基于新工科人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學研究

朱永強 張平霞 李敏 潘福全 楊勇

摘 要：當前課程培養(yǎng)模式難以適應新工科人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)的新需求，并且存在學生學習積極性不高、實踐動手與創(chuàng)新能力，尤其是解決實際問題的能力不強的問題。基于此，本文提出基于新工科創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學目標，對“運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計”課程教學模式和考核模式進行改革研究，搭建基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬設計+漫游平臺，實現(xiàn)理論學習與實際應用的銜接。在此基礎上，采用項目教學充分利用課內(nèi)外時間，做好互動和拓展訓練，滿足新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要。然后結(jié)合教師的動態(tài)技術(shù)跟進和指導尺度的把握，做好科學素質(zhì)和創(chuàng)造性思維的同步培養(yǎng)。最終實現(xiàn)基于能力的成績測評，重視創(chuàng)造過程的開展，推動學生主動地學好該課程。

關(guān)鍵詞：運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計;虛擬現(xiàn)實技術(shù);新工科;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

中圖分類號：G645 文獻標識碼：A

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

大學生作為建設創(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，因此加強大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是教育改革的核心目標，也是提高人才質(zhì)量的關(guān)鍵[3-4]。

目前隨著我國城市進程的加快，以及汽車保有量的增加，交通擁堵問題越來越嚴重，而交通運輸規(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)濟一體化的影響，單一城市很難脫離整個世界經(jīng)濟的影響，導致現(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、涵蓋多個學科的新興交叉學科。這種發(fā)展趨勢要求新的交通運輸專業(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習，能進行多層次多維度的規(guī)劃設計及方案評估，而這也是新工科對創(chuàng)新人才的要求?；诖?，本文對“運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計”教學手段開展研究，實現(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)教學模式對創(chuàng)新人才培養(yǎng)的制約

傳統(tǒng)教學模式，由教師進行知識的灌輸和普及，學生處于被動學習狀態(tài)中，學生的自由想象、自由研究、發(fā)表獨到見解的空間很少，不利于啟迪學生的創(chuàng)造性思維。同時傳統(tǒng)的規(guī)劃設計多采用圖紙—積木拼接展示的形式，這樣也會導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)造力的基礎是科學素質(zhì)，創(chuàng)造力的核心是創(chuàng)造性思維，而科學素質(zhì)的提高和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，主要是通過教學過程來實現(xiàn)。大學生的大多數(shù)時間是在教與學的過程中度過的，并通過該過程實現(xiàn)知識的傳授、思維的訓練和方法的學習?；顒拥拈_展必須與教學過程相結(jié)合，開展幾次活動是容易的，要在教學過程中貫穿創(chuàng)造性教育則十分困難。

（三）創(chuàng)造過程的忽略

近年來，在科學教育活動及其他各種創(chuàng)造發(fā)明活動中，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。同時學生在創(chuàng)造發(fā)明活動中，也會遇到許多困難。創(chuàng)新教育就是要利用這個過程，培養(yǎng)他們要有堅定的信念，要有恒心，有不怕困難、不屈不撓的精神。

二、教學改革

（一）基于虛擬現(xiàn)實—虛擬設計—虛擬漫游創(chuàng)新展示平臺的搭建，解決理論學習與實際應用的銜接問題

通過虛擬設計—虛擬漫游與項目教學相結(jié)合，實現(xiàn)學生隨時可以根據(jù)項目和課程進展的需要，開展運輸設施設計，進行方案設計和理論驗證，這樣在學習課程內(nèi)容時，就可以有針對性地、帶著問題進行深度知識點學習，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[6]：設計者可以直接在電腦上進行方案構(gòu)思，方案呈現(xiàn)直觀的三維立體狀態(tài)，改變傳統(tǒng)平面設計，設計圖與效果圖分離的缺點，便于團隊合作時的即時交流。

采用該軟件，進行相關(guān)運輸系統(tǒng)設施，例如立體交通、車站樞紐的設計，然后利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)再進行場景的虛擬漫游，讓老師帶領(lǐng)同學進入虛擬設計場地進行實際點評，同時結(jié)合課程內(nèi)容，講解規(guī)劃設計的知識要點和注意事項，實現(xiàn)理論到實踐的轉(zhuǎn)移。而學生在該平臺中親眼看到自己設計的優(yōu)點和不足，則必將大大促進相關(guān)軟件和各種知識的主動學習。

（二）“運輸系統(tǒng)規(guī)劃與設計”課程內(nèi)容與項目式教學的良好銜接，制定符合創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求的項目教學題目，滿足新工科創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求

項目教學可以充分利用課內(nèi)外時間，做好互動和拓展訓練，但考慮到學生水平、精力以及課程本身課時、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，指導教師必須做好題目難易度——創(chuàng)新能力培養(yǎng)的權(quán)衡工作。

通過項目式教學，實現(xiàn)知識學習和項目推進的同步進行，學生就會感受到新知識的價值，以及問題成功解決的喜悅和成就感，則必將激發(fā)學生的積極性，實現(xiàn)被動到主動學習的轉(zhuǎn)化，同時項目研究無標準答案限制，大大激發(fā)同學的創(chuàng)新動力。

同時學生在項目研究和課程學習中，是一個不斷認識、逐漸完善相關(guān)知識的過程，對項目方案進行調(diào)整，需要教師進行動態(tài)的跟進和指導，使學生不能偏離本來的課程學習重點。

另外在課程授課——項目實施過程中，要注意“度”的問題，即注意培養(yǎng)學生自學能力、鉆研精神，實現(xiàn)科學素質(zhì)和創(chuàng)造性思維的同步進行，避免對教師的過度依賴。

（三）OBE考核模式的探索

學生的課程成績既是對所學課程的一種評價，同時也是今后評價其他活動的參考，因此學生在有能力的情況下，都會主動努力追求好的成績。因此OBE考核模式就會從成績的角度來實現(xiàn)和保證：推動學生學以致用，真正掌握好該課程，并積極運用所學知識解決實際問題。同時還可以指導學生結(jié)合項目教學及創(chuàng)新性，進行科研論文撰寫，加強學生的科研意識培養(yǎng)，激發(fā)學生參加科研的熱情。

采用基于能力培養(yǎng)的模式后，學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)學生平時對該課程的學習動力，而不是最后突擊式學習。這樣就需要解決整個學習、研究過程中，學生的成績評定的問題。

三、具體實施

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

（一）方案確定

教師首先進行課程基本知識的講授，結(jié)合課程特點及科研經(jīng)驗和學生前期學習成效、興趣愛好，然后指導學生進行交通設施考察和調(diào)研，確定合適的研究題目。在題目選擇的時候，特別要將“能力培養(yǎng)”作為切入點，以“工程和創(chuàng)新能力培養(yǎng)”主線來進行。以“能力培養(yǎng)”為主旨，以設計理論和方法為線索，重組教學內(nèi)容，建立與強化培養(yǎng)學生的工程能力和創(chuàng)新能力相適應的教學內(nèi)容，構(gòu)建與OBE相適應的課程架構(gòu)。

（二）方案完善

隨著課程的進行以及知識學習的深入，需要學生結(jié)合實際案例，將所學專業(yè)知識應用到具體規(guī)劃當中，例如青島火車站規(guī)劃設計、青島濱海大道交通流規(guī)劃設計，這便于初次進行規(guī)劃設計的學生體驗規(guī)劃設計的基本流程，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，不斷完善和細化各自的設計方案，并鞏固所學知識。同時教師在授課時，也需要結(jié)合實際案例講授知識應用。

（三）階段性成果渲染展示與答辯匯報

為及早發(fā)現(xiàn)并糾正學生設計存在的問題，避免設計偏離本來目標，并及時督促和推進設計進度，需要進行階段性檢查和答辯匯報，要求學生利用SketchUP軟件進行三維模型制作及展示、PPT展示等，闡述設計理念及有關(guān)理論，并隨著專業(yè)課程的學習，逐步推進和完善設計方案，保證設計的順利開展。

（四）最終成果渲染展示與答辯匯報

學生可以利用圖片、漫游動畫等從多個角度展示規(guī)劃設計方案，闡述核心規(guī)劃思想，從而更進一步體現(xiàn)課程的學習精髓。通過完成一個完整的“項目”而進行的實踐教學活動，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明確的“項目任務”布置給學生，學生根據(jù)任務要求，運用所學的知識和技能，通過“確定項目任務—制定工作計劃—組織項目實施—檢查考核評估—總結(jié)評比歸檔”等5個階段，采用“團隊學習”的方法，動腦、動手、交流和合作，最終完成項目任務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)教學模式的推動和保證

通過學生的成果產(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，實現(xiàn)能力的培養(yǎng)。在整個環(huán)節(jié)中，通過制定系統(tǒng)完整的考評手段，讓全部學生參與到題目研究與考核中，例如為避免部分學生不真正參與題目研究，要求答辯時，團隊所有成員依據(jù)不同的分工，分別進行不同部分的答辯，既有分工又有合作，同時各隊還互相競爭。在匯報時為避免聽取匯報的同學不作為，要求每個同學都要提出意見，并納入考核范圍，最終激勵并推動學生變被動學習為主動學習，并且從成績考核上保證轉(zhuǎn)變的順利實施，實現(xiàn)全部同學積極主動參與學習。

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)實技術(shù)，進行交通設施的虛擬設計和虛擬漫游，結(jié)合項目式教學和OBE教學模式改革，改善課程的教學手段，提高學生的學習興趣。建立基于創(chuàng)新能力培養(yǎng)育人、項目—課程知識融合育人和注重“知識運用、能力培養(yǎng)、科學素質(zhì)提升”的應用創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，隨之形成一套科學、完整、可行性強的高素質(zhì)應用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的改革理念、方案與措施，解決當前專業(yè)課程理論知識不能與實際應用環(huán)節(jié)良好銜接、知識創(chuàng)新性運用少以及接觸實踐項目少的實際難題，提高學生利用設計軟件解決實際問題的能力，有效提升學生的工程實踐能力、創(chuàng)新能力，為以后從事研發(fā)工作奠定基礎，同時大幅度提升同學參與創(chuàng)新比賽的能力。研究項目可以作為學生的作品展示，也提高其競爭力。

參考文獻：

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[6]吳兆艷，湯孟平.基于SketchUp與GIS的森林景觀可視化實現(xiàn)[J].浙江農(nóng)林大學學報，2012，29（03）：352-358.

基金：青島理工大學機械與汽車工程學院2020年度本科教學改革研究項目（編號2020-1）;青島理工大學2020年本科教學改革與研究項目（編號F2020-12）;山東省自然科學基金（編號：ZR2019MEE072）;山東省本科教學改革研究重點項目（編號：Z2018S020）

作者簡介：朱永強（1975— ），男，山東萊州人，博士，副教授，研究方向：機器人、車輛動力學、虛擬現(xiàn)實技術(shù)。