沈火明，龔 暉，李翔宇，劉娟

（西南交通大學(xué) 力學(xué)與航空航天學(xué)院，四川 成都 610031）

引言

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”已成為世界各國掌控下一輪高等教育改革發(fā)展主導(dǎo)權(quán)、話語權(quán)的重要陣地和焦點領(lǐng)域，教育領(lǐng)域?qū)⒁驍?shù)字化發(fā)生顛覆性的變革和結(jié)構(gòu)性的改變，數(shù)字技術(shù)已經(jīng)在教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。2018年6月21日，教育部在成都召開了新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議，會議指出，要推動優(yōu)質(zhì)資源開放共享，加大慕課平臺的開放力度，建立慕課學(xué)分認定制度，推動教師用好慕課和各種數(shù)字化資源，著力破解區(qū)域之間、校際之間優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源不平衡的突出問題，尤其是要大力推動慕課在中西部高校中的推廣使用。會議還指出，要重塑教育教學(xué)形態(tài)，高校要將現(xiàn)代信息技術(shù)深度融入教育教學(xué)，打造智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，探索實施智能化的精準(zhǔn)教育，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生在智能時代的競爭力。因此，高校一定要緊緊抓住信息化技術(shù)變革帶來的歷史性機遇，加快提高人才培養(yǎng)的整體水平，推動實現(xiàn)高等教育質(zhì)量的“變軌超車”。培養(yǎng)優(yōu)秀的新工科人才，亟須打造新工科“互聯(lián)網(wǎng)+”“智能+”交叉融合的人才培養(yǎng)新模式，而在人才培養(yǎng)中比較重要的一環(huán)是課程、實驗、實踐環(huán)節(jié)的數(shù)字化教育教學(xué)新形態(tài)，其涉及如何利用好網(wǎng)絡(luò)、仿真系統(tǒng)、未來智能系統(tǒng)等非正式學(xué)習(xí)的手段，涉及新形態(tài)教材、數(shù)字課程建設(shè)、以學(xué)生為中心的教育理念的持續(xù)深化，也涉及以結(jié)果評價為主向過程與結(jié)果評價相結(jié)合的轉(zhuǎn)變。［1］其中，數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)至關(guān)重要。

一、數(shù)字化教學(xué)資源平臺的建設(shè)

（一）研發(fā)智能型慕課平臺（SOTS）

根據(jù)當(dāng)前慕課平臺的技術(shù)情況和學(xué)習(xí)要求，開發(fā)研制了智能型慕課平臺（Smart Online Tutor System,SOTS）。SOTS是目前國內(nèi)唯一的智能型慕課平臺，它實現(xiàn)了課程教學(xué)中的講授、互動、作業(yè)、學(xué)生學(xué)習(xí)行為監(jiān)管和質(zhì)量保障等各個環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。SOTS平臺通過人工智能和符號運算等技術(shù)，解決了數(shù)學(xué)表達式自動識別的難題，實現(xiàn)了計算題和證明題等主觀題型自動批改的功能。2020年以前，在SOTS平臺上，西南交通大學(xué)材料力學(xué)已經(jīng)完成了12個學(xué)期29個教學(xué)班2763名學(xué)生的慕課教學(xué)，“高等數(shù)學(xué)”課程已經(jīng)完成了2個學(xué)期2個教學(xué)班245名學(xué)生的慕課教學(xué)，兩門課程均取得了十分良好的教學(xué)效果?！拔锢砘瘜W(xué)”課程則從2020年春季學(xué)期開始，采用資源滾動開發(fā)的策略在SOTS平臺上進行了第一輪慕課教學(xué)。在2020年春季抗擊新冠肺炎疫情期間，學(xué)?！安牧狭W(xué)”課程的15名教師29個教學(xué)班的2196名學(xué)生和電子科技大學(xué)基地班的30名學(xué)生，在SOTS平臺上開展了“材料力學(xué)”慕課教學(xué)。除此之外，“高等數(shù)學(xué)”課程的2個班257名學(xué)生和“物理化學(xué)”課程的3個班158名學(xué)生在SOTS平臺上開展了慕課教學(xué)。目前，平臺上線課程有“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”“工程力學(xué)”“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程，很好地實現(xiàn)了在慕課中在線討論和互動，客觀題、主觀題在作業(yè)及網(wǎng)上測試中均可實現(xiàn)。同時，平臺研制了自設(shè)公式編輯器，可實施多種教學(xué)和練習(xí)功能。

（二）研制虛擬仿真實驗教學(xué)平臺

虛擬仿真實驗教學(xué)平臺建設(shè)是教育信息化的重要組成部分，其綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中，開展高效、安全且經(jīng)濟的工程實踐活動或?qū)嶒?，進而達到真實的實驗或?qū)嵺`不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其是對于一些涉及高?；驑O端環(huán)境、不可及或不可逆的操作。目前，已建設(shè)完成基礎(chǔ)力學(xué)和大學(xué)物理兩個虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，很好地實現(xiàn)了上述功能，得到了一致好評。

（三）建設(shè)工科基礎(chǔ)課程在線題庫和組卷系統(tǒng)

結(jié)合高等教育出版社教育教學(xué)改革項目，聯(lián)合國內(nèi)20多個學(xué)校，筆者主編和出版了《工程力學(xué)在線題庫和組卷系統(tǒng)》，參與建設(shè)了《理論力學(xué)在線題庫和組卷系統(tǒng)》，其他課程的在線題庫和組卷系統(tǒng)建設(shè)正在積極推進中。工科基礎(chǔ)課程在線題庫和組卷系統(tǒng)資源的建設(shè)，不僅有力促進了課程建設(shè)，提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，還通過校校協(xié)同構(gòu)建了此類教學(xué)資源建設(shè)的協(xié)同機制和共享機制。

二、數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)

（一）建設(shè)精品在線開放課程

新工科工程教育信息化建設(shè)的一個重要內(nèi)容是數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，而慕課資源是其重要部分。慕課建設(shè)的基本原則有四條：一是建用結(jié)合，推進教與學(xué)變革發(fā)揮優(yōu)勢，建設(shè)具有課程特色的慕課資源并應(yīng)用，如用于線上教學(xué)或混合式教學(xué)。二是體系化建設(shè)，調(diào)整慕課課程以碎片化知識傳授為主的教學(xué)方式，構(gòu)建體系化的慕課資源，支持學(xué)生的建構(gòu)式學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。三是線上線下融合，優(yōu)化課程設(shè)計，以學(xué)生預(yù)期學(xué)習(xí)成果為目標(biāo)，整體開展教學(xué)設(shè)計，優(yōu)化線上線下學(xué)習(xí)內(nèi)容、方法與策略，建設(shè)教學(xué)資源，支持課堂學(xué)習(xí)與在線學(xué)習(xí)的深度融合。四是完善“以學(xué)生為中心”的質(zhì)量保障體系，以學(xué)生與學(xué)習(xí)為中心，完善質(zhì)量保障體系，降低教學(xué)改革風(fēng)險，不斷提升教學(xué)質(zhì)量。

根據(jù)上述基本原則，建設(shè)了系列在線開放課程，僅工科基礎(chǔ)課程及力學(xué)專業(yè)課程就超過了22門，主要上線中國大學(xué)MOOC平臺，其中8門上線課程已評為國家精品在線開放課程（國家級線上一流課程），包括“工程力學(xué)”“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“機械設(shè)計”“大學(xué)生科技創(chuàng)新”等系列課程。目前，又開發(fā)了一系列新工科慕課課程，主要有“大學(xué)生創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)實踐”“高等機械設(shè)計”“機械設(shè)計基礎(chǔ)慕課”“有限元計算分析”“彈性力學(xué)”“振動力學(xué)”等，并已逐步上線。同時，積極深入研究慕課的應(yīng)用模式和機制，包括全程慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、SPOC等。在2020年新冠肺炎疫情期間，SPOC被廣泛應(yīng)用于在線學(xué)習(xí)，MOOC和SPOC選課人數(shù)超過10萬人次?；旌鲜浇虒W(xué)是當(dāng)前課程教學(xué)的一種重要模式，結(jié)合已建設(shè)的慕課資源，系列工科基礎(chǔ)課程進行了混合式教學(xué)，努力探索教學(xué)模式，不斷提升課程教學(xué)質(zhì)量。其中，4門課程入選首批國家級線上線下混合式一流課程。

（二）出版數(shù)字課程和新形態(tài)教材

聯(lián)合多個學(xué)校在數(shù)字課程云平臺ICC上建設(shè)數(shù)字課程，目前已有“工程力學(xué)數(shù)字”“電磁場數(shù)字”等課程，“理論力學(xué)”數(shù)字課程正在建設(shè)中。數(shù)字課程資源豐富，具有自己的版權(quán)。數(shù)字課程出版后，通常由使用學(xué)校購置權(quán)限（學(xué)生的學(xué)習(xí)權(quán)和教師的管理權(quán)），購置后開通課程授權(quán)，教師具有課程管理權(quán)，包括資源開放、資源調(diào)用、在線討論、學(xué)生學(xué)習(xí)行為分析和學(xué)習(xí)結(jié)果應(yīng)用等。由于數(shù)字課程具有優(yōu)質(zhì)資源、實時檢測、后臺管理權(quán)限等優(yōu)勢，深受教師和學(xué)生的歡迎，已逐漸在高校開展試點，且效果較好。2020年春季學(xué)期，西南交通大學(xué)就有6個教學(xué)班采用ICC平臺進行課程教學(xué)。在慕課和數(shù)字課程資源的基礎(chǔ)上，對數(shù)字資源和教材進行了有效整合，編寫出版了新形態(tài)教材和新形態(tài)輔導(dǎo)書9部，包括《材料力學(xué)》《工程力學(xué)》《理論力學(xué)》《材料力學(xué)基本實驗與指導(dǎo)》《機械設(shè)計基礎(chǔ)》《大學(xué)物理實驗數(shù)字化教程》《概率論與數(shù)字統(tǒng)計》《工程力學(xué)學(xué)習(xí)指導(dǎo)》《材料力學(xué)實驗仿真與理論》等。教師應(yīng)用數(shù)字化教材可以開展多模式教學(xué)改革，研究學(xué)生的學(xué)習(xí)行為，及時調(diào)整教學(xué)進度，開闊學(xué)生的視野，開展課程思政引領(lǐng)；學(xué)生通過應(yīng)用數(shù)字化教材，可以檢查學(xué)習(xí)成果，鞏固學(xué)習(xí)，夯實專業(yè)基礎(chǔ)。

（三）開發(fā)虛擬仿真實驗

虛擬仿真工程實踐教學(xué)平臺的建設(shè)是教育信息化的重要組成部分。虛擬仿真工程實踐教學(xué)平臺是綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機交互、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，通過構(gòu)建逼真的實驗操作環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在開放、自主、交互的虛擬環(huán)境中開展高效、安全且經(jīng)濟的工程實踐活動或?qū)嶒灒M而達到真實實驗和實踐不具備或難以實現(xiàn)的教學(xué)效果，尤其是一些涉及高危或極端環(huán)境、不可及或不可逆的操作，以及高成本、高消耗的大型或綜合性實驗項目，虛擬仿真教學(xué)的實踐實驗具有明顯優(yōu)勢，并對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)的思想、體系、模式、內(nèi)容、方法及手段等產(chǎn)生了顛覆性影響?？梢哉f，虛擬仿真實踐實驗教學(xué)是高等工程教育信息化建設(shè)和實踐實驗教學(xué)中心建設(shè)的重要內(nèi)容，體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)與工程教育教學(xué)融合發(fā)展，以及學(xué)科專業(yè)深度融合帶來的實踐實驗教學(xué)改革和創(chuàng)新。目前，僅基礎(chǔ)力學(xué)就開發(fā)了20多個虛擬仿真實驗項目，如金屬材料沖擊、微納米金屬絲拉伸、低速風(fēng)洞實驗、簡支模型橋靜動力實驗、彈性體跌落內(nèi)應(yīng)力模擬、空間桁架橋模型靜力綜合實驗等。

（四）建設(shè)課程思政案例

每門課程都具有傳授知識、培養(yǎng)能力和思想政治教育的雙重功能，承載著培養(yǎng)學(xué)生正確的世界觀、人生觀和價值觀的作用［2］。在課程建設(shè)中，工科基礎(chǔ)課程不斷挖掘課程思政元素，包括家國情懷、人格養(yǎng)成及科學(xué)觀和方法論等。目前，各工科基礎(chǔ)課程已形成系列課程思政教學(xué)案例和一批課程思政教學(xué)資源，并逐漸推廣應(yīng)用，如工程力學(xué)課程，構(gòu)建了“1234”課程思政模式，建設(shè)了課程思政案例庫，并探索了如何增強教材的育人導(dǎo)向和育人功能。［3］

三、數(shù)字化資源的共享機制

創(chuàng)設(shè)可靠完整的、智能化的數(shù)字教育資源平臺，實現(xiàn)教學(xué)資源共享。當(dāng)前，無論是自主學(xué)習(xí)還是翻轉(zhuǎn)課堂，都需要一個完整可靠的教學(xué)資源學(xué)習(xí)平臺，使各種資源得以共享，以保障學(xué)生能夠即時獲取需要的學(xué)習(xí)資料。在線課程的出現(xiàn)將課上學(xué)習(xí)內(nèi)容搬到了課下，要想整合這些視頻資源以便學(xué)生能夠隨時隨地學(xué)習(xí)，需要構(gòu)建一個智能化的教學(xué)資源平臺，讓學(xué)生能夠通過各個終端進行下載學(xué)習(xí)，將手機、平板及其他移動設(shè)備變成獲取學(xué)習(xí)資源的入口，讓學(xué)生真正實現(xiàn)足不出戶就可以隨時隨地地下載教師布置的學(xué)習(xí)任務(wù)，完成預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等環(huán)節(jié)，甚至享用全國各地的優(yōu)質(zhì)教育資源，傳遞、分享各種消息。研發(fā)的SOTS，將傳統(tǒng)慕課平臺和智能作業(yè)系統(tǒng)進行了有效銜接，線上課程模擬課堂教學(xué)，課后可實施主觀題、客觀題等練習(xí)，使學(xué)生鞏固所學(xué)知識，平臺實施的教學(xué)效果得到了廣大師生的肯定，已有多個學(xué)校作為建設(shè)聯(lián)盟，共享平臺、共享資源，其經(jīng)驗和做法在國內(nèi)多個大學(xué)論壇舉辦了報告活動。

數(shù)字課程是MOOC商業(yè)模式的實現(xiàn)，協(xié)同建設(shè)高校具有獨立使用后臺管理權(quán)，教師通過數(shù)字課程系統(tǒng)平臺、電子課本、海量優(yōu)質(zhì)資源等功能的應(yīng)用，輕松、高效地打造了完美課件，學(xué)生則通過交互式的電子書，快樂預(yù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容。課堂中，師生通過數(shù)字課程實時互動，通過隨堂測試和實時統(tǒng)計，教師準(zhǔn)確掌握了學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，學(xué)生也在第一時間找到了自己的知識弱點。課后，通過數(shù)字課程系統(tǒng)中的作業(yè)布置與練習(xí)，教師輕松進行教學(xué)管理，學(xué)生及時鞏固學(xué)習(xí)成果。通過班級空間的資源共享和在線問答，更是實現(xiàn)了跨時空的數(shù)字化教與學(xué)。上述平臺和資源建設(shè)均為高校協(xié)同建設(shè)，既突出了各高校的優(yōu)勢和特色，又使參與的高校實現(xiàn)了資源共享。參與高校既可以將數(shù)字課程作為學(xué)生的預(yù)習(xí)復(fù)習(xí)資源和鞏固課程，也可以應(yīng)用數(shù)字課程進行混合式教學(xué)。而非協(xié)同高校則需通過購置數(shù)字課程，獲取單屬平臺的后臺管理權(quán)，從而在數(shù)字課程平臺上得以實現(xiàn)同樣的應(yīng)用功能。目前，工科基礎(chǔ)課程數(shù)字課程已發(fā)揮了積極作用，輻射全國，取得了很好的社會效應(yīng)，反響很好。

四、示范與輻射作用

作為學(xué)校教育教學(xué)改革的排頭兵，學(xué)校工科基礎(chǔ)課程始終推動課程數(shù)字化教學(xué)資源建設(shè)，教師團隊全心投入，教改經(jīng)費有所保障。數(shù)字化教學(xué)資源的建設(shè)為工科基礎(chǔ)課程一流課程建設(shè)奠定了扎實的基礎(chǔ)，并取得了優(yōu)異的成績，相關(guān)成果獲得2021年四川省教學(xué)成果特等獎1項、一等獎1項；5門課程入選首批國家級線上一流課程，2門課程入選首批國家級線下一流課程，4門課程入選首批國家級線上線下混合一流課程；1門課程入選首批國家級課程思政示范課程，2門課程入選四川省課程思政示范課程；獲評國家優(yōu)秀教材建設(shè)二等獎1部，推薦評審1部；1個教研室入選首批國家級虛擬教研室試點項目；出版數(shù)字化教材和數(shù)字課程9部；建設(shè)智能型慕課平臺1個、仿真實驗平臺2個；開發(fā)仿真實驗項目50多個。同時，積極組織和參加多個重要教學(xué)研討會，如承辦2021年全國工科基礎(chǔ)課程思政教學(xué)研討會、2021年教育部力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)委員會工作會議、2019年全國基礎(chǔ)力學(xué)教學(xué)研討會、第五屆全國力學(xué)課程報告論壇等，舉辦大會報告和主題報告活動超過30場，積極發(fā)揮教學(xué)改革的輻射作用，使更多的高校和教師受益。