数字化智慧工业新质生产力共建教师培训基地的研究与实践

数字化智慧工业新质生产力共建教师培训基地的研究与实践【摘要】在数智赋能时代，高等教育的数字化转型已成为不可回避的必然选择。数字化转型不仅仅是技术的应用，更是教育观念、教学方法和管理模式的全面变革。为实现这一转型，实现从传统教育向智慧教育、从适应社会生产力需求到引领新质生产力发展的转变，我们需以科技创新为核心，推动教学、研究、管理的现代化进程，完成技术驱动下教师新角色的塑造，培养能托起“国之重业”的新质人才，实现教育强国的新质发展。【关键词】新质生产力；知识图谱；人工智能2023年9月，习近平总书记在黑龙江考察时首次提出“新质生产力”理念，并在2024年中共中央政治局第十一次集体学习中进一步阐明了新质生产力的科学内涵，代表着我国对高质量发展驱动力的新理解和新要求。作为新质生产力中最活跃且具有决定性的因素，新质人才在全球科技革新的舞台上发挥着关键作用。这既包括在颠覆性的科技探索中取得突破性进展的顶尖科技人才，也包括能够熟练运用最新生产技术、知识结构复杂的应用型人才。然而，新质人才的培养需要以新质教育为基础，这就要求教育体系自身的革新。新质教育强调成长心态、持续学习以及与AI等高端技术的“人技共智”协同工作能力，鼓励跨学科思维和人机共生的理念。在这样的时代背景下，传统的课堂教学已全然无法满足国家对新质人才的需求，高等教育作为教育变革的关键，我们的教学不仅要更新自身知识体系，以适应新质生产力的需求，同时要升级能够激发和提升学生跨学科思维、批判性思维、创新实践能力、持续发展能力等的教学方法，其教学方式的改变将直接影响关系到教育质量的提高和教育目标的实现。一、课程与教学改革面临的困境新质生产力以其强大的数字技术、智能技术等为支撑，为我们的教学注入了全新的活力。在这种背景下，教学模式需发深刻的转变。在转变过程中，我们的教学改革也面临着如下的困境与挑战：（一）如何通过数字技术构建并整合优质资源库，支撑学生跨学科思维的培养？该门课程作为专业基础课，辐射专业较为广泛，涉及计算机科学与技术、软件工程、物联网工程等专业等专业，同时，涉及的知识点、知识体系较为复杂，从基础理论知识方面的逻辑代数及应用、逻辑门、触发器等，到高阶实践能力方面的组合逻辑电路分析设计、时序逻辑电路分析设计、脉冲波形的产生等，以及精益求精的职业精神、勇于担当的家国情怀等思政内容，是一门较为系统而复杂的综合性课程；与此同时，该门课程服务于国家卡脖子技术，在当前国家培养新质人才的战略背景下，这就需要解决学生跨学科思维培养的问题，同时也对教师团队具备全球视野下、跨学科整合优质资源库的能力提出相应挑战。（二）如何基于AI人工智能，支持学生个性化学习策略与批判思维的培养？近年来，随着人工智能技术的不断发展与进步，我们已经快速步入了人工智能高速发展的阶段，在生活、教育等方方面面无不在感受人工智能技术带来的冲击与变革。教育部部长怀进鹏指出，对教育系统来说，人工智能是把“金钥匙”，它不仅影响未来的教育，也影响教育的未来。两会期间，怀部长也明确表示，在未来，将把人工智能技术深入到教育教学和管理全过程、全环节，积极推动以智助学、以智助教、以智助管、以智助研，让青年一代更加主动地学，让教师更加创造性地教。在这样的时代背景下、技术背景下，在校学生们的个性化学习需求也在与日俱增，学生们不在满足于简单的教材内容、传统的课堂教学带来的知识性学习，而是更加关注基于自身满足社会发展需要的前提下个性化学习策略的获得。这也对教师基于AI人工智能技术，实现学生个性化学习策略与批判思维的培养提出了挑战。（三）如何将基础理论中的模型和数学思维转化为未来解决复杂工程问题的能力？在新质生产力发展的基础下背景，将基础理论中的模型和数学思维转化为未来解决复杂工程问题的能力需要系统的教育过程，需要培养学生的跨学科思维、批判性思维、创新实践能力、持续发展能力等，来满足人工智能背景下对新质人才的需求。基于传统的教学模式，现有的课程体系，已无法满足。二、课程与教学改革的新质发展迄今为止，人类历史上每一次生产力的跃迁都会带来对新型劳动力的迫切需求，进而推动教育理念和人才培养的深刻变革。面对新一轮科技革命和产业变革所涌现的新模式、新业态，高等教育作为创新科技的“策源地”、创新人才的“集聚地”、创新产业的“孵化地”，肩负着推进高水平科技自立自强的使命和全面提高人才自主培养质量的责任，其发展方向和教育模式亦随之进入新的探索阶段。基于目前培养新质人才的迫切需要，以及课程与教学改革发展面临的困境，我们开展了如下教改新举措，促进课程与教学的新质发展：（一）运用数字技术，构建知识图谱1、梳理知识内容，重构课程体系知识图谱，作为一种新型的知识表达和组织方式，它能够以可视化的图形结构呈现知识关系网络，以结构化的形式描述课程包含的知识点、教学资源、教学活动、测评方式之间的关系，具有知识管理、资源整合、学习导航、学习评估等功能，是一种新形的数字技术和教学资源。为更好地提高教育教学质量和培养新质人才，在本次课程建设过程中，我们采用知识图谱的数字技术重新梳理了跨课程的知识点、技能点、实践点内容，梳理知识点、技能点、实践点之间的教学逻辑关系与教学语义关系，在重构课程知识内容的基础之上，完整呈现该门课程的知识体系及逻辑结构，并用可视化的树状结构呈现知识与教学内容的结构化，用可视化的网状结构呈现知识内容的关联性；同时，我们重新整合了课程的教学认知目标与教学资源，便于学生更好的了解与掌握本门课程的相关内容，获得更好的学习效果，为新质人才的培养打下扎实的基础。2、整合优质资源，构建跨学科资源库(1)整合课程理论及实践教学资源：通过构建层层递进的理论教学内容及实践教学内容体系将数字系统设计的最新理论和技术，如硬件描述语言、综合与仿真等，融入整个课程教学的各个阶段，使学生能够熟悉数字系统设计的现代方法和工具，提高课程的高阶性。①理论教学内容：在传统数字电路教学内容基础上，以课程目标为引领，构建应用能力分阶理论教学资源体系。其中知识目标模块侧重于逻辑代数及应用、逻辑门、触发器；能力目标模块侧重于组合逻辑电路分析设计、时序逻辑电路分析设计、脉冲波形的产生和整形电路、数模转换和模数转换；素养目标模块侧重于顺序脉冲发生器、循环彩灯、交通路口控制系统、智慧光伏的数据采集等具有挑战度和创新性的内容。②实践教学内容：结合理论教学内容体系，采用实验实践教学和问题、项目导向教学相结合的方式，让学生通过实验平台和虚拟软件工具，进行数字系统设计的实践操作，提高学生的动手能力和设计能力。基于实际生活、电子竞赛项目和教师科研项目，构建了分层的课堂问题研讨案例，如由基本逻辑门实现的奇偶校验器和飞机机翼状态检测等；设计了集成逻辑器件独立应用的单元实践教学内容，如译码器和数据选择器的扩展、2位二进制乘法器等；开发了集成逻辑器件综合应用的PBL项目案例，如洗衣机、电梯控制系统等，形成了完整的以建立系统概念为目标的课程实践教学内容体系。以此锻炼学生科研思维、创新意识和解决复杂问题能力，提高动手实践能力和团队协作能力。（2）更新课程教学内容：结合国家重大战略需求及我省电子信息产业的动态发展，引入数字电路的最新发展趋势和前沿技术，如量子计算、神经网络、物联网等，激发学生的学习兴趣和科研思维。①

构建知识图谱拓展资源：通过知识图谱的建设介绍量子计算的基本概念和原理，如量子比特、量子门、量子算法等，并设计线上教学及研讨，让学生通过自主学习、讨论量子门与逻辑门的区别，总结体验量子计算的特点和优势。②

构建课堂研讨案例资源：课程研讨案例中寄存器以及计数器的应用，引入了无人驾驶中数字电路的应用和挑战研讨案例，让学生研讨如何用寄存器和计数器应用于计算车速、测量距离、检测障碍物等；也引入了神经网络可否用数字电路知识来实现，让学生通过知识图谱中的AI人工智能查阅资料，基于AI助教进行互动问答及研讨，总结乘法器或者移位寄存器可以实现，再通过研讨如何实现乘法器，以此培养学生的创新意识和解决复杂问题能力。③构建综合应用的PBL项目案例资源：综合应用的PBL项目案例中我们结合国家攻坚“芯片”核心卡脖子技术的战略需求，增加了通过学生拆解分析智能手机中的数字电路组成和功能，跨年级自主组织团队，利用各种资源，如书籍、网页、论文、开源代码等，学习和参考他人的经验和方法，协作自制简易CPU的实践活动。通过用逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路等基本元件来构建CPU的各个部分，理解CPU的设计原理和方法，培养学生将复杂的问题抽象为简单的模型抽象思维能力。在不断完善和优化自己的作品过程中，拓展自己的知识面和技能。3、AI赋能教育教学，支撑新质人才的全面培养通过知识图谱建设、AI学习助手的引入，以及前沿技术和应用案例的构建，拓宽学生的视野，激发学生的学习兴趣和科研热情，实施个性化教育。在学生的知识图谱学习空间中，充分利用知识图谱中的AI技术进行知识点提升助力包的推荐，帮助学生进行更有针对性的拓展学习和提升，满足学生个性化学习需求；同时，结合国家重大战略需求和四川省六大优势产业创新链条的动态发展，教师运用知识图谱对相关教学内容进行动态更新，借助AI实现外部网络优质资源的更新及推送，介绍数字电路在人工智能、物联网、大数据、云计算等领域的应用和发展趋势，保持课程内容的前沿性，使教与学与时俱进，提升课程的挑战度。（二）运用教学工具，探索智慧教学新模式采用“知识图谱+大小班混合式”探究教学模式，实现学生深度学习，提升解决复杂工程问题的能力。1、学生基于知识图谱线上自主学习教师使用慕课平台、智慧树网知识图谱平台发布教学内容以及教学任务，学生通过精选微课视频初步学习概述性学习内容，并基于教师布置的教学任务完成线上讨论与自测，对重难点知识通过知识图谱平台完成进一步巩固和掌握，借助AI学习助手及搜索引擎，及时解惑，并根据自身学习情况、学习兴趣有效开展个性化学习、拓展学习。2、大班理论研讨教学：“六三三”探究教学模式基于六步BOPPPS教学模式，采用PBL教学方法，三步小组案例研讨，三维个人自我课堂总结，实施大班理论教学。案例研讨：教师精心设计由易到难、层层进阶的案例进行思任务、辩方案、秀成果三步研讨，培养学生的工程能力及创新能力，在研讨中形成批判性思维，提高课程的挑战度；自我课堂总结：进行收获-不足-建议三个维度的课堂学习总结，培养学生持续发展和提升的驱动力。同时教师、企业专家、同学、知识图谱平台AI学习助手等四方为研讨式学习提供支持。3、小班分组实践教学：“三阶七步”教学模式建立系统概念为目标由整到零，基于榜样式教学法实施一阶课堂案例仿真实践和二阶单元项目实践教学；再由零到整基于支架式教学法开展三阶PBL项目实践教学。通过技能和能力互补成员组组-教师引导进行项目说明-小组制定分工及项目计划-教师参与并指导的周会研讨-定期小组汇报-同伴、教师、企业工程师等多方评价-教师针对个体特别奖励等七步小班实践教学法，提升学生工程应用能力、创新能力，有效防止分组项目式教学中搭便车现象，鼓励团队协作。4、课外科创促学（1）以自创课外活动转换学分细则鼓励并组织、指导学生积极相关的各类学科竞赛如蓝桥杯全国软件和信息技术专业人才大赛、全国电子设计大赛等、教师相关的科研项目，实现课赛训研四位一体，促进课内知识的有效拓展，提升学生的解决复杂工程问题的能力。（2）设计一些与数字电路相关的科创项目，让学生自主选择和实践，如制作计算器、电子钟、密码锁等，以此申请学校乃至省、国家级创新训练项目。（3）建立一个数字电路的学习交流群，让学生可以分享自己的项目经验和心得，互相学习和交流，形成一个良好的科创氛围。5、校企协同育人（1）与易农科技有限公司、粤嵌科技等企业建立长期的合作关系，邀请企业专家定期来校进行专题讲座，介绍数字电路的最新发展和应用，激发学生的学习兴趣和动力。（2）以校企合作开展第二课堂的形式，设立逻辑代数与数字电路相关创新项目，利用粤嵌科技提供的实验平台和设备，鼓励学生组团参与，指导学生从需求分析、方案设计、原理验证、系统实现等方面进行全面的创新实践，提高学生的综合素质和创新水平。（3）根据企业的需求和特点，调整课程内容和教学方法，增加与企业相关的案例分析和项目设计，提升学生的专业能力和就业竞争力。（三）创新教学评价，注重培养新质人才综合素质健全考核评价体系，构建“3334”的多维形成性评价体系，涵盖学生综合能力、自主学习、团结协作、随堂学习、思想素养等，创新教学评价，促进学教管改，旨在培养新质人才的综合素质。通过对每一条培养标准达成度评价、统计、整理和分析，形成教学内容、教学方法、教学任务优化和调整的依据，作为学生持续进行周期性总结和反思，教师调整教学进度安排组织策略，形成测评诊断改进的闭环。通过组织研讨、投稿、作业、分组任务、拓展项目等多种活动，借助SPOC平台、智慧教室、雨课堂、课程知识图谱等记录学生学习轨迹的数据，按照测评体系和成绩占比，计算学生课程学习成绩，形成全面可量化的考核评价机制，构建了本课程的3元、3维、3阶、4度的考核评价体系。同时，为了对于各项活动能够客观真实的对学生进行能力和素质评价，专门设计各项活动的评价量规，形成一套强化以能力和素质评价为导向的形成性评价体系。分组任务评价量规：学习通小组任务P（项目准备）P（参与协作）A（知识运用）P（动手实践）R（项目完成）综合评价：三、智慧教学改革成效（一）课程评价1、教师教学日志和观察：学生在课堂上表现出了积极的参与和互动，展示出了较高的思维水平和创造力。从学生的作品和项目来看，学生能够运用所学知识解决实际问题，设计出符合要求和创新性的数字电路产品。从学生的团队合作和沟通能力来看，学生能够有效地协调分工、沟通交流、解决冲突、共同完成任务。2、学生评价：从学生的反馈和成绩来看，学生对课程内容和方法都表示满意和认可，认为课程有助于提高他们的数字电路设计能力和创新能力。学生评价为“复杂、有趣、实用的课程”。3、同行评价：由学校督导评价为能有效训练学生自主创新思维意识，培养学生解决实际工程问题能力，具有高阶性和挑战性的优秀课程，并被校级督导评选为优秀课堂。4、专家评价：2018年度教育部在线研究中心智慧