[摘" "要] 在工科實(shí)驗(yàn)中融合AIGC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)未來發(fā)展的重要方向，研究AIGC賦能的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)具有時(shí)代緊迫性。AIGC賦能的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)技術(shù)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、泛化性實(shí)驗(yàn)方案、螺旋式實(shí)驗(yàn)過程、思辨性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新、瞬時(shí)性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的內(nèi)涵，支持新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)本體研究，以及能力依賴、生成式實(shí)驗(yàn)、復(fù)合大腦、在場(chǎng)模式的外延，支持新形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教學(xué)特征研究。為適應(yīng)新質(zhì)生產(chǎn)力人才培養(yǎng)，研究提出了基于六度循環(huán)的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑，覆蓋引導(dǎo)、查詢、判斷、應(yīng)用、評(píng)價(jià)與優(yōu)化共6個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，探索了融合AIGC的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)支持系統(tǒng)框架，從智慧實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)、精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、高階實(shí)驗(yàn)探學(xué)三個(gè)方面討論了新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)在典型教學(xué)場(chǎng)景中的應(yīng)用。研究成果為新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供了借鑒。

[關(guān)鍵詞] 新形態(tài)實(shí)驗(yàn)； AIGC； 特征研究； 教學(xué)路徑； 支持系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)] G434" " " " " " [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 郭豐（1983—），男，黑龍江牡丹江人。高級(jí)工程師，博士，主要從事機(jī)械工程學(xué)科新形態(tài)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人工智能技術(shù)融合研究。E-mail：guof6570969@163.com。

一、引" "言

《中國(guó)教育現(xiàn)代化2035》指出：“加快信息化時(shí)代教育變革”[1]。數(shù)字化是信息化的升級(jí)和拓展，高等教育數(shù)字化是高等教育發(fā)展的重要方向。高等教育數(shù)字化是利用數(shù)字技術(shù)改變高等教育各環(huán)節(jié)，經(jīng)歷全流程創(chuàng)新與多方面變革后，賦能教育數(shù)字價(jià)值的過程[2]，實(shí)現(xiàn)數(shù)字技術(shù)來驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)環(huán)境變革、優(yōu)化教育資源供給、推動(dòng)師生素養(yǎng)發(fā)展、助力教學(xué)范式重構(gòu)[3]的目標(biāo)。隨著數(shù)字技術(shù)賦能教育成為全球共識(shí)，將人工智能（Artificial Intelligence，AI）應(yīng)用于教育領(lǐng)域正在成為近年來的教學(xué)研究熱點(diǎn)。在2024世界數(shù)字教育大會(huì)上，教育部部長(zhǎng)懷進(jìn)鵬強(qiáng)調(diào)了AI賦能教育轉(zhuǎn)型的重要性[4]。同年3月，教育部啟動(dòng)了AI賦能教育行動(dòng)，旨在用AI推動(dòng)教與學(xué)融合應(yīng)用，提高全民數(shù)字教育素養(yǎng)與技能，開發(fā)教育專用AI大模型，同時(shí)規(guī)范AI使用科學(xué)倫理等[5]。在新質(zhì)生產(chǎn)力人才培養(yǎng)需求牽引下，重視AI在工程教育中的應(yīng)用非常必要，率先布局和全面實(shí)現(xiàn)工程教育智能化是當(dāng)前和未來高等工程教育改革和創(chuàng)新的重大戰(zhàn)略和必由之路[6]。

AIGC（AI Generated Content），即人工智能生成內(nèi)容，自2022年進(jìn)入大眾視野后，為教育教學(xué)的創(chuàng)新性、顛覆性發(fā)展提供了無限可能[7]，基于人類反饋系統(tǒng)的跨模態(tài)AI生成應(yīng)用正在加速發(fā)展[8]。Wang等總結(jié)了AIGC的主要應(yīng)用領(lǐng)域，即文本生成、圖像生成、音頻生成、視頻生成、三維內(nèi)容生成、數(shù)字人生成以及上述領(lǐng)域的復(fù)合生成，為AIGC的教學(xué)資源生成提供了技術(shù)可能[9]。Chen等通過文獻(xiàn)綜述研究發(fā)現(xiàn)，AIGC在教學(xué)領(lǐng)域的研究主要集中在效能評(píng)估、教學(xué)應(yīng)用、教學(xué)效果、教學(xué)技術(shù)與應(yīng)用前景五個(gè)方面[10]。Jing等認(rèn)為在利用AIGC賦能教育的過程中，應(yīng)將從培養(yǎng)AI使用能力轉(zhuǎn)向培養(yǎng)AI素養(yǎng)，為利用AIGC賦能學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)[11]。鄭永紅等梳理了AIGC的應(yīng)用場(chǎng)景，認(rèn)為AIGC在促進(jìn)教育公平、推動(dòng)教育創(chuàng)新和提升教育質(zhì)量方面有積極影響[12]。盧宇等探討了AIGC的潛在教育應(yīng)用，并在習(xí)題生成、自動(dòng)解題、輔助批閱等方面開展了初步探索[13]。肖君等研究了AIGC賦能在線學(xué)習(xí)的應(yīng)用場(chǎng)景與實(shí)施路徑，認(rèn)為AIGC能夠更好地服務(wù)于在線學(xué)習(xí)和教育需求[14]。陳向東等構(gòu)想了 AIGC支持的面向教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的技術(shù)預(yù)見行動(dòng)框架，為基于AI的教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供經(jīng)驗(yàn)之外的新思路[15]。當(dāng)然，AIGC在賦能教育的同時(shí)也面臨技術(shù)與倫理的風(fēng)險(xiǎn)，黃蓓蓓等構(gòu)建了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，實(shí)現(xiàn)AIGC融入高等教育生態(tài)系統(tǒng)后的風(fēng)險(xiǎn)化解，為高等教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展保駕護(hù)航[16]。綜上所述，AIGC賦能教育的研究已經(jīng)引起了廣泛的討論，但關(guān)于AIGC如何賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)則鮮有研究，本研究將為AIGC與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合提供借鑒。

二、AIGC賦能的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)特征研究

傳統(tǒng)工科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊、教學(xué)方法過時(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化、缺少智能技術(shù)支持等亟待解決的問題，不利于新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展背景下高水平人才的能力培養(yǎng)，因此迫切需要融合現(xiàn)代智能技術(shù)推動(dòng)工科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，持續(xù)支持工科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)提質(zhì)增效。借鑒新形態(tài)教材的實(shí)踐[17]，本文認(rèn)為：新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)是一種在AI技術(shù)加持下，具有新穎實(shí)驗(yàn)本體與教學(xué)特征，旨在復(fù)現(xiàn)工程實(shí)際、解決工程問題的新型工科類實(shí)驗(yàn)。本節(jié)嘗試從AIGC賦能的角度對(duì)新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)本體與教學(xué)特征進(jìn)行探索。

（一）新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)本體特征研究

實(shí)驗(yàn)本體是描述和表達(dá)實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域基本要素的本體模型，具有形式化、結(jié)構(gòu)化和共享化等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)工科實(shí)驗(yàn)相比，AIGC賦能的實(shí)驗(yàn)本體發(fā)展出新特征，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)五個(gè)方面，如圖1所示。

1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變：從經(jīng)驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到技術(shù)性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要明確實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，要求實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有可操作性與可度量性，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)。鑒于思維定式固化與主觀經(jīng)驗(yàn)存在，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改革步伐往往滯后于現(xiàn)代工程實(shí)際。初入AI時(shí)代，教學(xué)專家仍主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，而實(shí)驗(yàn)資源則可借助AI工具輔助整理。當(dāng)AI技術(shù)成熟后，教學(xué)專家與AI工具的主輔關(guān)系亦在轉(zhuǎn)變。基于海量知識(shí)樣本，AI通過模型訓(xùn)練具備了獲取人類經(jīng)驗(yàn)的能力，掌握了跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所需的知識(shí)與方法，因此也具備了完成多學(xué)科融合背景下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力?？紤]到技術(shù)倫理等風(fēng)險(xiǎn)因素，教學(xué)專家僅需在AIGC完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)后進(jìn)行審驗(yàn)與修補(bǔ)即可。由此，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的敏捷迭代。

2. 實(shí)驗(yàn)方案的轉(zhuǎn)變：從確定性實(shí)驗(yàn)方案到泛化性實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的明確計(jì)劃，確保實(shí)驗(yàn)過程的系統(tǒng)性、可重復(fù)性和可驗(yàn)證性。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案往往具有封閉性，在預(yù)定義方案中學(xué)生進(jìn)行程式化被動(dòng)探索。項(xiàng)目式教學(xué)法是高階教學(xué)模式的具體化，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的非程式化自主探索[18]。通過在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)施“AI+項(xiàng)目式教學(xué)”，能夠生成具有指導(dǎo)性的實(shí)驗(yàn)方案組合（確保方案非劣性），輔助學(xué)生探索擇優(yōu)，激發(fā)高質(zhì)量實(shí)驗(yàn)思考?；贏IGC強(qiáng)大的生成能力，使實(shí)驗(yàn)方案的開放性成為可能。通過建立實(shí)驗(yàn)方案模板并設(shè)定提示線索，可研發(fā)具有提示功能的電子化實(shí)驗(yàn)方案生成器，支持學(xué)生利用AIGC工具與私有知識(shí)生成具有個(gè)性化的可行實(shí)驗(yàn)方案，使得實(shí)驗(yàn)方案具有泛化性。由此，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案由確定性轉(zhuǎn)變?yōu)榉夯裕ぐl(fā)了學(xué)生對(duì)新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)方案的精益思考。

3. 實(shí)驗(yàn)過程的轉(zhuǎn)變：從階梯式實(shí)驗(yàn)過程到螺旋式實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)過程是按照一定步驟和規(guī)則實(shí)施的實(shí)驗(yàn)操作序列。根據(jù)任務(wù)目標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)操作序列進(jìn)行聚類，每一類的操作序列對(duì)應(yīng)特定的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ嵘?。在封閉性預(yù)定義實(shí)驗(yàn)方案中，類與類之間具有相對(duì)獨(dú)立性，存在先后順序而呈現(xiàn)階梯特征，實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)成度基于粗粒度“臺(tái)階”進(jìn)行計(jì)算。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)認(rèn)可度提升后，工程實(shí)驗(yàn)過程的高擬真特性逐漸成為共識(shí)?！癆I+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”能夠支持高復(fù)雜度工程實(shí)驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)規(guī)劃，允許學(xué)生在非劣性指導(dǎo)方案中反復(fù)試錯(cuò)以迭代優(yōu)選實(shí)驗(yàn)過程，通過歸納分析錯(cuò)誤內(nèi)因完成工程知識(shí)學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)達(dá)成度的計(jì)算隨之細(xì)化并深入到任務(wù)或子任務(wù)內(nèi)部。當(dāng)開放性提示方案成為工科實(shí)驗(yàn)主流時(shí)，允許學(xué)生在全部可能的實(shí)驗(yàn)方案中進(jìn)行螺旋式探索尋優(yōu)，基于AIGC提供的知識(shí)線索反復(fù)回溯驗(yàn)證，提升對(duì)涉及工程問題實(shí)驗(yàn)的理解。由此，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)過程從階梯式轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪剑酱賹W(xué)生對(duì)新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)過程形成立體認(rèn)知。

4. 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變：從機(jī)械性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新到思辨性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新包括方法創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、思路創(chuàng)新、過程創(chuàng)新等。傳統(tǒng)工科實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新具有機(jī)械性，即學(xué)生無條件信任書本指導(dǎo)，按照指導(dǎo)順序完成創(chuàng)新聯(lián)想。受益于互聯(lián)網(wǎng)普及與智能檢索能力提升，允許學(xué)生模擬工程實(shí)際場(chǎng)景，通過檢索互聯(lián)網(wǎng)以獲得解決工程問題的相似實(shí)驗(yàn)方案，參照相似實(shí)驗(yàn)方案嘗試不同實(shí)驗(yàn)過程，基于啟發(fā)規(guī)則在嘗試中尋找實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。伴隨工程領(lǐng)域知識(shí)圖譜的知識(shí)覆蓋率的提升，知識(shí)圖譜檢索技術(shù)能夠反向指導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃實(shí)驗(yàn)，支持學(xué)生以主動(dòng)姿態(tài)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)過程，完成積極的工程實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。AIGC技術(shù)的成熟為創(chuàng)新提供了新的可能，支持學(xué)生在回溯驗(yàn)證中開展工程問題的批判性思考，通過交叉驗(yàn)證跨越式提升學(xué)生的思辨能力。由此，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新從機(jī)械性轉(zhuǎn)變?yōu)樗急嫘?，鼓?lì)學(xué)生對(duì)新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新進(jìn)行深度挖掘。

5. 實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)變：從延時(shí)性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)到瞬時(shí)性實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)是指對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程及實(shí)操結(jié)果進(jìn)行的全面、系統(tǒng)、客觀評(píng)價(jià)。傳統(tǒng)工科實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)往往是滯后的，在實(shí)驗(yàn)完成后由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師調(diào)閱分析實(shí)驗(yàn)報(bào)告，依據(jù)報(bào)告內(nèi)容開展粗粒度的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)具有延時(shí)性特征。智能批改系統(tǒng)上線后，AI工具能夠收集學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的階段性數(shù)據(jù)，輔助實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)階段性數(shù)據(jù)完成細(xì)粒度的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，但主觀內(nèi)容評(píng)價(jià)仍需依賴指導(dǎo)教師經(jīng)驗(yàn)。將AIGC嵌入智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)后，通過設(shè)定完備的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)規(guī)則，支持實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)的快速獲取，并分析步驟數(shù)據(jù)以立即生成精細(xì)度的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)具有瞬時(shí)性特征。由此，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)從延時(shí)性轉(zhuǎn)變?yōu)樗矔r(shí)性，支持新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

（二）新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)特征研究

新工科教育范式涉及新工科的教育理念、培養(yǎng)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面[19]。AIGC賦能新工科教育范式的具體實(shí)踐為新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)注入了新的教學(xué)特征，如圖2所示。

1. 能力依賴：從記憶知識(shí)到檢索知識(shí)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有多主體特征，學(xué)生作為第一主體負(fù)責(zé)完成知識(shí)與能力的獲取，教師作為第二主體負(fù)責(zé)完成知識(shí)與能力的培養(yǎng)。數(shù)智時(shí)代的新知識(shí)觀認(rèn)為知識(shí)是人類和AI協(xié)作產(chǎn)生的[20]。AIGC通過大模型訓(xùn)練具備了擬人意識(shí)，鑒于大量的新質(zhì)生產(chǎn)力語(yǔ)料知識(shí)存在，AIGC能夠產(chǎn)生新的知識(shí)以支持新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)的自我進(jìn)化，使得新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)作為第三主體具備了新質(zhì)生產(chǎn)力人才培養(yǎng)的主觀能動(dòng)預(yù)期。因此，在當(dāng)前時(shí)代敘事中，實(shí)驗(yàn)知識(shí)不斷自我迭代，封閉性的知識(shí)體系被技術(shù)沖破，依賴書本完成知識(shí)的硬性記憶不再適應(yīng)新工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)，迫使“被動(dòng)灌輸”被“智慧引導(dǎo)”取代。在開放性的實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系背景下，為應(yīng)對(duì)工程實(shí)際的復(fù)雜性，新工科實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的重要性更加凸顯。當(dāng)開放性實(shí)驗(yàn)?zāi)芰w系的教學(xué)價(jià)值融入了AI時(shí)代特征后，檢索查詢已經(jīng)成為提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ闹匾緩?。在倫理約束下，教師合理引導(dǎo)學(xué)生完成檢索查詢被認(rèn)為是“智慧引導(dǎo)”下實(shí)驗(yàn)教學(xué)能力培養(yǎng)的必要手段。由此，新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)主體需要?dú)v經(jīng)從書本依賴到能力依賴的轉(zhuǎn)變。

2. 生成式實(shí)驗(yàn)：從靜態(tài)資源到動(dòng)態(tài)資源

實(shí)驗(yàn)資源是構(gòu)建實(shí)驗(yàn)主體的重要組成，承擔(dān)學(xué)習(xí)客體的職責(zé)。傳統(tǒng)的工科實(shí)驗(yàn)資源以非數(shù)字化的靜態(tài)資源為主，往往由教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行預(yù)定義。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中通過不斷挖掘靜態(tài)資源的教學(xué)價(jià)值來支持學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)。數(shù)字技術(shù)出現(xiàn)后，預(yù)定義的靜態(tài)資源具備了數(shù)字特性，提升了實(shí)驗(yàn)資源的復(fù)用性，降低了工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源成本。但預(yù)定義的實(shí)驗(yàn)資源具有較高的限制性，難以迅速迭代以適應(yīng)新科技水平下的工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。AIGC支持通過內(nèi)容分析和數(shù)據(jù)挖掘，突破地域限制以遍歷不同教育平臺(tái)或?qū)嶒?yàn)資源庫(kù)，獲取類型多樣、內(nèi)容豐富以及智能化的教學(xué)資源[21]，為考慮工程復(fù)雜性的實(shí)驗(yàn)資源動(dòng)態(tài)化生成提供了可能。隨著ChatGPT-4o等大模型的出現(xiàn)，動(dòng)態(tài)化生成的實(shí)驗(yàn)資源類型包括但不限于文本、音頻、視頻、三維虛擬場(chǎng)景等。實(shí)驗(yàn)資源的動(dòng)態(tài)化生成模式為新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)從預(yù)定義走向生成式提供了技術(shù)可能性。

3. 復(fù)合大腦：從人人協(xié)同到人機(jī)協(xié)同

實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程涵蓋了不同類型的協(xié)同實(shí)踐。從人因角度分析，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的協(xié)同主要體現(xiàn)為人人協(xié)同，現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)教學(xué)中則出現(xiàn)了人機(jī)協(xié)同。以工程探索性實(shí)驗(yàn)為例，教學(xué)過程中往往通過實(shí)驗(yàn)小組來協(xié)同問題研究與方案研討，完成知識(shí)與能力的共享，本質(zhì)上是基于小組策略的人人互助協(xié)同，體現(xiàn)為碳基生物大腦的思考成果。隨著AI技術(shù)的豐富，人機(jī)協(xié)同已經(jīng)成為工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究的重點(diǎn)，如合理利用項(xiàng)目學(xué)習(xí)支架[22]方法等，能夠以工程技能協(xié)同為目標(biāo)，發(fā)揮不同支架在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的組合優(yōu)勢(shì)，形成基于支架策略的人機(jī)技能協(xié)同。隨著模型參數(shù)與模型深度的規(guī)?；鲩L(zhǎng)，AIGC呈現(xiàn)類似主觀判斷與主觀思考的能力，利用人機(jī)共生的復(fù)合大腦開展教學(xué)逐步進(jìn)入研究者視野[23]。隨著腦機(jī)接口等可穿戴式設(shè)備的發(fā)展，人與機(jī)器的協(xié)同正在邁向意識(shí)協(xié)同，乃至精神協(xié)同。人類正在從創(chuàng)造主體逐漸向監(jiān)督主體轉(zhuǎn)變，在新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中形成基于監(jiān)督策略的人機(jī)意識(shí)協(xié)同，體現(xiàn)為碳基大腦與硅基大腦的協(xié)同思考，客觀上促使協(xié)同機(jī)制從依賴生物大腦到依賴復(fù)合大腦的轉(zhuǎn)變。

4. 在場(chǎng)模式：從實(shí)體實(shí)驗(yàn)到元宇宙實(shí)驗(yàn)

實(shí)體實(shí)驗(yàn)主要通過問題復(fù)現(xiàn)、場(chǎng)景模擬、真實(shí)操作來完成教學(xué)過程。工科類實(shí)體實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備/裝置存在高度依賴，實(shí)驗(yàn)過程僅能近似模擬真實(shí)工況。由于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景存在差異，所以工科類實(shí)體實(shí)驗(yàn)一般具備離場(chǎng)特征。伴隨教學(xué)方法與教學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線上線下混合實(shí)驗(yàn)教學(xué)日漸成熟，其以全場(chǎng)景融合模式促進(jìn)教學(xué)與服務(wù)向個(gè)性、精準(zhǔn)、智能化轉(zhuǎn)型，積極促進(jìn)教育和學(xué)習(xí)的創(chuàng)新發(fā)展[24]，通過融合MOOC（無沉浸）、SPOC（無沉浸）與桌面級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（以淺沉浸為主）等，形成基于淺度沉浸的在線混合實(shí)驗(yàn)，提供一定的工程臨場(chǎng)感。當(dāng)AIGC與教育元宇宙自然耦合后，支持構(gòu)建“師—機(jī)—生”互融共生的學(xué)習(xí)新樣態(tài)[25]，深度沉浸、社會(huì)交互、無限擴(kuò)展等技術(shù)特征為新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了精準(zhǔn)現(xiàn)實(shí)或超越現(xiàn)實(shí)，實(shí)驗(yàn)助手由抽象文本變?yōu)榫呱硇蜗?，通過集體在場(chǎng)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教育與規(guī)模化教育協(xié)同開展，形成基于完全沉浸的元宇宙實(shí)驗(yàn)。元宇宙實(shí)驗(yàn)為提高學(xué)生解決各類復(fù)雜工程問題提供了全要素仿真，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綇碾x場(chǎng)到在場(chǎng)的轉(zhuǎn)變。

三、AIGC賦能的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑與支持系統(tǒng)架構(gòu)

（一）基于六度循環(huán)的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑

為適應(yīng)新質(zhì)生產(chǎn)力人才培養(yǎng)，發(fā)揮新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)在新質(zhì)教育[26]中的重要作用，建立適配AIGC的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑，持續(xù)迭代工科類實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，研究團(tuán)隊(duì)在調(diào)研AI賦能學(xué)習(xí)路徑的方法[27]基礎(chǔ)上，借鑒人際六度空間理論，提出了基于六度循環(huán)的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑，覆蓋引導(dǎo)、查詢、判斷、應(yīng)用、評(píng)價(jià)與優(yōu)化等六個(gè)教學(xué)階段，如圖3所示。

階段一：引導(dǎo)，以工程問題為導(dǎo)向。持續(xù)挖掘工程領(lǐng)域問題熱點(diǎn)，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)與工程需求的目標(biāo)吻合。根據(jù)工程問題復(fù)雜性完成工程知識(shí)的剝離與解析，建立新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)表征模型，完成工程問題的實(shí)驗(yàn)化教學(xué)落地，提高學(xué)生辨識(shí)工程問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程。

階段二：查詢，以提示問答為導(dǎo)向。培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)檢索工程問題解決方案的能力。檢索能力高度關(guān)聯(lián)了AIGC提示工程構(gòu)建的有效性，學(xué)生通過綜合使用提示圖譜、提示思維鏈與提示案例庫(kù)，掌握工程問題思考方法，實(shí)現(xiàn)提示問句的合理設(shè)計(jì)與使用，逐步形成“問中做，做中學(xué)，學(xué)中問”的循環(huán)學(xué)習(xí)模式。

階段三：判斷，以理論思辨為導(dǎo)向。面對(duì)檢索獲取的解決方案，依賴知識(shí)推薦并融合學(xué)生私有知識(shí)，形成個(gè)性化實(shí)驗(yàn)解決方案。利用相似度比較與評(píng)價(jià)技術(shù)支持個(gè)性化實(shí)驗(yàn)方案的質(zhì)量分析。培養(yǎng)學(xué)生對(duì)質(zhì)量分析的科學(xué)質(zhì)疑精神，在質(zhì)疑過程中激發(fā)思辨動(dòng)能，逐步形成“獲取—比較—質(zhì)疑”的探索思辨模式。

階段四：應(yīng)用，以實(shí)踐能力為導(dǎo)向。基于實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及元宇宙實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)驗(yàn)形式，強(qiáng)化學(xué)生將理論融于工程，并依據(jù)工程問題解決質(zhì)量分析，據(jù)此考核學(xué)生實(shí)踐能力。元宇宙實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，基于多模態(tài)知識(shí)融合AIGC技術(shù)與元宇宙技術(shù)，能夠提升新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的在場(chǎng)感。

階段五：評(píng)價(jià)，以綜合素養(yǎng)為導(dǎo)向。通過學(xué)生的自我評(píng)價(jià)引導(dǎo)綜合素養(yǎng)提高，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)與開放性標(biāo)準(zhǔn)。預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)基于歷史經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，開放性標(biāo)準(zhǔn)則要求動(dòng)態(tài)變化且與時(shí)俱進(jìn)，支持實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容適配，滿足AIGC賦能的個(gè)性化培養(yǎng)要求。

階段六：優(yōu)化，以創(chuàng)新決策為導(dǎo)向。基于評(píng)價(jià)結(jié)論構(gòu)建實(shí)驗(yàn)本體的自主迭代優(yōu)化模式，建立評(píng)價(jià)結(jié)論與自主迭代方向的動(dòng)態(tài)映射。實(shí)驗(yàn)本體的優(yōu)化支持面向?qū)W生個(gè)體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容迭代，通過開放技術(shù)接口支持基于復(fù)合大腦的技術(shù)協(xié)作創(chuàng)新，鼓勵(lì)學(xué)生協(xié)調(diào)多種方法進(jìn)行組合決策。

由圖3可知，在基于六度循環(huán)的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)路徑中，通過往復(fù)的周期性階段循環(huán)，助力提升AIGC賦能的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（二）融合AIGC的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)支持系統(tǒng)架構(gòu)

為便于新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)高效開展，研究團(tuán)隊(duì)提出了融合AIGC的新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)支持系統(tǒng)架構(gòu)，如圖4所示。

第一層：支撐層。該層由本地支撐環(huán)境與云端支撐環(huán)境構(gòu)成，通過互聯(lián)網(wǎng)通信接口實(shí)現(xiàn)信息互通。本地支撐環(huán)境中的數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器可部署在校方公共資源平臺(tái)，確保教師維護(hù)的便捷性；云端支撐環(huán)境可直接利用第三方云服務(wù)平臺(tái)，注重安全優(yōu)勢(shì)與成本優(yōu)勢(shì)，一般存儲(chǔ)算法庫(kù)、規(guī)則庫(kù)與參數(shù)庫(kù)等不需要經(jīng)常性維護(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并提供通用服務(wù)。

第二層：數(shù)據(jù)層。該層用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，例如：案例庫(kù)存儲(chǔ)典型學(xué)生畫像與實(shí)驗(yàn)畫像，提供典型提示問句；圖譜庫(kù)存儲(chǔ)知識(shí)圖譜（含實(shí)驗(yàn)本體）、提示問句模板等；知識(shí)庫(kù)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，覆蓋文本、音頻、視頻、三維場(chǎng)景等不同模態(tài)；算法庫(kù)存儲(chǔ)生成提示問句與構(gòu)建評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的智能算法；參數(shù)庫(kù)存儲(chǔ)智能算法與調(diào)用外部AIGC模型所需的配置信息。

第三層：模型層。該層由學(xué)生畫像、實(shí)驗(yàn)畫像、知識(shí)圖譜、提示工程、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與外部控制六大模型構(gòu)成。學(xué)生畫像與實(shí)驗(yàn)畫像用于描述學(xué)生群體與實(shí)驗(yàn)本體的特征；知識(shí)圖譜通過實(shí)體與關(guān)系描述完整的實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系；提示工程用于構(gòu)建提示問句，作為第三方AIGC大模型的輸入部分；外部控制用于AIGC大模型交互，并將交互反饋信息解碼識(shí)別。

第四層：AIGC賦能的功能層，具體包括六大賦能。（1）AIGC賦能學(xué)生畫像：支持基于AI技術(shù)獲取學(xué)生特征、學(xué)生行為，通過聚類分析實(shí)現(xiàn)學(xué)生群體劃分；基于實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù)分析，精準(zhǔn)定位操作流程的問題痛點(diǎn)，面向?qū)W生群體觸發(fā)基于AIGC的知識(shí)推送，支持實(shí)驗(yàn)質(zhì)量控制。（2）AIGC賦能實(shí)驗(yàn)畫像：支持工程方法與工程對(duì)象的解釋功能，完成工程問題與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)聯(lián)描述；通過建立學(xué)生畫像與實(shí)驗(yàn)畫像的映射，支持基于AIGC的精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)；通過開放實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)方案的編輯校驗(yàn)功能，建立工程方法與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、工程對(duì)象與實(shí)驗(yàn)方案的動(dòng)態(tài)鏈接。（3）AIGC賦能知識(shí)圖譜：支持知識(shí)圖譜在新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的擴(kuò)展，包括但不限于實(shí)驗(yàn)圖譜[28]、能力圖譜[29]、技術(shù)圖譜、方法圖譜、資源圖譜等；通過開放接口保證知識(shí)圖譜的工程專業(yè)性與工程知識(shí)覆蓋度，基于AIGC反饋支持知識(shí)圖譜的自主迭代與優(yōu)化。（4）AIGC賦能提示工程：支持提示問句的模板化設(shè)計(jì)，通過“初始提問”和“優(yōu)化提問”兩種提問設(shè)計(jì)[30]完成提示問句優(yōu)化；提供提示模板管理功能、提示問句生成功能、提示對(duì)話評(píng)價(jià)功能，以及作為AIGC用戶界面的實(shí)驗(yàn)助手功能，確保問句生成按照預(yù)期輸出。（5）AIGC賦能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：支持精準(zhǔn)檢索評(píng)價(jià)文本或?qū)嵅傩袨?，基于質(zhì)量過濾算法去除無關(guān)文本或無意義行為；基于AIGC定義個(gè)性化實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)生畫像及實(shí)驗(yàn)畫像的動(dòng)態(tài)適配；建立評(píng)價(jià)規(guī)則并利用評(píng)價(jià)引擎完成實(shí)驗(yàn)全要素評(píng)價(jià)，支持新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)的后續(xù)改進(jìn)或調(diào)優(yōu)。（6）AIGC賦能外部控制：支持調(diào)用第三方AIGC大模型，避免教學(xué)團(tuán)隊(duì)盲目開發(fā)自研大模型；通過AIGC配置實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)與外部模型的接口映射，支持AIGC輸入信息的編碼與提交，AIGC反饋信息的獲取與解碼。

第五層：應(yīng)用層。該層包括但不限于實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及元宇宙實(shí)驗(yàn)等，是學(xué)生開展新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)的直接載體。

四、新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的典型應(yīng)用場(chǎng)景

（一）跨工程學(xué)科融合的智慧實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)

對(duì)話式的AIGC引發(fā)了對(duì)話式教學(xué)在教育領(lǐng)域的發(fā)展。智慧問學(xué)作為對(duì)話式學(xué)習(xí)的高階形態(tài)，通過主動(dòng)提問尋求大語(yǔ)言模型回應(yīng)，是一種實(shí)現(xiàn)遞進(jìn)式問答對(duì)話與迭代式內(nèi)容生成的新型學(xué)習(xí)模式[31]。智慧問學(xué)符合新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)人才能力培養(yǎng)的教學(xué)模式，對(duì)跨工程學(xué)科人才的創(chuàng)新思維與技能培養(yǎng)具有重要價(jià)值?？紤]到不同學(xué)科知識(shí)的復(fù)雜性，合理的對(duì)話設(shè)計(jì)是支持跨工程學(xué)科人才培養(yǎng)的重要工具。

在跨工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，建立面向獨(dú)立學(xué)科的提示問句知識(shí)圖譜，利用實(shí)體對(duì)齊或?qū)嶓w融合等方法，動(dòng)態(tài)連接獨(dú)立學(xué)科的知識(shí)圖譜，迭代形成龐大的跨工程學(xué)科提問網(wǎng)絡(luò)，能夠支持不同維度的問句設(shè)計(jì)，強(qiáng)化跨工程學(xué)科對(duì)話設(shè)計(jì)的合理性與有效性，實(shí)現(xiàn)融合后的高質(zhì)量問句生成。在跨學(xué)科人才培養(yǎng)中，實(shí)現(xiàn)“以導(dǎo)促問，以問促學(xué)，以學(xué)優(yōu)導(dǎo)”的智慧實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)模式。融合后問句生成與應(yīng)用示意，如圖5所示。

（二）配套新形態(tài)教材的精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高校新形態(tài)教材具有知識(shí)更新的及時(shí)性、內(nèi)容的豐富性和環(huán)境的可交互性等特征[17]，形態(tài)上融合了紙質(zhì)教材、數(shù)字教材與教學(xué)過程。研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，新形態(tài)教材還具備個(gè)性化、動(dòng)態(tài)化、資源化和立體化的特征，能夠配套新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)的細(xì)分類型，在充分考慮主要支持技術(shù)、主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)及預(yù)設(shè)解決方案后，實(shí)現(xiàn)新形態(tài)教材與新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的無縫對(duì)接，具體內(nèi)容見表1。

（三）教育元宇宙視域的高階實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教育元宇宙是利用VR/AR/MR、數(shù)字孿生、5G、人工智能、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)塑造的智慧教育環(huán)境高階形態(tài)，具有虛擬與現(xiàn)實(shí)全面交織、人類與機(jī)器全面聯(lián)結(jié)、學(xué)校與社會(huì)全面互動(dòng)的特征[32]。新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與教育元宇宙具有天然的聯(lián)系，在教育元宇宙視域下經(jīng)過AIGC賦能后，在多模態(tài)資源與數(shù)字人技術(shù)加持下，新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工程性與智能性得到提升，能夠避免能力培養(yǎng)的表層化與片面化。“AIGC+多模態(tài)資源”模式能夠利用教育眾籌[33]實(shí)現(xiàn)多模態(tài)實(shí)驗(yàn)資源的自主生成，提升實(shí)驗(yàn)過程的多樣性，夯實(shí)工程實(shí)踐能力培養(yǎng)的深度與廣度，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的技術(shù)水平。“AIGC+數(shù)字人技術(shù)”模式能夠發(fā)揮數(shù)字人形象優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建個(gè)性化、虛擬化和多元化的新型數(shù)字環(huán)境[34]，支持?jǐn)?shù)字人實(shí)時(shí)作出反饋，以實(shí)驗(yàn)助手的身份定位在元宇宙實(shí)驗(yàn)空間中，形成及時(shí)且高質(zhì)量的教學(xué)反饋。

五、結(jié) 束 語(yǔ)

新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在新質(zhì)生產(chǎn)力人才培養(yǎng)目標(biāo)下發(fā)展形成的，基于AIGC賦能的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)樣態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)工科實(shí)驗(yàn)，新形態(tài)工科的實(shí)驗(yàn)本體與實(shí)驗(yàn)教學(xué)特征都發(fā)生了積極變化，AIGC技術(shù)深度融入工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不同階段，在新形態(tài)工科實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)支持下，工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景能夠體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的智慧性、精準(zhǔn)性與高階性。

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A Preliminary Study on AIGC-enabled New Form of Engineering

Experimental Teaching

GUO Feng，" YANG Qingxiang，" ZHENG Chunhui，" SUN Houtao，" HAN Zhenyu

（School of Mechatronics Engineering， Harbin Institute of Technology，Harbin HeiLongjiang 150001）

[Abstract] Integrating the technical advantages of AIGC in engineering experiments is an important direction for the future development of engineering experiment teaching， and the study of AIGC-enabled new form of engineering experiments is urgent. The new form of engineering experiments empowered by AIGC present the connotations of technical experimental design， generalized experimental scheme， spiral experimental process， speculative experimental innovation， and instantaneous experimental evaluation， supporting the research of experimental ontology in the new-form engineering experimental teaching; the extension of ability dependence， generative experiments， compound brain， and field mode， supporting the research on teaching characteristics in new forms of experimental teaching. To adapt to the cultivation of new quality productivity talents， a new form of engineering experimental teaching path based on a six degree cycle is proposed， covering six experimental stages of guidance， inquiry， judgment， application， evaluation， and optimization. The framework of a new form of engineering experimental support system integrating AIGC is explored， and the application of the new form of engineering experiments in typical teaching scenarios is discussed from three aspects of intelligent experiment guidance， precise experiment teaching， and advanced experiment exploration. The research results provide reference for the design and implementation of experimental teaching in new forms of engineering.

[Keywords] New Form of Experiment; AIGC; Feature Research; Teaching Path; Support System