MPE-CDIO理念的數學實驗課程教學改革

石端銀, 張曉鵬, 李文宇, 張秋杰, 張傳芳(黑龍江科技大學 理學院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

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MPE-CDIO理念的數學實驗課程教學改革

石端銀, 張曉鵬, 李文宇, 張秋杰, 張傳芳
(黑龍江科技大學 理學院， 黑龍江 哈爾濱 150022)

針對目前高校數學實驗課教學過程中存在的問題，借鑒和吸收先進的CDIO工程教育理念和標準，并結合我?！按蟮掠⒋蠊こ?、大實踐”三大教育理念下的應用型人才培養目標而提出的MPE-CDIO工程教育模式。在此模式下進行數學實驗教學改革，分別從實驗教學觀念、課程體系、教學方法和手段、實驗考核及評定方式等方面進行改革與探索。結果表明在MPE-CDIO教育模式下進行數學專業實驗課教學，有效提高了學生的獨立思考能力、分析綜合能力、編程能力和創新思維能力，從而達到應用型人才培養的目的。

MPE-CDIO； 數學實驗； 教學改革

0 引 言

隨著社會信息化和經濟全球化的不斷發展，社會對教育界提出了更高的要求，對人才選擇標準也是日趨苛刻，不但要求理論知識水平高，而且要實踐能力強的高素質應用型人才。當然對數學人才的知識結構和素質能力的要求則更高，要求數學類專業的學生不但精通抽象的數學理論，更重要的是要將數學理論、精髓、思想、方法等靈活應用于解決實際問題當中去，以適應經濟社會和信息社會對數學人才的需求[1]。而數學實驗則是聯系數學理論與實踐的橋梁和紐帶，但傳統的數學實驗教學理念、課程體系和教學方法手段都已很難適應當今快速發展的社會趨勢，面對當前局勢，為了使培養出的數學人才具有更高的市場競爭力，必須實現數學實驗課教學轉型，由傳統的單純傳授知識型向培養學生應用實踐能力、創新思維能力等綜合素質能力型轉變。如何實現成功轉型，是一個長期工程，也是目前亟待解決的問題。

1 傳統數學類實驗課的教學現狀分析

高等院校的大部分數學類課程都會涉及到實驗課，教師也意識到不但要重視學生理論知識學習，更要加強學生的實踐應用能力和創新能力的培養，但是，目前許多數學實驗課的教學過程中仍存在下述問題[2]。

1.1 教學認知和學習觀念問題

(1) 許多教師對實驗課的教學目的不甚明確、教學認知不夠。由于實驗課學時較少，所以許多高校教師對其重視程度不夠，基本都是先上理論課后上實驗課，這樣導致前后理論實踐脫節現象嚴重。更有甚者，如果最后沒有足夠學時，就直接將其刪掉。

(2) 學生對實驗課的學習觀念淡薄。在應試教育為主題的中學教育下解放出來的大學生，習慣于被動地學習，不愿主動動腦和動手，更不想嘗試新的方式方法，缺乏創新意識和探索精神，對于實驗課，有部分學生認為可有可無，“反正考試不考實驗”，這種學習觀念顯然是可怕的。

1.2 數學類實驗課的課程體系設置問題

在本科生培養方案制定時，大部分數學類實驗課所分配的學時較少，大約4～10學時不等，其實數學課程都是工具，不但理論重要，更重要的應該是怎么應用數學知識解決實際問題，而數學實驗課就可以解決此問題[3]。

1.3 數學類實驗課的教學方法和手段

傳統的數學類實驗課的教學方法和手段只是符合應試教育，首先教師講實驗原理講解，學生仿照教材中的例子做一遍，許多程序都是現成的，很少又學生按照自己的想法編寫程序，然后將教師布置的作業寫在實驗報告中，整個過程完全是機械地去做，這種模式無法真正達到開設實驗課的目的，不能提高學生的創新意識、實踐能力以及團隊精神。所以，這種教學方法和手段急需改革[4]。

1.4 數學類實驗課的考核和評定方式

目前，各高校關于數學類實驗課的考核和評定方式不太一樣，但大部分都是以實驗報告的形式完成，占總成績的5%～10%之間，在批改實驗報告時，會發現許多雷同的現象，因為很多學生想投機取巧、應付差事，根本不用心去獨自完成。因此，為了提高數學類實驗課的教學效果，必須重新制定考核方案和評定方式。

2 MPE-CDIO工程教育理念

2.1 CDIO工程教育思想

CDIO工程教育模式自2005年引入中國以來，對中國的工程教育及人才培養模式產生了深遠的影響。CDIO代表構思(Conceive)、設計(Design)、實施(Implement)和運行(Operate)。它以產品從構思、研發、運行到廢棄和再利用的全生命過程為載體，讓學生以自主的、實踐的、課程一體化的學習知識和提高自身綜合素質和能力。此模式采用“做中學、學中做”的方法，有利于激發學生的學習潛能和興趣，符合應用型創新人才培養的規律，是先進教學方法的典范[5-7]。

2.2 “大德育、大工程、大實踐”三大教育理念

我校自2006年提出了“大德育、大工程、大實踐”(Moral Practice Engineering)的工程教育理念[8]，所謂“大德育”，對學生而言是使其成人的教育，對學校而言就是全員、全過程、全方位育人；所謂“大工程”，是以工程應用型人才為培養目標，以工程為背景和主線，著力培養學生的工程意識和實踐能力；所謂“大實踐”是以培養學生的實踐應用能力和創新能力為最終目標，將實踐鍛煉貫穿于教育的全過程，讓學生在“學中做，做中學”，真正將知識和理論轉化為能力和素質。“三大教育理念”是一個有機整體，不可分割。

2.3 MPE-CDIO工程教育模式

MPE-CDIO教育模式是將CDIO工程教育理念和我校提出的三大教育理念有機結合，統一思想，并在學生的每個階段的培養，將大德育、大工程、大實踐與構思、設計、實現、運行的各個環節相互融合所產生的一種新型的教育模式，以實現培養“素質高、水平高、能力強”的專業化應用創新型人才的培養目標。

3 MPE-CDIO教育理念下數學類實驗課教學改革

結合MPE-CDIO工程教育理念，數學類實驗課的教學改革① 要改變教學理念和學習觀念，實行“走出去、請進來”的方式[9]，不斷提高教師和學生對數學實驗課的認知水平和重視程度。② 要進一步完善實驗課的課程體系，更新實驗教學內容，激發學生的學習興趣和學習熱情。③ 要改革教學方法和教學手段，從“教師講”轉變為“學生做”，開發學生的創新潛能和自主學習意識，培養其動腦和動手能力。④ 要重新制定實驗課的考核方案和評定方式，使其能真正提高實驗課的教學效果，達到開設實驗課的教學目的[10]。

3.1 提升教學認知、革新學習觀念

為了提升教師對數學實驗課的認知水平，搞清楚數學的應用領域，每學期委派不同數學課程的骨干教師去名校聽課，去對口企業比如計算機軟件公司、證券公司等實踐實習，并與多家公司有相關合作，這些骨干教師回校之后，及時做匯報、發感想、和同行教師一起交流，共同探討下一步的實驗教學改革計劃。這種做法，真正體現了“走出去”的開放思想[11-12]。

學生厭學的一大原因就是他們不知道所學的知識到底何用，沒有壓力就沒有動力。為了改變學生的這種學習觀念，我校不惜重金邀請國內外前沿學者、成功企業家等來我校講學，傳播國內外前沿科學、學習方式方法以及企業家的成功經歷等等，當然，其中有不少應用數學類和計算數學類專家，他們不但傳授前沿數學知識，更重要他們將國內外名校新的認知和學習理念帶給同學們，讓同學們懂得數學“無處不在、無時不有”以及“學好數學走遍天下”的真理，這種做法也真正體現了“請進來”的先進思想，無論學生還是教師都受益匪淺[13-15]。

3.2 完善課程體系、更新教學內容

積極響應我校以培養應用創新型人才的目標，結合MPE-CDIO教育理念，進一步完善數學類實驗課程體系，將課程分為專業數學類實驗和基礎數學類實驗，而且要增加數學類實驗的學時，具體每一門課程的實驗都分為基礎驗證性實驗、綜合設計性實驗和應用創新型實驗三類，每類實驗要爭取至少做三個不同的實驗，不同類型的實驗采取不同的教學方法，分門別類，以學生為主，有意識地培養學生的動手動腦習慣。不斷更新教學內容，一方面，要保留原有經典的數學實驗，并在此基礎之上，融入新的教學案例，賦予它新的應用價值；另一方面，根據當前形勢和專業學生的需求，適當增設新的實驗，并將這些實驗直接應用到實踐問題和專業學習當中，發揮積極的作用[16]。

3.3 改革教學方法、改變教學手段

數學實驗課對教師和學生的要求都比較高，它是對理論知識理解的進一步升華、提煉，也是對計算機軟件應用能力、編程能力以及結果分析能力的一種考驗。它屬于實踐教學研討活動，即強調學生的動手操作能力，又展現他們之間的協作能力、研討能力以及發現問題能及時應對的反應能力。整體的實驗教學環節都應該在數學實驗室進行，顯然“網絡數學實驗室”是必備的硬件條件，教學過程中以理論和算法為基礎，以數學軟件(Matlab和Mathematica)為主要工具和手段，以算法的應用和解決實際問題為主要目的，在教師的指引下，由學生獨立完成基礎驗證性實驗，三人小組協作完成綜合設計性和創新應用型實驗。每一次實驗都當做是一次數學建模的過程，首先從實際問題中提煉加工建立數學模型、到模型的算法設計、再到算法程序的編寫、運行、最后到輸出結果以及結果的誤差和穩定性分析等，然后以論文或報告的形式上交大作業，整個過程都可以與老師進行交流、研討，但是老師不能越俎代庖。不論什么實驗、何種方式完成，實驗教學過程都要遵循“教師主導+學生主體”的原則，這樣即提高了實驗教學效果、達到了實驗教學目的，又能培養學生的實踐創新能力和綜合應用能力。

3.4 重訂考核方案、更新評定方式

實驗課程考核作為教學改革的一個重要環節，建立新的數學實驗考核方案和評定體系是必要的。學生的課程成績不能只依靠期末考試一張試卷來評定，那只是針對部分理論知識的考核，并不能完全體現學生的真正能力，當今教育已經由傳統的應試教育向素質教育成功轉型，社會對人才的要求不僅僅是理論知識扎實，更重要的是實踐應用創新能力等綜合素質強。所以，實驗考核應完全納入課程考核范圍當中，而且所占份額比例應當加碼，達到20%～40%不等，這樣一來，一套完整的全面的多元化的數學實驗成績評定體系顯得尤為重要。大體分為這樣幾個考核環節：① 是“平時考核”，占實驗成績的10%，包括出勤和課堂表現，重在考查學生的學習態度；② 是“實驗作業考核”，占實驗成績的30%，其中包括實驗的原理分析、算法設計思想、算法程序編寫、結果的分析、小論文或報告的書寫等，重在考查學生的分析問題、解決問題的能力；③ 是“上機操作考核”，包括程序的運行及調試、結果的輸出等，主要考查學生的數學軟件的應用能力、動手操作能力和創新實踐能力；④ 是“答辯成績考核”，包括學生對實驗的整體思路、算法理論分析等，重在考查學生的綜合分析問題的能力、語言表達能力和及時應對能力等。

4 結 語

在數學類實驗課中融入MPE-CDIO教育理念，改革數學實驗課程教學，符合我校創新應用型人才培養的特點，它能帶給學生一種全新的學習體驗，也有效地解決了教育與產業脫節、理論與實際脫節的問題，它能重新點燃學生對數學的學習熱情，激發了學生的學習興趣，更重要的是提高了學生的動手實踐能力和創新思維能力，滿足了社會對人才的需求，最終實現了學校、學生、社會“三贏”的良好局面，何樂而不為呢？

[1] 謝治州，嚴忠權，羅曉賓.數學類專業的數學實驗教學研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2012,31(2):109-112.

[2] 彭長根.數學類專業實驗課程體系改革探討[J].中國大學教學,2013(9):79-81.

[3] 楊 韌,謝海英,楊光榮.注重能力培養的數學實驗課程建設探索[J].大學數學,2013,29(3):9-11.

[4] 王金然,鄭國萍,肖 欣.職技高師類院校數學實驗課程教學改革探索[J].河北科技師范學院學報,2013,27(4):64-67.

[5] 顧佩華,包能勝.CDIO在中國(上)[J].高等工程教育研究,2012(3):24-26.

[6] 顧佩華,包能勝.CDIO在中國(下)[J].高等工程教育研究,2012(5):34-36.

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[11] 楊 韌,謝海英. 基于CDIO教育理念的數學實驗課程教學改革[J].實驗室研究與探索,2012,31(4):121-123.

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[13] 李 彤,秦江龍.基于SE-CDIO的實驗教學探索與實踐[J].工業和信息化教育,2013(5)：54-59.

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Mathematics Experiment Curriculum Teaching Reform Based on MPE-CDIO

SHIDuan-yin,ZHANGXiao-peng,LIWen-yu,ZHANGChuan-fang
(College of Science, Heilongjiang Institute of Science and Technology, Harbin 150022, China)

In response to the current problems in math experiment teaching in universities, in order to learn and absorb advanced concepts and standards of CDIO engineering education, and to combined with application-oriented training objectives of our school, we proposed MPE-CDIO engineering education model. Mathematical teaching experiment has been reformed in this mode, and the reform and exploration were carried out from parts of experimental teaching, curriculum, teaching methods and means, experimental evaluation and assessment methods. The results showed that the MPE-CDIO model of experimental teaching mathematics effectively improved the students' ability to think independently, comprehensive analyzing capabilities, programming capabilities and innovative thinking ability, so as it achieves the purpose of application-oriented talents.

MPE-CDIO; math experiment; teaching reform

2014-03-21

黑龍江省教育科學規劃課題(GBB1213013-318); 黑龍江科技大學教學研究項目(JY14-132)

石端銀(1980-)，女，山東菏澤人，碩士，講師，研究方向：圖論、算法、優化建模。

Tel.：15846363758; E-mail:shiduanyin2012@163.com

O 13; G 420

A

1006-7167(2015)02-0185-03