“學生主體、教師主導”理念在創新實踐教學中的應用

程永光　蘇凱　吳云芳

[摘要]在建設“雙一流”和培養創新人才的背景下，課題組以武漢大學水利水電工程專業實踐教學環節中的認識實習、課程設計、畢業設計、水利創新設計大賽為案例，對增進教學效果的指導思想、基本原則、實施措施、效果評估等進行介紹，探討了高素質創新型工程技術人才培養的有效方式，指出在“學生主體、教師主導、制度保障”思想指導下，將課內實踐和課外實踐緊密結合，讓創新意識一脈貫通，是培養高素質創新型人才的重要途徑。

[關鍵詞]水利水電工程;認識實習;課程設計;畢業設計;創新實踐

[中圖分類號]G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）11-0014-04

武漢大學的“水利工程”學科是國內辦學歷史最悠久的重點一級學科之一，目前正大張旗鼓地開展“雙一流”學科建設。水利水電工程專業是建設的主體，目標是培養“基礎厚、知識寬、能力強、素質高，富有團結合作與鉆研創新精神及國際化視野，可從事水利水電工程勘測、規劃、設計、施工、管理、科研工作的高級工程技術實踐和創新人才”[1]。為實現此目標，該專業近年來對實踐和創新兩方面加大改革力度，在認識實習、課程設計、畢業設計、創新實踐等方面均提出相應舉措，取得了明顯效果。本文以該專業的認識實習、課程設計、畢業設計、水利創新設計大賽為案例，介紹改進教學效果的指導思想、基本原則、實施措施、效果評估等，以探討適應“雙一流”建設要求的實踐課程教學理念和教學方法。

一、“學生主體、教師主導、制度保障”的基本思想

“雙一流”建設和創新人才培養是宏大的系統工程，本科教育質量提升是其最重要的支撐。實踐訓練是本科階段培養創新型、國際化人才不可忽視的環節。實踐環節中，除了培養方案中以課程形式安排的實踐教學外，課外的實踐活動也是重要的組成部分[2]。課程實踐和課外實踐應緊密結合、相輔相成、相互促進。實踐訓練的目標是創新意識養成和創新能力培養，故在各項活動中須將創新理念一脈貫通。在實踐活動組織中，既要充分調動學生的積極性，發揮他們創新創造的主體性，又要發揮教師的主導性，重視指導工作的高遠性、啟發性、持續性，兩方面都十分關鍵。而管理制度的規范化、科學化、嚴密化也是實踐效果的重要保障。多年來，遵循“學生主體、教師主導、制度保障”的基本思想，武漢大學水利水電工程專業的課內課外創新實踐均取得了明顯成效。

二、認識實習——強化“疑問牽引、自主學習”

認識實習是本科生認識自己專業的實習，是引導學生從“門外人”變為“門內人”、跨入專業的起步環節[3-4]，很多學校將其安排在第4學期后期或第5學期，此時基礎課已結束，專業課即將開始。我校每年均由6名教師帶隊，組織6個班近200名本專業學生赴三峽、葛洲壩、隔河巖、水布埡等著名的水利樞紐工程進行為期1周的現場認識實習。以往，實習活動由教師講授、專家講座、現場參觀、撰寫實習報告等環節組成，整個過程缺乏有針對性的動員和嚴格的總結，且學生學習處于被動跟隨狀態，因而真正深刻認識和理解專業的學生不多，實習報告中記流水賬和寫旅游感想的不少。

為了激發學生主動認識專業、熱愛專業、研究專業的熱情，我們根據“教師主導、學生主體”的原則，提出“疑問牽引、自主學習”的理念，推行“出發演講，預告問題，激發疑問，促進思考;開卷考試，以考促學”方式，在認識實習前增加動員環節，在認識實習后增加考試總結環節。動員會上邀請經驗豐富的教授做題為“你準備好了嗎？”的熱情洋溢的演講，從美麗的實習地、合理的行程安排引出關于水電開發原理、建設成就、發展前景、爭論焦點、國家戰略需求、工程特殊性、關鍵技術等方面的數十個開放性、啟發性的問題，要求學生在實習中尋找答案，并預告這些問題與回校后的考試密切相關。這種動員激發了學生回答這些專業基本問題、熱點問題的強烈愿望和對實習的向往，他們開始積極主動地思考和查閱文獻，并在教師講授、專家講座、現場參觀中頻繁提問和求證。回校后的考試采取“大題量、開放靈活題型、無標準答案、不固定滿分題數、開卷考試”形式，讓學生在數十個題目中選擇自己認識深刻的開展論述，表達自己的獨立見解。“不固定滿分題數”驅使學生在給定的時間內全力以赴回答更多問題，拉開了差距，消除了少題量形式難以區分學生潛力的缺點。

這種“激發好奇心、調動主動性、發揮主體性”的思路抓準了學習的“驅動力”，發揮了學生的“自主性”，真正起到幫助學生“認識專業”的目的。雖然缺乏量化數據，但五年來，學生對該課的評教分數均在95分以上，實習課教師從學生的實習表現和考試卷面上，以及專業課教師在后續專業課上，均發現學生對專業的熱愛和了解程度顯著提高。

三、課程設計——強調“設計意識、空間概念”

以水利水電工程專業主干課程水電站的配套實踐環節——水電站課程設計展開討論。水電站課程設計是鞏固和深化對水電站課程內容的理解，應用相關理論、方法、技術來分析與解決問題的重要實踐環節，重點是訓練學生對水電站的功能與空間進行設計和表達的能力[3]。我校將該環節安排在第6學期水電站課程結束后，以“某水電站地面廠房設計”為題進行為期1.5周的設計實踐。以往教學組織包括任務布置、日常指導、成果批改等環節，但由于不少學生缺乏“設計意識”和“空間想象力”，在確定廠房高程和尺寸時主要依靠教師提供的經驗數字進行加減，在設備的布置上往往難以滿足安裝和檢修要求，且繪圖表達錯誤較多。

為了改變這種將“設計”等同于“繪圖”，將“布置”等同于“計算”的錯誤，我們對“任務布置”環節進行改革，并增加了“電站模型參觀”“成果問題排查”環節。在“任務布置”中特別強調“空間設計”思想，明確討論“設計與繪圖，布置與計算”的辯證關系，舉例給出水、機、電、輔助系統布置的基本原則和常見形式，特別要求學生提交手繪圖紙以杜絕CAD圖拷貝問題。任務布置后即進行“電站模型參觀”，帶領學生仔細觀看和親手撫摸模型，建立空間概念和熟悉布置要求。在成果提交前的“成果問題排查”要求學生按照老師提供的“水電站課程設計中40個常犯錯誤”表，逐條進行錯誤排查和修改，以消除設計內容和成果格式等方面的常規錯誤。

通過“強調空間設計、組織模型參觀、排查成果問題、要求手繪圖紙”等措施，以及進～步加強的設計指導環節，使學生確實經歷設計思想、設計步驟、設計方法、設計細節的訓練，體會到精益求精的做事態度。五年來，水電站課程設計成果的質量明顯提高，在評價標準未變的條件下，學生成績得A的數量大幅增多，得C的明顯減少，評教成績均在90分以上。

四、畢業設計——“優化選題、因材施教、過程控制”

畢業設計是綜合應用大學所掌握的知識和鍛煉能力，針對具體技術問題進行設計或研究，促進認識升華、能力提高、技術更新的實踐環節，是教學、科研、工程實踐相融合的過程[5-6]。近年來，本專業面臨的形勢有所變化：（1）國內大型水電建設高潮退去，非洲、拉美、東南亞和一帶一路沿線國家水電建設需求增大，學生畢業后從事國際工程設計、施工、管理的人數增多;（2）抽水蓄能、風能、海洋能發電形式快速崛起，人才需求量增長;（3）有半數以上畢業生選擇進入研究生階段深造;（4）工程設計技術不斷革新，三維協同設計、建筑信息模型系統（BIM）、有限元分析（FEM）、計算流體動力學（CFD）快速普及。

為了適應新情況新需求，我校水利水電專業的畢業設計進行了改革，在選題、指導、進度控制、答辯等方面均提出新舉措。選題上，加大研究論文型、新趨勢型題目比例，適當壓縮常規設計型比例;強調實踐性、新穎性、科學性并重;要求每人一題，互不重復且每年更新;鼓勵因材施教，根據學生特點和發展去向擬定題目。近年有代表性的題目有：兩葉片風力機尾流特性研究、螺旋葉潮流能水輪機工作特性數值模擬研究、基于內特性及數理分析的水泵水輪機全特性曲線研究、地下廠房監測數據庫系統開發與應用、水電站地面廠房結構設計與抗震分析、抽水蓄能電站廠房三維空間設計及虛擬現實顯示、基于CATIA三維數字水電站地下廠房設計、基于C.NET的貼邊鋼岔管輔助設計系統開發與應用、基于ANSYS的任意截面的內力圖形的處理及界面開發、基于IB -LB耦合算法的貫流式水輪機三維水錘計算、燈泡式水輪機過渡過程三維數值模擬、基于頻率特征的混凝土重力壩損傷識別方法、考慮土體空間變異性的土坡穩定系統可靠度分析、礦渣一硅酸鹽水泥膠凝體系的強度與水化特性、白鶴灘水電站右岸壩基及邊坡水文地質條件評價與滲流場分析、松濤水利樞紐初期導流方案風險決策研究、大崗山高拱壩施工期溫度仿真數值分析。

指導上，推行師生自由互選，每位導師指導的學生數與其提供題目的吸引力相關，限制每位教師指導學生數最多不超過5位;要求師生每周討論工作進展2次;做好周記表格填報;鼓勵教師將學生安排在“研究生辦公室”甚至“教授辦公室”。進度控制上，通過“開題報告、中期檢查、預答辯”來加強督促控制，這些環節均組織報告會，填寫書面報告和表格，由三位以上指導教師組成的委員會進行評判，給出的成績占畢業設計總成績的30%。在答辯環節，專家評閱占21%，指導教師評閱占21%，答辯委員會評分占28%。答辯委員會由教授、副教授組成，每位同學上臺演講10分鐘，回答問題10分鐘。

通過“合理選題、因材施教、過程控制、精心指導、全面計分”的耦合作用，學生畢業設計成果的創新性、科學性、規范性明顯提高。2012至2017年的6年中，共222位學生參加水電站方向的畢業設計，成果申報并獲批“湖北省優秀學士論文”的11項，隨后整理成學術論文正式發表的30余篇（多位學生的論文在國際權威雜志上發表），成果獲“湖北省優秀學士論文”的比例達4.95%，明顯高于全院的3.3%和全校的2.8%。其中成績最為突出的是程永光教授，5年來指導23個畢業設計論文，通過創新性選題和精心指導，學生成績獲“優”的15位，比例達65%，成果獲“湖北省優秀學士論文”4項，相關研究內容已發表論文9篇，其中“Construction of pump-turbinecharacteristics at an，y spec/f/c speed by domain，-partitionedtransformation”“Three - dimen，sional prediction， of reservoirwater temperature by the lattice Boltzmann method： valida-tion”“3D CFD simulation of the runaway proce.ss ofo Pel-ton， turbine”“llydraulic characteristics ofo siphon，- shapedoverjlow tower in a long water conveyan，ce sy.stem： CFD simu-lation and analysis"等被國際SCI期刊發表。

五、創新實踐——“突出創新、廣泛動員、優中選優”

積極發動和指導學生參加課外創新創業實踐是培養創新人才的重要途徑[6-7]，我院將參加“國家大學生創新創業訓練計劃”“全國大學生水利創新設計大賽”作為水利水電工程專業實踐環節的重要組成部分，投入巨大力量進行組織，取得明顯成效。2009年以來，中國水利教育協會和教育部高等學校水利類教學指導委員會共舉辦6屆“全國大學生水利創新設計大賽”，有1043支隊伍參賽，參賽高校數最多時達90所（圖1）。武漢大學水利水電學院共派出23支隊伍代表武漢大學參賽，獲得16個特等獎、5個一等獎、2個二等獎的突出成績，其中特等獎占全國全部123個特等獎的17%，我校獲特等獎的比例達70%，遠大于平均比例11.8%，是全國參賽高校之冠（圖2）。武漢大學這23支參賽隊中，水利水電工程專業學生占主體，指導教師均來自水利水電學院。能取得如此突出的成績，與學院制訂的“發動全院學生參加水利創新實踐，進行多輪預賽嚴格競爭和反復錘煉隊伍，精選并優化配置指導教師和隊員，加強創新思維、理論和技術培訓”的方針密切相關。以2011年“第二屆全國大學生水利創新設計大賽”為例，學院于2010年下半年即與華中科技大學水電與數字化學院共同主辦“同城水電創新設計大賽”，進行創新設計熱身;2011年上半年，開始學院內的動員、組隊和多輪初賽，通過4輪比賽，最初55支隊伍通過激烈競爭依次精選到20、10、7、5支隊伍;脫穎而出的5支隊伍又進行重新模型制作和多次答辯預演，才最終代表學校參加全國比賽。在強手如云的賽場上，我校隊員才華爆發，以絕對優勢斬獲3個特等獎、2個一等獎。該項活動動員了全校200余位學生和20余位老師參加，在學院形成了濃郁的創新實踐氣氛，鍛煉了一大批優秀大學生的創新意識和分析問題解決問題能力。

在組織過程中，動員、組隊、指導等環節均十分關鍵。動員會上，特別邀請經驗豐富的教授進行演講，有力宣傳了創新設計與國家發展和同學們成長成才的關系，啟發了學生參加創新訓練的積極性，分析了本次比賽的主題和歷屆比賽的特點，傳授了管用的創新原則和技巧。例如，程永光教授曾指導5個隊參加4屆比賽，全部獲得特等獎，他總結出的獲獎作品必備特點“創新性、重要性、科學性、可實現性、技術先進性、經濟合理性”對指導學生取得好成績發揮了重要作用。組隊方面，允許在院內初賽階段重新調整隊員和指導教師，能使隊伍成員優勢互補，達到最佳配置，保證在組織協調、模型制作、文稿撰寫、演講表達、對外聯絡等各方面都有最合適的人員來負責。在指導上，教師既充分調動學生的主觀能動性，又及時糾正他們前進的方向，還掌握隊員的情緒波動，及時鼓勵他們戰勝困難。經過大賽錘煉的學生，不僅創新意識強、意志品質好，而且做事有方法和策略，這是他們在今后道路上取得更大成績的基礎。

作品要獲獎，創新選題最為關鍵。選題既要靠學生自主地廣泛查閱資料和開展頭腦風暴，也需要指導教師的合理點撥和指引。近幾屆我校特等獎作品的創新性突出，如“生態水力綜合除螺裝置”利用水流動能/勢能相互轉換原理來去除水中釘螺;“超聲波直立斜管（板）沉淀池”用超聲波振動來啟動沉砂池表面污泥;“霧化水汽處理廢氣PM2.5自動控制裝置”用自動控制的霧化水幕來去除空氣中的PM2.5;“基于全自動機械表原理的波浪能發電裝置”引進全自動機械表原理實現多自由度運動的能量利用;“太陽能高效吸附式空氣取水裝置”利用太陽能驅動的冷凝吸附裝置在旱區取水;“螺旋板動靜旋流水沙分離裝置”用彎道水流離心力來分離水和沙;“槳板浮船模塊化潮/河流能發電裝置”利用水流與浮船的相對直線運動來做功高效發電;“減速坎聯動的儲一曝氣增氧裝置”利用汽車碾壓減速坎的能量來為水體曝氣。這些標題、內容、創新性、實物制作、錄像都是由不計其數的討論、修改、嘗試、失敗、再嘗試、再修改凝練和升華而得。

總結經驗，除了創新選題、精益求精等基本要素外，“廣泛動員、反復競爭、優中選優”的選拔過程，“強將配精兵、高人勤指點”的有力組織，是取得創新實踐突出成績的重要保證。

六、結語

課內實踐和課外實踐緊密結合是培養高素質創新型人才的重要途徑。武漢大學水利水電工程專業大學生實踐教學改革的嘗試表明，在“學生主體、教師主導、制度保障”的思想指導下，將創新意識一脈貫通于各個環節，通過找準驅動力、精心指導、嚴格管理就能取得認識實習和課程設計效果的明顯改善，而通過創新選題、強化指導、優化步驟就能取得畢業設計和課外創新實踐的突出成績。

[參考文獻]

[1]嚴鵬.新形勢下水利水電工程專業實踐教育改革和探索[J].大學教育，2016（10）：140-142.

[2]任杰，王瑞駿.以專業認證標準為導向的水利水電工程專業教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2017（11）：75-77.

[3]伍鶴皋.水利水電工程專業實踐教學指導書[M].北京：中國水利水電出版社.2011：2.

[4]蘇凱，石長征.水利類專業實踐教學環節暨認知實習環節的教學研究初探[J].教育教學論壇，2014（32）：77-79.

[5]司政.水利水電工程專業卓越工程師培養的探索與實踐[J].高等理科教育，2014（5）：79-83.

[6]李玉建，周峰，孫啟冀.水利水電工程專業本科畢業設計質量影響因素和對策[J].課程教育研究，2017 （37）：224-225.

[7]姜海波，劉煥芳，金瑾.“以學生為中心”的水利水電工程專業教學改革與創新實踐[J].高教學刊，2017（1）：26-28.

[責任編輯：鐘嵐]