新工科背景下的理论+实验类课程授课模式改革探索

27计算机教育
Computer Education 第 11 期2021 年 11 月 10 日中图分类号：G642
文章编号：1672-5913(2021)11-0027-06基金项目：中国高等教育学会2020专项课题（2020CJ07）；教育部第二批新工科研究与实践项目
（E-RGZN20201010）
；天津市教改重点项目（A201005501）；教育部产学合作协同育人项目（202002110015）；
南开大学2021年本科教育教学改革项目（NKJG2021013）；南开大学2021年实验课程改革项目（21NKSYSX09）。

作者简介：秦岩丁，男，副教授，研究方向为微纳操作机器人、医疗与辅助机器人、仿生机器人，qinyd@；许静（通信作者），女，教授，研究方向为人工智能、大数据分析、软件工程，xujing@。

0 引 言新工科（Emerging Engineering Education ）是我们国家战略发展的新需求，主要从以下3个方面推进工程教育的改革：学与教、实践与创新创业、本土化与国际化，新工科是高校工程教育改革的指导方针，旨在通过教学理念、要求、途径等方面的改革，为“中国梦”的实现和未来复杂多变的世界提供智能支撑和人才保障[1-2]。

智能科学与技术是一个多学科交叉的工科专业，人
才培养的核心是培养在多领域从事智能科学与技术的教学、科研、开发以及管理工作，具有宽口
径知识和较强适应能力及现代科学创新意识的高级专业技术人才。

与其他专业相比，智能科学与技术专业的许多核心课程为“理论+实验”的类型[3]，尤其是控制理论类的课程，理论学习与实践教学相辅相成，互相依存，脱离了实践环节的控制理论如同空中楼阁，而离开了理论学习的指引，实践教学也会陷入盲人摸象的困境。

“理论+实验”的课程设置不仅强调理论学习的重要性，还强调学生实际动手能力的培养，强调培养学生
理论联系实际的能力。

然而，面对当前学习方式
的巨大变化，在有限的教学周期内，如何充分利用新兴的知识传递方式，丰富课程的教学形式，如何有效提升实验课程的深度与广度，如何优化理论知识与实践能力的讲授与传承，从而切实提升学生理论联系实际、解决实际问题的能力，更好地培养新工科所需的智能类专业人才，就亟须进行教学模式改革。

1 学情分析
1.1 理论+实验类课程的教学难点
理论+实验类课程以理论教学为基础，通过充实的实验教学强化理论知识的理解，因此，理论教学要突出深度，实验教学要突出广度，在教学过程中要尽可能多地为学生创设不同的工程应用场景。

在教学过程中，这类课程主要面临以下几方面的教学难点。

（1）如何兼顾理论与实验教学的需求：课程新工科背景下的理论+实验类课程授课模式
改革探索
秦岩丁1，2，周 璐1，2，许 静1，2
（1.南开大学 人工智能学院，天津 300350；
2.南开大学 天津市智能机器人技术重点实验室，天津 300350）
摘 要：针对新工科背景下智能科学与技术专业“理论+实验”类课程教学中面临的新挑战，提出“理论与实践并重、线上线下混合、课内与课外融合、虚拟与真实结合”的授课新模式，从分析当前的学情和教学难点出发，介绍“理论＋实验”课程体系的构建方法，阐述该教学模式的实施过程，强调充分融合线上教学资源与线下实验教学资源的优势，实现全流程、全方位培养学生。

关键词：新工科；理论+实验类课程；实践教学；线上线下；过程性考核；虚拟仿真
202128计算机教育
Computer Education 的理论部分与实验部分在知识讲解、授课形式、
学生参与形式、考核方式等方面都存在明显的差
异和冲突，重理论轻实验或重实验轻理论都不利
于学生的全面发展，教师应在有限的课时内平衡
理论与实验教学的需求。

（2）如何充分调动学生的学习积极性：如果
依据实验指导书被动地按部就班学习，难以调动
学生的积极性，因此，实践环节应提高挑战度，
引导学生积极主动参与学习过程中，主动探索未
知，才能真正掌握课程的知识与技能。

（3）如何融入更多的实战机会：本科教学实
验室的动手实验为学生提供了良好的训练机会，
但教学仪器是一种理想化的实验与演示装备，其
与实际工程项目中的被控对象存在明显差异。

想
要培养学生解决实际问题的能力，就要在教学过
程中为学生提供更多的实战机会。

（4）如何综合评价学生的表现：对于动手实
践类课程，过程性考核更能全面考查学生的学习
效果，因此，需要创新评价标准与考核形式，尤
其是让学生以适当的形式参与考核过程中，确保
考核的全面性、公正性和客观性。

1.2 当前教学存在的问题
1.2.1 同步教学模式的制约
传统的课堂教学可以视为一个同步教学的过
程，即教师与学生在同一个时间、同一个地点面
对面完成知识的传授。

这种耦合的、即时的教与
学灵活性差，知识传递效率不高。

同步教学模式
已经成为制约教学效果的一个瓶颈，主要体现在
以下几方面。

（1）不能适应学生综合素质培养的需求：大
学是学生走向社会的过渡阶段，大学对学生的
培养是多方面、综合的，除了完成学业之外，学
生往往会参与专业社团、社会实践等活动，易造
成时间与空间上的冲突。

如果能够结合线上教学
与线下教学，则可以实现教与学的解耦，学生可
以自主安排学习时间，更有利于提升学生的综合
素质。

（2）不能适应学生多样化的学习方式：课堂
教学能够使用的教学手段非常受限，而当前学
生的学习方式非常灵活多样，网络为学生提供了
浩如烟海的知识，学习过程的碎片化、短视频化
已经逐渐成为主流，弹幕、评论、点赞已经成为学生互动和反馈学习状态的重要方式。

多样化的学习方式给传统的课堂教学模式带来了巨大的挑战。

（3）教师个人的业务水平影响教学效果：在传统的课堂教学模式下，授课教师个人的经验和业务水平直接决定了课堂的教学效果，尤其对于新任教师，课堂教学能力的培养更需要经历多个教学周期。

借助于线上线下混合式教学，则有助于教学团队整合集体优势，建设高质量线上教学资源，降低教师的个人素质对教学效果的影响。

1.2.2 教—学—练—用的失衡大量的教育实践表明，知识与技能不是教师教会的，而是学生学会的、练会的、用会的。

如何才能使学生真正学会、掌握课程知识？只能通过实践。

然而，在实际的教学过程中，教—学—练—用的发展是失衡的，经常会出现重理论而轻实践的现象。

人类认知世界的流程是“从实践至认知再到实践”，因此，只有围绕实践，才能系统地掌握理论知识。

对于智能科学与技术专业而言，实践教学的主战场是本科教学实验室，由于智能科学与技术专业涉及的被控对象与系统千变万化，实验室仅能提供若干以经典系统为蓝本的教学仪器让学生训练。

这种做法一方面极大限制了实践教学的内容，另一方面也易造成实践内容与时代发展的脱节。

因此，有必要突出实践教学的重要性，在线上线下混合式教学模式下，将教师的精力由理论教学转移至实践教学，并将实践教学的战场由课堂内拓展至课堂外，为学生创造多种课外创新创业实践的机会，从而使学生真正做到学以致用。

2 理论+实验类课程体系构建2.1 课程教学内容改革在新工科背景下，理论+实验类课程的教学内容应包含理论教学、实验教学与素质拓展教育；教学场地应涵盖从线上到线下、从课堂内到课堂外全方位；教学流程应包含学习、练习与应用全流程。

图1所示为线上线下混合、课内与课外融合的理论+实验类课程体系，其中理论知识的大部分内容由学生通过线上自主学习，少部
2021年全国智能科学与技术&人工智能教育暨教学学术研讨会第 11 期29
分内容在线下师生见面课时通过理论讲解、讨论与答疑等形式完成；实验教学主要在教学实验室线下完成，少部分内容通过线上工作坊的形式完成；素质拓展教育全部通过线下教学完成，内容从课堂内延伸至课堂外。

在这个课程体系框架内，线上资源包含教学视频、教辅资料、师生互动论坛、线上工作坊等内容，由课程教研室集中优势力量，完成线上资源建设与维护。

线下教学过程分为课堂内教学与课堂外教学，课堂内教学主要包括师生见面课与实验教学，在实验教学过程中，结合虚拟仿真技术，扩大被控对象的范围与广度，使学生在有限的教学周期内，接触更广泛的工程应用场景，从而全面锻炼学生的专业技能。

对于智能类专业，素质拓展教育由课堂内延
伸至课堂外，通过具有挑战度的课后作业、科研
实验室实训、创新竞赛、学术会议等形式，引导
学生综合运用所学的知识与技能，创造性地解决
工程应用中遇到的难题。

2.2 考核机制改革理论+实验类课程注重学生实践能力的培养，因此，在教学过程中应侧重对学生学习过程
的考核，避免一考定终身和考前突击的情况。

与
纯线下课堂教学不同，在线上自主学习过程中，师生缺乏面对面交流环节，学生可能会存在“挂机”行为，不能直观地衡量学生的学习时间与学习效果，因此，需要在每段学习内容之后即时安排相应的在线测试题目与线上作业，以监督学生完成线上内容学习。

此类课程的成绩考核方式可以参考表1中的过程性考核体系，其中，期末测试占比为40%，期中测试占比为20%，其余均为日常学习过程中的“平时成绩”。

实践类课程的考核形式以课程设计为主，因此，为保证评分过程中的公平性与客观性，其中测试与期末测试均由教师打分、助教打分、学生互评等环节组成，使学生也充分参与考核工作中。

教学视频 理论 素质拓展 课堂内 课堂外
线下 线上 教辅资料 互动论坛 答疑讨论 教学实验 课堂测试 课后作业 科研实训 创新竞赛 限时作业 拓展实验 线上工作坊 实验 学术
会议 图1 线上线下混合、课内与课外融合的理论+实验类课程体系表1 过程性考核体系
考核项目成绩占比/%线上/线下考核内容考核主体
期末测试 （综合课程设计）40线下程序逻辑与系统架构
人机交互界面
硬件连线系统运行效果教师
助教
学生
期中测试20线下复杂控制系统程序设计人机交互界面代码的可读性教师
助教
学生
视频学习8线上教学视频学习进度
教学辅助资料学习进度线上学习系统
章节测试12线上基础知识的理解线上学习系统
作业12线上与线下线上编程练习题线下实验教师
助教
考勤8线上与线下线上直播课出勤线下实践环节出勤线上学习系统
助教
3 理论+实验类课程教学模式3.1 基于知识图谱的课程知识体系解构传统的课堂教学基本根据教材的章节顺序依次讲解，然而，任何一门专业课程的知识体系都是由一系列知识点相互交联而形成的复杂知识网络，按章节顺序讲解，不利于学生理解学科发
展的脉络，也不利于学生全面把握课程的知识体
系。

因此，首先应基于逻辑关系解构课程的知识
图谱，将学生需要掌握的知识和技能解析为不同的模块，并进一步拆解为相对独立的知识点。

在建设线上学习资源时，为每个知识点准备相应的
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Computer Education 授课短视频，时长控制在5~15 min 。

学生在自主学习的过程中能够明确了解知识点的分布及相互之间的关系，方便学生“按图索骥”地查找和学习知识点，从而更加快速有效地完成理论学习。

以自动控制系统仿真及实验课程中单循环架构中“状态机”模块的授课为例，图2给出了本模块的知识图谱，其中，白色填充部分是线上学习的理论知识，浅灰色填充部分为相应的实验范例，深灰色反白部分为线下素质拓展实验。

从中可以清晰地看出，状态机并不是一种新的循环类型，而是基于基础循环的一种通用程序设计架构，广泛应用于复杂系统中程序流程的判断与分支。

知识图谱中实线边框为本模块的新内容，而虚线边框为其他模块中已经讲解过的内容。

通过知识图谱可以看出，对于状态机这类复杂的单循环架构，其知识体系并不复杂，学生在知识图谱的引导下，通过学习少量的教学视频，即可掌握状态机的循环逻辑，在此基础上，通过有针对性的实验环节，牢固掌握状态机的使用方法和技巧。

学习积极性，才能真正培养学生探索未知的精神。

3.3 突出挑战度的实践教学
首先，增加开放性实验的比例，突出高阶
性、创新性与挑战度。

传统的教学实验是封闭的，学生基本上根据实验手册按部就班地做实验。

在这种“手把手”式的教学实验过程中，学生都是被动的，没有主动学习、主动探索，因而在遇到新的问题和挑战时，学生依然会不知所措。

因此，除了必须保留基础性教学实验，还要加大开放性、高阶性实验的比例，并通过课堂限时作业、分组作业等形式提高实验的难度，突出挑战度，由此引导学生主动探索新问题。

图3所示为2021年某次课堂限时作业的学生作品，该虚拟计算器可以实现简单计算器的所有基本操作，在编程时用到了界面设计、while 循环、条件结构、事件结构、属性节点等知识点，是对学生一段时间的学习效果的综合评估。

限时作业采取背靠背的形式，事先不通知学生，在实验课时教师给定任务要求并限定作品的完成时间，但不
限学生查询资料的来源与途径。

在刚
接到任务时，学生还一头雾水，但
很快学生就能够将设计任务进行分
解，并结合之前所学的知识与网络
的相关资料，按时完成程序的编写。

通过这种接近实战的作业练习，学
生们能够主动地将所学的碎片化知
识重组，完成更高阶的任务。

图2 单程序循环中“状态机”模块的知识图谱 状态机 while 循环 条件结构 移位 寄存器 枚举 常量
状态切换 发展史 实验
起床决策过程
可乐售货机 素质
拓展 空调制冷策略 强制转换 选择转换 条件结构转换 转换数组转换 事件结构 线上 线下
3.2 “讲一练二考三”的主动学习
有效的知识传递不是单纯的“教”，而是需
要以学生为中心的“学”“练”与“用”。

授之以
鱼不如授之以渔，智能科学与技术是一个非常重
视前沿科技发展的学科，仅把教材上所有的知识
点都讲完并不是真正对学生负责。

南开大学已在
本科教育中全面推行“讲一练二考三”的教学理
念，全面践行“公能”素质教育[4]。

高效的教学模式就是老师少讲、学生多练。

我们正处于知识
爆炸的时代，因此，在教学过程中，应当把问题抛给学生，在教师的引导下，由学生自行通过文献调研、网络探索、编程试错等方式主动学习如何解决这些问题。

教师应根据学生的学习状态，逐步提高问题的难度，这样才能充分调动学生的其次，利用虚拟仿真技术，虚实结合，软硬结合，扩充实验的种类。

智能科学与技术专业涉及的工程项目种类繁多，本科教学实验室一般选取若干典型的、易于在实验室复现的工程应用场景搭建实验教学平台，然而，教学仪器的种类
图3 学生的课堂限时作业：虚拟计算器的前面板与程
序框图
2021年全国智能科学与技术&人工智能教育暨教学学术研讨会第 11 期31与数量有限，难以完全覆盖课程的全部内容。

因此，理论+实验类的课程应充分利用虚拟仿真技术，搭建多种不同的虚拟仿真系统，拓宽教学实验的广度。

此外，还应注重虚实结合，学生利用虚拟场景完成算法的设计，之后在真实的被控对象上验证算法。

南开大学人工智能学院建设了国家级的虚拟仿真实验教学中心，为虚拟教学实验提供了强大的技术支持。

图4所示为自动控制系统仿真及实验课程开发的一个柔顺驱动的两自由度并联机器人的虚实结合的实验教学平台，学生3~5人一组，根据机器人的运动学与动力学，搭建并联机器人的虚拟仿真环境，并提供算法调试的接口，在仿真环境中完成机器人控制算法的对比与调试，之后再将算法部署到真实的并联机器人的控制器中进行性能验证。

通过虚实结合的方式，培养学生的创新能力与实践能力。

不同层次的创新创业竞赛，使学生感受到专业的前沿发展方向与国家和社会的需求，增强专业自信与社会责任感。

（3）竞争与合作：智能学科与技术专业具有多学科交叉的特性，在面对多学科交叉的任务时，学生应该能够在团队中独立承担个体、团队成员及负责人的角色。

因此，在教学与培养过程中，通过分组作业的形式，逐步强化学生的团队合作意识，尤其是在参与各类竞赛时，鼓励学生组建跨专业、跨学院的队伍，引导学生积极发挥个人的作用，提升团队的战斗力与竞争力。

（4）沟通与展示：能够向同行及社会公众进行有效沟通和交流，是智能科学与技术专业培养的重要目标，因此，在培养过程中积极为学生创造对外交流与展示的机会。

积极参与国内与国际学术会议是一个非常有效的途径，可以训练学生
与他人进行口头与书
面交流的能力，提升
学生的学术视野与国
际视野。

4 教学改革成效
南开大学智能科学与技术专业非常强
调学生的实际动手能
力[5-6]，理论+实验
类的课程设置有助于在理论学习过程中通过完成
相应的课程实验，牢固掌握课程知识。

自动控制系统仿真及实验于2019年开设，是一门典型的“理论+实验”课，通过理论学习，学生掌握了图形化编程语言的逻辑和编程方法，并结合多种硬件，通过大量的动手实验，掌握常规传感器、
驱动器等硬件设备的联调与控制方法，最终通过期末课程设计与课外竞赛，掌握自动控制类系统或样机的开发流程。

本课旨在通过理论+实验，培养学生解决自动控制领域问题的能力，为国家培养公能兼备的高素质人才。

依托智慧树网，教学团队为课程建设并维护
了线上学习资源，包含总时长为942 min 的教学视频、6项拓展阅读材料、80道章节测试题、23项线上作业题，该线上学习系统累计运行3学
图4 虚实结合的控制实验(a)并联机构虚拟仿真环境(b)部分图形化代码(c)并联机构闭环控制实验3.4 课堂内外联动的素质拓展训练智能科学与技术是聚焦技术发展前沿的交叉性专业，想要提升学生的综合素质与能力尤其是解决实际问题的能力，需要将培养过程由课堂内拓展至课堂外，由教学实验拓展至实战。

完备的综合素质拓展训练应具备以下几个特征。

（1）实战性：纸上得来终觉浅，如果在教学过程中能够给学生提供实战的机会，对学生的培养会起到事半功倍的效果。

充分利用教学单位在不同研究方向上的科研实验室，鼓励本科生参与科研实验室的研究，引导学生将课堂上学到的知识与技能与实战相结合，活学活用。

（2）创新性：创新是引领发展的第一动力，依托大学生创新创业训练计划与各类学科竞赛，引导学生参与校级、省部级、国家级、国际级等
202132计算机教育
Computer Education 期，有力支撑了该门课程的教学。

线下的教学实验一共81项，其中57项为基础实验，24项为拓展实验。

软件开发平台为LabVIEW ，硬件部署平台为NImyRIO 套件，每个套件包含1台myRIO 开发板及23类不同的硬件。

在完成教学大纲内容的基础上，教学团队积极指导选课学生加入科研实验室，参与课外科技作品竞赛，以赛促学，锻炼学生的动手实践能力。

开课3年来，选课学生多次参加国家级创新创业训练计划，并在科研实验室软硬件条件的支持下，面向前沿技术问题与社会需求，设计了多套机器人样机，发表了多篇学术论文，其中一篇学术论文获得2020年IEEE 自动化、控制与智能
系统中网络技术国际会议（IEEE-CYBER 2020）的最佳学生论文奖。

在学科竞赛方面，在“挑战
杯”“华为杯”“全国大学生自动化系统应用大赛”等学科竞赛中获得多个奖项。

经过竞赛和项目的训练，本科生灵活掌握了所学的知识与技能，并从最初的对学科懵懵懂懂逐渐发展成为具备基本科研素质的综合性人才。

经过3学期的教学实践，该课程已经逐步形成了“理论与实践并重、线上线下混合、课内与课外融合、虚拟与真实结合”的授课新模式，实现了学生全流程、全方位的参考文献：
[1] 钟登华. 新工科建设的内涵与行动[J]. 高等工程教育研究, 2017(3): 1-6.
[2] 叶民, 孔寒冰, 张炜. 新工科: 从理念到行动[J]. 高等工程教育研究, 2018(1): 24-31.
[3] 刘宇雷, 佘明. “新工科”背景下高校实验教学体系建设探索[J]. 实验技术与管理, 2019, 36(11): 19-21, 32.
[4] 蔡峻, 严冰. “讲一练二考三”教学理念的再思考[J]. 高校生物学教学研究(电子版), 2013, 3(4): 7-9.
[5] 方勇纯, 刘景泰. 南开大学“智能科学与技术”专业教学体系与实验环境建设[J]. 计算机教育, 2009 (11): 21-25.
[6] 许林. 智能科学与技术专业本科实践课程的建设[J]. 计算机教育, 2011(15): 120-123.
（编辑：宋文婷）培养。

尤其需要指出的是，线上线下混合式教学的适应性非常强，在2020年新冠疫情期间，学生不能按时返校，对该门课的教学影响不大，通过线上学习+线下虚拟仿真的方式完成了所有教学
任务：借助于线上学习系统，学生可以根据自己的时间安排灵活学习理论知识，遇到的学习问题由教师与学生通过线上交流与讨论的方式解决；而线下实验教学环节则通过虚拟仿真的形式，由学生在家远程实施。

从学生完成作业与测试的情况看，学生即使在未返校的情况下，也依然能够高质量地完成课程教学任务。

5 结 语
新工科为智能学科与技术专业的人才培养指明了方向。

针对理论+实验类的专业课程提出的“理论与实践并重、线上线下混合、课内与课外融合、虚拟与真实结合”授课新模式，适应了学生当前学习模式的变化，以课堂内外的实验教学为抓手，着重培养学生解决实际问题的能力，覆盖了学生培养的全流程、全方位，从而有效提升理论+实验类课程的教学质量。