實踐教學與科研對理工科大學生學習收獲影響的系統動力學仿真研究

張洪亞 郭廣生

摘 要：利用系統動力學方法，通過構建理工科大學生學習收獲影響的仿真模型，探究實踐經驗豐富度對理工科大學生學習收獲的影響趨勢和敏感性。研究發現，在實踐經驗豐富度的作用下，理工科大學生學習收獲增量曲線呈現“小—大—小”的變化趨勢，曲線軌跡呈現倒“U”型;理工科大學生學習收獲總量的增長呈現“慢—快—慢的上升趨勢，曲線軌跡呈現羅杰斯特“S”型曲線。

關鍵詞：實踐;科研;大學生;系統動力學;學習收獲

十九大報告中明確指出“加快一流大學和一流學科建設，實現高等教育內涵式發展”。關注大學生的學習正是實現高等教育內涵式發展的需要和體現。在過去六年中，中國教育經費收支兩條線的增幅都超過了同期GDP的增長，其中全國教育經費在GDP中的占比持續保持在4%以上，是增長最快的時期。但伴隨教育資源穩步快速增長，大學生學習收獲不佳的問題卻非常突出[1]。因此，如何提升大學生學習收獲這一問題亟待深入研究，這也是真正落實十九大報告、回歸高等教育常識、推動教育強國建設中的關鍵科學問題。

理工科教育在我國高等教育體系中占有重要地位，承擔著培養基礎研究、工程技術、工程和科技管理等方面人才的重任。本文以高校理工科大學生的學習為研究對象，把大學生的學習看成一個復雜系統，把大學生學習收獲界定為大學生在完成一系列培養計劃之后所獲得的知識、技能和價值觀，研究理工科大學生學習收獲的影響因素、影響機理以及提升路徑，重點研究實踐經驗對理工科大學生學習收獲的影響機理及控制動因，給出提升理工科大學生學習收獲的策略和對策建議。研究結論將對準確把握理工科大學生學習的特質，對學校資源配置、因材施教、分類指導，提升理工科大學生學習收獲乃至提升教育教學質量具有重要意義。

一、系統動力學仿真方法及應用

系統動力學（System Dynamics）是管理學傳統經典方法，主要研究復雜問題的反饋過程，通過分析變量之間的遞歸關系和非線性關系來解釋復雜系統的行為，不僅仿真模擬出這些變量之間是如何相互影響和作用的，同時還可以模擬出反饋效應、時間延遲、影響的趨勢和敏感度，以及存量和流量的變化。

理工科大學生的學習行為可以視為一個由影響因素、學習收獲、個體心理因素等組成的復雜系統，我們界定這個系統名稱為理工科大學生學習收獲影響系統。該系統具有反饋性特征，例如學習收獲的提升，可以激發學生更大的成就需要，引起學生參加實踐活動意愿更強，導致參加實踐活動更多，獲取實踐經驗更為豐富，最終獲取更大收獲，而更大的學習收獲激起更大的成就需要。同時，學習收獲影響系統也具有動態性，因為，學生的學習與發展過程是呈螺旋式上升的，學生的學習收獲隨時間而變化，不是一成不變的。因此，系統動力學仿真方法適用于理工科大學生學習收獲影響機理研究，本文將利用該方法探析實踐經驗豐富度對理工科大學生學習收獲的影響作用。

二、實踐經驗豐富度對理工科大學生學習收獲影響的系統動力學仿真研究

1.影響因素界定及研究假設

理工科大學生學習收獲的影響因素既多元又復雜，不僅有大學生自身因素，同時還受到家庭經濟地位、父母受教育程度、校園環境、教育經驗、人際關系、師生關系等因素的影響。本文重點分析實踐經驗豐富度對理工科大學生學習收獲的影響演化及控制機理，主要探析實踐經驗豐富度子系統作為一個系統對理工科大學生學習收獲的影響趨勢和敏感性。為了更準確地進行模型仿真檢驗，理工科大學生學習收獲影響因素系統動力學模型包含以下幾個假設：第一，理工科大學生學習收獲受到生師交流互動、同伴合作學習、學業挑戰度、院校環境支持度和實踐經驗豐富度五個子系統共同作用。第二，模型中設定系統仿真時間為100個單位;理工科大學生學習收獲的初始值設為1。

2.理工科大學生學習收獲影響系統的因果關系

分析理工科大學生學習收獲影響系統因果關系的目的是為了研究系統諸要素之間以及整體與局部之間的聯系和相互作用關系，建立系統的動態行為模式與系統內部的動態反饋結構之間的聯系，并用模型、變量和參數表示出來。因此，依據大學生學習投入理論等理論成果，本文構建了理工科大學生學習收獲影響系統的因果關系模型，主要反饋回路詳見圖1。

從圖1可以看出，實踐經驗豐富度系統反饋回路為：理工科大學生學習收獲—成就需要—參加各種有效教育活動意愿—實踐經驗豐富度增量—學習專注度增量—學習收獲增量—學習收獲。這一反饋回路表明，教育實踐活動對理工科大學生學習收獲有影響作用。

3.理工科大學生學習收獲及影響因素系統動力學分析

（1）理工科大學生學習收獲及影響因素間系統動力學流圖

根據上述因果關系反饋回路環以及實際中的發展規律，本文的模型仿真中使用Time函數表示這些變量隨時間變化的軌跡。利用Vensim仿真平臺軟件，構建理工科大學生學習收獲影響因素的系統動力學模型，見圖2。

（2）參數估計及主要動力學方程

本系統動力學模型中各參數的選取和確定是在基于大量的文獻研究，以及實證研究基礎上進行的。基于變量間的函數形式，在模擬仿真中進行具體函數設定并運算。本文采用描述性數據賦值法，對關鍵變量進行描述，模擬仿真理工科大學生學習收獲的演變過程。

（3）模型有效性檢驗

模型設立之后正式運行之前，一般要對模型進行有效性檢驗。通過輸入變量的初始值運行模型，得到理工科大學生學習收獲在不同時間的變化情況，以此檢驗所設系統動力學模型是否符合預期效果，是否有效。

Vensim仿真結果顯示模型中每個仿真均通過了檢驗并且有一定的實際意義，表明本文所建構的理工科大學生學習收獲影響因素系統動力學模型相對客觀地反映了理工科大學生學習收獲的發展和變化情況，由此判定該模型有一定的合理性和較好的一致性，可以進行下一步仿真運行。

4.實踐經驗豐富度對理工科大學生學習收獲演化及控制仿真研究

（3）鼓勵和支持理工科大學生參與科學研究。科學研究是一種探索世界、認識未來的創造性活動，理工科大科生參與科研實踐是調動理工科大學生學習主動性和自主學習能力、培養理工科大學生創新素質、接受高學業挑戰度、提升實踐動手能力的有效方式。理工科大學生從科研活動中可以提升批判性思維、解決問題的能力、責任心、工作態度、科研自信心、對某領域的興趣、溝通技巧等。

參與科研實踐也是理工科大學生的一種學習方式。可以使理工科大學生更好地理解和運用所學知識，有助于幫助學生發現知識的價值;有利于培養責任心、工作態度、科研自信心、解決問題的能力、對某領域的興趣、溝通的技

巧;有利于培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力和批判性思維，并有助于提升創新素質[3];科研項目的合作促進了教師和學生的頻繁接觸，增強了教師與學生的交流;鼓勵老師用高水平的科研支持高水平教學，有助于生師關系融洽，有助于老師掌握學生學習情況，也有助于老師言傳身教;有助于增進同學之間互助合作培養合作精神;有助于鍛煉學生的實踐動手能力，鼓勵理工科大學生參與科研項目的研究也有利于培養崇尚學術，堅持研究型學習和渴望創新、開拓進取的良好意識。科研學習投入對學習收獲具有顯著解釋力[4]。國外學者丹尼爾斯[5]及其他一些學者[6][7]研究發現，教師指導質量越高、獲得學校支持資源越多、科研學習收獲越多，大學生最終獲得的學習收獲越多。國內已有研究成果認為，科研訓練是提高大學生科研能力、創新意識、創新能力和綜合素質的重要途徑[8];科研參與次數多的學生，認知能力和社會性能力的自我評估更高[9];有科研參與經歷的學生更傾向于選擇學術型碩士[10]。

（4）構建一個理工科大學生能持續參與科研的制度保障體系

一是調整課程結構。開設研究性課程或科研項目計劃。研究性課程或科研項目計劃是面向全體理工科大學生開設的，以學生自主選擇的、直接體驗的、研究探索的學習為課程基本方式，以貼近學生現實的生活實踐、社會實踐、科學實踐的主題為課程基本內容。通過開設研究性課程將科研活動納入教學和學生培養計劃，同時，也可以把科研活動納入學分，使研究性課程作為理工科大學生參與科研的最初起步形式。例如，申請“科創”基金，參加科技學科競賽，參加教師實驗室項目等。

二是轉換教學模式。課題實踐研究強調自主學習，要求老師的教學模式也要從知識傳授向培養學生自主學習轉變。引導學生自主學習，對老師的能力要求更高。老師要有將科研成果轉化為教學內容的能力，設計以問題為導向的研究性教學能力，依托高水平綜合實驗平臺培養學生實踐動手能力，通過開展學科競賽、大學生創新實踐項目培養學生實踐創新能力，創建自主學習、合作學習的研究性學習氛圍的能力。

三是鼓勵學生組成科研創新小組。理工科大學生們從自身興趣出發，聯合有相同目標和興趣的其他同伴，組成創新團隊，選擇參與老師或是學生自己的創新項目，一起去發現問題、研究分析問題和解決問題。

四是建立大學生參與科研項目保障服務機制。為了保障大學生順利參加老師科研項目，需要制定相應的保障機制。比如將參加老師的科研項目納入學生評價范圍，學生參與科研項目的行為和效果納入學分認定、評優評獎中。鼓勵課題較多的老師開設與課題項目有關的專題課程，通過專題課程吸納對該研究方向有興趣的學生參與課題研究。或是定期推出介紹老師科研項目的推介會，向學生介紹課題情況，讓學生申請報名。

本文以理工科大學生的學習為研究對象，利用系統動力學仿真方法，探討了理工科大學生的實踐經驗豐富度對提升學習收獲的作用機理，給出了提升理工科大學生學習收獲的策略建議，對提高理工科教育教學及人才培養質量有重要借鑒意義。

參考文獻：

[1] 張洪亞，郭廣生. 理工科大學生學習收獲影響機理實證研究[J].大學教育科學，2019（3）：68-75.

[2] 蘇小紅，劉宏偉，張彥航，史先俊，曲明成，翟建宏.堅持實踐育人提升學生科學素養和創新實踐能力[J].中國大學教學，2018（9）：78-82.

[3] 任志玲，付華，郭瑞.在科研實踐中提升大學生科學素養[J].中國高校科技，2018（Z1）：71-72.

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[7] Weston T J， Laursen S L. The Undergraduate Research Student Self-Assessment （URSSA）： Validation for Use in Program Evaluation [J]. CBE-Life Sciences Education.2015（3）：29-35.

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[10] 范皚皚，王晶心，張東明.本科期間科研參與情況對研究生類型選擇的影響[J].中國高教研究，2017（7）：68-73.

[責任編輯：周 楊]