工科大學生創新能力培養的項目教學法探索與實踐
——以土木工程專業為例

陳 鑫, 張兄武, 蔡新江, 毛小勇, 曹喜慶

(蘇州科技大學 a.土木工程學院; b.教務處，江蘇 蘇州 215011)

0 引 言

當前世界范圍內新一輪科技革命和產業變革正加速進行，各國先后就此做出了戰略部屬，如：“美國先進制造業國家戰略計劃”“德國工業4.0戰略實施建議”“英國制造2025”等[1]。伴隨這一發展浪潮，我國的社會主義建設正全面進入新時代、經濟發展進入新常態、高等教育步入新階段，亟需培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐[2]。

為適應新技術、新產業、新經濟發展，新工科的理念應運而生，經過“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”后，新工科建設步入了實質推進階段。新工科是指新的工科形態，是對工科注入新的內涵以適應新經濟發展需要誕生的工科新形態[3-4]。一方面，物聯網工程等新工科專業逐漸興起，另一方面，土木工程等老工科專業與新技術結合形成了新的內涵。因此，新工科首先是工科，即將數學、科學、技術、經濟學、社會科學等知識應用于人類實踐的學科，同時又要植入新理念、新模式、新技術等新元素，從而更加符合新時代發展的需要。

新工科的這些特質對工科教育教學方法提出了新的更高的要求[5]，著眼于知識學習和簡單應用的傳統教學方法,對于工科大學生知識體系的構建和實踐能力的提升有著較好的效果，但卻對學生創新能力的培養幫助有限。這不利于適應時代發展和技術高速更新的創新型、應用型、復合型優秀人才的培養，亟需探索適應于新工科理念的教學方法。

1 項目教學法的內涵、現狀及意義

1.1 項目教學法的內涵

美國著名教育家、伊利諾伊大學教授利茲博士和加拿大教育家、阿爾伯特大學教授查德博士共同推創出以學生為本的活動教學法——項目教學法[6]。它是在建構主義的指導下，以實際的項目為對象，先由教師對項目進行分解，并作適當示范，然后讓學生分組圍繞各自的項目進行討論、協作學習，最后以共同完成項目的情況來評價學生是否達到教學目的的一種教與學的模式[7]。項目教學法揉合了探究教學法、任務驅動教學法與案例教學法的特點，實質上就是一種基于建構主義學習理論的探究性學習模式，是在真實情境中，借助教師的指導，學生進行自主探究，并與同學廣泛交流，不斷地解決疑難問題，從而完成對知識的意義建構[8]。

1.2 項目教學法的現狀

項目教學法在北美廣為使用，因效果良好而頗受歡迎。近年來，該方法在我國的高等教育領域中得到了較多的研究和應用，傅四保[8]運用構建主義學習理論對項目教學法的設計與實施進行了解讀，并以“教育技術學研究方法”課程進行了實踐。雷書華等[9]根據工程管理專業對培養學生綜合實踐能力的要求，在模塊化課程體系的基礎上，探討了項目教學法的必要性，并以“工程估價課程設計”中投標報價的教學過程進行了實踐研究。朱向慶等[10]將單片機原理及應用課程的知識點融入若干個微型項目中，以CDIO工程教育模式指導學生循序漸進地完成項目，實現了在學中做，在做中學。此外，項目教學法在商業空間設計[11]、非線性編輯[12]、機器人技術實訓課程[13]等課程中的應用也有了一定的研究和實踐。

可見，強調實踐和探索的項目教學法特別適用于工科專業的教學活動，能夠一定程度上夯實知識體系和提升創新實踐能力。工科專業培養方案中的課程實驗、生產實習、認識實習、課程設計、學科競賽、畢業設計等一系列實踐類課程一定程度上銜接了理論課程模塊的教學內容[14-15]，同時也為項目教學法的實施提供了天然的載體。

1.3 項目教學法的意義

項目教學法是為師生共同實施一個完整的項目而進行的教學活動，它是“行為導向”教學法的一種。工科專業的實踐類課程通常分為多個分別由1或2名教師和若干名學生構成的學習小組完成，這為精細化的以創新能力培養為目標的項目教學法的開展提供了重要條件。依托這些課程，構建以工科大學生為對象、以實踐類課程為依托、以創新能力培養為目標的項目教學法，開展新工科專業教學方法的探索，具有重要的意義。

(1) 有利于開發學生自主學習智能。項目教學法融合了以建構主義學習理論和多元智能理論為代表的現代教育思想和理念。它強調以學生為中心，認為學生是認識的主體，是知識意義的主動建構者，教師只對學生的意義建構起幫助和引導作用。教師在教學過程中將各種教與學的策略運用到項目的規劃和實施過程中，注重學習與實踐的結合，通過培養和積累學習經驗，使學生的多元智能得到發展。

(2) 有利于提升學生綜合應用能力。實踐類課程所提煉出的項目內容決定了學生必須綜合應用所有專業知識，才能順利完成項目。如在項目準備過程中，必須具備知識獲取、學習與提煉的能力；在項目實踐過程中，必須運用理論、實施和實驗等多方面的專業知識；在項目總結的過程中，又必須掌握工程制圖、文字處理和成果展示等方面的技巧和軟件。因此，通過一個完整項目的實施，能夠在一定程度上提升學生開展知識創新所需的各類綜合能力。

(3) 有利于培養學生實踐創新精神。實踐類課程所形成的項目通常來源于實際工程或科研活動，具備一定的實際意義。同時，在有意識的項目設計和教學引導下，學生的創造性有較大的發揮空間。學生在教師引導下創造性地完成具有實際意義的項目，將有利于他們理解知識的產生和發展過程，建立知識體系的整體框架，理解知識中蘊含的思維形式和方法。從而使得他們的創新能力在實踐中形成、在實踐中提升。

(4) 有利于增強學生團隊協作意識。在這樣的一個項目團隊中，一般有著多個學生，這與傳統的課堂教學中學生獨立開展學習或項目實踐的情形完全不同。通過在項目內容和時間上的限制，使得團隊內的學生必須分工明確、團結協作，才能圓滿完成項目，項目團隊的協作水平直接影響著項目目標的達成度。項目實施過程中，學生們在討論、分析、試驗、總結等環節中，相互了解團隊成員，提高溝通能力，加強配合意識，最終形成臨時團隊的默契配合方式。在這一過程中，學生的團隊協作意識必然會有長足的進步。

2 項目教學法框架設計

項目教學法最突出的特點是“以項目為主線、以教師為主導、以學生為主體、注重學習過程與實踐活動的融合”[12]。其一般教學流程為：選擇項目主題、確定項目任務、設計項目內容、制定項目計劃、實施項目計劃、調整項目策略、研發項目產品、交流項目成果、反思項目經驗[13]。

工科專業是實踐性很強的專業，“較強的實踐能力和創新能力”是其重要的培養目標之一[16]。隨著社會經濟的不斷發展，工業技術的高速更新已成為整個工科行業發展的重要趨勢之一，這對卓越工程技術人才的知識、能力和素質提出了更高的要求，也對我國工科高等教育提出了更高的要求。結合工科專業的特點和發展新趨勢，構建以工科大學生為對象、以實踐類課程為依托、以創新能力培養為目標的項目教學法，其實施過程有三個主要階段和六個關鍵環節(見圖1)。

2.1 3個主要階段

結合實踐類課程的特點，將整個項目教學活動的基本框架描述為3個主要階段：問題定向學習的項目準備階段、探究導向學習的項目實施階段和多主體評價的項目評價階段。

(1) 項目準備階段。教師通過一個驅動性的問題創設一個項目的情境，“現在需要你完成這樣一個項目，你應該如何設計你的實施方案、開展你的實施過程呢？”對于工科專業的實踐類課程而言，作為驅動性問題的項目確定方法是不同的：課程設計的對象是教學內容和教師自身的工程經歷綜合的結果；生產實習的計劃是實習單位正在實施的項目決定的；學科競賽的賽題是由賽事組織者限定的。隨后，教師給出一個具體的類似項目的研究方案，通過對這個研究方案的分析，引出實施項目的幾個關鍵步驟，并向學生講解這幾個關鍵步驟的知識點。

圖1 以創新能力培養為目標的項目教學法

在這一階段，創設合理的項目(即驅動性問題)是引導學生進行意義建構的一個重要方面，所提出的項目必須合乎學生知識水平且能夠激發學生學習興趣。在這個教學過程中，需要引導學生圍繞這個項目開展問題定向、情境化的學習，使得他們在完成項目的過程中扮演積極的角色，根據原有的知識經驗展開探索，發現新知識，鍛煉和培養新的學習能力、研究能力及職業能力。

(2) 項目實施階段。組內的學生根據項目內容，相互溝通、相互合作、共同負責，制定工作計劃并逐步實施。在這一過程中，學生自行組織、安排自己的學習行為，克服、處理在項目實施過程中出現的困難和問題，如新的專業知識、新的專業技術、新的試驗手段等。隨后，學生按照項目成果的要求，進一步對項目成果進行修正和完善，并形成符合規范的項目成果，在這一過程中，教師需要發揮一定的輔助作用，引導學生掌握數據處理方法、了解寫作規范等。

在這一階段，為學生創設獨立探究的情境是十分關鍵的，教師作為學生的幫助者和指導者，需要綜合各種教學因素構建適宜的學習環境方便學生自主探究學習。在教學過程中，需要引導學生針對項目實施的具體過程開展探究導向的團隊協作學習，一方面，學生在項目實施過程中，針對關鍵步驟，探索新的知識領域，更新和完善知識體系，掌握創新的技術，形成創新的思維；另一方面，學生通過協作將自己的觀點和思維同群體共享，在不同意見的交流、討論中建構起對知識的深層次理解，培養起協作精神和協作能力。

(3) 項目評價階段。結合實踐創新活動的特點，項目評價主體有3個方面：① 學生自我評價，要求學生根據項目要求，對項目實施過程中的思路、知識、試驗、成果等進行總結，在團隊內部進行自我評價或多個團隊之間進行交流評價；② 教師評價，教師對項目過程中學生的獨立學習情況、項目實施過程、項目完成度等方面進行評價；③ 公共評價，實踐類課程的公共評價體系因具體課程而異，如：對于畢業設計，所在學校會組織專門的答辯會，通過教師、行業專家等組成的答辯委員會對設計成果進行評價；對于學科競賽，大賽本身即帶有評價的性質，可以檢驗項目教學的情況。

在這一階段，評價的內容不僅包含項目完成情況，還應包含在項目實施過程中對學生學習智能、創新精神、綜合能力和協作意識的提升情況。在這個教學過程中，評價應該是目標自由的，應能表現多重觀點和看法的知識建構，既有終結性評價，又有形成性評價；評價的主體來源也應是多方面的，既包含指導教師，也包含學生自身、其他教師、行業專家等。這樣形成一種多主體、全方位的評價體系。

2.2 6個關鍵環節

以上3個主要階段構成了以創新能力培養為目標的項目教學法的基本框架，但在其中又包含了多個細節教學活動，這些活動都是圍繞“討論、調查、學習、分析、試驗、展示”這6個關鍵環節展開的。

(1) 討論。包含了學生之間的討論、學生與教師之間的討論、學生在網絡中的討論，討論的內容包含了項目的規劃、知識的理解、具體技術方案的應用等。

(2) 調查。一方面是對知識、技術和試驗方法等的信息檢索，另一方面是對所開展項目中部分內容的數據調查。

(3) 學習。學生根據項目進程所開展的問題定向學習、探究導向學習，包含了對新知識的獲取、對知識體系的完善、以及對知識應用技能的掌握等。

(4) 分析。一方面是學生在教師引導下對項目整體理性分析和規劃，另一方面是學生對項目內容的理論與數值分析。

(5) 試驗。針對項目內容所開展的必要的試驗活動，這是工科專業特色決定的必要環節，也是學生創新能力的重要構成。

(6) 展示。學生對項目全部過程的總結，形成規范化的文本和可供展示的成果，如報告、可視化軟件等。

這6個關鍵環節的主體是學生，教師在此的作用是建構合適的情境，為學生順利開展這些活動提供幫助。上述6個環節靈活穿插于主要階段中構成了完整的教學體系，為項目的完成和學生創新能力的培養提供實施手段。

3 項目教學法在土木工程專業中的實踐

土木工程是一個實踐性很強的專業，“較強的實踐能力和創新能力”一直是其重要的培養目標之一[16]。本文采用以創新能力培養為目標的項目教學法，依托土木工程專業的實踐類課程，開展教學實踐。

以第7屆全國結構設計競賽的準備和教學過程為例，對以創新能力培養為目標的項目教學法的實踐過程進行說明。

3.1 項目準備階段

(1) 賽題分析與初步方案。第7屆結構設計競賽的題目要求設計并制作一雙竹結構高蹺模型，并進行加載測試，詳細賽題可參見全國大學生結構設計競賽官方網站。通過小組討論手段引導學生用科學的思維方式對競賽題目進行了逐條分析，形成表格，部分分析如圖2所示。

圖2 競賽題目分析

在對賽題分析的基礎上，引導學生從專業的角度、以科學的思維設計初步方案，學生從一些形式類似的結構出發，提出了4種初步方案如圖3所示。

(2) 項目實施計劃與知識儲備。在學生深入了解賽題含義、提出初步設計方案后，引導學生在這樣一個情境下建立項目的實施計劃(見圖4)。在整個方案的形成和完善過程中，學生了解了土木工程研究中的材料、構件、結構3個層次，理論分析、數值模擬、科學試驗3種研究手段，文字、表格、圖片3種成果形式。圍繞這個研究方案，啟發學生回顧理論力學、材料力學、結構力學等基礎理論知識，主動學習信息檢索、結構設計、試驗技術、專業軟件、文檔處理等領域的專業技能，促使他們構建出圍繞該項目的綜合知識框架體系。

3.2 項目實施階段

(1) 材料性能數據搜集與試驗。結構設計競賽所用結構材料為復壓竹皮，粘結材料采用鯊魚牌502膠水。在這一教學活動中，指導學生針對材料的質量、性能在網絡中進行信息搜集，認識竹皮的基本性能為：彈性模量10 GPa，抗拉強度60 MPa；膠水的抗剪強度為7.508 MPa。結合對材料的觀察，認清材料缺陷[見(圖5(a)]，并在實驗室開展了材料順紋受拉的性能試驗[見圖5(b)]，試驗結果與網絡數據的對比見表1。通過這一過程，學生掌握了信息檢索、材料試驗等研究方法和技能，并且理解了材料理論指標和真實指標之間的差別。

(a) 結構方案S1

(b) 結構方案S2

(c) 結構方案S3

(d) 結構方案S4

圖4 項目實施計劃

(a) 竹皮缺陷

(b) 材料性能試驗

表1 竹皮力學性能

(2) 構件截面與性能試驗。學生通過自行檢索之前的結構設計競賽信息，了解到利用竹皮常用的截面有箱型、圓環形和用于拉條的扁矩形截面。在構件成形的實踐中，學生體會到，圓環形的截面制作較為方便，質量相對箱型容易保證，因此，選用了圓環形截面作為主要受力構件；多層竹皮疊合而成的扁矩形截面作為拉條。

由于拉條的承載力相對容易確定，學生又針對圓環形截面的構件，結合學校的試驗條件，開展了構件拉、壓試驗(見圖6)。其中的抗壓試驗，引導學生設計了一種短柱抗壓試驗，如圖6(b)所示，在4根短構件的上下各加上硬板，在上硬板的上方用質量塊堆載，可以粗略地測試構件的受壓特性。采用上述兩種試驗，學生開展了相同內徑下，不同竹皮厚度、不同竹皮卷制層數構件性能試驗。

(a) 抗拉試驗

(b) 抗壓試驗

(3) 結構分析與實訓。學生為了對所設計的4個方案進行比選，自主學習了SAP2000有限元分析軟件，建立如圖7所示的模型對4個方案的受力性能進行分析。通過對比，S1方案最結實，但耗費材料最多；S2方案各項指標較為平均；S3方案在偏載下扭轉較為嚴重；S4方案受力合理，耗費材料少，但底部面積小，對行走技能要求較高。在這一過程中，學生自主學習了專業軟件，并應用基本力學知識分析了軟件分析結果。

圖7 結構方案分析模型

根據賽題要求，學生開展了結構的實際加載試驗和競速實訓(見圖8)。試驗后，學生放棄了受力最優的方案S4，選擇了更利于行走的方案S2；對減小了受力較小的右腳結構的桿件截面及部分受力較小構件的截面進行調整；對與地面接觸的底面進行了一些摩擦處理。在這一過程中，學生掌握了部分結構動力試驗技能和數據處理方法，并了解了理論分析與實際結構受力的關系。

(a) 試驗過程

(b) 測點編號

(c) 左腳應變變化曲線

(4) 成果整理與完善。在整個項目實施過程基本完成后，引導學生以項目目標為導向，系統分析所有結果，尋找規律。學生通過對自己所有制作模型的實踐數據處理與分析，統計了底面尺寸與行走速度、行走時間與結構質量(見圖9)等各類因素與項目目標之間的關系。在此基礎上，確定了參賽方案，并編制了競賽所需的計算書。在這一過程中，學生不但學習了數據處理、圖片繪制、文檔編制等手段，而且鍛煉了宏觀分析項目的邏輯思維。

圖9 行走時間與結構質量的關系

進一步，通過學生與學生、學生與教師的討論交流，幫助學生從全過程的角度審視所有活動結果，梳理“方案-優化-實踐”的創新思維，了解“材料-構件-結構”的研究思路，掌握“理論分析-數值模擬-科學試驗”的科研手段，從而強化他們在項目實施過程中得到提高的創新能力。

3.3 項目評價階段

在項目實施過程和校內組織的結構設計競賽中，完成了學生和教師兩個方面的評價工作；在全國結構設計大賽的過程中，完成了公共評價的工作。學生通過團隊內部的交流、與其他團隊的互評等方式完成學生評價。校內競賽邀請了4個結構專業相關教師、1個企業界的結構從業者和1個學生工作主管教師組成評審組，對學生的成果和展現進行綜合評價。指導教師在項目結束后對項目實施過程、成果和展示情況進行評價，并與學生就項目全過程中所有關鍵環節的得失進行交流，幫助學生深刻認識自身在項目實施過程的收獲。對于公共評價，除按競賽題目進行成果評定外，還由來自全國的知名專家對項目進行評價。

3.4 項目教學法效果

通過對所指導學生團隊在項目實施完成后至本科畢業這段時間內的跟蹤調查項目教學法的效果。由筆者指導的一學生團隊通過校結構設計大賽，不僅取得了代表學校參加全國結構設計大賽的資格，并在大賽中獲得二等獎，是學校在這一賽事的突破。該學生團隊在隨后學習經歷中，陸續獲得江蘇省結構設計競賽特等獎、第八屆全國設計大賽一等獎。在畢業實習、本科畢業設計等其他實踐活動中也獲得了較優秀的成績。由此可見，借助于項目教學法的實踐，學生的綜合創新能力有一定的提升。

4 結 語

面對新經濟發展和新技術變革浪潮，迫切需要培養具有歷史使命感和社會責任心、富有創新精神和實踐能力的創新型、應用型、復合型優秀人才，工科專業的傳統教育教學活動面臨著新的問題。本文以實踐類課程為平臺，構建以創新能力培養為目標的“三階段、六環節”項目教學法，并以土木工程專業為例開展實踐，培養學生自主學習智能、綜合應用能力、創新實踐精神、團隊協作意識等創新素質，通過跟蹤調查學生在隨后的實踐創新活動中的成績，評價了該教學法對學生創新能力提升的效果。