立體式實(shí)踐教學(xué)提高學(xué)生創(chuàng)新能力

陸紫生

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

2022 年上海疫情期間，我校機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的立體式實(shí)踐教學(xué)方法有效地降低了疫情的影響，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有序、高質(zhì)量完成。所以網(wǎng)上教學(xué)顯得尤其重要，其中小視頻教學(xué)（Small Private Online Course，SPOC）、慕課教學(xué)（Massive Open Online Courses，MOOC）形式受到廣泛關(guān)注。讓本科生參與課外科研項(xiàng)目的研究工作，盡快接受科學(xué)研究的基礎(chǔ)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，我校大力發(fā)展本科生研究計(jì)劃（Participation in Research Program，PRP）。如何集合SPOC、MOOC、PRP優(yōu)點(diǎn)，有效地組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，已成為實(shí)驗(yàn)教育改革中亟需探討的課題。

為了增強(qiáng)學(xué)生興趣、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力，提高學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，多位學(xué)者運(yùn)用先進(jìn)教學(xué)理念、信息化技術(shù)手段，進(jìn)行深入的探索［1-9］。SPOC概念是由加州大學(xué)伯克利分校的阿曼德·福克斯教授最早提出和使用的。自2011 年起，MOOC在全世界興起標(biāo)志著以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主的新型學(xué)習(xí)模式正逐漸形成［10］。該教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是以興趣為導(dǎo)向，充滿個(gè)人自主特色，突破了傳統(tǒng)教學(xué)的固定時(shí)空和師生模式，拓展為全球范圍內(nèi)不同人群任何時(shí)候都可以共享優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)了個(gè)人終身學(xué)習(xí)的可能［11］。2012 年，大規(guī)模開放在線課程MOOC 上線，《紐約時(shí)報(bào)》將2012 年稱為“MOOC 元年”［12］。2013年，哈佛、斯坦福等著名大學(xué)先后設(shè)立自有網(wǎng)絡(luò)在線學(xué)習(xí)平臺(tái)。同年，北京大學(xué)、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)著名大學(xué)陸續(xù)與在線課程提供商建立了合作關(guān)系。SPOC、MOOC教學(xué)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)部分，建設(shè)虛擬仿真大規(guī)模開放在線實(shí)驗(yàn)（Massive Open Online Experiments，MOOE）平臺(tái)提供一種新的解決方式，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)者在虛擬實(shí)驗(yàn)中完成一些在真實(shí)環(huán)境中無法實(shí)現(xiàn)或者難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)［13］。美國(guó)成立了麻省理工學(xué)院的微電子在線實(shí)驗(yàn)室、休斯頓大學(xué)的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室［14］，東南大學(xué)建成7 個(gè)具有影響力和示范效應(yīng)的國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心［15］。北京工商大學(xué)建設(shè)了經(jīng)濟(jì)管理類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)［16］。

SPOC、MOOC、MOOE、PRP有必要相互結(jié)合，其優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)上理論知識(shí)與復(fù)雜的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)操作有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)習(xí)效能產(chǎn)出，并形成以PRP 科創(chuàng)競(jìng)賽為牽引，SPOC、MOOC 理論教學(xué)與MOOE 實(shí)驗(yàn)教學(xué)為兩翼教學(xué)體系。

1 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 實(shí)踐教學(xué)體系框架

SPOC+MOOC +MOOE +PRP科創(chuàng)活動(dòng)總體框架如圖1 所示。根據(jù)難度不同分為3 個(gè)層次，即第1 層次基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)層次，第2 層次綜合知識(shí)和設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)部分，第3 層次科創(chuàng)前沿和高階科創(chuàng)部分。其中，第1 層次包括基礎(chǔ)理論知識(shí)、基礎(chǔ)設(shè)備操作、基礎(chǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)；第2 層次包括跨專業(yè)交叉學(xué)科知識(shí)、綜合類設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、開放性項(xiàng)目教學(xué)、混合類虛實(shí)結(jié)合類實(shí)踐項(xiàng)目；第三層次包括科研興趣俱樂部、各類校內(nèi)競(jìng)賽、科研前沿轉(zhuǎn)化的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、工程實(shí)際轉(zhuǎn)化的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等。如上所述，MOOE 中高度融入銜接SPOC、MOOC內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐內(nèi)容的結(jié)合，激發(fā)學(xué)生的興趣和求知欲，在MOOE中進(jìn)行高危險(xiǎn)性和高成本以及科研前沿類實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)復(fù)雜的綜合性的設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)進(jìn)行自主探索和試錯(cuò)；通過科技競(jìng)賽過程中的科研前沿實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)理論知識(shí)的深入理解和復(fù)雜虛擬實(shí)驗(yàn)的自主虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，提高實(shí)際動(dòng)手能力和實(shí)際解決問題的能力。

圖1 SPOC+MOOC+MOOE+PRP實(shí)驗(yàn)教學(xué)總體框架

SPOC+MOOC+MOOE+PRP科創(chuàng)活動(dòng)教學(xué)體系依照“創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)為核心，理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與科研前沿相結(jié)合為重點(diǎn)”的原則，構(gòu)建了以“基礎(chǔ)—綜合—?jiǎng)?chuàng)新”為主線，根據(jù)“理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)物實(shí)驗(yàn)和虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，教學(xué)、科研和工程實(shí)際相結(jié)合”的方法，最終建成多層次、立體化、開放式的教學(xué)體系。

2 SPOC+MOOC+MOOE+PRP實(shí)踐體系

依照以上教學(xué)總體框架，完善了熱能與動(dòng)力工程類SPOC +MOOC +MOOE +PRP 科創(chuàng)活動(dòng)教學(xué)體系，其體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。熱能與動(dòng)力工程類的基礎(chǔ)經(jīng)典型實(shí)驗(yàn)有6 個(gè)，分別是熱阻及肋片傳熱實(shí)驗(yàn)、對(duì)流傳熱特性實(shí)驗(yàn)、熱電偶制作與校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)、氣體定壓比熱測(cè)定實(shí)驗(yàn)、氣體狀態(tài)特性實(shí)驗(yàn)。另外還有氣體PVT虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、傳熱特性與強(qiáng)化傳熱性能虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。教學(xué)資源包括線下理論課程、線上SPOC、MOOC 等。教學(xué)方式以課前網(wǎng)上預(yù)習(xí)、課中以翻轉(zhuǎn)課堂為主的教學(xué)方式，教學(xué)時(shí)間以課堂教學(xué)為主。

圖2 熱能與動(dòng)力工程類SPOC+MOOC+MOOE+PRP實(shí)驗(yàn)課程體系

為了提高學(xué)生的綜合運(yùn)用知識(shí)能力和對(duì)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及操作能力，本中心還設(shè)置了太陽能綜合效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)、綜合制冷效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)、綜合燃燒學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)、綜合傳熱性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)等綜合類設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)。教學(xué)資源包括交叉模塊的課程、虛擬仿真中系統(tǒng)理論知識(shí)課程、綜合類設(shè)計(jì)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、開放性實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備等。教學(xué)方式以線上線下混合、虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，教學(xué)時(shí)間以學(xué)生課余時(shí)間學(xué)習(xí)和預(yù)約實(shí)驗(yàn)為主。

在PRP科創(chuàng)活動(dòng)中，實(shí)行“俱樂部為基礎(chǔ)、探索項(xiàng)目為路徑，以賽促學(xué)、以賽促教、學(xué)賽結(jié)合”教學(xué)模式，建立起整套教學(xué)機(jī)制。首先，中心建立了綠色能源與智慧能源俱樂部，全校范圍內(nèi)任何對(duì)節(jié)能減排、綠色能源、智慧能源感興趣的學(xué)生都可以加入俱樂部，俱樂部對(duì)感興趣的科研方向進(jìn)行系統(tǒng)的課程學(xué)習(xí)和實(shí)踐訓(xùn)練。然后，學(xué)生在俱樂部中的創(chuàng)新想法可以以探究項(xiàng)目的形式進(jìn)行進(jìn)一步探索。中心組建師資團(tuán)隊(duì)、開放場(chǎng)地、設(shè)備，全力支持學(xué)生開展校級(jí)項(xiàng)目教學(xué)、大創(chuàng)項(xiàng)目、校企合作探索類項(xiàng)目等。最后，學(xué)生在探究項(xiàng)目中取得了一定的科研成果，可以參加中心舉辦節(jié)能減排等校內(nèi)賽，在校內(nèi)賽取得優(yōu)秀成績(jī)的隊(duì)伍，可以進(jìn)一步完善作品，參與省部級(jí)、國(guó)家級(jí)、國(guó)際級(jí)的比賽。在比賽準(zhǔn)備過程中，學(xué)生不斷得到師資團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)，學(xué)生在此過程中，增強(qiáng)了探究的興趣，提升了創(chuàng)新能力和專業(yè)知識(shí)和技能，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決實(shí)際問題的能力，從而達(dá)到“以賽促學(xué)”的效果，教師在指導(dǎo)學(xué)生的過程中，也必須努力提升自己，進(jìn)一步拓展專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，達(dá)到“以賽促教”的效果。此類PRP科創(chuàng)活動(dòng)以團(tuán)隊(duì)合作、自主設(shè)計(jì)、自主創(chuàng)新為主，活動(dòng)時(shí)間一般為學(xué)生的課余時(shí)間。

3 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 實(shí)踐教學(xué)體系優(yōu)點(diǎn)

“SPOC+MOOC+MOOE+PRP科創(chuàng)活動(dòng)”的教學(xué)體系實(shí)現(xiàn)了理論知識(shí)、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)操作、課程活動(dòng)有機(jī)結(jié)合，虛實(shí)結(jié)合、線上線下混合教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，以賽促學(xué)、以賽促教等多層次要求。其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：

（1）SPOC、MOOC提供了大量便于獲取的優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，學(xué)生可以在網(wǎng)上方便地進(jìn)行學(xué)習(xí)和互動(dòng)，解除了時(shí)空限制，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。

（2）MOOE部分解決了SPOC、MOOC中的實(shí)驗(yàn)部分，以課程組織復(fù)雜實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生通過MOOE 開展綜合性、危險(xiǎn)性、學(xué)科交叉性以及自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)新類實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

（3）在PRP 科創(chuàng)活動(dòng)中，以俱樂部為基礎(chǔ)，廣泛提高學(xué)生科創(chuàng)興趣。以探索類項(xiàng)目為載體，系統(tǒng)培育學(xué)生專業(yè)知識(shí)和交叉學(xué)科知識(shí)，并提高學(xué)生的實(shí)踐能力和科研素養(yǎng)。學(xué)生可以加深理解SPOC、MOOC學(xué)習(xí)的內(nèi)容，驗(yàn)證MOOE虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)新性想法。以科技競(jìng)賽為抓手，學(xué)生可以接觸到科研前沿和工程實(shí)踐的問題，從而訓(xùn)練和提高學(xué)生系統(tǒng)工程思維和解決實(shí)際問題的能力。

4 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 的實(shí)踐探索成效

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心制作了實(shí)驗(yàn)課程典型小視頻SOPC，并共享在網(wǎng)上，學(xué)生可以在課前、課后可以隨時(shí)進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)，如圖3。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心還制作完成結(jié)合了MOOC 課程的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目MOOE（見圖4），這些項(xiàng)目可以配合實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作，并對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓展，有利于拓展學(xué)生的視野，激發(fā)興趣，接觸到科研前沿以及工程實(shí)踐項(xiàng)目，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生對(duì)感興趣的課題可以提出自己的科研創(chuàng)新項(xiàng)目PRP，有關(guān)老師對(duì)學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，并鼓勵(lì)其積極參加各類科創(chuàng)競(jìng)賽。

圖3 典型小視頻SPOC教學(xué)示例

圖4 MOOE虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與MOOC課程結(jié)合示例

在2020 年，24 組學(xué)生以PRP 成果為基礎(chǔ)參加校級(jí)節(jié)能減排大賽，其中優(yōu)勝者被推薦到全國(guó)全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽，11 項(xiàng)獲得“全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽”獎(jiǎng)項(xiàng)，包括特等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、一等獎(jiǎng)1 項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2 項(xiàng)、三等獎(jiǎng)7 項(xiàng)。

5 結(jié)語

本文以上海交通大學(xué)基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為例，探討了SPOC+MOOC+MOOE+PRP科創(chuàng)活動(dòng)多層次立體交叉融合人才培養(yǎng)模式；提出此教學(xué)體系的總體思路和推進(jìn)策略；實(shí)施了此教學(xué)體系的具體培養(yǎng)模式和改革舉措。①理實(shí)互動(dòng)、深度融合：整合優(yōu)質(zhì)資源在虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有機(jī)融入便捷查詢和學(xué)習(xí)到相關(guān)理論知識(shí)，拓展基礎(chǔ)知識(shí)并將其與綜合實(shí)踐創(chuàng)新培養(yǎng)相結(jié)合，將理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力的培養(yǎng)深度有機(jī)提升學(xué)生的知識(shí)水平和實(shí)踐能力。②綜合設(shè)計(jì)、創(chuàng)新實(shí)踐：在理論和實(shí)踐知識(shí)深度之后，學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)和能力進(jìn)行關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生課程理論體系并產(chǎn)生新想法新思路，虛擬實(shí)驗(yàn)可以滿足學(xué)生進(jìn)行綜合自主設(shè)計(jì)和探索試錯(cuò)，開展高成本和長(zhǎng)周期以及高風(fēng)險(xiǎn)的理論研究和虛擬實(shí)驗(yàn)。③學(xué)教賽相互促進(jìn)：在以上學(xué)生能力和素質(zhì)培養(yǎng)的基礎(chǔ)上，本教學(xué)方法積極推動(dòng)探究式項(xiàng)目教學(xué)，將俱樂部中的創(chuàng)新想法、科研前沿問題、工程實(shí)際問題等轉(zhuǎn)化為探討類項(xiàng)目。以科技競(jìng)賽為抓手進(jìn)行實(shí)體綜合性和學(xué)科交叉性科訓(xùn)練，使學(xué)生加深理論知識(shí)理解，提高了實(shí)際動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力。

綜上所述，“SPOC+MOOC +MOOE +PRP 科創(chuàng)活動(dòng)”的教學(xué)方法的科學(xué)意義在于摒棄傳統(tǒng)的灌輸式教學(xué)方式，以人為本地提供豐富而系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)上教學(xué)資源，學(xué)生從被動(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)；學(xué)生可以在虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)理實(shí)互動(dòng)，自行設(shè)計(jì)和組織創(chuàng)新型高風(fēng)險(xiǎn)和高成本的實(shí)驗(yàn)，提高了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新精神以及創(chuàng)新思維；在此基礎(chǔ)上，學(xué)生通過參加俱樂部、開展探究類項(xiàng)目、參加校內(nèi)比賽等PRP 科創(chuàng)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)、系統(tǒng)工程思維、科研素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力。所以，此教學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)消費(fèi)型學(xué)習(xí)模式向以創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)為目標(biāo)的主動(dòng)學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變。