基于5E模型的創新實踐課程教學設計與實施

摘 要：傳統“教師講授，學生聆聽”的教學模式不利于激發學生自主創造性，無法有效提升學生的問題解決能力，因而不能較好地實現創新實踐類課程的教學目標。對此，該文提出基于5E模型的課程設計，并將其運用于能源動力類本科專業節能減排創新實踐課程。該教學設計下，學生需要開展小組合作學習，自主探索并提出問題，而后通過所學知識及相關信息的搜集、整合、運用使問題得到創造性的解決。實施過程中強調以學生為主體，教師在旁起輔助和引導作用。結果表明，該設計模型的實施能引導學生實現對知識的自主建構，有助于強化學生的自主學習能力及創新實踐能力，并有效培育學生的科研精神，能夠較好地實現創新實踐課程的教學目標。

關鍵詞：教學改革；5E模型；節能減排創新實踐；創新創業；新工科

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）29-0023-05

Abstract： The traditional teaching mode of "teachers teach， students listen" can neither conducive to stimulate students' independent creativity nor improve students' problem-solving ability effectively， so it can not achieve the teaching goal of innovative practical courses. In view of this， this paper puts forward a set of curriculum design model based on 5E model， and applies it to the innovative practice course of energy conservation and emission reduction for undergraduate majors of energy and power. Under this instructional design， students need to carry out group cooperative learning， explore and ask questions independently， and then solve the problems creatively through the collection， integration and application of knowledge and related information. In the process of implementation， it is emphasized that students are the main body， and teachers play an auxiliary and guiding role. The results show that the implementation of the model can guide students to realize the independent construction of knowledge， help to strengthen students' autonomous learning ability and innovative practice ability， and effectively cultivate students' scientific research spirit. It can better achieve the teaching goal of innovative practice course.

Keywords： teaching reform; 5E model; innovative practice of energy saving and emission reduction; innovative and entrepreneurship; new engineering

基金項目：重慶市研究生教育教學改革研究項目“面向‘雙碳’戰略的‘四位一體’能源動力研究生高質量人才培養體系的構建與實踐”（yjg243007）；重慶大學研究生重點課程建設項目“《熱物理過程數值模擬》”（20210622）

第一作者簡介：楊仲卿（1984-），男，漢族，山東棗莊人，博士，教授，熱能與動力工程系系主任，博士研究生導師。研究方向為碳中和及儲能技術。

新工科要求培養創新型人才，注重科研能力，提高認知，創造性活動。以創新為驅動，以問題解決為導向，應對高等教育外部環境需求與變化[1]。作為培養高質量創新型人才的主力軍，各研究型大學舉辦了一系列校級和院級科研及競賽活動，同時將本科生科研訓練融入教育體系，開展一系列創新實踐類課程。

傳統科學教育中，教師灌輸式教條式地照本宣科，學生基本處于被動接受知識的學習狀態，不符合“堅持學生中心，著眼學生全面發展， 尊重學生主體地位”的質量理念[2]，不利于調動學生的能動性與創造力，不適用于創新實踐類課程的開展。也無法解決創新實踐訓練開展過程中存在的學生課題學術性較弱、實地調研參與較少、課題設計及寫作能力亟待提高和過于依賴老師指導等一系列問題[3]。開展創新實踐課程，不是簡單地傳授創新創業知識，而是要深化教學方法，改變傳統授課模式[4]。

5E模型是由美國生物科學課程研究會（BSCS）的研究者開發的基于建構主義的教學模型[5]，被廣泛應用于STEM（Science， Technology， Engineering and Mathematics）教育中[6]。該模型下開展的教學活動具有以學生為中心，形式活躍且富含探究性等特點。強調讓學生運用跨學科知識，完成科學探究、自主設計、工程制作，在探索中獲取知識，從而培養問題解決能力和創新意識，教師在其中主要起指導者作用。

節能減排創新實踐是重慶大學開設的一門依托節能減排創新實踐大賽的本科生創新實踐課程。課程以強化學生創新實踐能力，培養科學推理能力和批判性思維為目標，要求調動學生的積極性，激發學生的創造熱情，形成科研創新內驅力。本文針對該課程的特點，基于5E模型進行教學模型設計，描述了教學環節的具體實施過程，而后對實踐結果作出反思并提出改進建議。

一 教學背景

節能減排創新實踐課程安排在大學二年級第一學期，學生已完成全部公共基礎課程和部分專業基礎課程的學習，初步掌握科學且專業的研究方法，基本能夠運用數學工具解決工程問題，但尚不具備充足的科技創新競賽的經驗，團隊合作能力和科研項目管理能力有待提升。課程為選修課程，同學今后參與節能減排創新實踐競賽及相關創新訓練的意愿較強，完成課程設計的積極性和主動性較高。

該課程緊密圍繞節能減排的主題，訓練學生發現問題、分析問題，以及將數學、自然科學、工程基礎與技術專業知識等用于解決問題的能力。培養學生科研熱情，激發創造能力。同時，訓練學生在團隊中的組織、協作、應變和溝通表達能力。課程要求學生能夠使用現代工具，以團隊合作的方式開展作品研發和方案設計。

二 教學模型建立

（一） 5E模型內涵

5E模型是一種基于問題開展的探究性教學模型，它把教學過程分為五個階段，以這五個階段的英文單詞首字母命名，分別是“引入（Engagement）”“探索（Exploration）”“解釋（Explanation）”“深化（Elaboration）”“評價（Evaluation）”。其優勢在于能更好地調動學生學習積極性，使得學生在探索過程中能更好地理解科學知識，培養科學態度和技能，提升學生創造思維和推理批判能力，因此成為STEM教育中使用最廣泛的模型[6]。

5E模型下的課程實施不同于一般探究性教學，評價學習結果時更注重理解或解決問題的過程，而不完全以最終成果為導向，強調教育學生知識發現的過程而不是知識本身。評價活動會貫穿在整個探究活動中，對包括“觀察、推斷、測量、溝通、分類、預測、控制變量、定義操作、制定假設、實驗和制定模型、收集數據、記錄數據、解釋數據”的科學實踐過程進行綜合評估，強調學生在學習中的主體地位，探究內容不由教師制定，而是由學生自主提出。

（二） 課程結構設計

節能減排創新實踐課程以全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽為背景，以探究式教學和案例式教學為主要教學手段，以節能減排選題、學生組隊、作品創意、方案設計、作品實現、方案優化、作品展示和成果保護等為主要教學內容。

教學實施分理論課程和實踐兩部分。前期理論課程屬于5E模型的“引入”環節，導出教學任務，激發學習興趣。后續實踐部分中，學生分為多個節能減排創新實踐小組進行團隊學習，教師組織討論課安排學生每兩周一次以小組為單位匯報工作進展。該部分囊括5E模型的“探索”“解釋”“深化”“評價”四個階段：“探索”階段，學生通過自身生活經驗進行資源梳理與自主學習；“解釋”階段，學生在討論課上展示工作進展對研究作出科學解釋，教師在旁提出指導性意見，幫助學生不斷調整研究思路；“深化”階段，學生將所掌握的科學方法和數學工具運用到作品中去，完成作品的模型設計、實物組裝及性能測試；“評價”階段，學生提交完整課程設計書并參與終期答辯。課程實施過程中要激勵學生們主動學習、發現探索求知的樂趣，讓同學們在提出問題、思考問題、解決問題等方面獲得長足進步，從而提高科研能力。

教學環節與5E模型各階段對應見表1。

（三） 課程實施

1 引入：劃分研究小組，提供選題指導

通過前期理論課程，讓學生了解科技創新創業的背景和政策，大學生科技創新競賽的基本情況。講授如何選題、如何組隊、如何開展方案設計和完成作品、如何展示作品及如何進行成果保護及創新升華。向學生展示歷屆節能減排大賽獲獎作品，激發學生對節能減排主題的好奇和興趣。

講授的重點應放在如何選題上，合適的選題有助于提高大學生的科技創新能力，促進大學生科技創新能力的發揮[8]。低年級本科生的知識基礎相對比較薄弱，也尚未受到科研工作的系統訓練，不具備開展高精尖科研創新活動的能力。因此選題要盡量與學生現實生活密切相關，將探索過程置于一定真實生活情境中。確保選題要解決的核心問題能讓學生將所學的知識和技能進行遷移和應用，并能在探究過程中逐步發展學習和實踐能力。避免選題過大、缺乏開展條件、題目含糊不清等選題禁忌。一個優質的選題能成為優秀研究的起點，將學生更快引入到科研工作中，對于推動研究工作的發展，提高大學生科研信心和形成綜合科學素養都具有重要意義。

2 探索：提出問題，開展問題探究

學生組建節能減排科技實踐小組，開展課下的小組合作學習。基于自身生活經驗和對專業背景的了解，自行擬定課程設計題目并查閱整理相關資料；開展積極有效的討論，探究選題可行性及研究方案；對討論結果進行總結并評價，結合提出的問題調整研究方案。

在學習小組中每個小組根據學習任務及成員的學習興趣、學習能力進行分工。小組全體成員需自行組織組內討論交流，共同制訂研究計劃并參與實踐活動。學生成為學習的主體，能有效提高學生學習的積極性和主動性。小組成員有了共同目標，也能有效增強學生的集體意識，鍛煉團隊協作能力。自主探索提出的問題是學生獨特性思維的體現，更是創新能力的迸發點。

3 解釋：精細化結論，完善方案

學生在對資料進行梳理整合后形成圖表、報告、示意圖，結合自己的理解對結果進行闡述，在該過程中完成對相關知識體系的建構。教師通過學生的闡述掌握其工作進度推進情況、背景調研情況、研究方案及技術路線設計情況。在此過程中，教師在旁聆聽觀察，及時發現并指出問題，同時幫助學生進行科學的解釋，鼓勵學生從多種角度理解問題，用多種方法解決問題。

教師在其中主要起引導作用，提供啟發式、探討式、鼓勵式指導，不提供現成解決方案。學生主動對相關信息進行整合、思考、理解和運用，對課題形成獨到的見解，又在深入了解后發現新的問題，這正是科學發現精神的養成過程。

4 深化：落實設計方案，整合匯報總結

學生經上述各階段對課題有了深刻的認識，形成完整設計方案并充分掌握所需數學工具后，在本階段落實計劃。開展理論計算，建立理論模型，制作實物并測試其性能，通過實踐活動加強和擴展上一階段習得的知識技能。小組成員合作完成課程報告的撰寫，附上小組分工及個人工作描述說明，并通過終極匯報進行最終成果的展示。

5 評價：總結與反思

本課程考核包括小組成績（小組課程報告、答辯及作品展示、進展交流匯報）、個人成績（小組分工、個人工作描述）、綜合評定學生成績及課程目標達成度。

課程目標考核及成績構成見表2。

三 教學結果

（一） 教學效果分析

在基于5E模型的節能減排創新實踐課程教學實施過程中，學生展現出較高的學習熱情，能通過團隊合作自主探索課題，主動設計研究方案并實施。雖然由于專業知識結構尚不完善、理論知識基礎不夠扎實等原因，設計作品仍停留在對現有科研成果的變相模仿，但已能夠用實驗數據和實地調研作為科學支撐，初步掌握了正確的研究方法并獲得一定的實踐經驗，各課程目標達成情況如圖1所示。

過程匯報及課程報告顯示學生能夠針對本專業復雜工程問題的解決方案，綜合考慮社會、健康、安全、法律、文化及環境等因素的影響，在設計中體現創新意識。能基于能源與動力工程基本原理，調研和分析能源與動力工程復雜工程問題的解決方案。具備團隊協作意識及團隊精神，能夠理解多學科背景下團隊中每個角色的意義及責任。

學生個體課程目標達成情況如圖2所示。

多數學生對項目工程背景及現階段研究不足的探索不夠深入，大多數學生不會查閱和梳理文獻資料，不懂得最基本的撰寫學術論文規范，搜集整合處理信息能力有待進一步培養。部分學生在探索過程中出現經費不足、超支情況，科研項目管理能力有待提升。

（二） 實踐反思

通過教學結果分析可知，學生搜集整合信息、評述文獻、使用編輯及數據處理軟件等基礎科研能力有較大提升空間，應在今后的教學實施過程中作出相應調整，前期參與階段中需適當補充文獻檢索及閱讀管理、常用數據分析軟件等基礎科研知識，幫助同學更快完成資料收集整合并開展有序高效的課下討論。而針對科研項目管理能力不足的問題，則應在探索階段中讓學生補充科研經費規劃，防止后期出現由于經費不足，無法完成實物制作并進行性能調試導致項目停滯的問題。

一個理想的新工科創新型人才培養方案是階梯式的，科研創新能力的培養是循序漸進的過程，僅靠開設一兩門創新實踐課程無法實現新工科創新型人才的培養。創新實踐類課程應作為階梯式培養方案的一環，除此之外還需要將科創教學合理配置到本科四年時間中，在課程體系中加入更多研究性課程[9]。在新生入學后就做創新創業動員工作，讓學生從一年級開始了解專業前沿技術，用充足時間培養學生對社會需求和技術革新的敏銳嗅覺，為二年級開設的創新實踐課程打下良好基礎，也能避免學生對選題迷茫，在探索階段中停留過久壓縮后續階段學習時間的問題。創新實踐課程結束后，學生的科創熱情得到進一步激發，掌握了正確的科研方式方法，批判思維能力有了較大提升，這些都應在后續的培養中得到進一步強化，乃至產出實際創新創業成果，或參與競賽申請科創項目，或申請國家專利發表科技論文。如此有層次分階段地開展科創能力培養工作，創新實踐課程在其中起到承上啟下作用，與其他環節共同建立本科階段科研訓練體系。

四 結束語

節能減排創新實踐作為一門面向本科生的基于科技創新比賽的探究性學習課程，在其教學模式探索的過程中應更加注重激發學生科研熱情及啟發學生創新思維。本文基于5E模型，組織學生團隊合作形式開展研究性學習，自主選題并圍繞項目主題調研并討論，在討論課上就設計思路和項目進展開展分析探討。充分提升了學生們的自主學習能力，同時有效促進了學生間的溝通交流，提升團隊協作能力。

參考文獻：

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[9] 毛曉波，李志輝.“科技創新大學四年不斷線”課外實踐模式探索與實踐[J].高教學刊，2021，7（25）：23-26.