面向新時期國家戰略需求的課程教學改革探索

李瑞華 宋剛福 陸建紅

摘 要：在新時期國家戰略需求下，培養利用現代信息技術分析和解決復雜工程問題的能力顯得十分重要。本研究以MATLAB程序設計課程改革為例，革新傳統被動輸入的學習模式，提出以面向產出為導向設計教學內容，以學生為中心構建“教、學、做一體化”的教學模式，以持續改進為目的建立多重考核方式，梳理國家戰略需求和給水排水工程的綜合應用型案例，將理論與實踐有機結合，育人與育才相統一，以培養出適應新時期國家戰略需求的高素質人才。本研究成果將為編程類相關課程建設提供參考和應用實踐。

關鍵詞：MATLAB軟件；課程思政；教學設計；實踐教學

基金項目：2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目“面向新時期國家戰略需求的河南省給排水科學與工程一流專業建設探索與實踐”（編號：2021SJGLX155）；2021年度河南省高等教育教學改革研究與實踐項目（學位與研究生教育）“黃河國家戰略背景下環境科學與工程學科研究生創新能力培養研究與實踐”（編號：2021SJGLX012Y）

作者簡介：李瑞華（1990— ），女，華北水利水電大學環境與市政工程學院講師，研究方向為水污染控制技術及固體資源化回用；宋剛福（1977— ），男，華北水利水電大學環境與市政工程學院教授，研究方向為水資源系統分析及水污染控制技術；陸建紅（1973— ），女，華北水利水電大學環境與市政工程學院副教授，研究方向為水處理理論與技術、城市水務規劃與信息化管理研究。

隨著黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略，社會迫切需要大量具備扎實專業理論基礎，富有創新精神和實踐能力，善于應用現代信息技術的高素質專業技術人才。給排水科學與工程專業主要是培養從事水資源保護、市政給排水、建筑給排水、海綿城市、低影響開發雨水系統等方面工作的高素質工程技術人才。新時期國家戰略的實施不僅為給排水專業發展提供了廣闊的空間，同時也對專業人才培養及其與社會需求的契合度提出了更高要求。

MATLAB程序設計課程是華北水利水電大學給排水科學與工程專業開設的一門工程基礎課，注重數據分析和計算機思維能力的培養，強調理論與實踐相結合，依托其獨特的數學算法和編程設計幫助學生分析和解決復雜給排水工程問題。為了不斷努力培養和造就適應新時期國家戰略需求的高素質人才，課題組以MATLAB程序設計課程為依托建設教學團隊，探討編程類課程如何以面向產出為導向設計教學內容、如何以學生為中心構建一體化教學模式、如何以持續改進為目的建立考核方式，通過對理論和實踐教學實施進行改革與探索，強化培養學生解決復雜工程問題的分析思維、創新意識和實踐能力，并對教學效果進行評價和總結，輔助考核反饋結果反思教學效果，持續改進下一輪教學實踐，全面提升學生學習的主動性、積極性以及創新性。

一、課程學情分析與思考

MATLAB程序設計課程為給排水科學與工程專業的一門工程基礎課，開設于第四學期，此時學生已具備高等數學、線性代數、工程力學、概率分析與數理統計、計算機與信息技術等高等數學及工程數學的基本理論知識，初步具備合理抽象、邏輯推理和分析綜合的能力。但還存在以下問題，首先，在此類基礎課程教學過程中，課程內容多、學時緊張，一般采取以教師講解為主的授課方式，課后通過大量的習題幫助學生鞏固對重難點理解，學生的主動學習和創新思維意識不足；其次，大學生尚未系統接觸過此類編程軟件，未掌握計算機語言處理問題的思路，缺乏軟件語言的分析能力和創新思維，無法將現代信息技術應用于解決復雜工程問題；最后，編程類課程的理論性強、實踐性強，需要平衡理論知識教學和編程實踐教學，體現出“教、學、做一體化”的教學思想，且有必要讓學生利用網絡資源和文獻資料自主學習軟件更新內容。鑒于以上問題，MATLAB程序設計課程的改革和創新勢在必行。

二、示范課堂教學改革設計與實施

（一）以面向產出為導向設計教學內容

MATLAB程序設計的課程目標主要是依托于MATLAB軟件，輔以在工程中的應用案例，識別和表述給水排水工程問題，模擬不同領域的復雜工程問題，進而支撐問題分析和使用現代工具的畢業要求。針對課程目標和產出導向，教師應首先對課程內容體系和教學環節進行深入分析與優化設計，強化理論知識與工程案例應用之間的聯系，并在理論授課過程中適時加入應用背景和思路分析等，結合演示操作深化重難點，從而實現理論知識與實際操作的充分融合。在案例選取上，應重點關注學生知識、素質、能力的增長點，挖掘與黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略、給排水工程背景相關的案例，開發能夠體現學生創新精神、探究意識的綜合性設計題目，如水質指標分級、水處理工藝優化、水質水量模擬預測、標準數據可視化等。通過小組討論、開放回答等模式促使學習模式由被動輸入轉向專業知識、實踐能力、綜合素養“三位一體”融合發展的人才培養新模式。在教學思路上，結合MATLAB程序設計教學大綱的授課內容，從理論起源、創新發展、技術應用等角度，無形中滲透政治信仰、價值理念、精神追求、科學思維、工匠精神等思政元素。

MATLAB程序設計課程的國家戰略元素和思政內容嵌入設計內容如下。一是在MATLAB系統環境章節，可以結合文獻資料，講解MATLAB軟件在給水、排水和建筑給排水工程及其在黃河流域生態保護中的具體應用，深化學生對給排水職業的認識，增強學生對專業的自信心，樹立奉獻給排水和環保事業的理想信念和精神追求。二是在MATLAB數據及其運算章節，可以結合運算規則，引導學生樹立遵守規則的意識。三是在MATLAB矩陣處理章節，引入楊輝三角、祖沖之計算出圓周率小數點第七位等案例，增強學生的文化認同和民族自豪感。四是在MATLAB程序流程控制章節，通過程序流程編寫、運行及調試優化，培養學生縝密的科學思維和“執著專注、精益求精、一絲不茍、追求卓越”的工匠精神。引入黃河流域生態保護和高質量發展國家戰略背景，結合《河南省黃河流域水污染物排放標準》，利用選擇結構、循環結構等實現“多參數水質分級”的工程案例。五是在MATLAB繪圖章節，設置“水質參數變化趨勢”案例，通過圖形可視化更直觀的判斷和分析水質波動情況，為后續專業課打下良好基礎。六是在MATLAB數據分析與多項式計算章節，結合不同數據分析不同比賽計分規則，引入奧運健兒的拼搏事跡，培養學生愛國、敬業的社會主義核心價值觀。結合多項式運算和曲線擬合等理論知識，設置“水處理工藝參數優化”“水質水量模擬預測”題目，體現水污染控制技術在流域水生態環境保護中的應用價值。七是在MATLAB數值積分微分與方程求解章節，結合我國古代數學成果，培養學生開拓進取、創新的科學思維。結合文獻資料，講述最優化問題求解在水污染控制技術優化等案例中的應用，鼓勵學生借助網絡資源達到終身學習的目的。八是在MATLAB符號計算章節，結合文獻資料，講述MATLAB符號計算在水生態數學模型中的應用，鼓勵學生通過自主學習提高對MATLAB廣泛應用的認識。

（二）以學生為中心構建“教、學、做一體化”教學模式

MATLAB程序設計課程設置有理論學時和實踐學時，要充分考慮課程結構特點，理論教學應以學生作為教學課程的主體，教師起到主導作用，實踐教學可考慮小組協作、學生自己動手、教師輔助指導的教學模式，將基礎理論課程與實踐課程有機結合，從而構建“教、學、做一體化”的教學模式。

理論教學受學時限制，采取傳統的教學方式已無法達成課程目標，可以采取學生自主學習、教師重難點講解及工程案例分析、網絡資源輔助教學等多維教學模式。課前，要求學生對重點內容進行任務式學習，提前反饋預習效果；課中，教師針對運行理論、程序調試等重難點進行深入講解，結合工程案例進行討論分析，共同給出開放性的運算思路；課后，學生再次總結案例并結合軟件操作完成章節作業，層層深入實現對重難點的掌握。

實踐教學對學生的自主學習意識和實驗內容要求較高，若一味地按照教材中的實驗內容進行教學，會限制學生的創造性思維和邏輯分析能力，從而影響教學效果，無法滿足給水排水工程應用及國家戰略對高素質專業技術人才的需求，因此，需要結合實踐教學方法和實驗題目進行改革探索。首先，在實踐內容設置上，教師可以結合專業應用領域和國家戰略需求設計出綜合性、創新性強的實驗項目，例如將程序控制結構與數據統計相結合設計出“多參數水質分級”題目，將數據統計、多項式計算與圖形可視化相結合設計出“污水處理廠出水水質參數變化”，將數據插值與圖形可視化相結合設計出“水處理工藝參數優化”題目，將數據插值與程序控制結構相結合設計出“管網管徑選擇”題目等，以上復雜問題既涉及多個知識點，需要學生對理論知識有充分了解，也應設置出開放性的解決思路，不拘泥于固定答案，又進一步培養學生的開放性、創新性思維。其次，在實踐內容教學上，依托于課程教學團隊，每次設置兩名主講教師，實現“小班教學”模式，全程突出以學生為教學主體、教師輔助指導的教學思路，貫徹以練為主、以講為輔的教學模式，執行小組討論、自己動手的實踐方式，保證每一名學生都能針對實踐內容自己上機操作，有效鍛煉學生的實際編程動手能力，提高學生利用專業知識和計算機語言解決復雜工程問題的能力，促使學生向開發型、研究型、應用型人才轉變，最大程度保證實踐效果。此外，要注意個別差異性教學，在教學內容結束后可以留出自由訓練時間，學生可以根據自身情況主動練習課后習題，或者針對課堂練習不理解的地方進行自由提問，教師可給予恰當的鼓勵性評價，最大程度保證課堂教學走向開放。

（三）以持續改進為目的建立多重考核方式

根據MATLAB程序設計課程的特點，該門課程注重對每一名學生理論學習和實踐學習的綜合考核，重點關注學生對于工程案例的分析和解決能力，結合學生達成度的定性和定量分析，不足之處反饋到后續教學，進而達到持續改進的目的。

針對學生考核，主要設置平時成績、上機成績和期末考試成績三部分。平時成績可占10%—20%，主要包括學生作業、課堂測試、課堂互動、小組討論等，體現學生對重難點的理解程度和自主學習的積極程度；上機成績占30%，包括上機報告成績和上機考試成績兩部分，主要依據學生上機操作熟練程度、小組討論情況、報告撰寫情況等，體現學生對實驗操作的理解和應用能力；期末考試成績可占50%—60%，題目可設置客觀題、應用題、分析題、圖形可視化題目等，題目不拘泥于固定答案，主要考查學生的理解能力、分析能力和創新意識。課程結束后，需要結合考核分數完成課程目標達成度評價報告，對于未達成個人需要的逐一分析原因，給出切實可行的改進措施。

教師可根據教學效果完成評價。首先，教師自查總結在本次課程結束后是否完成全部教學設計，重難點及案例講解是否到位，并記錄學生互動情況，結合課后學生提問、反饋情況，完成教學后記；其次，在本次課程結束后組織學生反饋，反饋內容主要包括教師講解思路評價、授課內容評價、教學效果評價及授課方式建議等，反饋形式包括集中反饋、重點人員反饋及調查問卷等；最后，教師針對工程案例完成度進行定量分析，包括每次工程案例作業的完成情況、上機練習完成情況以及期末考試工程案例的完成情況，對于普遍問題要反思教學設計的不足之處并進行記錄。根據以上考核查漏補缺，形成改進方案并應用于下一次課程教學中。

三、課程教學改革實施成效

MATLAB程序設計課程改革已在課題組所在的學校2020級給排水科學與工程專業實施，經過初步實踐，取得了良好的教學效果。整體來看，學生課程目標點達成度由0.787上升至0.831，對理論知識的掌握程度以及操作應用的熟練程度均有明顯提升。

課題組在結課后對2020級學生完成工程案例的達成情況進行具體分析。結果表明，學生利用上機操作對工程案例的分析能力較強，超64%的學生完成情況大于平均值，約96%的學生高于及格線，且強于利用理論知識解決工程問題的能力，這也說明學生能夠積極參與實踐教學的各個環節，體現了以學生為中心的的教育理念，“教、學、做一體化”教學模式執行到位。但仍有5名學生的綜合完成情況未達到期望值，通過對個人學習情況進行單獨分析，原因主要包括知識點理解不到位、對工程問題的分析能力有限、對實踐操作的熟練程度不足、對工程案例的理解和應用不到位等，后續需要針對程序流程控制等內容進行進一步優化改進。

在新時期國家戰略需求的大背景下，課題組以華北水利水電大學給排水科學與工程專業的MATLAB程序設計課程為依托，組建教學團隊，引導教師專注課程建設和教學水平提升。在課程改革上，以面向產出為導向設計教學內容，融入水環境保護等工程案例和課程思政元素，以學生為中心構建“教、學、做一體化”教學模式，強化學生在理論教學和實踐教學中的參與度。通過對學生達成度的定性和定量統計分析，多角度評價教學改革的提升效果，深入剖析學生對課程內容的理解掌握情況以及教師在課程實施過程中的不足之處，從而持續提升課程實施效果。

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責編：應 圖