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工业革命即产业革命，通过在科学技术上的重大突破，促进经济和社会的全面发展。与此同时，工业革命由技术进步驱动所产生的社会分工也奠定了现代教育的基本模式，成为整个经济社会发展的基础。以蒸汽机的发明和应用为标志的第一次工业革命带来了工业与农业的分工，并实现了技术与操作的分工。以电力的大规模应用为代表的第二次工业革命则带来了管理与执行的分工，管理开始成为一门独立学科。随着第一台可编程逻辑控制器（PLC）的问世，以自动化技术和电子技术的应用为代表的产业迅速升级与发展，不仅大幅度地提高了生产效率和质量水平，而且进一步明确和细化了对流程、角色、岗位的责任分工和对工作技能的要求，从而推动了整个经济和社会的不断进步。这场革命被人们称为第三次工业革命。
工业革命对人类社会的影响极其深远，它带来的社会分工和技能要求，又进一步促进了现代教育模式的形成和发展，即按照社会分工要求设置学科和专业，学者将社会发展和工业革命中积累的经验和知识编写成书，教师通过以演讲为主的方式将书本知识传授给学生，从而开始了我们常说的“传道、授业、解惑”。
随着数字化技术（也称信息技术）特别是互联网等新兴技术的兴起，这一延续数百年的知识传授模式受到了前所未有的冲击。以Google与百度为代表的互联网新锐，为莘莘学子带来了便捷且成本极低的知识获取模式——搜索和推荐！通过搜索和推荐，数以亿计的互联网应用和近乎海量的信息资源可以随时展现在学生面前。许多教师都感慨“现在的课是越来越难讲了”“压力山大”！大部分教师都会有这样的共识：教师知道的，学生能够随时搜索到；教师不知道的，学生也能随时搜索到。不仅如此，互联网还能主动推荐给学生需要的知识；甚至教师在讲课中出现的一个小错误，也可以被学生迅速捕获到。因此，互联网技术的出现与普及正在让学生特别是大学生逐渐失去在传统课堂学习的兴趣。
与此同时，由数字化技术带来的产业革命，例如德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”、中国的“中国制造2025”等计划，正在颠覆传统工业秩序，并为各行业进行数字化赋能（Digital Enablement）。科技进步和产业发展日新月异，传统工业革命奠定的社会分工正在受到前所未有的冲击。人们普遍感受到知识的传授跟不上科技的发展。传统教育模式是基于过去三次工业革命带来的社会分工和劳动密集型的生产方式来设计的，其主要特点是：教材千篇一律，学生服从权威，授课方式制约了学生独立思考能力和创造力的发展。然而，新兴的数字化工业革命不仅颠覆了过去的生产方式，更需要大批的创新型和复合型人才。因此，我们迫切需要培养学生主动跟踪科技发展趋势，综合利用管理技术和工程技术解决实际问题的能力。
由此可见，现有的教学模式难以适应新时代的需求，传统的课堂教学无法充分地调动学生的主动性和积极性。曾经的三尺讲台，我们面对的是学生的求知欲望；如今的三尺讲台，我们面临的是整个互联网的挑战。传统教学及其方法亟须变革已成为教育界最为重要的话题之一。
教学是学校的中心工作之一，在高等教育活动中占有极其重要的地位。教学的根本目的在于向学生传授知识，增强学生对理论知识的理解和掌握，激发学生的好奇心和学习兴趣，从而培育学生的创新思维与解决实际问题的能力。因此，选择正确合理的教学方法对实现教育目标、保证教育质量以及培养创新型、复合型人才具有非常重要的意义。教学方法大多是某一类教学思想的体现，虽然因其教育目标的不同而有所差异，但是其共性都是为了实现教学目的和教学要求，都是教师授课方法和学生学习方法在教学活动中的高度融合和有机统一。因此，教学方法是提高教学质量和效率的重要保证。
传统教学方法起源于17世纪，发展、完善于19世纪以后。1632年，捷克著名教育家扬·阿姆斯·夸美纽斯（Jan Amos Komenský）在《大教学论》（ Great Didactic of Comenius ）一书中提出教学必须“遵循自然”，这是西方近代最早的有系统的教育学著作，标志着独立形态教学论的产生。18世纪末19世纪初，德国著名教育家约翰·弗里德里希·赫尔巴特（Johann Fridrich Herbart）开始从心理学角度为教学理论寻找依据，探讨合理的教学方法。作为“教师中心说”的代表，他强调“学生对老师须保持一种被动的状态”，提出了“教育性教学”原则，并逐渐形成了以解决“如何教”为中心的教学理论体系（邹丽玲&李志宏，2009）。
传统教学中运用的主要教学方法是讲授法。一方面，传统教学方法是“从教师到学生”的单向交流模式，该方法十分重视教师的“教”以及教师在教学中的“中心”地位。这有利于系统化传授知识和技能，能够使课堂教学规范化，并在一定程度上保证教学质量。另一方面，传统教学方法却忽略了学生的主体地位和个体差异，加上教学活动及内容相对单调，“重机械记忆和背诵，轻启发和引导”，这使得学生很容易出现“机械学习，呆读死记”的状态。不仅如此，传统教学方法的教学目标相对单一，重知识灌输，轻能力培养，对学生在实践中智力和非智力因素的关注和考虑相对较少。
历次工业革命使得工业生产过程以及产品本身的复杂性不断地增加，尤其是新型工业时代技术和管理的革新速度越来越快。传统的管理模式乃至商业模式尚不足以适应并控制这个复杂性，对人才的传统培养模式就更难以适应这种新形势的能力要求。这种复杂性正在倒逼着企业和其他社会组织寻求新的管理技术和工程技术，以获得持续竞争优势和卓越的绩效。对于企业和其他社会组织而言，培养和获得能够适应和驾驭这种新形势要求的人才是首要的战略任务。因此，人力资源的教育和管理不仅需要被动地快速适应变化，更需要积极主动地迎接冲击、拥抱变化、面向未来。否则，任何不能与时俱进的教学模式和教育机构都有可能被时代洗牌出局。
19世纪末，美国著名实用主义教育家约翰·杜威（John Dewey）提倡促进个性的发展，与赫尔巴特的传统教育思想形成了巨大的反差。杜威在教学方法上主张“从做中学”，在此基础上提出“五步教学法”；与赫尔巴特相比，他强调以“活动”为中心，学生在“做”的过程中发现问题的真实性和有效性。这就将传统教育的“教师中心、书本中心、课堂中心”转变成为“学生中心、经验中心、活动中心”。
虽然这种以培养学生能力为中心的教育理念很早就提出来了，然而深受前几次工业革命的影响的传统教学模式，依然在很大程度上被保留下来，并继续发挥着影响。今天，在经济和知识全球化的互联网时代，传统的教学模式与新环境对培养人才的教学创新要求之间存在的差异性和冲突性已经愈发明显，主要体现在：
（1）传统教学以书本为载体，目标是向学生传授书本中的理论知识。教学创新的目的则是以理论知识为基础，培养学生解决问题的实践与创新能力。由于互联网使得学生获取基础理论知识和相关经验知识变得便捷与高效，教师的主要任务则逐渐转变为鼓励学生主动探究知识和经验的实践应用，甚至进行理论的创新。其间，教师就理论知识与实践经验中的学习难点进行针对性的讲解和引导。
（2）传统教学以教师主动讲授、学生被动接受为主。教学创新则以教师引导、启发学生主动学习和运用知识为主。新型工业革命对人才的需求体现为对综合素质和专业复合型的要求，这使得知识不仅仅局限于某个学科或某个专业范畴。对于学生来说，教师已经不再是“知识库”，他们应该开发新的教学方法并以自身的经验来引导学生们善于使用互联网、大数据、云平台等信息时代的“万能知识库”来研究和解决实际问题。
（3）传统教学是以在教室内通过课件讲义的形式授课为主。教学创新则是由教师利用多种手段尤其是新兴科技手段，设计和实施综合的教学方式，以有效地激发学生的兴趣，吸引其关注，促进学生与教师之间的良性互动，调动学生参与的积极性，从而引导学生进行知识的运用和探索。
（4）传统教学的知识传授一般仅限于课堂范围内。教学创新则要求知识的传授、运用和创新突破课堂范围。教师需要引导学生有效利用课堂内外的时间、空间和资源，进行必要且充分的调研、整理、分析、讨论和试验等，在充分的实践中将书本知识转化为实际行动和创新能力。
（5）传统教学的讨论和小组学习一般仅限于书本上的问题和课后作业。教学创新则要求学校和教师尽其所能地提供模拟真实环境的“实验室”，以培养学生解决实际问题的实践和创新能力。在新型工业革命中，问题和需求的产生速度已经远远超过了书本知识的更新速度，只有在近似真实的环境中才能培育出符合新时代要求的优秀从业者。
（6）传统教学中的知识传授在新时代中仅仅等价于基于教材和讲义的信息传递。教学创新则要求学生能够通过实践和创新的探索过程获取、积累和运用知识。这些知识不仅包含书本上已有的理论和经验，还包含根据现实环境灵活运用理论和经验解决实际问题的方法和能力，以及在实践过程中获得的新知识。
可见，新时代教学正在从以教师为中心的“教师讲课、书本知识、课堂传授”，转变为以学生为中心的“自我导向、提升能力、实践活动”。因此，教育必须变革，以适应新时代的要求。其中，首先需要反思和做出改变的是教师的角色定位及其教学模式，教师需要通过新型的教学模式和科技手段有针对性地，甚至是个性化地对学生进行“能力定位、课程设计、教学实施”。
图1-1概括了传统教学和教学创新的差异，以及由传统教学模式向教学创新模式转变的科技助力。
图1-1 教育模式的变革与教育科技的助力
目前，新兴科技的发展和全球化进程正在改变经济、社会，甚至政治结构。教育同样需要更多的科技驱动力来应对上述变化。基于技术创新的教学转型创造了在全球范围内学习、贡献和参与的自由，这在十几年前是不存在的。互联网、大数据、人工智能等许多新兴技术已经被用来升级和创新教学模式，慕课和翻转课堂等教育科技手段正在助力教学方式的转型和变革。
（1）慕课（MOOC，又称大规模在线开放课程）是一个开放可扩展的在线教学平台，允许学生反复访问学习材料，合理安排学习进度。它还提供了在线社交平台，鼓励同行学习和小组讨论。慕课提供了灵活且开放的学习环境，可大规模地应用于虚拟化教学，并为大众提供了平等的学习机会。慕课的发展势头不容小觑。澳大利亚开放大学（Open Universities Australia）已加入慕课的提供商网络，该大学已累计向25000名学生提供了免费课程，课程完成率已达26%。数字化技术使得教学和学习从原先的三尺讲台走向任何有网络的地方。
（2）翻转课堂（Flipped Classroom）是技术驱动的一种教学转型模式，丰富了当前的课堂教学方法。它提供了一种新的学习模式，通过重新安排课内外时间，将学习的决定权从教师转移给学生。这个模式的关键在于，学生们通过数字图书馆、音视频资料及各种互联网媒体，在课堂外获得所需要的基础知识，同时，授课老师成为课堂上的辅导员或训练员，在有限的课堂时间内致力于为学生提供更精彩和更有吸引力的课程。教师通过减少个人授课时间并增加更多的实践互动来帮助学生进行学习。例如，澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales）的商学院将整个商学院大楼的一层空间进行重新开发，改造成为一个“翻转”的教学空间，并命名为PLACE（Peer Learning And Collaborative Exchange，同伴学习与协作交流），并打造了多门翻转课程。这些灵活和丰富的新技术空间，为学生营造了积极主动的学习环境，有助于塑造强大的学习者群体。
（3）3D打印机和可穿戴技术在近年来的可用性不断提高。3D打印机通常用于制造和构建可以在三维层面表达的原型。可穿戴技术是指可由用户佩戴的数字设备，以诸如珠宝和眼镜等配饰的形式（如Google眼镜和智能手表等）与用户的日常生活和运动进行无缝集成。在教学环境中采用3D打印机和可穿戴技术可以提供真实的世界环境，并且可以更有效地探索以前可能无法接触的对象和无法获得的环境。例如，在美国爱荷华州立大学（Iowa State University）的全球微观装配实验室（GeoFabLab）中，地质学专业的学生可以通过3D打印标本来检查稀有化石、晶体和矿物，从而不会损坏真实的珍贵物品。与此同时，美国加利福尼亚大学尔湾分校（University of California, Irvine）的医学院已经将Google眼镜纳入其解剖学课程。越来越多的教育机构采用了3D打印技术和可穿戴技术，将它们应用于促进基于具体项目的学习，学生能够借助这些技术手段对研究对象和实验环境形成更为深刻的理解。
（4）大数据分析技术为教育科技的应用提供了更有效的支持。一方面，它通过帮助教师分析自身的教学效果以及学生的学习效果，不断改进教学手段和教学质量。另一方面，它还帮助学生有效地界定自身优势，根据学生的家庭背景、能力、兴趣和学习风格的个体差异，提供课程的个性化推荐和学习计划的辅助型建议，从而突破了“千篇一律”的教育瓶颈。美国普渡大学（Purdue University）的信号项目就是一个很好的例子。信号项目（Signals）是一个学习管理平台的交互数据分析系统。该系统通过数据分析来建立学生的学习情况预测模型。系统会自动分析学生是否可以达到课程要求，是否存在不能完成课程的风险，以及是否需要额外的学术支持等。系统还会通过类似交通信号灯的方式来将学习情况呈现给教师和学生本人。总的来说，普渡大学的信号项目已经被证明对学生的学习效果有积极的作用。
与此同时，新兴科技不仅可以改进和创新教学手段，还可以应用到教学过程中。新兴科技作为教学内容的组成部分，教师可引导学生通过学习和利用新兴科技进行知识的实践和探索，进而将自己的专业学习、社会的需求和技术的发展三者有机地结合起来。
当前，众多科技手段主要运用于知识传授和教学辅助。然而，新兴科技特别是数字化技术已经与各个行业的业务与发展进行了深度融合，如我们现在耳熟能详的金融科技、电子商务、智能制造、远程医疗、基因工程、移动社交、智慧城市等。科技不只是教学手段的重要支撑，更应该是教学内容的重要组成部分。当今社会的各种需求和应用几乎都是专业知识和科技手段的结合，包括工程领域和管理领域。因此，教师有必要主动将科技与各个专业领域的教学内容进行结合，让学生们通过参与实践来感知、思考和运用知识，而不仅仅让知识停留在讲义上、书本里和讨论中。
目前，在实践型教学方面，很多学科也都已经开设了相应的设计与实验课程，并将实践成果作为课程作业对学生进行考核，例如，电子信息工程专业中的数字时钟设计与制作，管理信息系统专业的产品管理系统设计与开发，供应链与物流管理专业的连锁店物流模型设计等。然而，这些实践课程都需要在严格的场景设定条件下设计与实施，并且通常配备有标准答案，主要目的仍然是检验学生对书本知识的掌握，且教学方式仍是以教师讲授为主，辅以简单的小组讨论，然后由学生按照既定流程完成一个规范化的实践操作过程。
业界已有的实践型教学模式主要存在两个方面的问题：其一，书本内容相对于知识的发展，特别是在新兴科技的应用方面，存在明显的滞后性。这不仅影响了学生对新兴知识的获取，而且在可通过互联网便捷获取知识的背景下，容易让学生对这类教学失去兴趣。另一方面，大多数实践教学的课程设计内容和要求相对于社会的需求也明显脱节。这不仅阻碍了学生感知企业和了解社会，而且限制了学生提升灵活学习和运用知识的能力，以及主动解决实际问题甚至开展创新活动的能力。
因此，在科技助力教学的基础上，我们需要一种新型的实践教学模式，以适应和应对当今日新月异的科技进步和社会发展的需求。这种新型的教学模式，需要以知识运用和实践创新为导向，需要满足面向未来且立足实际的要求，需要有接近真实且相对安全的实践环境。总之，新型的实践型教学模式要让学生体会到真实的场景、实用的操作，同时保留结构化的规范过程。
基于以往的校企合作经验和教学模式研究，以及自身实践创新的成功探索，我们提出了“沙盒教学”（Sandboxing for Teaching）的教学模式。
沙盒的概念，已在多个领域中有类似的应用：①在儿童教育领域，沙盒（Sandbox）是指一些被预先设计好的安全容器。例如，在一个装满小球的容器里，儿童可以随意玩耍，该容器可起到保护儿童的作用。因此，沙盒在这里可以被理解为一种安全的儿童娱乐环境。②在计算机应用领域，沙盒（Sandboxing）是一种按照安全策略限制程序行为的虚拟系统执行环境，允许用户在沙盒环境中运行浏览器或其他程序，同时控制程序可使用的资源（如文件描述符、内存、磁盘空间等），为用户提供安全的实验环境。③在军事领域，沙盒（Sand-table）通常放置以一定的比例制作的地形模型，以及代表军队与武器布置的模型或图案，是作为军事作战演练、模拟与指挥的环境。随着数字化技术的发展，目前军事沙盒已经实现了信息化，例如战争游戏模式。④在虚拟游戏领域，沙盒游戏（Sandbox Game）则是由沙盘游戏演变而来。沙盒游戏兼具高清画质和游戏艺术性。玩家可以在游戏世界中自由奔跑，而不是根据游戏固定设置的主线剧情进行游戏。创造性是该类游戏的核心理念，其自由度与随机突发事件是不可缺失的部分。
与此同时，在经济管理和教育管理领域，若干国家和高校也开展了沙盒项目。例如：英国金融行为监管局（Financial Conduct Authority, FCA）为符合条件的金融科技（Fintech）企业推出金融科技监管沙盒（Fintech Regulatory Sandbox）。该沙盒项目提供虚拟且安全的政策环境，用以测试最新的金融科技产品和服务的可行性。美国麻省理工学院推出教育创新与变革沙盒（MIT Innovation Fund Sandboxing）。该沙盒引入企业现实问题，模拟真实的商业情境，从而为学生创业或创新活动提供孵化环境。
可见，沙盒的主要特点体现为相对安全且接近真实情境的实践环境。因此，我们基于多年研究和教学的实践与创新经验，将沙盒理念与现代教学理念有机结合，定义了“沙盒教学”的基本概念，如图1-2所示。
图1-2 沙盒教学的基本概念
在沙盒教学的概念中，教学目的不再停留在面向书本知识的传授，而要进一步面向学生知识运用能力和实践创新能力的培养。教学的环境也不再限于课堂的单向授课环境，而要延伸至面向企业的现实问题并结合新兴的技术背景，就像我们常说的“玩真的”。更为重要的是，沙盒教学需要提供一个接近真实且相对安全的实践环境，可以在课堂中，也可以在课堂外，更可以将课堂内外结合起来，甚至延伸到竞赛、兴趣小组、创意孵化器等环境中。毕竟，学校的教学与企业真实的技术研发、产品开发和项目运营有所不同，沙盒教学中的所有方案、建议和变化都不会对企业的实际运营造成损失。因此，沙盒教学既能提供接近真实的实践环境，又能保证实践的相对安全。
基于以上讨论，我们接下来要考虑的问题是：我们应采用怎样的具体方式，才能够将企业的现实问题、新兴的技术背景和安全的实践环境，纳入面向学生的教学情境？又应按照何种规范的结构化过程来引导学生进行实用化的操作？