工程教育智能化:內涵、特征與挑戰

林 健 楊 冬

(清華大學 教育研究院,北京 100084)

縱觀全球,第四次工業革命方興未艾,人工智能、5G、元宇宙、大數據、云計算、區塊鏈、ChatGPT等新興技術在社會各個領域和行業的應用推廣漸趨普及化,人類社會正處在一個技術驅動與技術互嵌共生的“數字-智能時代”。從農業化到工業化、信息化再到智能化的社會嬗變進程證實,技術變革不僅重構社會生產力、產業經濟形態和人才需求,而且深刻改變著教育教學體系、模式和方式。工程教育是以科學和技術為基礎的專門教育,與社會生產方式和行業產業發展具有極強的關聯度。順勢新一輪數字與智能技術變化和發展,推進技術與工程教育教學的內嵌融合和創新應用,實現工程教育智能化,既是現實急需,也是未來所向。

工程教育智能化是“數字-智能時代”工程教育發展的必然趨勢,是工程教育界必須直面且無法回避的挑戰。本文立足工程教育智能化的實現,分別從其現實必要性與緊迫性以及概念內涵、具體特征和主要挑戰等四個方面進行論證解析,以為工程教育智能化的相關研究和系統設計提供思路借鑒和具體參考。

一、智能化:工程教育的時代變革

工程教育承擔著培養服務和引領“數字-智能時代”發展的工程人才的重任。(1)周列等.智能化時代的工程教育:工程哲學的視角[J].教育發展研究,2022,(11):77-84.面對新興智能技術的沖擊、挑戰及其在教育領域的廣泛滲透與深度融合,工程教育必須識勢應變、率先推變和有效促變。智能化作為工程教育的變革趨勢,是主動適應科技進步和產業變革、未來工程教育教學體系革新、教育數字化、中國式現代化和卓越工程師高質量培養等內外需求合力使然。

1.社會變遷:適應科技進步和產業變革的主動選擇

當前,以人工智能為代表的新一代科技,作為新的生產力,在催生工業經濟新業態、行業產業結構新格局與社會治理新方式等方面發揮著“頭雁”效應,社會各行各業處在數字化轉型和智能化升級的關鍵階段。工程教育是高等教育的主體,與技術發展和社會變遷同頻共振,直接面向科技創新應用、行業產業變革和社會需求服務,既承擔著促進科技進步、產業轉型、經濟發展和工業模式創新的社會重任,也肩負著培養適應和引領社會發展的各類工程人才的本質使命。系統推進工程教育智能化建設是工程教育順勢接軌智能社會變遷、主動適應科技進步和行業產業變革的時代應答與必由之路。

2.技術賦能:革新未來工程教育教學體系的趨勢所向

工程教育作為一種運用科學與技術等復雜領域知識培養工程科技創新人才的專門社會活動,自然無法游離于智能技術驅動教育教學體系重塑的大趨勢之外。面向未來,工程教育必須依托技術賦能,積極應對智能技術發展與產業變革帶來的機遇和挑戰,加速推進智能化改造升級,系統完善智能信息技術環境設施、資源平臺建設及其在工程教育教學全過程、全要素與各環節的融合應用,從而建構與智能化時代發展適配的未來工程教育教學新體系和人才培養新模式。

3.戰略牽引:教育數字化和中國式現代化的強大引擎

黨的二十大報告指出,未來五年發展的中心任務是全面建成社會主義現代化強國,以中國式現代化推進中華民族偉大復興,并在頂層設計進行科技、教育和人才三位一體戰略部署,正式確立數字中國和教育數字化戰略。數字與智能技術既是現代化高度發展的產物,也是現代化縱深推進的催化器。工程教育與科學、技術和人才等國家核心競爭力緊密相關,對于中國式現代化發展具有基礎性和戰略性的支撐作用。超前布局和率先實現工程教育智能化,直接關系教育數字化和中國式現代化的戰略目標與效益達成。

4.需求驅動:卓越工程師高質量培養的內生動力

卓越工程師是中國從大國走向強國的戰略人才支柱,從“卓越工程師教育培養計劃”1.0(簡稱“卓越計劃”1.0)到“新工科”建設(又稱“卓越計劃”2.0),再到國家卓越工程師學院建設,工程教育的使命和目標始終錨定探索工程人才培養的中國模式,實現工程教育內涵式、高質量發展,造就肩負國家科技創新、社會經濟發展和工業產業轉型升級等重任的創新型和復合型卓越工程師。數字化與智能化作為變革性力量,與工程教育雙向賦能,工程教育與智能技術結合為工程人才培養體系升級、模式創新和提質增效提供新動力。工程教育智能化是實現工程教育教學體系重構和卓越工程師高質量培養的必要保障。

二、工程教育智能化的內涵

新一代智能技術是工程教育變革的關鍵力量,智能化是工程教育在數字-智能時代的發展趨向。究竟工程教育智能化謂何?如何定義和理解其概念內涵?厘清這一上位性問題,是指導和保障工程教育智能化沿著正確方向有效推進的邏輯前提和認識基礎。

1.智能的本體闡述

智能是工程教育智能化的本體概念。關于智能的定義,目前并無共識和統一界定。相較而言,偏主流的智能內涵論述,不外乎兩種學科視角和取向:

一種是從心理學和人的發展角度,通常等同為智力或能力,抑或智力和能力的總和,視為人的認知水平和行為技能的統合體,將智能定義為人所特有的記憶、觀察、感知、思維、理解、判斷、學習、分析、決策和行動等內隱性心智和外顯性能力的集中映射,是認識事物、解決問題、實踐工作與改造社會的多項能力的有機集成和綜合外化。

另一種是根植于人類社會從信息化時代向數字-智能時代轉型過渡的大背景,賦予技術、機器、產品或工具等人造物以“人類智能”,使人工智能模擬、負載甚至超越突破“類人屬性與功能”,并通過數據、程序、算法、算力和模型的持續迭代和智能升級,完成部分人所能做的抑或難以做到的事。

本文將“智能”概念限定在智能科技大發展和大變革的時代語境下,既強調智能類產品、平臺、系統、工具、機器人等“技術器物”的使用和賦能,也關注利用技術智能優勢促進人的高階智能發揮、生成與發展,同時突出人機合作交互的智能運行狀態,是技術智能與人的智能兼而有之、相輔相成、共生互構。

2.智能化概念辨析及其教育延伸

智能化作為核心概念,建立在智能概念的基礎上,在本義上與信息化、數字化等概念存在本質聯系,它們皆統一于網絡信息和智能技術主導的社會演進進程之中。其中,信息化是將物理世界的活動、信息和流程加以數據化和線上化,是數字化和智能化的基礎;數字化是利用信息系統和新一代數字技術實現部門、資源、數據、流程和業務等的全鏈貫通、整合優化和互聯共享,是信息化的技術深化和智能化的大數據支撐;智能化是信息技術和大數據驅動社會變遷發展的終極階段,表現為技術具有滿足人的高階需求的功能特性。

作為信息化和數字化發展的最高階段,狹義上,智能化專指智能機器、技術或軟件系統應用等人工智能,模擬人類智能進行感知、思維和行為的過程,以及其所表征和外化出的滿足人類需求的智能屬性和特征。(2)劉少杰.從實踐出發認識網絡化、數字化和智能化[J].社會科學研究,2022,(2):66-71.廣義上,智能化作為工業革命的新趨勢、科技革命的新特征與社會發展的新形態,主要對標人和機器的關系,意指在計算機、互聯網、大數據、物聯網、云計算和人工智能等技術加持下,對信息資源進行智能感知、獲取、處理、分析、挖掘和傳播,通過“人”與“機器”雙重智能的疊加深化、交互演化、協同共生,實現人類社會各領域、各行業和各類社會生產與實踐活動的智能升級、模式創新和體系變革。教育智能化則是教育信息化和數字化的升級版,是智能技術在教育中深度普及和常態化應用的必然結果,是未來教育模式轉型升級的總體趨勢和發展方向。(3)祝智庭,胡姣.教育智能化的發展方向與戰略場景[J].中國教育學刊,2021,(5):45-52.

在本文中,智能化采用廣義范疇,認為智能化并非信息化和數字化的線性替代,而是進階和升華,泛指智能科技主導下的未來社會發展的新趨勢和新形態。包含兩層含義:既強調互聯網、物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代網絡信息和數字智能技術,通過支持、嵌入和融合應用而產生系統性演變的整體過程;也指涉由智能信息技術驅動所引發的智能化轉型和創新性變革,指向人類社會最終達成的一種高級發展狀態。

3.工程教育智能化的內涵厘定

結合智能與智能化的時代語境和實質意蘊,以及技術變革與工程教育的發展關系論,本文將工程教育智能化界定為:依托新興數字智能技術,變革和創新工程教育,構建面向未來“數字-智能時代”的工程教育新形態、工程人才培養新模式和工程教育教學新方式。具體而言,它指運用互聯網、大數據、物聯網、云計算、虛擬現實、人工智能等現代技術,通過與工程教育環境、教育資源、課堂教學、課外學習、工程實踐、創新活動、質量評價等人才培養全過程、各環節和全要素的深度嵌入和融合應用,賦能并驅動工程教育教學體系的智能升級、深度變革和系統創新,構建智慧高效的人機交互、學生中心、虛實結合、校企協同的工程教育教學育人體系,形成學習環境智能化、學習場景混合化、學習模式多元化、學習手段便捷化、學習方式個性化、學習成效顯著化的多樣化培養高質量卓越工程人才的全新工程教育形態。這一概念意味著工程教育智能化具有雙重內涵:

其一,智能技術在工程教育中的有機內嵌和深度應用。工程教育智能化是智能技術嵌入工程教育的過程與結果,智能技術以內嵌變量形式存在工程教育中。它的基本邏輯是數字智能技術與工程教育的深度結合,在技術介入和加持下,設計開發工程教育智能環境、資源、數據和平臺,利用現代網絡技術和信息系統或先進的智能空間、技術和設備,助力師生從大量的繁雜機械、簡單瑣碎、低質重復的工程教育教學活動中解放出來,有效提升教育教學效率、優化教育教學過程和保障教育教學效果與質量。因此,工程教育智能化是智能技術手段與工程教育教學互嵌共構的混合形態,其內在意涵是新一代信息化、數字化和智能化技術深層融入并廣泛應用于工程教育教學實踐,依托高新科技和智能工具與產品創設,集網絡化、數字化、智能化于一體的智慧工程教育教學場域、空間、資源、操作系統和方式方法等硬軟件,型構智能技術與工程教育的內嵌融合、協同交互和共生共存形態,從而有力支撐開放共享、彈性靈活、高效高質、綜合復雜且極具個性化、創造性和多模態的工程教育教學活動實施,確保工程教育教學模式創新和提質增效。

其二,智能技術支撐并賦能工程教育的系統轉型和體系重構。技術嵌入是工程教育智能化在技術層面的集中映射和外化表征,其更深層的價值和效能在于依托技術作為工程教育教學變革的巨大驅力和核心引擎,借助新技術及其優勢對傳統工程教育進行優化、升級和創新,進而引發工程教育教學的革命性變化和系統性再造。換言之,工程教育智能化并不簡單等同于工程教育與信息技術或智能技術的直接應用和機械相加,而是愈加強調技術增強和賦能,利用各種智能技術全方位重塑工程教育教學系統、業務活動和方式手段,達成工程教育環境、人才培養模式及教育教學方式的智能化運行狀態。

4.多層面把握工程教育智能化內涵

工程教育智能化并非一蹴而就,需要歷經一個長期、漸進、動態和持續的演化過程,是智能技術有機嵌入工程教育且不斷深度融合和復雜交互應用而最終形成的工程教育新形態、新模式和新方式?？茖W、理性且正確把握工程教育智能化的內涵,需要綜合考慮五個層面:

一是在本體論上,秉持技術與工程教育的線性嵌入和創新變革辯證統一,以“技術嵌入論”和“技術賦能論”為工程教育智能化的邏輯前提和認識起點,即技術是“數字-智能時代”最大的創新變量,是工程教育教學的內嵌要素、變革驅力和實施載體,工程教育需要積極主動應對新技術革命,應用新一代智能技術促進工程教育教學體系的系統升級和智慧轉型。

二是在價值論上,認可技術變革工程教育的積極作用和正向效應,即技術對工程教育的影響雖具有基礎性、整體性和系統性,但絕非對傳統教育教學形式的摒棄或顛覆,而是依托數字和智能技術促進工程教育環境資源、教和學模式、工程實踐活動和質量評價方式等創新和變革,構建面向“數字-智能時代”的新型工程教育教學體系。

三是在關系論上,視工程教育智能化為工程教育信息化和數字化的深化與拓展,而非對立割裂或線性替代。同時,它不是對人之主體的角色及功能的機械置換,是基于技術智能驅動人的主體性和創造性最大化發揮,實現“技術之智”與“人之智慧”的有機結合與雙向賦能,形成人機協同、高效合作和深度交互的育人新模態。

四是在要素論上,堅持普遍性和特殊性相結合。工程教育智能化不是泛泛對教育或高等教育智能化進行機械移植或簡單沿用,而是在彰顯技術變革高等教育的共性元素和普遍特性的同時,更加突出工程的固有范疇,以及工程教育的實踐性、協同性、系統性等獨特特征。

五是在實踐論上,工程教育智能化是一項復雜系統工程,含括技術基建與融合應用、機器與人、教學和學習、理論與實踐、校內與校外、課內與課外、虛擬與現實、高校和企業等多個方面,必須統籌推進、科學規劃、系統整合和有效實施。

綜上,工程教育智能化是依托技術驅動對傳統工程教育教學的超越、發展、升華和創變。它通過技術耦合構建智能化工程設施、場景、工具、平臺和資源等硬軟件環境,利用人機協同合作助力工程教育教學各環節、各活動的模態創新、效率提升與質量保障,進一步推動傳統工程教育模式和教學方式的轉型升級,最終構建與新興智能技術全程貫通與全向交互的全新開放式育人系統,服務于培養具有創新思維、素質優良、能力卓越、德才兼備的高質量、多元化且全面發展的創新引領型卓越工程科技人才。

三、工程教育智能化的特征

工程教育智能化有何具體特征,明確這一問題對于深入解構和有效推進工程教育智能化尤為關鍵。立足工程教育的本質及其特殊性,從技術嵌入和變革工程教育的綜合視角,工程教育智能化呈現九大基本特征。

1.技術集群耦合

技術是工程教育智能化的元器件。智能技術作為重塑工程教育的先進生產力和變革性力量,必須經過一個個單體技術的相互疊加、整合和重混形成技術集合和技術鏈條,才能產生賦能未來工程教育新形態構建的實際效能。工程教育智能化是多項技術內嵌集成的產物,僅憑任何單一技術并不能支撐其有效運行。與信息化和數字化相比,工程教育智能化不僅僅限于計算機、網絡、通信和多媒體等“弱智能”技術、設備和工具的接入和使用,而是廣泛引入和應用人工智能、5G、教育機器人、區塊鏈、大數據、云計算、傳感器、虛擬及增強和混合現實等新一代“強智能”科技及其產品,通過技術的交叉融合形成“技術集群”,共同作用于工程教育智能化布局,以根本打破傳統工程教育資源、數據和信息“孤島”,賦能工程教育教學創新、提質與增效,創構與未來工程人才培養適配的萬物智聯互通環境、混合式多模態教與學范式、沉浸式工程實踐體驗、大數據精準評測等工程教育新生態。

2.資源多元集成

資源是工程教育的物質構件,在智能化條件下,工程教育資源的類型和形式變得多種多樣。除了將傳統的教材、圖書、文獻等紙質材料數字化外,電子文檔、圖片、視頻、ppt、MOOC、spoc及工程實物、實驗、專利、案例、項目、現實場景、技術裝置、企業生產等的多媒體、網絡課程和現場與遠程實踐資源也會越來越多元豐富。同時,借助國家、地方、高校和企業等各級各類工程教育數字系統和智能平臺,校內外一切可用的工程教育資源將從孤立分散走向共享集成。相關工程學習資源在進行多個利益主體共建、互通和流轉的基礎上,能夠通過網絡生態、智能引擎和統一門戶改變不同類型資源的扁平式排列、離散化布局和局域性接入形態,由傳統的分布式、碎片化、粗顆粒度的單一“課程包”,逐步進階為基于大工程范式和教育教學需求導向的整合式、體系化、精細化的海量“資源庫”,實現工程教育資源的開發和供給真正面向工程學科專業建設和工程人才培養實際,保障師生自主科學地根據不同工程課程教學和學習活動需求進行資源的智能匯聚、精確整合、精準匹配和綜合選擇。

3.平臺一體智聯

平臺是由網絡、機器、信息、數據和技術等復雜集成的數字系統,工程教育智能化能夠較大程度地改變各類在線教育平臺、網絡課程平臺與教育教學信息平臺的分散運行現象,增強平臺的一體智聯建設。一方面,互聯網、數字信息和遠程鏈接等技術支撐平臺互聯互通,教師和學生能夠根據不同工程專業課程教學的需求,借助搜索引擎與專用數字工具便捷高效地獲取并使用多元、海量和優質的在線教育資源。另一方面,隨著數字與人工智能技術的算力升級和模型迭代,以及教育機器人、機器學習、神經網絡、知識圖譜、大語言模型等教育產品的普及化應用,相關工程教育教學在線平臺、工具或應用系統將越來越智慧化,具備更多的“助教”和“導學”價值,超越課程教學的通知發布、資料傳輸、實時錄播、留言反饋、點到簽退、彈幕問答、隨堂測試等常規輔助功能,承載并完成教學數據記錄、資源精準推薦、教學組織設計、學習內容與方式規劃、工程場景匹配、用戶整體畫像、人機深度對話與合作等高階功能,服務教師教學精準設計、學生學習深度合作參與和個性化發展。

4.人機協同交互

人工智能科學與技術的快速迭代和創新,使得機器的智能水平不斷提升,日益朝著接近甚至可能超越人類智能的方向縱深化發展。在智能技術的加持下,工程教育智能化將打破要么盲目用技術完全取代人、要么絕對依靠人而否定拒斥技術的機器與人二元對立關系,推動教育教學轉變傳統的窠臼于師生主體間面對面、人與人的知識相授與在場交互,抑或把技術工具與機器系統當作傳統教學媒介的網絡化再現與數字化替代,進一步形成人與機器有機協同、有序交互、智慧合作的共生態。人機協同交互成為未來工程教育的基本形式,意味著計算機以及各類智能教與學軟件工具和平臺系統不再僅僅是工程教育教學的輔助者角色,更多情況下扮演“代理人”、合作者與共同體的重要角色和身份定位,人與機器相互協作、缺一不可,最終通過人機雙向互動和賦能,打造以智能技術和機器終端為中介的“人-機”或“師-機-生”深度交互模式,集人工智能“機器”的技術性能和作為教育主體的“人類”的大成智慧于一體,(4)殷寶媛,孫馨.面向高質量發展的高校人機協同育人研究[J].黑龍江高教研究,2023,(5):1-5.充分發揮各自優勢并實現協同增效,協助師生完成知識活動之外的更具個性化、生成性、創造性和價值性的復雜工程教學活動和育人任務。

5.時空開放泛在

工程教育教學活動發生在特定的時空和場域中,一直以來,工程教育局限在傳統的教室、課堂、實驗室、工業訓練中心等學校內部固定物理場所開展,行動空間整體較顯單一化、機械化和封閉化。在互聯網、移動設備、網絡通訊、遠程鏈接和數字智能技術等的加持下,工程教育將進一步突破物理條件限制,拓寬教育教學活動的范圍和邊界,重構開放泛在化的時空和情境。依托智能技術、設備和工具,工程教育教學活動將不再囿于有限封閉的校內物理空間,而是向更廣域更寬泛的外部空間、數字空間、虛擬空間和混合空間無限擴展和延伸,支持在任何時間、任何地點、任何情境進行規?；虒W和個性化學習,通過接入網絡設備、智能終端和虛擬交互技術按需生成、自動匹配并敏捷性地供給和嵌入多種多樣的教學和學習空間、資源與服務,確保工程課堂教學、自主學習和實踐活動的無時無處不在、虛實場景動態切換和彈性靈活實施,實現工程教育教學從單學科向學科交叉、學校內部向社會外部、物理場域向數字空間的演化和跨越。

6.教學精準高效

教學是工程教育的中樞環節,智能技術賦能教學創新,促進教學精準實施和增效提質。教師能夠借助智能技術和工具平衡教學低負荷和有效性間的張力,驅動教學“量”與“質”相統一的目標達成。比如,人工智能和教育機器人在教學中的介入和應用,將打破教師作為工程專業知識傳授者的傳統角色定位和職責任務分工,分擔大量的基礎性、程序性和重復性的知識教學工作,支持在有限教學時間內設計和實施師生合作互動、研討探究、技術實操和實踐應用等富有探究性、挑戰性和創造性的多元教學活動,大幅精簡教學流程、減輕教師負擔和提升教學效率,確保教學過程最優化和效果最大化。再如,在智能感知、大數據分析和知識圖譜等技術的輔助下,教師能夠快速精準地識別和掌握學生的專業基礎、學習進度、心理活動、行為表現、投入度、參與度和收獲度,根據可視化和數字化“教學畫像”精準編制與呈現教學內容,并及時根據學習狀態和教學效果動態調整和優化教學設計。另如,基于統一化網絡教學平臺、智能終端、社交軟件和大模型機器交互工具設備等,課前預習測試、課中學習互動和課后輔導答疑等環節能夠整合起來,助力建構師生關系平等的合作教學共同體機制,實現教學減負、增效和質量保障的多功能統一。

7.學習個性自適

工程教育智能化為學生進行個性化學習提供強大支撐。傳統工程教育是大規模、集中性的,注重為工業社會培養和輸送“適銷對路”的工程科技人才,學生學習往往是批量化、標準化和趨同化的,學習目標、內容、方式和形式等基本上呈現為整齊劃一、教材導向、進度同頻和被動灌輸式的樣態,導致學生的自主性、能動性和創造性被嚴重忽視和遮蔽。人工智能、傳感器、知識圖譜、大數據、神經網絡、機器學習、智慧平臺、數字資源庫、大模型等技術工具和智適應傳導系統,能夠改變院系制和班級制下統一性、同質化的學習模式,通過學生學習行為、過程和結果信息的實時記錄、全景掃描、動態監測和數據分析挖掘,為每一位學生精準規劃和智能定制符合自身學習興趣、需求及發展特點的工程教育學習資源,并及時根據其個性化學習進度和成效進行質量診斷、科學推薦、自動匹配、整體畫像和差異化指導,為學生靈活設計、組織和調整學習方案、內容、策略與路徑提供科學依據和決策參考,從而加速實現從被動依附教師的接受式學習向自主深度探究的個性化、自適應學習轉型(5)周琴,文欣月.從自適應到智適應:人工智能時代個性化學習新路徑[J].現代教育管理,2020,(9):89-96.,促進工科學生學會學習、提升學習質量和創新實踐水平。

8.實踐虛實貫通

實踐是工程教育的固有屬性,情境感知、增強現實、虛擬現實、仿真模擬等技術為創生數字孿生的工程空間、情境和場域,豐富和整合工程教育實踐的資源和形式提供底層技術支持,工程教育的現實物理空間和虛擬數字信息空間、學校課堂內部和社會外部資源與情境間的邊界愈加模糊化。借助物聯網、移動互聯設備、虛擬技術手段和數字化平臺,工程實驗、實訓和實習等實踐活動能夠從固定的物化實體場所轉向彈性的虛實融合空間,實現遠程協同、聯動互通、智能對接和開放交互,從而有效彌合工程實踐教育內外資源和信息交互壁壘。工程教育教學可根據實際需求在現實物理空間和虛擬技術空間之間做出靈活選擇和設計,實現理論教學、實驗教學、工程實訓和企業實習等工程學習和實踐活動由孤立封閉狀態向動態開放轉型,推動師生更加客觀、真實和立體地感知、驗證和理解工程科學與技術原理、規律與過程,沉浸式接觸和體驗企業、工廠、車間、生產、技術等現實和虛擬工程情景及實踐活動,達成工程理論與實踐的聯結、貫通和應用,全面培育和提升工程問題發現與解決能力、創新意識、創新思維及創新技能。

9.評價數據驅動

智能化的核心在于大數據及其強大的算法、算力與運行模型和機制,工程教育智能化是技術、信息和數據互構而成的。在傳統工程教育評價中,囿于學校各組織部門和院系單位層級分立、信息閉塞分散和協同合力不足,評價活動大多是行政力量自上而下干預型和人為經驗管控型的,具有固定化、限時性、單主體、高成本、遲滯性的特點,工程教育教學評價涉及的一系列問題大都要經歷較長的時間才能發現和解決,致使評價結果的時效性滯后以及動態監測、精準反饋和持續改進的功能與效益弱化。工程教育智能化通過充分利用智能數字技術、大數據系統和可視化信息平臺,建構起各部門和多主體信息一體化機制與數據共享渠道,基于對各個階段和不同場景教師的教、學生的學及其相關質量數據的數字化編碼、伴隨式記錄、動態化儲存和智能化流轉,支持對工程教育教學進行實時、全程、全向的數據監測追蹤和質量科學評定,全面開展數據驅動的科學、客觀和高效的全過程工程教育教學評價,進而大大縮短評價周期,簡化評價程序,優化評價方式方法,實現評價結果的立體可視、綜合認證、智能分析、精準反饋和共享互通,有效保證工程教育教學“以評促改”“以評促建”和“以評提質”的評價育人效果發揮。

四、工程教育智能化面臨的挑戰

人工智能、大數據、虛擬現實等新技術的快速迭代為工程教育教學變革賦能,支撐并加速工程教育的智能化發展。但是,作為一個涉及多主體、全方位、高復雜和長周期的系統性變革,工程教育智能化是對傳統工程教育理念、思想、模式、方案和行動的顛覆性革命。工程教育智能化對工程教育的影響是整體性和全方位的,而非碎片化、局部性的,涉及智慧學習環境建設、人才培養目標與教學內容更新、學生中心的師生關系與角色定位重構、(6)林健.培養大批堪當民族復興重任的新時代卓越工程師[J].中國高教研究,2022,(6):41-49.人機協同的多模態教學實施、教和學的個性化和泛在化、工程實踐虛實一體化及教育教學評價智能化等多個方面。因此,在工程教育智能化實現過程中必將遇到來自包括傳統工程教育教學體系方面的諸多挑戰。

1.對現有教育教學環境的挑戰

傳統工程教育局限在紙本教材、電子資源以及固定的教室、實驗室和工程訓練中心等單一媒介和物理場域內,停留在基礎性的網絡化手段支撐和信息化工具應用層面上,主要表現在:(1)人工智能、大數據、物聯網、虛擬現實等技術的規模投入和普及使用不足,難以支撐平臺互聯、數據互通、資源互享、場景互融的新型工程教育融合基礎設施建設;(2)教室、實驗室和工程訓練中心等教育教學場所局限于網絡、通信、監控、計算機、投影、電子屏、多媒體設備等的硬軟件工具和產品接入,而智能感知、數據記錄、實時共享、實景導入、虛擬仿真、沉浸體驗、人機互動、遠程操控等的智能化升級和虛實一體化建設遠遠不夠;(3)數字資源單一零散、適配性不高,缺乏統籌規劃、精準供給、智能匯聚和系統共享,未能結合工程專業人才培養需求進行配套開發和體系建設,多以各級各類平臺固定收錄的網絡化課程形態存在,側重開發慕課、微課、短視頻、教材、課件等在線工程通用知識類資源,相對缺少有關工程案例、實物、工具、實驗、項目、場景和數據庫等學科專用資源庫的整合建設;(4)智慧教育系統平臺低端化,主要承載支持和輔助網絡教學功能,比如直播教學、通知發布、課件傳輸、課堂考勤、作業收集、答題測試和留言評論等,而未融合深度學習、知識圖譜、大數據分析、自然語言處理和生成式人工智能等技術與大模型工具,按需研發和配備資源推薦、內容生成、數據共享、人機對話、智能畫像、分組協作、場景匹配、個性化輔導等高級交互功能。以上表現反映出目前工程教育缺乏實現智能化的堅實技術底座。

數字-智能時代的工程教育教學環境是與技術深度嵌入和高度開放式的。它通過加強現有工程教育教學環境與數字孿生、虛擬現實和人工智能等技術、產品及工具的融合應用,集成數字資源、虛擬場景和智能平臺,有機聯通物理、虛擬和社會三維空間,構建開放泛在、虛實結合、人機交互、智聯共享和智能綠色的智慧學習環境,支撐工程教育教學突破時空與場域限制以及學科組織和學校內外場景界限,從有限封閉場所擴展至無限混合空間,確保工程教和學活動彈性化、無邊界、泛在化、沉浸式和交互式地展開。

2.教師與學生角色定位的挑戰

技術的智能水平正在挑戰人類智能,人機融合成為未來學習的基本方式。隨著數字與智能技術的全面介入和深度應用,網絡在線平臺、智能助教系統、智能導學系統和教育機器人等將以輔助工具形式和合作伙伴身份融入工程教育,教學活動從傳統線性機械的師-生二元面對面傳授交流轉變為基于技術中介的師-機-生三位一體人機合作交互。

人機協同教學對傳統的師生角色定位和關系造成革命性的沖擊和影響。智能技術除了可為教師大幅分擔淺顯通俗的基礎性和重復性講授工作,支持學生通過網絡平臺、電子設備和移動終端等不同渠道開展在線自主學習外,還能夠輔助師生進行課程資源整合、教學方案設計、學習路徑規劃、學情監測診斷、習題作業評測、答疑交流和因材施教等,從而推動教師從單一固化的專業知識傳授者變為高階復雜的智慧工程教學設計者、服務者和引導者,推動學生從被動的受教者角色變為積極主動、個性化和創造性的自主參與者、合作者與創新者。師生角色定位的新變化倒逼師生關系重構,由學生依附和順從教師權威的傳統形態轉變為教師與學生平等對話與深度交互的新型工程學習共同體。

現行工程教育教學體系仍是教師中心導向的,注重教師圍繞既定專業教材或課本知識對學生進行系統講解和集中灌輸,學生學習的主體性和創新性被嚴重忽視。因而,未來在技術智能體的加持下,人機合作的范圍和程度將持續深化,工程教育必須正視由技術嵌入帶來的師生角色沖突,主動調適機械僵化的“教師講-學生聽”角色定位,建構和發展以學生為中心、人機協同交互的教學共同體關系,確保工程教育教學活動更加靈活、多元、高效和有質量。

3.教學內容和教學方式的挑戰

工程教育智能化的核心是借助技術的萬物互聯、智能可視、共享開放、人機交互等優勢,基于數字和智能設施、資源及平臺等媒介,實施人機協同、師生交互的多元化與個性化工程教學,創新和變革工程教育教學內容和方式,包括幫助和支持教師和學生便捷高效地檢索和選擇教與學內容,并與師生深入互動和合作完成更精準與更高質的教與學活動設計,抑或直接以“智能代理教師”身份承擔部分淺層知識講授和答疑解惑職責,從而通過融合技術“智能”和人的“智慧”推進人機協同、學生中心教學,根本改變單一的“師講生聽”工程教學形式和方法,生成混合式教學、翻轉課堂教學、研究性學習、項目式學習、合作式學習等多種形式的新型教與學活動,促進工程教育教學內容與方式的問題導向、項目式、個性化、自適應和深度化?，F階段,技術驅動的工程教育改革存在重技術供給而輕教學創新傾向,尚未實現與智能技術的深度融合,工程教育教學內容和方式仍顯陳舊和傳統。

一方面,工程教育教學內容亟需打破固定教材和知識導向。信息技術的發展加速工程知識和學習資源的爆炸式增長和碎片化分布,憑借網絡媒介、數字資源和智能工具,工程知識的獲取來源和學習渠道愈加多元廣泛,工程學習變得更加自主、泛在、快捷和高效。未來工程教育教學的任務中心不再是知識結構體系的系統傳授,關鍵在于突破單一封閉的室內課堂、教材書本和學科專業的束縛,通過使用各類工程學習數字資源,將工程領域最核心最前沿的理論、技術、方法和成果納入課程教學內容之中,從工程核心能力培養、行業產業發展需求、工程現實場景應用和工程實際問題解決的視角豐富教學內容構成與呈現方式,創設和生成基于工程問題、案例、項目和實踐的創新型復雜高階教學。因此,工程教育教學須徹底改變照本宣科,從知識學習轉向實踐應用、問題解決和探究創新,確保工程教學的精準性、有效性、挑戰性和高質量,加強工程學習的探究性、實踐性、創造性和跨學科性。

另一方面,工程教育教學方式亟需實現多元化和個性化?；ヂ摼W、大數據和人工智能等技術通過創設線上和線下、虛擬和現實、課內和課外融合的交互平臺和空間,支持工程教學從傳統封閉的線下課堂走向課前-課上-課后全過程的智能貫通,實現由標準化講授教學向個性化精準教學轉型。目前,技術驅動的在線教學和混合式教學多是根據環境變化在實體和虛擬空間中進行轉換,局限在網絡課程、教輔資源、多媒體設備和在線應用系統的簡單使用,屬于傳統課堂教學模式在數字虛擬空間中的重復與再現。工程教學總體仍以大規模集體講授為主,學習內容一致趨同,學習進度整齊劃一,鮮少借助數字孿生、虛擬現實、大數據、人工智能等技術創生以學生為中心的多元化教學活動,引導學生積極自主地開展雙線融合式學習、個性化深度學習、群體合作式學習、人機交互式學習和虛擬沉浸式學習。這種表征知識線性傳遞和一對多的單向教學方式,降低了工程學習的互動性、綜合性和可視性,忽視了學生的自主性、能動性和個性化發展,不利于培育直觀立體的工程認知、系統思維、創新素養、實踐能力和創新能力。

4.重構工程實踐教學體系的挑戰

工程教育智能化能夠使學生按需在物理、虛擬和社會三元空間中開展工程實踐活動。虛擬仿真、增強現實和遠程鏈接技術等能夠對不同類型工程環境進行模擬和仿真,形成網絡化、虛擬化和遠程化工程實踐平臺、情境與場域,聯通企業等多方合作育人主體,構建物理、虛擬和社會三元交互的立體空間,支持工程實踐場景和資源的按需匹配、智能接入、虛實交互與共享互通,實現工程實踐教學的虛實一體化和校內外貫通,賦能工程實踐教學體系的重構和創新發展。

目前,工程實踐教學以實體空間內開展的實驗操作、工程實訓和企業實習三類形式居多,主要存在三類問題:(1)囿于虛擬仿真技術條件不成熟、虛擬工程實驗環境和平臺性能不穩定、實驗結果真實性無法保證、專業實操技能要求高等,虛擬仿真實驗教學局限在部分專業、少數課程和個別教師層面,覆蓋面較窄,流于碎片化,成效不足;(2)工程實訓基地的數字設備供給和智能技術升級尚不到位,缺乏智能交互終端或一體化網絡操作平臺,并不支持大規模的虛擬仿真工程實訓體驗,不利于工程課堂教學和實踐教學的同步交互和一體融合;(3)受制于校企合作機制不暢通、企業實踐資源數字化建設滯后、企業參與高校合作育人積極性不足等,校企合作的主流渠道仍采用傳統的定時定點定向的工程實踐和企業實習,基于遠程在線的課程教學、項目指導、企業實習等合作實踐教育形式還不普遍不深入。

因此,實現工程教育智能化就必須從虛實互補的角度規劃和開展工程實踐教學,加強虛擬仿真實驗、虛擬仿真實訓、校企遠程合作等新型實踐教學的系統供給和普及實施,確保與工程理論教育同步對接,促成工程理論與實踐的融通,不斷強化對工程現實問題的實際感知和沉浸體驗,發揮實踐教學培養和提升工程人才理論應用、技術創新和綜合能力的內生效能。

5.教師與學生慣性惰性的挑戰

工程教育智能化并非淺表的“+數字資源”與“+智能技術”,抑或用技術替代與顛覆傳統教學,其深層意義在于利用技術智能解放和增強人的主體智慧,通過人機協同合作加強工程教育教學設計和實施的多元性、復雜性、挑戰性和創造性。技術雖為工程教育智能化提供工具性條件支撐,但僅憑技術并不能達到預期目標,更離不開教師和學生的積極實踐和自主推進。然而,長期的教育教學實踐在教師與學生中形成的慣性和惰性,必將對工程教育智能化形成挑戰。

一方面,在認識上長期秉持狹隘的技術價值觀和人技關系觀。大多數師生對于數字-智能時代的工程教育變革缺乏理性認知和內在認同,普遍認為技術手段對教育教學的影響是局部性和有限度的,過度高估技術價值、突出技術中心不僅容易弱化人的主體性地位和主觀能動性而加劇技術依賴,(7)郭麗君,廖思敏.智能時代大學教學生態系統:演化邏輯、現實隱憂與發展向度[J].現代大學教育,2023,(4):93-100.而且會造成工程學習虛化和真實體驗淡化、人際交往互動疏離、教學行為被技術操控、助長師生惰性與不自覺性等負面影響。這種認識未能從技術與教育、技術與人的融合共生、深度互動和雙向賦能關系進行辯證審視,陷入技術要么僅作為教育教學輔助性應用工具、要么直接取代教師身份或者傳統教學的二元對立論,師生對于智能技術變革工程教育教學的認可度和接受度并不高。

另一方面,在行動上具有傳統教學慣習依賴和教學創新惰性。工程教育智能化要求師生從過往淺層的知識性教學中解放出來,按需結合網絡平臺、數字資源、虛擬情境和智能工具,投入更多時間和精力去設計和實施更高階、更具創造性和個性化的多元新型教育教學活動。但囿于工業時代的大規模、標準化和統一性講授教學模式慣習,加之各種制度限制、考評壓力和技術操作負擔,以及智能化工程教育教學創新和變革本身環節繁瑣、過程復雜、難度大、任務重、專業能力要求高且成效難以保證,師生普遍存在畏難情緒、逃避心理、排斥態度和不適應性,參與動力、意愿和執行力并不強,對于一以貫之的理論灌輸式教學和被動接受式學習表現出極強的選擇偏好性和行動依賴性。

因此,必須解決師生思想上的認識和行為上的慣性與惰性問題,主動適應、自覺配合和融入技術驅動的工程教育教學改革和創新實踐,積極推進工程教育智能化。

6.教學效果和質量評價的挑戰

提高教學效果和保障教學質量是工程教育智能化的重要目標,然而當前工程教育教學質量評價基本聚焦在單一評價主體、知識獲取和結果導向的評價,而忽略了多評價主體、能力提升和過程、綜合等評價,主要表現在:(1)大多側重考察工程專業知識的存量習得與體系建構,忽視對復雜工程問題解決能力的衡量;(2)主要采取統一考試、習題測驗、課程作業和成果作品等“一考定乾坤”的標準化和終結性測量;(3)忽視了工程學習的過程性體驗、自主性參與、創新成果產出等;(4)工程教學效果和質量評價仍局限在高校內部、由教師單方開展,學生及其他利益相關者參與度不高。這些表現難以客觀綜合地對教學質量做出多維立體評價,呈現動態、及時、準確和全面的教學診斷和結果反饋。

工程教學質量評價亟需通過工程教育智能化實現突破唯知識、唯考試、唯分數和唯績點的單一評價標準和方式,形成基于大數據的客觀、科學和公正的工程教育教學質量評價。

(1)基本數據采集分析:憑借強大的算法和算力能夠對教學各個階段和不同時空產生的多種類型數據進行精準采集、動態記錄、自動存儲和智能分析,如出勤、習題、作業、考試分數等結構化數據,課前投入、課上參與、課后互動以及課外學習、問題探究、項目設計和成果作品產出等階段性、非結構化數據,輔助教師以定性和定量結合方式、根據多元標準和多模態數據進行學習質量科學評估;

(2)專門數據采集處理:借助智慧評價平臺、工具和手段,實時采集整理合作探究、人機互動、沉浸體驗和結果成效等過程性數據,對工程創新思維、項目方案設計、技術動手操作、創新成果產出和復雜工程問題解決能力等發展性數據進行伴隨式收集和可視化處理,按需分類開展結果性評價、綜合性評價、過程性評價和增值性評價,進而對教學方案和策略加以動態調整和改進優化,并根據學情及其個性特征和學習需求提供精準適切的個性化指導和服務;

(3)多主體參與評價:利用智能技術手段和一體化網絡平臺,吸納企業、校友、教師和學生等內外部利益主體參與,對標工程行業產業的人才需求和規格標準,進行人才培養質量的評價。

本文基于智能化的時代變革趨勢,重點界定詮釋了工程教育智能化的概念內涵,系統解析了工程教育智能化的基本特征,客觀分析了工程教育智能化面臨的主要挑戰,以期為工程教育智能化的認識深化和實踐推進奠定基礎和提供參考。限于篇幅,關于工程教育智能化的系統設計和具體實現,將另文予以專題討論。