基于SL-CDIO理念推動民族地區(qū)高校創(chuàng)新型工科人才培養(yǎng)

陳 爽， 賈依凡， 任秀麗， 姜男哲， 韓順玉

（延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林延吉 133002）

0 引 言

2020年11月19日，習(xí)近平總書記在亞太經(jīng)合組織工商領(lǐng)導(dǎo)人對話會上指出：“中國堅持把創(chuàng)新作為引領(lǐng)發(fā)展的第一動力”［1］。自頒布“中國制造2025”戰(zhàn)略、提出“三步走”發(fā)展目標(biāo)和促進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級以來，以新技術(shù)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展對創(chuàng)新型工程技術(shù)人才的培養(yǎng)提出了更高要求。因此，加快新工科專業(yè)建設(shè)，加快培養(yǎng)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新型人才極為迫切［2］。

近年來，校企合作、產(chǎn)教融合等新型教學(xué)模式促使新工科專業(yè)建設(shè)在發(fā)達(dá)地區(qū)得到發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)新技術(shù)、新工藝教學(xué)項目和內(nèi)容得到了較快的提升［3-6］。然而，民族地區(qū)相對發(fā)展不平衡的現(xiàn)狀使其經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍然以傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)為主，新興科技產(chǎn)業(yè)較少，故無法效仿發(fā)達(dá)地區(qū)通過校企合作、產(chǎn)教融合等模式來實現(xiàn)新工科專業(yè)建設(shè)［7］。因此，民族地區(qū)新工科人才的培養(yǎng)面臨著重大挑戰(zhàn)。2019年9月，我校工學(xué)院以創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)為目標(biāo)，以大類招生培養(yǎng)為契機(jī)，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)科基礎(chǔ)，尊重學(xué)生對于專業(yè)的個性化選擇，努力培養(yǎng)出“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的新工科人才。繼而如何開展大類基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革，使其促成工學(xué)類學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)，是任課教師亟須解決的問題。

基于此，以工學(xué)院線性代數(shù)課程教學(xué)大綱為基礎(chǔ)，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽項目為實踐案例，結(jié)合工學(xué)類學(xué)生線性代數(shù)課程教學(xué)內(nèi)容，提出了SL-CDIO理念下民族地區(qū)線性代數(shù)課程教學(xué)改革與實踐，為創(chuàng)新型工科人才培養(yǎng)提供新思路。課程學(xué)習(xí)效果評價結(jié)果表明：基于SL-CDIO模式的線性代數(shù)課程教學(xué)體系可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)線性代數(shù)課程的積極性，同時可以提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，是創(chuàng)新型新工科人才培養(yǎng)的有效手段。

1 SL-CDIO模式教育理念的概述

CDIO理念是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）和瑞典皇家理工學(xué)院（KTH）等4所工程技術(shù)大學(xué)發(fā)起的一項工程教育改革新思路。CDIO分別代表構(gòu)思（Conceive）、設(shè)計（Design）、實現(xiàn)（Implement）、運作（Operate）4個教育和實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)［8］。基于上述基本理念與特點，整合實驗室優(yōu)勢（L）與學(xué)生需求（S），結(jié)合我校工學(xué)院工學(xué)類線性代數(shù)課程教學(xué)過程，提出了基于“SL-CDIO”理念推動民族地區(qū)高校創(chuàng)新型工科人才培養(yǎng)。該模式以線性代數(shù)課程為基礎(chǔ)，在課程中完成構(gòu)思（C）與設(shè)計（D），同時借助創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽全面模擬實驗室科技成果轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的企業(yè)項目、企業(yè)環(huán)境等來完成實現(xiàn)（I）與運作（O）環(huán)節(jié)［9］。此外，S和L分別指代學(xué)生（Students）和實驗室（Labor），充分利用工科實驗室項目科技成果轉(zhuǎn)化可行性高的特點，通過雙創(chuàng)教育培養(yǎng)學(xué)生完成復(fù)雜工程項目的綜合能力與創(chuàng)新思維。即通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽實踐過程促使學(xué)生掌握并鞏固專業(yè)基礎(chǔ)知識，為校企合作薄弱的民族地區(qū)提供創(chuàng)新型工科人才的培養(yǎng)平臺。該理念的合理應(yīng)用不但可以加強(qiáng)線性代數(shù)課程與實驗成果轉(zhuǎn)化中涉及的課程體系之間的連貫性，還可以實現(xiàn)適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)［10］。

2 SL-CDIO理念教學(xué)在民族地區(qū)的可行性

當(dāng)前，我國正處于加快轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級的關(guān)鍵時期，推進(jìn)民族地區(qū)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)具有重要戰(zhàn)略意義。然而，民族地區(qū)發(fā)展相對不平衡，發(fā)達(dá)地區(qū)的雙創(chuàng)教育等人才培養(yǎng)方式很難切實有效地合理運用到民族地區(qū)高校，故需要新的思路來整合現(xiàn)有資源，有效地提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

以工學(xué)院線性代數(shù)課程為例，課堂教學(xué)內(nèi)容主要由概念、定理、方法組成，學(xué)生對于理論推導(dǎo)、證明和計算的應(yīng)用無法完全理解，學(xué)習(xí)興趣難以提高，很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)效果。經(jīng)對學(xué)生們學(xué)習(xí)效果的調(diào)查，對于線性代數(shù)課程教學(xué)質(zhì)量評價可得出以下結(jié)論：

（1）教學(xué)內(nèi)容重理論，輕實踐。由于線性代數(shù)課程內(nèi)容本身所固有的抽象性，導(dǎo)致學(xué)生對知識的理解不夠深入；此外，民族地區(qū)缺乏新興產(chǎn)業(yè)網(wǎng)，難以將學(xué)科基礎(chǔ)知識與新興產(chǎn)業(yè)結(jié)合，導(dǎo)致學(xué)生創(chuàng)新意識及應(yīng)用能力的培養(yǎng)相對困難。

（2）教學(xué)模式單一化。目前，大多數(shù)課程的教學(xué)方法以PPT或板書為主，即使結(jié)合學(xué)習(xí)通等新型教學(xué)技術(shù)，仍無法保證知識的合理傳遞，從而導(dǎo)致學(xué)生對于知識的掌握程度僅僅停留在淺層認(rèn)知狀態(tài)。同時，傳統(tǒng)教學(xué)模式很難讓學(xué)生找到創(chuàng)新突破點深入學(xué)習(xí)，難以做到學(xué)以致用的效果。

基于SL-CDIO理念整合了工科實驗室條件優(yōu)勢，借助大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽及項目實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)與教育資源最大化利用；同時，改變學(xué)生的認(rèn)知誤區(qū)，提高學(xué)生對線性代數(shù)課程的了解，進(jìn)而加深對工學(xué)類專業(yè)的認(rèn)識。通過兩年的教學(xué)實踐，結(jié)果表明：SL-CDIO理念下的新型教育教學(xué)模式有利于新工科人才的培養(yǎng)，可以很大程度地緩解“重理論，輕實踐”的教學(xué)現(xiàn)狀，改善學(xué)生無法深入理解教學(xué)內(nèi)容的狀況［11］。同時，通過SL-CDIO理念中的構(gòu)思與設(shè)計可以實現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)中的自主性，合理增加教學(xué)內(nèi)容的多樣性。

3 SL-CDIO理念下線性代數(shù)課程的教學(xué)模式構(gòu)建

作為工科人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)課程，線性代數(shù)知識主要歸納為行列式、矩陣、向量組、線性方程組和二次型5個模塊［12］。基于線性代數(shù)課程的5個知識模塊與應(yīng)用，提出5個模塊+3個層次+3類實踐的“5·3·3”教學(xué)體系（見圖1），3個層次的教學(xué)階段是基礎(chǔ)與原理、技術(shù)與設(shè)計、競賽與實踐。為進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，針對3個層次教學(xué)階段分別設(shè)置了理論傳授實踐、綜合應(yīng)用設(shè)計和競賽實踐項目3類實踐教學(xué)內(nèi)容［13-14］。

圖1 基于SL-CDIO理念的“5·3·3”教學(xué)體系的構(gòu)建

（1）基礎(chǔ)與原理教學(xué)階段。由任課教師通過理論傳授實踐，即基于國家自然科學(xué)基金等相關(guān)課題或項目研究，選擇并簡化實際問題，進(jìn)而實現(xiàn)抽象的數(shù)學(xué)概念具體化，把理論知識與雙創(chuàng)教育進(jìn)行初步結(jié)合［14-15］。在任課教師對相關(guān)概念進(jìn)行演示和分析的過程中，使學(xué)生掌握理論的形成過程與其應(yīng)用的方向；同時對實踐項目解決思路進(jìn)行歸納總結(jié)，理解解決問題的思路和培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識。例如：在“n維空間”的教學(xué)過程中，通過將線性代數(shù)課程中的幾何知識（坐標(biāo)系定義、坐標(biāo)定義、坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換關(guān)系等）應(yīng)用于拓?fù)浼{米結(jié)構(gòu)中簡單的二、三維空間計算問題，進(jìn)而推廣到n維空間地基、坐標(biāo)、基變換等抽象概念。該階段以專業(yè)基礎(chǔ)教育為側(cè)重點，為雙創(chuàng)教育的引入與SL-CDIO理念中的構(gòu)思打好基礎(chǔ)。

（2）技術(shù)與設(shè)計教學(xué)階段。通過綜合應(yīng)用設(shè)計，將線性代數(shù)理論知識數(shù)學(xué)模型和計算機(jī)操作結(jié)合為一體，在理論基礎(chǔ)上對學(xué)生應(yīng)用能力進(jìn)行放大培養(yǎng)［16-17］。同時，利用線性代數(shù)在工程學(xué)、物理化學(xué)、信息技術(shù)等多個學(xué)科中的典型應(yīng)用，實現(xiàn)教學(xué)體系與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目緊密結(jié)合。例如：我校延伊團(tuán)隊利用創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中鉀明礬工業(yè)生產(chǎn)的投入與收益問題、介孔納米材料的孔洞分布等內(nèi)容作為實踐項目，幫助學(xué)生了解線性代數(shù)的應(yīng)用方法以及應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力與實踐能力，使SL-CDIO理念的構(gòu)思與設(shè)計得到實踐。

（3）競賽與實踐教學(xué)階段。以實驗室競賽實踐項目為背景，讓學(xué)生在線性代數(shù)等基礎(chǔ)類工科課程中提出的有關(guān)創(chuàng)意通過競賽的方式展現(xiàn)出來，在競賽中通過評委老師的指導(dǎo)，不斷進(jìn)行打磨升級，最終形成合理的體系。例如：在2020年全國大學(xué)生電子商務(wù)“創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽中，我校延伊團(tuán)隊充分利用線性代數(shù)課程中所學(xué)的知識及高?？蒲许椖浚ㄟ^解決伊利石高附加值應(yīng)用過程中的投入與收益問題完成工業(yè)產(chǎn)量預(yù)估、賬目核算等與線性代數(shù)實際相關(guān)的問題。同時任課教師通過教學(xué)情況做出適應(yīng)性改變，通過SLCDIO理念實現(xiàn)跨文化教學(xué)，使基礎(chǔ)較差的學(xué)生可以聽得清、學(xué)得懂。這種方式通過雙創(chuàng)教育對線性代數(shù)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用進(jìn)行實踐，對理論教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了補(bǔ)充，完成了SL-CDIO理念的實現(xiàn)與運作。

在該體系的建設(shè)過程中，基礎(chǔ)與原理、技術(shù)與設(shè)計這兩個教學(xué)階段實踐項目以專業(yè)基礎(chǔ)教育為主，以雙創(chuàng)教育為輔，根據(jù)線性代數(shù)原理、方法以及知識培養(yǎng)工程師必備的創(chuàng)新思維，促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成“厚基礎(chǔ)、寬口徑、強(qiáng)能力、高素質(zhì)”的實踐能力。競賽與實踐教學(xué)階段實踐項目屬于雙創(chuàng)教育，主要是為了模擬線性代數(shù)的工程實際應(yīng)用，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。這3個階段的教學(xué)，旨在利用工科類實驗室（L）研究成果易于產(chǎn)學(xué)合作的特點，對低年級大學(xué)生的C-構(gòu)思、D-設(shè)計、I-實施、O-運行能力進(jìn)行初步訓(xùn)練，更好地平衡專業(yè)基礎(chǔ)教育與雙創(chuàng)教育，實現(xiàn)新工科專業(yè)課程建設(shè)。通過此類項目實施，協(xié)助學(xué)生建立線性代數(shù)專業(yè)理論知識與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目之間的有機(jī)聯(lián)系，合理整合工學(xué)實驗室有關(guān)資源，實現(xiàn)培養(yǎng)創(chuàng)新型工科人才的目標(biāo)。

4 基于SL-CDIO理念推動民族地區(qū)高校工科人才培養(yǎng)的范式分析

以工學(xué)院高分子材料與工程系為例，該系以SLCDIO理念為基礎(chǔ)，通過“5·3·3”教學(xué)體系對線性代數(shù)等基礎(chǔ)課程的教學(xué)模式進(jìn)行改革與實踐，使學(xué)生在雙創(chuàng)教育實踐中深入理解線性代數(shù)基礎(chǔ)知識。即任課教師以伊利石的高附加值利用課題為突破點（見圖2），帶領(lǐng)學(xué)生利用線性代數(shù)知識對酸洗伊利石生產(chǎn)鉀明礬的工藝流程、工業(yè)產(chǎn)量、市場容量等有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，完成“基礎(chǔ)與原理”教學(xué)階段，實現(xiàn)SLCDIO模式中的構(gòu)思。隨后以“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽為契機(jī)，通過項目背景以及項目市場情況分析確定實驗室研究成果轉(zhuǎn)化的方向，完成SLCDIO模式下“技術(shù)與設(shè)計”教學(xué)階段的設(shè)計環(huán)節(jié)。繼而通過大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽的具體實踐與運作實現(xiàn)“競賽實踐項目”環(huán)節(jié)，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，充分挖掘?qū)W生創(chuàng)造力的目的。

圖2 “5·3·3”教學(xué)體系下線性代數(shù)課程的教學(xué)模式

基于SL-CDIO理念的實驗教學(xué)培養(yǎng)，高分子材料與工程系教學(xué)質(zhì)量得到改善，學(xué)生創(chuàng)新性思維得到明顯提升。此外，教師基于教學(xué)質(zhì)量評價反饋意見對課程教學(xué)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，學(xué)生滿意度顯著提高。近幾年來，在實現(xiàn)與運作環(huán)節(jié)實踐中，學(xué)生積極參加各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，例如：工學(xué)院學(xué)生榮獲全國大學(xué)生電子商務(wù)“創(chuàng)新、創(chuàng)意、創(chuàng)業(yè)”挑戰(zhàn)賽特等獎、“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽銅獎、“挑戰(zhàn)杯”吉林省大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎和“建行杯”吉林省“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽金獎等多項成績，累計獲得國家級獎項3項，省部級一等獎以上獎項5項。這一重大改革舉措不但將科研成果和專業(yè)基礎(chǔ)教育有機(jī)結(jié)合，而且成功整合了實驗教學(xué)資源，實現(xiàn)了教育資源最大化利用。同時，這一改革模式對于教師科研能力和教學(xué)水平提出了更高的要求。

5 結(jié) 語

在新工科建設(shè)背景下，基于SL-CDIO理念構(gòu)建的針對民族地區(qū)高校的5·3·3教學(xué)體系摒棄了傳統(tǒng)教學(xué)模式，使學(xué)生在專業(yè)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力；通過“競賽實踐項目”階段模擬完成了實驗室科技成果轉(zhuǎn)化，為創(chuàng)新型工科人才培養(yǎng)提供了重要平臺，為民族地區(qū)高等工程教育中專業(yè)基礎(chǔ)教育與雙創(chuàng)教育的結(jié)合、運行和保障提供一個合理的體系；通過合理整合工學(xué)類實驗室有關(guān)資源，深化高等工程教育的改革與創(chuàng)新，為創(chuàng)新型人才培養(yǎng)提供了有效的方法。