第一部分
SPS案例沙盒：教學方法創新

第1章
教育科技及教學沙盒

1.1 教育科技改變知識傳授模式

1.1.1 當傳統教育遇到Google與百度

工業革命即產業革命，通過在科學技術上的重大突破，促進經濟和社會的全面發展。與此同時，工業革命由技術進步驅動所產生的社會分工也奠定了現代教育的基本模式，成為整個經濟社會發展的基礎。以蒸汽機的發明和應用為標志的第一次工業革命帶來了工業與農業的分工，并實現了技術與操作的分工。以電力的大規模應用為代表的第二次工業革命則帶來了管理與執行的分工，管理開始成為一門獨立學科。隨著第一臺可編程邏輯控制器（PLC）的問世，以自動化技術和電子技術的應用為代表的產業迅速升級與發展，不僅大幅度地提高了生產效率和質量水平，而且進一步明確和細化了對流程、角色、崗位的責任分工和對工作技能的要求，從而推動了整個經濟和社會的不斷進步。這場革命被人們稱為第三次工業革命。

工業革命對人類社會的影響極其深遠，它帶來的社會分工和技能要求，又進一步促進了現代教育模式的形成和發展，即按照社會分工要求設置學科和專業，學者將社會發展和工業革命中積累的經驗和知識編寫成書，教師通過以演講為主的方式將書本知識傳授給學生，從而開始了我們常說的“傳道、授業、解惑”。

隨著數字化技術（也稱信息技術）特別是互聯網等新興技術的興起，這一延續數百年的知識傳授模式受到了前所未有的沖擊。以Google與百度為代表的互聯網新銳，為莘莘學子帶來了便捷且成本極低的知識獲取模式——搜索和推薦！通過搜索和推薦，數以億計的互聯網應用和近乎海量的信息資源可以隨時展現在學生面前。許多教師都感慨“現在的課是越來越難講了”“壓力山大”！大部分教師都會有這樣的共識：教師知道的，學生能夠隨時搜索到；教師不知道的，學生也能隨時搜索到。不僅如此，互聯網還能主動推薦給學生需要的知識；甚至教師在講課中出現的一個小錯誤，也可以被學生迅速捕獲到。因此，互聯網技術的出現與普及正在讓學生特別是大學生逐漸失去在傳統課堂學習的興趣。

與此同時，由數字化技術帶來的產業革命，例如德國的“工業4.0”、美國的“工業互聯網”、中國的“中國制造2025”等計劃，正在顛覆傳統工業秩序，并為各行業進行數字化賦能（Digital Enablement）。科技進步和產業發展日新月異，傳統工業革命奠定的社會分工正在受到前所未有的沖擊。人們普遍感受到知識的傳授跟不上科技的發展。傳統教育模式是基于過去三次工業革命帶來的社會分工和勞動密集型的生產方式來設計的，其主要特點是：教材千篇一律，學生服從權威，授課方式制約了學生獨立思考能力和創造力的發展。然而，新興的數字化工業革命不僅顛覆了過去的生產方式，更需要大批的創新型和復合型人才。因此，我們迫切需要培養學生主動跟蹤科技發展趨勢，綜合利用管理技術和工程技術解決實際問題的能力。

由此可見，現有的教學模式難以適應新時代的需求，傳統的課堂教學無法充分地調動學生的主動性和積極性。曾經的三尺講臺，我們面對的是學生的求知欲望；如今的三尺講臺，我們面臨的是整個互聯網的挑戰。傳統教學及其方法亟須變革已成為教育界最為重要的話題之一。

1.1.2 傳統教學及教學方法

教學是學校的中心工作之一，在高等教育活動中占有極其重要的地位。教學的根本目的在于向學生傳授知識，增強學生對理論知識的理解和掌握，激發學生的好奇心和學習興趣，從而培育學生的創新思維與解決實際問題的能力。因此，選擇正確合理的教學方法對實現教育目標、保證教育質量以及培養創新型、復合型人才具有非常重要的意義。教學方法大多是某一類教學思想的體現，雖然因其教育目標的不同而有所差異，但是其共性都是為了實現教學目的和教學要求，都是教師授課方法和學生學習方法在教學活動中的高度融合和有機統一。因此，教學方法是提高教學質量和效率的重要保證。

傳統教學方法起源于17世紀，發展、完善于19世紀以后。1632年，捷克著名教育家揚·阿姆斯·夸美紐斯（Jan Amos Komensky）在《大教學論》（Great Didactic of Comenius）一書中提出教學必須“遵循自然”，這是西方近代最早的有系統的教育學著作，標志著獨立形態教學論的產生。18世紀末19世紀初，德國著名教育家約翰·弗里德里希·赫爾巴特（Johann Fridrich Herbart）開始從心理學角度為教學理論尋找依據，探討合理的教學方法。作為“教師中心說”的代表，他強調“學生對老師須保持一種被動的狀態”，提出了“教育性教學”原則，并逐漸形成了以解決“如何教”為中心的教學理論體系（鄒麗玲&李志宏，2009）。

傳統教學中運用的主要教學方法是講授法。一方面，傳統教學方法是“從教師到學生”的單向交流模式，該方法十分重視教師的“教”以及教師在教學中的“中心”地位。這有利于系統化傳授知識和技能，能夠使課堂教學規范化，并在一定程度上保證教學質量。另一方面，傳統教學方法卻忽略了學生的主體地位和個體差異，加上教學活動及內容相對單調，“重機械記憶和背誦，輕啟發和引導”，這使得學生很容易出現“機械學習，呆讀死記”的狀態。不僅如此，傳統教學方法的教學目標相對單一，重知識灌輸，輕能力培養，對學生在實踐中智力和非智力因素的關注和考慮相對較少。

歷次工業革命使得工業生產過程以及產品本身的復雜性不斷地增加，尤其是新型工業時代技術和管理的革新速度越來越快。傳統的管理模式乃至商業模式尚不足以適應并控制這個復雜性，對人才的傳統培養模式就更難以適應這種新形勢的能力要求。這種復雜性正在倒逼著企業和其他社會組織尋求新的管理技術和工程技術，以獲得持續競爭優勢和卓越的績效。對于企業和其他社會組織而言，培養和獲得能夠適應和駕馭這種新形勢要求的人才是首要的戰略任務。因此，人力資源的教育和管理不僅需要被動地快速適應變化，更需要積極主動地迎接沖擊、擁抱變化、面向未來。否則，任何不能與時俱進的教學模式和教育機構都有可能被時代洗牌出局。

1.1.3 教學方法的創新需求

19世紀末，美國著名實用主義教育家約翰·杜威（John Dewey）提倡促進個性的發展，與赫爾巴特的傳統教育思想形成了巨大的反差。杜威在教學方法上主張“從做中學”，在此基礎上提出“五步教學法”；與赫爾巴特相比，他強調以“活動”為中心，學生在“做”的過程中發現問題的真實性和有效性。這就將傳統教育的“教師中心、書本中心、課堂中心”轉變成為“學生中心、經驗中心、活動中心”。

雖然這種以培養學生能力為中心的教育理念很早就提出來了，然而深受前幾次工業革命的影響的傳統教學模式，依然在很大程度上被保留下來，并繼續發揮著影響。今天，在經濟和知識全球化的互聯網時代，傳統的教學模式與新環境對培養人才的教學創新要求之間存在的差異性和沖突性已經愈發明顯，主要體現在：

（1）傳統教學以書本為載體，目標是向學生傳授書本中的理論知識。教學創新的目的則是以理論知識為基礎，培養學生解決問題的實踐與創新能力。由于互聯網使得學生獲取基礎理論知識和相關經驗知識變得便捷與高效，教師的主要任務則逐漸轉變為鼓勵學生主動探究知識和經驗的實踐應用，甚至進行理論的創新。其間，教師就理論知識與實踐經驗中的學習難點進行針對性的講解和引導。

（2）傳統教學以教師主動講授、學生被動接受為主。教學創新則以教師引導、啟發學生主動學習和運用知識為主。新型工業革命對人才的需求體現為對綜合素質和專業復合型的要求，這使得知識不僅僅局限于某個學科或某個專業范疇。對于學生來說，教師已經不再是“知識庫”，他們應該開發新的教學方法并以自身的經驗來引導學生們善于使用互聯網、大數據、云平臺等信息時代的“萬能知識庫”來研究和解決實際問題。

（3）傳統教學是以在教室內通過課件講義的形式授課為主。教學創新則是由教師利用多種手段尤其是新興科技手段，設計和實施綜合的教學方式，以有效地激發學生的興趣，吸引其關注，促進學生與教師之間的良性互動，調動學生參與的積極性，從而引導學生進行知識的運用和探索。

（4）傳統教學的知識傳授一般僅限于課堂范圍內。教學創新則要求知識的傳授、運用和創新突破課堂范圍。教師需要引導學生有效利用課堂內外的時間、空間和資源，進行必要且充分的調研、整理、分析、討論和試驗等，在充分的實踐中將書本知識轉化為實際行動和創新能力。

（5）傳統教學的討論和小組學習一般僅限于書本上的問題和課后作業。教學創新則要求學校和教師盡其所能地提供模擬真實環境的“實驗室”，以培養學生解決實際問題的實踐和創新能力。在新型工業革命中，問題和需求的產生速度已經遠遠超過了書本知識的更新速度，只有在近似真實的環境中才能培育出符合新時代要求的優秀從業者。

（6）傳統教學中的知識傳授在新時代中僅僅等價于基于教材和講義的信息傳遞。教學創新則要求學生能夠通過實踐和創新的探索過程獲取、積累和運用知識。這些知識不僅包含書本上已有的理論和經驗，還包含根據現實環境靈活運用理論和經驗解決實際問題的方法和能力，以及在實踐過程中獲得的新知識。

可見，新時代教學正在從以教師為中心的“教師講課、書本知識、課堂傳授”，轉變為以學生為中心的“自我導向、提升能力、實踐活動”。因此，教育必須變革，以適應新時代的要求。其中，首先需要反思和做出改變的是教師的角色定位及其教學模式，教師需要通過新型的教學模式和科技手段有針對性地，甚至是個性化地對學生進行“能力定位、課程設計、教學實施”。

圖1-1概括了傳統教學和教學創新的差異，以及由傳統教學模式向教學創新模式轉變的科技助力。

1.1.4 教育科技助力教學方式轉型與變革

目前，新興科技的發展和全球化進程正在改變經濟、社會，甚至政治結構。教育同樣需要更多的科技驅動力來應對上述變化。基于技術創新的教學轉型創造了在全球范圍內學習、貢獻和參與的自由，這在十幾年前是不存在的。互聯網、大數據、人工智能等許多新興技術已經被用來升級和創新教學模式，慕課和翻轉課堂等教育科技手段正在助力教學方式的轉型和變革。

（1）慕課（MOOC，又稱大規模在線開放課程）是一個開放可擴展的在線教學平臺，允許學生反復訪問學習材料，合理安排學習進度。它還提供了在線社交平臺，鼓勵同行學習和小組討論。慕課提供了靈活且開放的學習環境，可大規模地應用于虛擬化教學，并為大眾提供了平等的學習機會。慕課的發展勢頭不容小覷。澳大利亞開放大學（Open Universities Australia）已加入慕課的提供商網絡，該大學已累計向25000名學生提供了免費課程，課程完成率已達26%。數字化技術使得教學和學習從原先的三尺講臺走向任何有網絡的地方。

（2）翻轉課堂（Flipped Classroom）是技術驅動的一種教學轉型模式，豐富了當前的課堂教學方法。它提供了一種新的學習模式，通過重新安排課內外時間，將學習的決定權從教師轉移給學生。這個模式的關鍵在于，學生們通過數字圖書館、音視頻資料及各種互聯網媒體，在課堂外獲得所需要的基礎知識，同時，授課老師成為課堂上的輔導員或訓練員，在有限的課堂時間內致力于為學生提供更精彩和更有吸引力的課程。教師通過減少個人授課時間并增加更多的實踐互動來幫助學生進行學習。例如，澳大利亞新南威爾士大學（The University of New South Wales）的商學院將整個商學院大樓的一層空間進行重新開發，改造成為一個“翻轉”的教學空間，并命名為PLACE（Peer Learning And Collaborative Exchange，同伴學習與協作交流），并打造了多門翻轉課程。這些靈活和豐富的新技術空間，為學生營造了積極主動的學習環境，有助于塑造強大的學習者群體。

（3）3D打印機和可穿戴技術在近年來的可用性不斷提高。3D打印機通常用于制造和構建可以在三維層面表達的原型。可穿戴技術是指可由用戶佩戴的數字設備，以諸如珠寶和眼鏡等配飾的形式（如Google眼鏡和智能手表等）與用戶的日常生活和運動進行無縫集成。在教學環境中采用3D打印機和可穿戴技術可以提供真實的世界環境，并且可以更有效地探索以前可能無法接觸的對象和無法獲得的環境。例如，在美國愛荷華州立大學（Iowa State University）的全球微觀裝配實驗室（GeoFabLab）中，地質學專業的學生可以通過3D打印標本來檢查稀有化石、晶體和礦物，從而不會損壞真實的珍貴物品。與此同時，美國加利福尼亞大學爾灣分校（University of California, Irvine）的醫學院已經將Google眼鏡納入其解剖學課程。越來越多的教育機構采用了3D打印技術和可穿戴技術，將它們應用于促進基于具體項目的學習，學生能夠借助這些技術手段對研究對象和實驗環境形成更為深刻的理解。

（4）大數據分析技術為教育科技的應用提供了更有效的支持。一方面，它通過幫助教師分析自身的教學效果以及學生的學習效果，不斷改進教學手段和教學質量。另一方面，它還幫助學生有效地界定自身優勢，根據學生的家庭背景、能力、興趣和學習風格的個體差異，提供課程的個性化推薦和學習計劃的輔助型建議，從而突破了“千篇一律”的教育瓶頸。美國普渡大學（Purdue University）的信號項目就是一個很好的例子。信號項目（Signals）是一個學習管理平臺的交互數據分析系統。該系統通過數據分析來建立學生的學習情況預測模型。系統會自動分析學生是否可以達到課程要求，是否存在不能完成課程的風險，以及是否需要額外的學術支持等。系統還會通過類似交通信號燈的方式來將學習情況呈現給教師和學生本人。總的來說，普渡大學的信號項目已經被證明對學生的學習效果有積極的作用。

與此同時，新興科技不僅可以改進和創新教學手段，還可以應用到教學過程中。新興科技作為教學內容的組成部分，教師可引導學生通過學習和利用新興科技進行知識的實踐和探索，進而將自己的專業學習、社會的需求和技術的發展三者有機地結合起來。

1.2 沙盒教學模式的提出

1.2.1 實踐型教學模式

當前，眾多科技手段主要運用于知識傳授和教學輔助。然而，新興科技特別是數字化技術已經與各個行業的業務與發展進行了深度融合，如我們現在耳熟能詳的金融科技、電子商務、智能制造、遠程醫療、基因工程、移動社交、智慧城市等。科技不只是教學手段的重要支撐，更應該是教學內容的重要組成部分。當今社會的各種需求和應用幾乎都是專業知識和科技手段的結合，包括工程領域和管理領域。因此，教師有必要主動將科技與各個專業領域的教學內容進行結合，讓學生們通過參與實踐來感知、思考和運用知識，而不僅僅讓知識停留在講義上、書本里和討論中。

目前，在實踐型教學方面，很多學科也都已經開設了相應的設計與實驗課程，并將實踐成果作為課程作業對學生進行考核，例如，電子信息工程專業中的數字時鐘設計與制作，管理信息系統專業的產品管理系統設計與開發，供應鏈與物流管理專業的連鎖店物流模型設計等。然而，這些實踐課程都需要在嚴格的場景設定條件下設計與實施，并且通常配備有標準答案，主要目的仍然是檢驗學生對書本知識的掌握，且教學方式仍是以教師講授為主，輔以簡單的小組討論，然后由學生按照既定流程完成一個規范化的實踐操作過程。

業界已有的實踐型教學模式主要存在兩個方面的問題：其一，書本內容相對于知識的發展，特別是在新興科技的應用方面，存在明顯的滯后性。這不僅影響了學生對新興知識的獲取，而且在可通過互聯網便捷獲取知識的背景下，容易讓學生對這類教學失去興趣。另一方面，大多數實踐教學的課程設計內容和要求相對于社會的需求也明顯脫節。這不僅阻礙了學生感知企業和了解社會，而且限制了學生提升靈活學習和運用知識的能力，以及主動解決實際問題甚至開展創新活動的能力。

因此，在科技助力教學的基礎上，我們需要一種新型的實踐教學模式，以適應和應對當今日新月異的科技進步和社會發展的需求。這種新型的教學模式，需要以知識運用和實踐創新為導向，需要滿足面向未來且立足實際的要求，需要有接近真實且相對安全的實踐環境。總之，新型的實踐型教學模式要讓學生體會到真實的場景、實用的操作，同時保留結構化的規范過程。

1.2.2 沙盒教學新概念

基于以往的校企合作經驗和教學模式研究，以及自身實踐創新的成功探索，我們提出了“沙盒教學”（Sandboxing for Teaching）的教學模式。

沙盒的概念，已在多個領域中有類似的應用：①在兒童教育領域，沙盒（Sandbox）是指一些被預先設計好的安全容器。例如，在一個裝滿小球的容器里，兒童可以隨意玩耍，該容器可起到保護兒童的作用。因此，沙盒在這里可以被理解為一種安全的兒童娛樂環境。②在計算機應用領域，沙盒（Sandboxing）是一種按照安全策略限制程序行為的虛擬系統執行環境，允許用戶在沙盒環境中運行瀏覽器或其他程序，同時控制程序可使用的資源（如文件描述符、內存、磁盤空間等），為用戶提供安全的實驗環境。③在軍事領域，沙盒（Sand-table）通常放置以一定的比例制作的地形模型，以及代表軍隊與武器布置的模型或圖案，是作為軍事作戰演練、模擬與指揮的環境。隨著數字化技術的發展，目前軍事沙盒已經實現了信息化，例如戰爭游戲模式。④在虛擬游戲領域，沙盒游戲（Sandbox Game）則是由沙盤游戲演變而來。沙盒游戲兼具高清畫質和游戲藝術性。玩家可以在游戲世界中自由奔跑，而不是根據游戲固定設置的主線劇情進行游戲。創造性是該類游戲的核心理念，其自由度與隨機突發事件是不可缺失的部分。

與此同時，在經濟管理和教育管理領域，若干國家和高校也開展了沙盒項目。例如：英國金融行為監管局（Financial Conduct Authority, FCA）為符合條件的金融科技（Fintech）企業推出金融科技監管沙盒（Fintech Regulatory Sandbox）。該沙盒項目提供虛擬且安全的政策環境，用以測試最新的金融科技產品和服務的可行性。美國麻省理工學院推出教育創新與變革沙盒（MIT Innovation Fund Sandboxing）。該沙盒引入企業現實問題，模擬真實的商業情境，從而為學生創業或創新活動提供孵化環境。

可見，沙盒的主要特點體現為相對安全且接近真實情境的實踐環境。因此，我們基于多年研究和教學的實踐與創新經驗，將沙盒理念與現代教學理念有機結合，定義了“沙盒教學”的基本概念，如圖1-2所示。

在沙盒教學的概念中，教學目的不再停留在面向書本知識的傳授，而要進一步面向學生知識運用能力和實踐創新能力的培養。教學的環境也不再限于課堂的單向授課環境，而要延伸至面向企業的現實問題并結合新興的技術背景，就像我們常說的“玩真的”。更為重要的是，沙盒教學需要提供一個接近真實且相對安全的實踐環境，可以在課堂中，也可以在課堂外，更可以將課堂內外結合起來，甚至延伸到競賽、興趣小組、創意孵化器等環境中。畢竟，學校的教學與企業真實的技術研發、產品開發和項目運營有所不同，沙盒教學中的所有方案、建議和變化都不會對企業的實際運營造成損失。因此，沙盒教學既能提供接近真實的實踐環境，又能保證實踐的相對安全。

基于以上討論，我們接下來要考慮的問題是：我們應采用怎樣的具體方式，才能夠將企業的現實問題、新興的技術背景和安全的實踐環境，納入面向學生的教學情境？又應按照何種規范的結構化過程來引導學生進行實用化的操作？