新工科背景下培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐

史友進(jìn),劉浩宇,尹博民

(南通理工學(xué)院 建筑學(xué)院，江蘇 南通 226002)

在強(qiáng)化應(yīng)用型人才培養(yǎng)的今天，高校找準(zhǔn)自身定位，響應(yīng)市場(chǎng)需求，用市場(chǎng)信息來引導(dǎo)和推進(jìn)高校的人才培養(yǎng)改革，讓高校更好地與市場(chǎng)接軌，是當(dāng)前高校迫切需要思考的現(xiàn)實(shí)問題。2017年教育部《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，明確提出了新工科的內(nèi)涵：新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系。新工科概念的出現(xiàn)，說明現(xiàn)有工科教育不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才的需求，需要通過創(chuàng)新來解決當(dāng)前工科教育中存在的問題。

一、培養(yǎng)創(chuàng)新能力是新工科建設(shè)的核心內(nèi)容

新工科之根本在創(chuàng)新。新工科建設(shè)不僅是傳統(tǒng)工科與現(xiàn)代技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，更是傳統(tǒng)理念與現(xiàn)代理念的交融與碰撞，需要探索多元化人才培養(yǎng)方式,為社會(huì)輸送富有創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力、具有較強(qiáng)競爭力的綜合型人才，也為學(xué)生實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值提供保障。[1]

競爭力強(qiáng)的學(xué)生必須具備較強(qiáng)的創(chuàng)新能力。在新工科建設(shè)背景下，高校需要找準(zhǔn)對(duì)人才培養(yǎng)體系進(jìn)行綜合改革的切入點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)工科的改造必須注重學(xué)科的交叉融合。對(duì)工科專業(yè)學(xué)生而言，迫切需要提高的是創(chuàng)新能力和實(shí)際操作能力。新工科背景下培養(yǎng)具有“創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)”能力的人才是當(dāng)前高等教育面臨的重要使命，[2]“三創(chuàng)”是相輔相承的，有好的創(chuàng)意才有可能創(chuàng)新，創(chuàng)業(yè)必須建立在有創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)工科學(xué)生的創(chuàng)新能力應(yīng)是新工科建設(shè)的核心內(nèi)容。

二、開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是培養(yǎng)工科學(xué)生創(chuàng)新能力的有效途徑

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是工科院校培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)，是理論課程的拓展。在新工科背景下，學(xué)科要交叉融合，實(shí)驗(yàn)需要融合創(chuàng)新。開放實(shí)驗(yàn)室是高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的一個(gè)主要舉措，它強(qiáng)調(diào)在內(nèi)容、方法和手段上對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行全方位的改革，使實(shí)驗(yàn)課程具有啟發(fā)性和趣味性。開放性實(shí)驗(yàn)具有實(shí)驗(yàn)周期短、靈活性強(qiáng)和項(xiàng)目來源廣等特點(diǎn)，在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、科研思維和綜合素質(zhì)等方面發(fā)揮著重要作用，成為高校實(shí)踐教學(xué)改革的重點(diǎn)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的一種有效途徑。[3]

1.開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠發(fā)揮學(xué)生的主體作用

開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來源廣，指導(dǎo)教師可以利用實(shí)驗(yàn)室多種設(shè)備，設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性的項(xiàng)目，提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的利用率；也可將自己的科研成果進(jìn)行教學(xué)轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)出具有研究性、實(shí)踐性的課題，有利于提高教學(xué)改革和人才培養(yǎng)的效果。學(xué)生可以選擇自己感興趣的項(xiàng)目，在指導(dǎo)教師的引導(dǎo)下查找文獻(xiàn)資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主完成實(shí)驗(yàn)及報(bào)告。教師要在開放性實(shí)驗(yàn)中充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生挑戰(zhàn)具有一定難度的探究性問題，體驗(yàn)成功探索實(shí)驗(yàn)的成就感，培養(yǎng)學(xué)生的自信心。[4-5]

2.開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)

開放性實(shí)驗(yàn)以小組形式組織實(shí)施，不同學(xué)科、不同專業(yè)背景的學(xué)生參加同一實(shí)驗(yàn)小組，可以擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，促進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)的融合，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。在開放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中，學(xué)生擁有自由發(fā)揮的環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)過程中能夠主動(dòng)掌控整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程：可以通過改變實(shí)驗(yàn)條件，關(guān)注、追蹤研究熱點(diǎn)，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，達(dá)到鍛煉動(dòng)手能力的目的。開放性實(shí)驗(yàn)中，教師可以因材施教，培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生，讓優(yōu)秀學(xué)生協(xié)助教師指導(dǎo)其他學(xué)生，從而進(jìn)一步強(qiáng)化學(xué)生的合作意識(shí)，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作在提高開放性實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果中的作用。

3.開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神

學(xué)生可以獨(dú)立分析和解決實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，能有效啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新理念與創(chuàng)業(yè)欲望，有利于學(xué)生進(jìn)行為何而學(xué)、學(xué)有何用、用有何價(jià)值的思考，增強(qiáng)學(xué)生的自主判斷能力。開放性實(shí)驗(yàn)注重對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)踐和探索，促進(jìn)學(xué)生了解先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與研究方法，提升實(shí)踐動(dòng)手能力，讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí), 在動(dòng)手操作的過程中體驗(yàn)探索的成就感,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，為后續(xù)的科研深造或工作就業(yè)奠定良好基礎(chǔ)。

三、開放性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

混凝土是工程建設(shè)中用量最大的建筑材料，土木工程專業(yè)的許多課程都需要用到混凝土的知識(shí)，學(xué)生對(duì)其知識(shí)的掌握程度將直接關(guān)系到畢業(yè)后能否勝任崗位的要求?；炷潦枪橇稀⑺酀{及骨料—水泥漿界面組成的復(fù)合材料，其尺度范圍介于0.000 1～0.1 cm之間，屬于細(xì)觀層次，土木工程專業(yè)的學(xué)生不借助工程儀器是難以領(lǐng)悟其中學(xué)問的?；炷良?xì)觀力學(xué)建模是研究混凝土損傷、結(jié)構(gòu)耐久性、水份傳輸、氯離子擴(kuò)散、碳化過程、鋼筋銹蝕等問題的重要基礎(chǔ)，在混凝土細(xì)觀分析中起著非常重要的作用。

混凝土數(shù)值建模研究是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與科研能力的開放性試驗(yàn)項(xiàng)目，是掌握混凝土細(xì)觀力學(xué)原理、提高綜合專業(yè)知識(shí)能力的過程。通過課程的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)、程序設(shè)計(jì)和編程調(diào)試等環(huán)節(jié)，使學(xué)生了解混凝土細(xì)觀力學(xué)模擬在土木工程中的理論和應(yīng)用價(jià)值；激發(fā)學(xué)生對(duì)本專業(yè)學(xué)習(xí)、研究的興趣，為今后專業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)；通過基于MATLAB混凝土細(xì)觀建模實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的編程和建模能力，為學(xué)生的學(xué)業(yè)生涯設(shè)計(jì)、就業(yè)核心競爭力的提升提供專業(yè)支撐。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)施

MATLAB語言簡單、編程容易，在計(jì)算方法、建模仿真等方面對(duì)土木工程專業(yè)的學(xué)生幫助很大。我們?cè)陂_放實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目中開設(shè)了“混凝土數(shù)值建?！睂?shí)驗(yàn)課，主要內(nèi)容有骨料建模、骨料投放、界面生成等。實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生了解細(xì)觀力學(xué)理論，通過計(jì)算機(jī)模擬可以分析混凝土材料內(nèi)部缺陷，對(duì)混凝土材料進(jìn)行細(xì)觀層次的破壞分析，更清晰地把握混凝土材料的工程情況，啟發(fā)學(xué)生在細(xì)觀世界的想象能力，有利于土木工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和對(duì)工程細(xì)節(jié)的把控。

為了拓寬學(xué)生視野，教師也可向?qū)W生推薦3～5篇混凝土數(shù)值建模和細(xì)觀力學(xué)方面的參考文獻(xiàn)。不少學(xué)生通過認(rèn)真閱讀、積極思考，了解混凝土數(shù)值建模在混凝土損傷模擬以及混凝土中氯離子擴(kuò)散模擬等方面的應(yīng)用。有的學(xué)生還主動(dòng)查閱相關(guān)資料，嘗試模仿資料中介紹的內(nèi)容開展研究工作?；炷翑?shù)值建模開放實(shí)驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生從事相關(guān)研究的熱情和愿望，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

3.實(shí)驗(yàn)意義

(1)激發(fā)創(chuàng)新思維，促進(jìn)跨學(xué)科知識(shí)聯(lián)系。新工科要求高校培養(yǎng)“三創(chuàng)合一”智能人才，需要提高學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力，需要學(xué)生融會(huì)貫通各學(xué)科知識(shí)。MATLAB軟件的具象性、編程錯(cuò)誤處理的直觀性、多維圖像坐標(biāo)的準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)處理的多樣性等特點(diǎn)，十分合適作為土木工程專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)混凝土數(shù)值建模的工具。[6]將化學(xué)、物理等學(xué)科的理論分析思維運(yùn)用到混凝土分析中，構(gòu)建跨學(xué)科交流平臺(tái)，學(xué)生綜合分析問題能力的得到顯著提升，學(xué)生的抽象思維能力得到一定啟發(fā)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行混凝土細(xì)觀建模，其構(gòu)建多方面模型的上手難度相對(duì)較小，既可以讓學(xué)生了解軟件的功能，又可以將復(fù)雜且繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算以編程的形式巧妙的得出結(jié)果，可視化數(shù)據(jù)幫助學(xué)生理解計(jì)算結(jié)果，得到解決工程問題的啟發(fā)。這可以提高土木工程專業(yè)學(xué)生個(gè)人的能力，增加學(xué)生的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)造資本。

(2)促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的良性發(fā)展。建筑工程規(guī)模宏大，環(huán)境復(fù)雜，需要有將理論知識(shí)應(yīng)用于工程實(shí)踐的能力，學(xué)生具有創(chuàng)新能力就顯得格外重要。土木工程專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性極強(qiáng)的工科專業(yè)，常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受實(shí)驗(yàn)時(shí)間和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所的限制，一些實(shí)驗(yàn)不能得到有效開展；學(xué)生缺乏對(duì)學(xué)科前沿發(fā)展?fàn)顩r的了解，創(chuàng)新能力得不到有效提升，創(chuàng)新思維能力可能會(huì)變?yōu)榭障肽芰Α鹘y(tǒng)學(xué)科有上百年的歷史底蘊(yùn)，要做出創(chuàng)新對(duì)本科學(xué)生難度較大?！盎炷翑?shù)值建?！遍_放性實(shí)驗(yàn)，是綜合性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新潛能的啟發(fā)作用要大于傳統(tǒng)學(xué)科。因?yàn)橛肕ATLAB軟件對(duì)混凝土材料進(jìn)行細(xì)觀層次的破壞分析，在構(gòu)建多方面模型上的創(chuàng)新難度相對(duì)較小，其創(chuàng)新成果的運(yùn)用對(duì)象明確，學(xué)生可以更清晰地把握混凝土材料的工程情況，能夠有效提高土木工程專業(yè)學(xué)生個(gè)人的能力，使學(xué)生的創(chuàng)新思維能力得到良性發(fā)展。

(3)培養(yǎng)“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的專業(yè)人才。隨著國家對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的大力投入，土木工程專業(yè)人才要培養(yǎng) “厚基礎(chǔ)、寬口徑”并獨(dú)具特色的人才，越來越多與工程相關(guān)的軟件需要土木工程專業(yè)學(xué)生去了解、學(xué)習(xí)、運(yùn)用，給予土木學(xué)生更多與實(shí)踐相關(guān)的選修課是有必要的、有意義的、有效果的。混凝土細(xì)觀力學(xué)與MATLAB的結(jié)合學(xué)習(xí)可以滿足學(xué)生了解新軟件的功能，將抽象的理論知識(shí)運(yùn)用于具體的對(duì)象，通過計(jì)算機(jī)軟件將復(fù)雜且繁瑣的數(shù)學(xué)運(yùn)算以編程的形式得出結(jié)果，可視化數(shù)據(jù)幫助學(xué)生理解計(jì)算結(jié)果，得到解決工程問題的啟發(fā)。計(jì)算機(jī)模擬既能實(shí)現(xiàn)無紙化模擬實(shí)驗(yàn)，又能加強(qiáng)土木工程專業(yè)學(xué)生對(duì)信息資源的分辨能力、處理能力、儲(chǔ)存能力、運(yùn)用能力，可謂一舉多得。

4.實(shí)驗(yàn)成效

自2021年秋學(xué)期開始在土木工程專業(yè)開設(shè)“混凝土數(shù)值建?！睂?shí)驗(yàn)以來，學(xué)生在計(jì)算機(jī)建模過程中，體會(huì)到學(xué)習(xí)的快樂，增強(qiáng)了自信心，取得了一些成果。已申請(qǐng)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目1項(xiàng)，申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)(已進(jìn)入實(shí)審階段)，撰寫研究論文兩篇。學(xué)生通過參與開放性實(shí)驗(yàn)，提高了自學(xué)能力、分析能力、計(jì)算能力，激發(fā)了參與科學(xué)研究的興趣，目前有2組學(xué)生正在積極準(zhǔn)備材料，申請(qǐng)2022年度的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目。