行業(yè)背景高校工科開放式創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建與實(shí)踐

王賢敏 趙偉 王旭 嚴(yán)梓榛 王昱博 李夢(mèng)穎

基金項(xiàng)目：湖北高校省級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目“開放式創(chuàng)新教學(xué)模式的構(gòu)建及在行業(yè)背景高校工科專業(yè)的實(shí)踐”（2022139）；中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）教學(xué)改革研究項(xiàng)目“開放式創(chuàng)新教學(xué)模式的構(gòu)建及在行業(yè)背景高校工科專業(yè)的實(shí)踐”（無(wú)編號(hào)）

第一作者簡(jiǎn)介：王賢敏（1978-），女，漢族，福建泉州人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)檫b感地學(xué)智能應(yīng)用。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.011

摘? 要：為響應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略新需求，響應(yīng)國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才與卓越工程師的時(shí)代需要，構(gòu)建一種符合我國(guó)國(guó)情的開放式創(chuàng)新教學(xué)模式，通過(guò)教學(xué)方式開放化、教學(xué)資源多樣化、課程案例庫(kù)工程實(shí)用化、課程考核評(píng)價(jià)體系多元化“四化”體系，促進(jìn)本科生學(xué)習(xí)以科技發(fā)展需求為導(dǎo)向，緊跟國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和學(xué)科發(fā)展前沿?zé)狳c(diǎn)，切實(shí)提升學(xué)生的自主創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐水平，在行業(yè)背景高校工科專業(yè)實(shí)踐中取得良好的成效，從而促進(jìn)新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)，應(yīng)對(duì)未來(lái)新一輪科技革命。

關(guān)鍵詞：開放式創(chuàng)新；行業(yè)背景高校；新工科；創(chuàng)新型人才；復(fù)合型人才；卓越工程師

中圖分類號(hào)：G640? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-000X（2024）19-0042-04

Abstract： In order to supply the national demands in science and technology development and distinguished talent cultivation， this study establishes a novel open and innovation teaching model that meets the current national conditions. This model consists of 4 components： open teaching means， diverse teaching resources， engineered and practical teaching cases， and pluralistic assessment systems. This model aims at science and technology development requirements and focuses on national development strategies and discipline development frontiers and hot topics. It can improve undergraduates' independent innovative capability and engineering practice level. A good implement effect is achieved when this teaching model is applied in engineering majors of an industry background university. It promotes the cultivation of interdisciplinary talents in emerging engineering education for a new round of scientific and technological revolution.

Keywords： open innovation; industry background university; emerging engineering education; innovative talent; interdisciplinary talent; remarkable engineer

“國(guó)以才立、政以才治、業(yè)以才興”，國(guó)家科技創(chuàng)新力的根本源泉在于人才培養(yǎng)，創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是國(guó)家、民族長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的大計(jì)，是高等教育的根本任務(wù)和時(shí)代使命。開放式創(chuàng)新教學(xué)模式是我國(guó)高等學(xué)校教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)工程改革的重要趨勢(shì)，旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。? 一? 行業(yè)背景高校工科發(fā)展對(duì)開放式創(chuàng)新教學(xué)的急迫需求

開放式教學(xué)模式是近年來(lái)世界教育界關(guān)注的焦點(diǎn)。該教學(xué)模式于20世紀(jì)30年代由美國(guó)進(jìn)步主義教育者提出[1]，50年代在英國(guó)推行，70年代受到美國(guó)、日本和歐洲大學(xué)的關(guān)注，目前被許多發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)用于高等學(xué)校教學(xué)實(shí)踐中[2]。開放式教學(xué)意味著打破傳統(tǒng)的封閉教學(xué)體系，體現(xiàn)在教學(xué)中以學(xué)生為中心，旨在提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造力[3]。代表性思想包括：羅杰斯的自由開放教學(xué)思想、OBE（成果導(dǎo)向教育）理念、Cohn的人本主義教學(xué)理論模型（開放課堂模型與課堂討論模型）和Spiro的建構(gòu)主義教學(xué)模式（通達(dá)隨機(jī)教學(xué)與情景性教學(xué)）等[4-5]。

近年來(lái)，我國(guó)高校也逐漸開始重視開放式教學(xué)模式的構(gòu)建和實(shí)踐，然而主要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域[6-8]，鮮有針對(duì)行業(yè)背景高校工科專業(yè)的開放式教學(xué)模式研究，且如何將開放式教學(xué)模式與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)深度融合，構(gòu)建符合我國(guó)國(guó)情的開放式創(chuàng)新教學(xué)模式，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的前沿問(wèn)題。此外，高校教學(xué)模式中也存在以下瓶頸問(wèn)題亟待突破和解決：①課堂教學(xué)方式單一，主要為教師授課；②教學(xué)資源單調(diào)，體現(xiàn)為線上資源利用不足，課程設(shè)計(jì)指定模型和軟件工具，未給予學(xué)生充分發(fā)揮創(chuàng)造的空間；③課程案例庫(kù)與社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐脫軌，實(shí)用化程度偏低；④課程考核評(píng)價(jià)體系欠完善，體現(xiàn)為教師打分的單一評(píng)價(jià)體系。以上瓶頸問(wèn)題嚴(yán)重束縛了本科生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，導(dǎo)致本科生畢業(yè)后難以融入社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐，造成就業(yè)困難，嚴(yán)重制約了行業(yè)背景高校新工科的建設(shè)和發(fā)展。因此，為了適應(yīng)行業(yè)背景高校工科專業(yè)發(fā)展和卓越工程師創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重大需求，亟需構(gòu)建一種適用于我國(guó)國(guó)情的開放式創(chuàng)新教學(xué)模式，并開展深入實(shí)踐探索。

二? 開放式創(chuàng)新教學(xué)模式構(gòu)建

針對(duì)目前本科教學(xué)模式中亟待突破和解決的問(wèn)題，聚焦行業(yè)背景高校工科專業(yè)，本文構(gòu)建了一種適用于我國(guó)國(guó)情的開放式創(chuàng)新教學(xué)模式（圖1），建立“四化”體系：教學(xué)方式開放化、教學(xué)資源多樣化、課程案例庫(kù)工程實(shí)用化和課程考核評(píng)價(jià)體系多元化，將學(xué)生從知識(shí)的被動(dòng)接受者變?yōu)橹R(shí)的主動(dòng)建構(gòu)者，在建構(gòu)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的同時(shí)，增強(qiáng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新思維，提升創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐水平，促進(jìn)更好就業(yè)。開放式創(chuàng)新教學(xué)模式的體系構(gòu)成如圖2所示。

（一）? 教學(xué)方式開放化

目前本科生的課堂教學(xué)方式較單一，主要為教師授課，偏重理論教學(xué)，限制了知識(shí)來(lái)源的廣博性、豐富多樣性和工程實(shí)用性，學(xué)生常有困惑“學(xué)這門課、這個(gè)專業(yè)有什么用”“學(xué)這門課、這個(gè)專業(yè)對(duì)我將來(lái)發(fā)展有什么意義”，從而限制了學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新積極性。

對(duì)教學(xué)方式進(jìn)行擴(kuò)展和開放，采用企業(yè)專家進(jìn)課堂[9]和名家講座[10]方式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識(shí)。通過(guò)企業(yè)專家介紹社會(huì)生產(chǎn)實(shí)際需求，讓學(xué)生更深刻地理解課程和專業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)中的效用，堅(jiān)定對(duì)專業(yè)的熱愛(ài)和學(xué)以致用的決心。通過(guò)與“名家”的思想交流，讓學(xué)生意識(shí)到創(chuàng)新思維對(duì)個(gè)人發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)家強(qiáng)盛的重要作用，自發(fā)自覺(jué)去創(chuàng)新，內(nèi)化了創(chuàng)新精神的培養(yǎng)和追求。

因此教學(xué)方式開放化具有以下3點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：①拓展和深化了知識(shí)來(lái)源的廣博性和工程實(shí)用價(jià)值；②深刻理解“學(xué)有何用”，堅(jiān)定“學(xué)以致用”的信念；③將創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神內(nèi)化為自身的精神追求，激發(fā)學(xué)生努力開拓、創(chuàng)新進(jìn)取。

（二）? 教學(xué)資源多樣化

目前本科生課堂教學(xué)資源主要來(lái)源于書本，與線上精品資源結(jié)合有限，限制了本科生對(duì)學(xué)科最新前沿進(jìn)展的了解，限制了對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展方向的理解和把握。此外，在課堂教學(xué)和課程設(shè)計(jì)方面，教師往往指定采用單一的軟件工具，構(gòu)建指定的某個(gè)模型，限制了學(xué)生創(chuàng)造力發(fā)揮的空間。

實(shí)施教學(xué)資源的多樣化，深度融合線上資源，除了中國(guó)MOOC、國(guó)家精品課程資源外，著重將“智慧地球大講壇”“科普視窗”“院士講壇”等精品線上資源融入線下課堂教學(xué)，例如，將國(guó)家正在全面推進(jìn)的實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)引入地學(xué)信息三維可視化專業(yè)主干課程，將最新的人工智能和深度學(xué)習(xí)算法框架引入地學(xué)信息處理方法、數(shù)據(jù)挖掘與大數(shù)據(jù)分析、Matlab語(yǔ)言及應(yīng)用實(shí)踐等課程，促進(jìn)本科生學(xué)習(xí)緊跟時(shí)代步伐，緊密結(jié)合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和學(xué)科發(fā)展前沿。此外，構(gòu)建開放式課程設(shè)計(jì)范式，不指定軟件工具，不指定目標(biāo)模型，而是由學(xué)生根據(jù)自己的興趣和需求，自主選擇和學(xué)習(xí)編程工具或軟件，自主創(chuàng)設(shè)感興趣的專業(yè)模型，給予學(xué)生充分的想象和發(fā)揮空間，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主能動(dòng)性和學(xué)習(xí)熱情，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情和興趣；并且，通過(guò)讓學(xué)生從查閱文獻(xiàn)、形成建模思路、學(xué)習(xí)建模軟件和編程工具、創(chuàng)建自己的課程模型到口頭報(bào)告交流，加深對(duì)課程的理論和實(shí)踐的認(rèn)知，切實(shí)鍛煉和提升了學(xué)生的自主創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

因此，教學(xué)資源多樣化具有以下2點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：①促進(jìn)本科生學(xué)習(xí)緊跟國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和學(xué)科發(fā)展前沿?zé)狳c(diǎn)；②激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造熱情和興趣，給予學(xué)生充分的創(chuàng)造發(fā)揮空間，切實(shí)提升自主創(chuàng)新和實(shí)踐能力。

（三）? 課程案例庫(kù)工程實(shí)用化

目前本科生課程案例庫(kù)主要來(lái)源于書本，側(cè)重理論知識(shí)，缺乏工程實(shí)用導(dǎo)向性，限制了本科生對(duì)社會(huì)生產(chǎn)需求、對(duì)企事業(yè)單位工程項(xiàng)目需求的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而限制了本科生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

立足于產(chǎn)學(xué)研合作協(xié)同育人模式，密切結(jié)合社會(huì)生產(chǎn)需求和企事業(yè)單位的工程項(xiàng)目需求，建設(shè)完善課程案例庫(kù)[11]，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生建立面向?qū)嶋H生產(chǎn)需求的具有實(shí)用價(jià)值的課程設(shè)計(jì)模型。以實(shí)際工程問(wèn)題和工程項(xiàng)目為導(dǎo)向，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決工程問(wèn)題的實(shí)踐能力，為學(xué)生將來(lái)就業(yè)打下更扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

以社會(huì)生產(chǎn)需求為導(dǎo)向的課程案例庫(kù)工程實(shí)用化具有以下2點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：①使學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)不脫離實(shí)際生產(chǎn)需求和工程實(shí)踐，切實(shí)提升工程實(shí)踐能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力；②所學(xué)以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求、科技發(fā)展需求為導(dǎo)向，畢業(yè)后有望更快更好地融入企事業(yè)單位工作建設(shè)中，為今后更好就業(yè)奠定了扎實(shí)的工程實(shí)踐基礎(chǔ)。

（四）? 課程考核評(píng)價(jià)體系多元化

目前課程考核主要依據(jù)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的掌握進(jìn)行評(píng)分，不能很好地反映學(xué)生的創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力，從而限制了學(xué)生的創(chuàng)新積極性。此外，課程打分來(lái)源于教師評(píng)分，單一來(lái)源評(píng)分在一定程度上限制了評(píng)價(jià)的科學(xué)性。

注重對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐能力的考核，制定評(píng)分項(xiàng)和相應(yīng)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，完善課程考核評(píng)價(jià)機(jī)制。其中評(píng)分項(xiàng)主要包括：課程設(shè)計(jì)內(nèi)容與學(xué)科前沿的相關(guān)性、設(shè)計(jì)模型的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景、課程設(shè)計(jì)模型的功能完整性與自洽性、創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問(wèn)題的能力、軟硬件工具操作能力、對(duì)課程設(shè)計(jì)模型的改進(jìn)和功能擴(kuò)展是否具有建設(shè)性的想法。此外，課程打分來(lái)源于同學(xué)評(píng)分和教師評(píng)分的綜合。學(xué)生作為課程設(shè)計(jì)者，對(duì)其他同學(xué)的課程設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜性、課程設(shè)計(jì)思路和數(shù)據(jù)來(lái)源有深刻的了解，因此引入同學(xué)打分，能夠保證課程評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性，同時(shí)通過(guò)學(xué)生間的競(jìng)爭(zhēng)心理，激發(fā)他們更積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)軟硬件工具，構(gòu)建更完善的模型，提升創(chuàng)造力和實(shí)踐動(dòng)手能力。

因此，考核評(píng)價(jià)體系多元化具有以下2點(diǎn)顯著優(yōu)勢(shì)：①優(yōu)化課程考核對(duì)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的導(dǎo)向作用，提升創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力；②引入同學(xué)打分機(jī)制，讓學(xué)生成為課程考核評(píng)價(jià)的主人翁，保證了課程評(píng)價(jià)的科學(xué)性和合理性，激發(fā)了學(xué)生的主觀能動(dòng)性、競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)和創(chuàng)造性。

三? 特色與實(shí)踐成效

（一）? 特色

突破目前教學(xué)模式在培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力方面的瓶頸問(wèn)題，針對(duì)行業(yè)背景高校工科專業(yè)，構(gòu)建了一種符合我國(guó)國(guó)情的開放式創(chuàng)新教學(xué)模式，在建構(gòu)學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)的同時(shí)，提升創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐水平。

構(gòu)建開放式創(chuàng)新教學(xué)模式的核心內(nèi)涵是聚焦國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和學(xué)科前沿?zé)狳c(diǎn)，緊密結(jié)合國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)需求，因此，有助于培養(yǎng)高水平復(fù)合型新工科人才，促進(jìn)本科生更好就業(yè)。

（二）? 實(shí)踐成效

在我校地球信息科學(xué)與技術(shù)工科專業(yè)開展實(shí)踐，取得了良好的成效，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，提升了創(chuàng)新實(shí)踐能力。以地學(xué)信息三維可視化課程為例，通過(guò)開放式創(chuàng)新教學(xué)模式，學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)了地學(xué)三維建模的國(guó)際行業(yè)熱點(diǎn)和最新進(jìn)展，理解了企事業(yè)單位在三維可視化方面的工程實(shí)踐需求，了解了地學(xué)領(lǐng)域大量的三維建模和可視化案例，對(duì)地學(xué)三維建模產(chǎn)生了濃厚的興趣。學(xué)生自主選擇IDL、ArcScene、3ds Max、Maya、EVS、CityEngine、Sketchup、Unity3D、3D Mine、Unreal Engine、Houdini、Lumion等建模工具建立了礦產(chǎn)儲(chǔ)量分布分析、地面沉降分析、洪水淹沒(méi)分析、地質(zhì)災(zāi)害演化分析、重金屬污染分析、地下開挖分析、地震動(dòng)態(tài)模擬分析、地下水與水文地質(zhì)分析、航天器發(fā)射著陸、數(shù)字地球和數(shù)字城市等面向多行業(yè)領(lǐng)域的三維可視化模型，并制作成可播放展示的視頻動(dòng)畫。圖3為學(xué)生建立的三維模型與可視化分析視頻動(dòng)畫案例截圖展示。

四? 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了一種開放式創(chuàng)新教學(xué)模式，在行業(yè)背景高校工科專業(yè)取得了良好的實(shí)踐成效，可應(yīng)用推廣到我國(guó)其他高校的各類工科專業(yè)，促進(jìn)創(chuàng)新能力強(qiáng)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的新工科復(fù)合型人才培養(yǎng)，以適應(yīng)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略新需求，應(yīng)對(duì)未來(lái)科技前沿新挑戰(zhàn)和新一輪科技革命。

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