基于新工科人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)研究

朱永強(qiáng) 張平霞 李敏 潘福全 楊勇

摘 要：當(dāng)前課程培養(yǎng)模式難以適應(yīng)新工科人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新需求，并且存在學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、實(shí)踐動(dòng)手與創(chuàng)新能力，尤其是解決實(shí)際問題的能力不強(qiáng)的問題?；诖?，本文提出基于新工科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)，對“運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)”課程教學(xué)模式和考核模式進(jìn)行改革研究，搭建基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬設(shè)計(jì)+漫游平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用的銜接。在此基礎(chǔ)上，采用項(xiàng)目教學(xué)充分利用課內(nèi)外時(shí)間，做好互動(dòng)和拓展訓(xùn)練，滿足新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。然后結(jié)合教師的動(dòng)態(tài)技術(shù)跟進(jìn)和指導(dǎo)尺度的把握，做好科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)造性思維的同步培養(yǎng)。最終實(shí)現(xiàn)基于能力的成績測評，重視創(chuàng)造過程的開展，推動(dòng)學(xué)生主動(dòng)地學(xué)好該課程。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì);虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);新工科;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號：G645 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

教育部于2016年提出“新工科”這一概念，新工科更強(qiáng)調(diào)學(xué)科的實(shí)用性、交叉性與綜合性。這要求高校打造適應(yīng)未來發(fā)展并滿足新經(jīng)濟(jì)需求的專業(yè)，重點(diǎn)培養(yǎng)具備創(chuàng)新思維和國際競爭力的新工科人才;并要求學(xué)生在掌握某一專業(yè)技能的基礎(chǔ)上，能創(chuàng)造性地交叉融合多門學(xué)科知識[1-2]。

大學(xué)生作為建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要未來力量，其創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，是保持我國核心競爭力的關(guān)鍵，而高校是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的搖籃，因此加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是教育改革的核心目標(biāo)，也是提高人才質(zhì)量的關(guān)鍵[3-4]。

目前隨著我國城市進(jìn)程的加快，以及汽車保有量的增加，交通擁堵問題越來越嚴(yán)重，而交通運(yùn)輸規(guī)劃則可以很好地解決這一問題，但由于城市規(guī)模的增大，以及全球經(jīng)濟(jì)一體化的影響，單一城市很難脫離整個(gè)世界經(jīng)濟(jì)的影響，導(dǎo)致現(xiàn)在的交通規(guī)劃需要考慮更多的影響因素，現(xiàn)代的交通規(guī)劃已是一門跨領(lǐng)域、涵蓋多個(gè)學(xué)科的新興交叉學(xué)科。這種發(fā)展趨勢要求新的交通運(yùn)輸專業(yè)規(guī)劃人員必須對交通規(guī)劃的專業(yè)知識有更深入的了解和學(xué)習(xí)，能進(jìn)行多層次多維度的規(guī)劃設(shè)計(jì)及方案評估，而這也是新工科對創(chuàng)新人才的要求?；诖?，本文對“運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)”教學(xué)手段開展研究，實(shí)現(xiàn)具備創(chuàng)新能力的新工科人才的培養(yǎng)[5]。

一、目前培養(yǎng)中存在的問題

（一）傳統(tǒng)教學(xué)模式對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的制約

傳統(tǒng)教學(xué)模式，由教師進(jìn)行知識的灌輸和普及，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)狀態(tài)中，學(xué)生的自由想象、自由研究、發(fā)表獨(dú)到見解的空間很少，不利于啟迪學(xué)生的創(chuàng)造性思維。同時(shí)傳統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)多采用圖紙—積木拼接展示的形式，這樣也會(huì)導(dǎo)致成本的增加及展示的困難度，并且展示效果比較有限。

（二）科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的非同步性

創(chuàng)造力的基礎(chǔ)是科學(xué)素質(zhì)，創(chuàng)造力的核心是創(chuàng)造性思維，而科學(xué)素質(zhì)的提高和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，主要是通過教學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)。大學(xué)生的大多數(shù)時(shí)間是在教與學(xué)的過程中度過的，并通過該過程實(shí)現(xiàn)知識的傳授、思維的訓(xùn)練和方法的學(xué)習(xí)。活動(dòng)的開展必須與教學(xué)過程相結(jié)合，開展幾次活動(dòng)是容易的，要在教學(xué)過程中貫穿創(chuàng)造性教育則十分困難。

（三）創(chuàng)造過程的忽略

近年來，在科學(xué)教育活動(dòng)及其他各種創(chuàng)造發(fā)明活動(dòng)中，普遍重視的是創(chuàng)造結(jié)果，而沒有針對創(chuàng)造過程開展有效的創(chuàng)新教育。同時(shí)學(xué)生在創(chuàng)造發(fā)明活動(dòng)中，也會(huì)遇到許多困難。創(chuàng)新教育就是要利用這個(gè)過程，培養(yǎng)他們要有堅(jiān)定的信念，要有恒心，有不怕困難、不屈不撓的精神。

二、教學(xué)改革

（一）基于虛擬現(xiàn)實(shí)—虛擬設(shè)計(jì)—虛擬漫游創(chuàng)新展示平臺(tái)的搭建，解決理論學(xué)習(xí)與實(shí)際應(yīng)用的銜接問題

通過虛擬設(shè)計(jì)—虛擬漫游與項(xiàng)目教學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生隨時(shí)可以根據(jù)項(xiàng)目和課程進(jìn)展的需要，開展運(yùn)輸設(shè)施設(shè)計(jì)，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和理論驗(yàn)證，這樣在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容時(shí)，就可以有針對性地、帶著問題進(jìn)行深度知識點(diǎn)學(xué)習(xí)，提高掌握知識的效率。

目前SketchUP軟件具有直接面向方案創(chuàng)作的特點(diǎn)[6]：設(shè)計(jì)者可以直接在電腦上進(jìn)行方案構(gòu)思，方案呈現(xiàn)直觀的三維立體狀態(tài)，改變傳統(tǒng)平面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖與效果圖分離的缺點(diǎn)，便于團(tuán)隊(duì)合作時(shí)的即時(shí)交流。

采用該軟件，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)施，例如立體交通、車站樞紐的設(shè)計(jì)，然后利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再進(jìn)行場景的虛擬漫游，讓老師帶領(lǐng)同學(xué)進(jìn)入虛擬設(shè)計(jì)場地進(jìn)行實(shí)際點(diǎn)評，同時(shí)結(jié)合課程內(nèi)容，講解規(guī)劃設(shè)計(jì)的知識要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)移。而學(xué)生在該平臺(tái)中親眼看到自己設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)和不足，則必將大大促進(jìn)相關(guān)軟件和各種知識的主動(dòng)學(xué)習(xí)。

（二）“運(yùn)輸系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)”課程內(nèi)容與項(xiàng)目式教學(xué)的良好銜接，制定符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求的項(xiàng)目教學(xué)題目，滿足新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求

項(xiàng)目教學(xué)可以充分利用課內(nèi)外時(shí)間，做好互動(dòng)和拓展訓(xùn)練，但考慮到學(xué)生水平、精力以及課程本身課時(shí)、內(nèi)容所限，以及新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要，因此在選擇題目時(shí)，指導(dǎo)教師必須做好題目難易度——?jiǎng)?chuàng)新能力培養(yǎng)的權(quán)衡工作。

通過項(xiàng)目式教學(xué)，實(shí)現(xiàn)知識學(xué)習(xí)和項(xiàng)目推進(jìn)的同步進(jìn)行，學(xué)生就會(huì)感受到新知識的價(jià)值，以及問題成功解決的喜悅和成就感，則必將激發(fā)學(xué)生的積極性，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)到主動(dòng)學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)化，同時(shí)項(xiàng)目研究無標(biāo)準(zhǔn)答案限制，大大激發(fā)同學(xué)的創(chuàng)新動(dòng)力。

同時(shí)學(xué)生在項(xiàng)目研究和課程學(xué)習(xí)中，是一個(gè)不斷認(rèn)識、逐漸完善相關(guān)知識的過程，對項(xiàng)目方案進(jìn)行調(diào)整，需要教師進(jìn)行動(dòng)態(tài)的跟進(jìn)和指導(dǎo)，使學(xué)生不能偏離本來的課程學(xué)習(xí)重點(diǎn)。

另外在課程授課——項(xiàng)目實(shí)施過程中，要注意“度”的問題，即注意培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力、鉆研精神，實(shí)現(xiàn)科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)造性思維的同步進(jìn)行，避免對教師的過度依賴。

（三）OBE考核模式的探索

學(xué)生的課程成績既是對所學(xué)課程的一種評價(jià)，同時(shí)也是今后評價(jià)其他活動(dòng)的參考，因此學(xué)生在有能力的情況下，都會(huì)主動(dòng)努力追求好的成績。因此OBE考核模式就會(huì)從成績的角度來實(shí)現(xiàn)和保證：推動(dòng)學(xué)生學(xué)以致用，真正掌握好該課程，并積極運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題。同時(shí)還可以指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合項(xiàng)目教學(xué)及創(chuàng)新性，進(jìn)行科研論文撰寫，加強(qiáng)學(xué)生的科研意識培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生參加科研的熱情。

采用基于能力培養(yǎng)的模式后，學(xué)生的過程考核變得更重要，而不是僅僅取決于最后的期末考試，只有這樣才能激發(fā)學(xué)生平時(shí)對該課程的學(xué)習(xí)動(dòng)力，而不是最后突擊式學(xué)習(xí)。這樣就需要解決整個(gè)學(xué)習(xí)、研究過程中，學(xué)生的成績評定的問題。

三、具體實(shí)施

該課程總共有32課時(shí)，理論講授比較緊張，需要精簡陳舊的、實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不大的內(nèi)容，使學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)例應(yīng)用題目，給出具體的、可行的解決方案;讓學(xué)生主動(dòng)組隊(duì)參與各種大學(xué)生科技競賽以及教師科研，提高團(tuán)隊(duì)意識，并通過比賽，產(chǎn)生危機(jī)感、壓力、動(dòng)力和自信心。采用的方案如圖1所示，實(shí)施流程如圖2所示。

（一）方案確定

教師首先進(jìn)行課程基本知識的講授，結(jié)合課程特點(diǎn)及科研經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生前期學(xué)習(xí)成效、興趣愛好，然后指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行交通設(shè)施考察和調(diào)研，確定合適的研究題目。在題目選擇的時(shí)候，特別要將“能力培養(yǎng)”作為切入點(diǎn)，以“工程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)”主線來進(jìn)行。以“能力培養(yǎng)”為主旨，以設(shè)計(jì)理論和方法為線索，重組教學(xué)內(nèi)容，建立與強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力相適應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建與OBE相適應(yīng)的課程架構(gòu)。

（二）方案完善

隨著課程的進(jìn)行以及知識學(xué)習(xí)的深入，需要學(xué)生結(jié)合實(shí)際案例，將所學(xué)專業(yè)知識應(yīng)用到具體規(guī)劃當(dāng)中，例如青島火車站規(guī)劃設(shè)計(jì)、青島濱海大道交通流規(guī)劃設(shè)計(jì)，這便于初次進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)的學(xué)生體驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本流程，培養(yǎng)后續(xù)專業(yè)課程所需的基本能力，如模型建模、數(shù)據(jù)分析、影響因素分析與權(quán)衡，不斷完善和細(xì)化各自的設(shè)計(jì)方案，并鞏固所學(xué)知識。同時(shí)教師在授課時(shí)，也需要結(jié)合實(shí)際案例講授知識應(yīng)用。

（三）階段性成果渲染展示與答辯匯報(bào)

為及早發(fā)現(xiàn)并糾正學(xué)生設(shè)計(jì)存在的問題，避免設(shè)計(jì)偏離本來目標(biāo)，并及時(shí)督促和推進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)度，需要進(jìn)行階段性檢查和答辯匯報(bào)，要求學(xué)生利用SketchUP軟件進(jìn)行三維模型制作及展示、PPT展示等，闡述設(shè)計(jì)理念及有關(guān)理論，并隨著專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，逐步推進(jìn)和完善設(shè)計(jì)方案，保證設(shè)計(jì)的順利開展。

（四）最終成果渲染展示與答辯匯報(bào)

學(xué)生可以利用圖片、漫游動(dòng)畫等從多個(gè)角度展示規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，闡述核心規(guī)劃思想，從而更進(jìn)一步體現(xiàn)課程的學(xué)習(xí)精髓。通過完成一個(gè)完整的“項(xiàng)目”而進(jìn)行的實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，將除本課程以外的其他多門課程所涉及的知識和技能通過一個(gè)明確的“項(xiàng)目任務(wù)”布置給學(xué)生，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，運(yùn)用所學(xué)的知識和技能，通過“確定項(xiàng)目任務(wù)—制定工作計(jì)劃—組織項(xiàng)目實(shí)施—檢查考核評估—總結(jié)評比歸檔”等5個(gè)階段，采用“團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)”的方法，動(dòng)腦、動(dòng)手、交流和合作，最終完成項(xiàng)目任務(wù)并以成果的形式予以展現(xiàn)。

（五）成績測評系統(tǒng)對能力培養(yǎng)教學(xué)模式的推動(dòng)和保證

通過學(xué)生的成果產(chǎn)出——各種方案的創(chuàng)新性和可行性的測評，以及展示的手段和形式，實(shí)現(xiàn)能力的培養(yǎng)。在整個(gè)環(huán)節(jié)中，通過制定系統(tǒng)完整的考評手段，讓全部學(xué)生參與到題目研究與考核中，例如為避免部分學(xué)生不真正參與題目研究，要求答辯時(shí)，團(tuán)隊(duì)所有成員依據(jù)不同的分工，分別進(jìn)行不同部分的答辯，既有分工又有合作，同時(shí)各隊(duì)還互相競爭。在匯報(bào)時(shí)為避免聽取匯報(bào)的同學(xué)不作為，要求每個(gè)同學(xué)都要提出意見，并納入考核范圍，最終激勵(lì)并推動(dòng)學(xué)生變被動(dòng)學(xué)習(xí)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，并且從成績考核上保證轉(zhuǎn)變的順利實(shí)施，實(shí)現(xiàn)全部同學(xué)積極主動(dòng)參與學(xué)習(xí)。

結(jié)語

為滿足新工科人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的要求，本文提出基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，進(jìn)行交通設(shè)施的虛擬設(shè)計(jì)和虛擬漫游，結(jié)合項(xiàng)目式教學(xué)和OBE教學(xué)模式改革，改善課程的教學(xué)手段，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。建立基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)育人、項(xiàng)目—課程知識融合育人和注重“知識運(yùn)用、能力培養(yǎng)、科學(xué)素質(zhì)提升”的應(yīng)用創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，隨之形成一套科學(xué)、完整、可行性強(qiáng)的高素質(zhì)應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的改革理念、方案與措施，解決當(dāng)前專業(yè)課程理論知識不能與實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)良好銜接、知識創(chuàng)新性運(yùn)用少以及接觸實(shí)踐項(xiàng)目少的實(shí)際難題，提高學(xué)生利用設(shè)計(jì)軟件解決實(shí)際問題的能力，有效提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力，為以后從事研發(fā)工作奠定基礎(chǔ)，同時(shí)大幅度提升同學(xué)參與創(chuàng)新比賽的能力。研究項(xiàng)目可以作為學(xué)生的作品展示，也提高其競爭力。

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基金：青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院2020年度本科教學(xué)改革研究項(xiàng)目（編號2020-1）;青島理工大學(xué)2020年本科教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（編號F2020-12）;山東省自然科學(xué)基金（編號：ZR2019MEE072）;山東省本科教學(xué)改革研究重點(diǎn)項(xiàng)目（編號：Z2018S020）

作者簡介：朱永強(qiáng)（1975— ），男，山東萊州人，博士，副教授，研究方向：機(jī)器人、車輛動(dòng)力學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。