助理三個模塊，最終實現(xiàn)“強(qiáng)優(yōu)補(bǔ)短”的創(chuàng)新能力人才培養(yǎng)目標(biāo)。

圖1 數(shù)字化教學(xué)模式

（一）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育虛擬教研室建設(shè)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(xué)科的教師兼職，與其他領(lǐng)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(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基層教學(xué)組織的建設(shè)，而虛擬教研室可以讓教師跨越空間和學(xué)科的限制，開展教學(xué)研討和學(xué)術(shù)交流，滿足跨地域的學(xué)校、不同專業(yè)的教師之間進(jìn)行教學(xué)交流和教學(xué)創(chuàng)新的需求。以學(xué)生發(fā)展為中心，依托現(xiàn)代信息技術(shù)，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(jìn)、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(lián)合教研

探索跨地域、跨學(xué)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(shè)管理的新思路、新方法、新范式。

2.打造特色化雙創(chuàng)教研團(tuán)隊

虛擬教研室突破了單一學(xué)科的實體教研室的限制，通過聯(lián)合各高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)負(fù)責(zé)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(xué)交流，一起討論教育教學(xué)、共享教研經(jīng)驗，組織開展常態(tài)化教師培訓(xùn)，開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教研教學(xué)交流，可以打造出一批特色化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教研團(tuán)隊，服務(wù)教研室相關(guān)的教育教學(xué)，有效提升雙創(chuàng)教師的教育教學(xué)研究能力，促進(jìn)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(xiàn)有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教研成果的基礎(chǔ)上，爭取在一流課程、高新課程、教學(xué)成果獎、大學(xué)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(xué)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(lián)動、資源整合，可以協(xié)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(xué)視頻、電子課件、習(xí)題試題、創(chuàng)新項目等各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)資源庫、優(yōu)秀創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)案例庫等，[3]形成優(yōu)質(zhì)共享的雙創(chuàng)資源大平臺。

5.建立一體化長效發(fā)展機(jī)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(shè)計和制度建設(shè)，制定虛擬教研室建設(shè)評價制度，構(gòu)建保障、激勵和評價一體化長效發(fā)展機(jī)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(tuán)隊組建模型

創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動一般是以學(xué)生團(tuán)隊的形式開展的，一個結(jié)構(gòu)合理、優(yōu)勢互補(bǔ)的團(tuán)隊配置是取得高質(zhì)量創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)成果的必要前提。團(tuán)隊組建問題是一個經(jīng)典的動態(tài)規(guī)劃問題，此前研究人員[4-5]已經(jīng)對此做了大量的研究。結(jié)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(tuán)隊組建模型，用來構(gòu)建科學(xué)合理的團(tuán)隊配置，實現(xiàn)不同能力的學(xué)生的交叉融合，從而提升創(chuàng)新能力培養(yǎng)的質(zhì)量。

1.條件假設(shè)及數(shù)據(jù)處理

經(jīng)過教研室的研討，本文將對學(xué)生的能力考查設(shè)定為學(xué)科成績、思維能力、動手能力、寫作能力、英語水平、協(xié)作能力和領(lǐng)導(dǎo)力七個方面。首先，我們完成七個維度的數(shù)據(jù)獲取，包括調(diào)取專業(yè)課程成績、調(diào)取實踐課程成績、調(diào)取學(xué)生活動數(shù)據(jù)、進(jìn)行問卷調(diào)查表等。進(jìn)一步的，我們完成數(shù)據(jù)清洗和歸一化處理，將每項數(shù)據(jù)進(jìn)行量化。通過參考文獻(xiàn)，[4]我們設(shè)置了七項能力的相關(guān)權(quán)重。特別的，由于隊長需要統(tǒng)籌團(tuán)隊的整體進(jìn)展、協(xié)調(diào)人員分工及與導(dǎo)師溝通等，其領(lǐng)導(dǎo)力對團(tuán)隊起到關(guān)鍵作用，因此我們將該權(quán)重調(diào)整為0.311746。綜上，本文中七項能力的權(quán)重表示為：

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

假設(shè)參加創(chuàng)新活動的學(xué)生數(shù)為N，每組成員數(shù)為4，組成的團(tuán)隊數(shù)量為N/4。對所有成員做如下假設(shè)：

（1）上述量化數(shù)據(jù)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(zhǔn)；（3）各成員量化值之間不會相互影響；

（4）該團(tuán)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(shù)，所有成員都能參加團(tuán)隊，每個成員只能加入1 個團(tuán)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(tuán)隊編號為k (k=1,2,...,N/4)。某i 成員參加k 團(tuán)隊的賦值為yik, 第k 個團(tuán)隊參賽水平表示為Ck，所有團(tuán)隊的總參賽水平表示為S，

將團(tuán)隊組建問題進(jìn)一步抽象為以下子目標(biāo)：

（1）N 個學(xué)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(xué)生組成N/4 支團(tuán)隊，最終這些團(tuán)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(jù)以上模型進(jìn)行實踐，取20 名學(xué)生、每組4 人進(jìn)行組隊。表1 是對所有成員的能力數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(jié)果如表2 所示。其中最佳團(tuán)隊為團(tuán)隊四，K(4) =(4, 7, 8, 12), C(4) = 15.99，全局得分S 為77.410。

表1 成員能力數(shù)據(jù)

表2 模型計算結(jié)果

（三）智能教育助理

對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技能的培養(yǎng)，其顯著特點是跨學(xué)科交叉融合。這不僅對于師資融合提出了要求，也直接導(dǎo)致了培養(yǎng)對象的多樣化。通過學(xué)情分析，被培養(yǎng)對象（即學(xué)生群體）的情況較為復(fù)雜，其專業(yè)背景和學(xué)習(xí)目標(biāo)都不一樣。在此背景下，對不同學(xué)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(jié)合國務(wù)院關(guān)于《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的相關(guān)要求，在教學(xué)過程中引入“智慧教學(xué)”成為助力因材施教的有力途徑。

“智慧教學(xué)”旨在利用信息化手段，通過大數(shù)據(jù)記錄學(xué)生的成長軌跡，經(jīng)過科學(xué)的統(tǒng)計分析，刻畫學(xué)生的用戶畫像，根據(jù)數(shù)據(jù)對學(xué)生學(xué)習(xí)狀況做出預(yù)測，[6]進(jìn)而反饋至教學(xué)過程并提升教學(xué)質(zhì)量。（具體模型如圖2 所示）。

圖2 智能教學(xué)助理流程

1.數(shù)據(jù)采集

本模型采集了靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型用于綜合分析。[7]靜態(tài)數(shù)據(jù)指學(xué)生以往獲得的常規(guī)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，如學(xué)生的專業(yè)信息、相關(guān)前置課程的成績等。動態(tài)數(shù)據(jù)指學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括線上學(xué)習(xí)行為和日常交互行為。學(xué)習(xí)行為主要體現(xiàn)在學(xué)生在線上平臺進(jìn)行的課程學(xué)習(xí)、作業(yè)表現(xiàn)等，日常行為主要體現(xiàn)在考勤、交流頻率、答疑表現(xiàn)等。

2.數(shù)據(jù)處理

第一步采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量是參差不齊的，存在信息不完整或異常數(shù)據(jù)。此外，不同數(shù)據(jù)的單位可能不一致，如學(xué)習(xí)頻率數(shù)據(jù)為“x 次”，而答疑表現(xiàn)數(shù)據(jù)為“優(yōu)秀/良好”等。本模型需要對于數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換[8]等。

3.數(shù)據(jù)分析

基于以上預(yù)處理的數(shù)據(jù)，本文引入了K-means 聚類模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。K-means 算法是一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的無監(jiān)督聚類方法，具體表現(xiàn)為給定K 值和初始簇中心，根據(jù)數(shù)據(jù)的特征把數(shù)據(jù)對象劃分到距離最近的簇中心所在的簇中，再根據(jù)已分配的數(shù)據(jù)對象重新計算簇中心的值，之后進(jìn)行迭代直至達(dá)到既定要求。[9]通過K-means 算法，可為學(xué)生構(gòu)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(xué)生提供有針對性的指導(dǎo)。

4.反饋教學(xué)

把數(shù)據(jù)分析的結(jié)果反饋到日常教學(xué)中，從而提升教學(xué)質(zhì)量。通過K-means 為學(xué)生構(gòu)造不同的用戶畫像，從而觀測學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，分析學(xué)生對不同內(nèi)容的掌握情況，對于有可能出現(xiàn)學(xué)習(xí)困難的學(xué)生提供預(yù)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(xué)國際學(xué)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(jìn)行了實踐，并取得了較好的教學(xué)效果。

在師資建設(shè)方面，雙創(chuàng)教育虛擬教研室以立德樹人為根本，以項目導(dǎo)引、工程訓(xùn)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(xué)習(xí)平臺”，將線上線下融合式教學(xué)方法運用于教學(xué)過程，形成“加強(qiáng)訓(xùn)練、鼓勵創(chuàng)新、開放共享、合作共贏”的師生協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制，探索多主體參與及資源共享的跨學(xué)科協(xié)同育人機(jī)制；建設(shè)開放共享的教學(xué)資源平臺，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)案例、慕課資源、虛擬仿真實驗平臺、實驗設(shè)備、創(chuàng)新項目開發(fā)平臺等資源共享；經(jīng)驗與成果共享，實現(xiàn)成員單位在教學(xué)方法、內(nèi)容、模式、手段等方面的經(jīng)驗分享與成果共享。

在課程實踐方面，本課程引入了由學(xué)生提出原創(chuàng)命題的創(chuàng)新培養(yǎng)方式，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維。進(jìn)一步的，在實踐過程中采用了“項目驅(qū)動式”教學(xué)方法，基于團(tuán)隊組建模型為學(xué)生的團(tuán)隊組建提供建議，助力實現(xiàn)更合理的團(tuán)隊結(jié)構(gòu)配置。為了采集線上教學(xué)數(shù)據(jù)，本課程采用“飛書”平臺作為交流協(xié)作的工具，并將采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)用于智能教育助理，從而為學(xué)生提供了因材施教的輔導(dǎo)，對于學(xué)習(xí)有困難的學(xué)生做了預(yù)警。課程的實踐效果良好，部分團(tuán)隊基于課程的原創(chuàng)成果參加了“中國高校計算機(jī)大賽——微信小程序應(yīng)用開發(fā)賽”（清華大學(xué)與騰訊公司聯(lián)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(xué)質(zhì)量得到了明顯提升。