基于SL-CDIO理念推動民族地區高校創新型工科人才培養

陳 爽， 賈依凡， 任秀麗， 姜男哲， 韓順玉

（延邊大學工學院，吉林延吉 133002）

0 引 言

2020年11月19日，習近平總書記在亞太經合組織工商領導人對話會上指出：“中國堅持把創新作為引領發展的第一動力”［1］。自頒布“中國制造2025”戰略、提出“三步走”發展目標和促進制造業轉型升級以來，以新技術、新模式、新產業為代表的新經濟發展對創新型工程技術人才的培養提出了更高要求。因此，加快新工科專業建設，加快培養適應新興產業發展的創新型人才極為迫切［2］。

近年來，校企合作、產教融合等新型教學模式促使新工科專業建設在發達地區得到發展，進而促進新技術、新工藝教學項目和內容得到了較快的提升［3-6］。然而，民族地區相對發展不平衡的現狀使其經濟發展仍然以傳統產業為主，新興科技產業較少，故無法效仿發達地區通過校企合作、產教融合等模式來實現新工科專業建設［7］。因此，民族地區新工科人才的培養面臨著重大挑戰。2019年9月，我校工學院以創新型人才的培養為目標，以大類招生培養為契機，強化學生學科基礎，尊重學生對于專業的個性化選擇，努力培養出“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的新工科人才。繼而如何開展大類基礎課程的教學改革，使其促成工學類學生培養目標的實現，是任課教師亟須解決的問題。

基于此，以工學院線性代數課程教學大綱為基礎，以創新創業競賽項目為實踐案例，結合工學類學生線性代數課程教學內容，提出了SL-CDIO理念下民族地區線性代數課程教學改革與實踐，為創新型工科人才培養提供新思路。課程學習效果評價結果表明：基于SL-CDIO模式的線性代數課程教學體系可以激發學生學習線性代數課程的積極性，同時可以提高學生的創新創業能力，是創新型新工科人才培養的有效手段。

1 SL-CDIO模式教育理念的概述

CDIO理念是由美國麻省理工學院（MIT）和瑞典皇家理工學院（KTH）等4所工程技術大學發起的一項工程教育改革新思路。CDIO分別代表構思（Conceive）、設計（Design）、實現（Implement）、運作（Operate）4個教育和實踐訓練環節［8］。基于上述基本理念與特點，整合實驗室優勢（L）與學生需求（S），結合我校工學院工學類線性代數課程教學過程，提出了基于“SL-CDIO”理念推動民族地區高校創新型工科人才培養。該模式以線性代數課程為基礎，在課程中完成構思（C）與設計（D），同時借助創新創業競賽全面模擬實驗室科技成果轉化產生的企業項目、企業環境等來完成實現（I）與運作（O）環節［9］。此外，S和L分別指代學生（Students）和實驗室（Labor），充分利用工科實驗室項目科技成果轉化可行性高的特點，通過雙創教育培養學生完成復雜工程項目的綜合能力與創新思維。即通過創新創業競賽實踐過程促使學生掌握并鞏固專業基礎知識，為校企合作薄弱的民族地區提供創新型工科人才的培養平臺。該理念的合理應用不但可以加強線性代數課程與實驗成果轉化中涉及的課程體系之間的連貫性，還可以實現適應新興產業發展的創新型人才培養的目標［10］。

2 SL-CDIO理念教學在民族地區的可行性

當前，我國正處于加快轉變發展方式、推動產業結構調整升級的關鍵時期，推進民族地區創新型人才培養具有重要戰略意義。然而，民族地區發展相對不平衡，發達地區的雙創教育等人才培養方式很難切實有效地合理運用到民族地區高校，故需要新的思路來整合現有資源，有效地提高人才培養質量。

以工學院線性代數課程為例，課堂教學內容主要由概念、定理、方法組成，學生對于理論推導、證明和計算的應用無法完全理解，學習興趣難以提高，很難達到預期的教學效果。經對學生們學習效果的調查，對于線性代數課程教學質量評價可得出以下結論：

（1）教學內容重理論，輕實踐。由于線性代數課程內容本身所固有的抽象性，導致學生對知識的理解不夠深入；此外，民族地區缺乏新興產業網，難以將學科基礎知識與新興產業結合，導致學生創新意識及應用能力的培養相對困難。

（2）教學模式單一化。目前，大多數課程的教學方法以PPT或板書為主，即使結合學習通等新型教學技術，仍無法保證知識的合理傳遞，從而導致學生對于知識的掌握程度僅僅停留在淺層認知狀態。同時，傳統教學模式很難讓學生找到創新突破點深入學習，難以做到學以致用的效果。

基于SL-CDIO理念整合了工科實驗室條件優勢，借助大學生創新創業競賽及項目實現培養目標與教育資源最大化利用；同時，改變學生的認知誤區，提高學生對線性代數課程的了解，進而加深對工學類專業的認識。通過兩年的教學實踐，結果表明：SL-CDIO理念下的新型教育教學模式有利于新工科人才的培養，可以很大程度地緩解“重理論，輕實踐”的教學現狀，改善學生無法深入理解教學內容的狀況［11］。同時，通過SL-CDIO理念中的構思與設計可以實現學生在學習中的自主性，合理增加教學內容的多樣性。

3 SL-CDIO理念下線性代數課程的教學模式構建

作為工科人才培養的基礎課程，線性代數知識主要歸納為行列式、矩陣、向量組、線性方程組和二次型5個模塊［12］。基于線性代數課程的5個知識模塊與應用，提出5個模塊+3個層次+3類實踐的“5·3·3”教學體系（見圖1），3個層次的教學階段是基礎與原理、技術與設計、競賽與實踐。為進一步加強學生的創新創業能力，針對3個層次教學階段分別設置了理論傳授實踐、綜合應用設計和競賽實踐項目3類實踐教學內容［13-14］。

圖1 基于SL-CDIO理念的“5·3·3”教學體系的構建

（1）基礎與原理教學階段。由任課教師通過理論傳授實踐，即基于國家自然科學基金等相關課題或項目研究，選擇并簡化實際問題，進而實現抽象的數學概念具體化，把理論知識與雙創教育進行初步結合［14-15］。在任課教師對相關概念進行演示和分析的過程中，使學生掌握理論的形成過程與其應用的方向；同時對實踐項目解決思路進行歸納總結，理解解決問題的思路和培養創新創業意識。例如：在“n維空間”的教學過程中，通過將線性代數課程中的幾何知識（坐標系定義、坐標定義、坐標系相互轉換關系等）應用于拓撲納米結構中簡單的二、三維空間計算問題，進而推廣到n維空間地基、坐標、基變換等抽象概念。該階段以專業基礎教育為側重點，為雙創教育的引入與SL-CDIO理念中的構思打好基礎。

（2）技術與設計教學階段。通過綜合應用設計，將線性代數理論知識數學模型和計算機操作結合為一體，在理論基礎上對學生應用能力進行放大培養［16-17］。同時，利用線性代數在工程學、物理化學、信息技術等多個學科中的典型應用，實現教學體系與創新創業項目緊密結合。例如：我校延伊團隊利用創新創業項目中鉀明礬工業生產的投入與收益問題、介孔納米材料的孔洞分布等內容作為實踐項目，幫助學生了解線性代數的應用方法以及應用領域，進一步培養了學生的創新創業能力與實踐能力，使SL-CDIO理念的構思與設計得到實踐。

（3）競賽與實踐教學階段。以實驗室競賽實踐項目為背景，讓學生在線性代數等基礎類工科課程中提出的有關創意通過競賽的方式展現出來，在競賽中通過評委老師的指導，不斷進行打磨升級，最終形成合理的體系。例如：在2020年全國大學生電子商務“創新創意創業”挑戰賽中，我校延伊團隊充分利用線性代數課程中所學的知識及高校科研項目，通過解決伊利石高附加值應用過程中的投入與收益問題完成工業產量預估、賬目核算等與線性代數實際相關的問題。同時任課教師通過教學情況做出適應性改變，通過SLCDIO理念實現跨文化教學，使基礎較差的學生可以聽得清、學得懂。這種方式通過雙創教育對線性代數教學內容應用進行實踐，對理論教學內容進行了補充，完成了SL-CDIO理念的實現與運作。

在該體系的建設過程中，基礎與原理、技術與設計這兩個教學階段實踐項目以專業基礎教育為主，以雙創教育為輔，根據線性代數原理、方法以及知識培養工程師必備的創新思維，促進學生養成“厚基礎、寬口徑、強能力、高素質”的實踐能力。競賽與實踐教學階段實踐項目屬于雙創教育，主要是為了模擬線性代數的工程實際應用，進一步培養學生創新創業能力。這3個階段的教學，旨在利用工科類實驗室（L）研究成果易于產學合作的特點，對低年級大學生的C-構思、D-設計、I-實施、O-運行能力進行初步訓練，更好地平衡專業基礎教育與雙創教育，實現新工科專業課程建設。通過此類項目實施，協助學生建立線性代數專業理論知識與創新創業項目之間的有機聯系，合理整合工學實驗室有關資源，實現培養創新型工科人才的目標。

4 基于SL-CDIO理念推動民族地區高校工科人才培養的范式分析

以工學院高分子材料與工程系為例，該系以SLCDIO理念為基礎，通過“5·3·3”教學體系對線性代數等基礎課程的教學模式進行改革與實踐，使學生在雙創教育實踐中深入理解線性代數基礎知識。即任課教師以伊利石的高附加值利用課題為突破點（見圖2），帶領學生利用線性代數知識對酸洗伊利石生產鉀明礬的工藝流程、工業產量、市場容量等有關數據進行分析、計算，完成“基礎與原理”教學階段，實現SLCDIO模式中的構思。隨后以“挑戰杯”全國大學生系列科技學術競賽為契機，通過項目背景以及項目市場情況分析確定實驗室研究成果轉化的方向，完成SLCDIO模式下“技術與設計”教學階段的設計環節。繼而通過大學生創新創業競賽的具體實踐與運作實現“競賽實踐項目”環節，最終達到培養學生創新創業能力，充分挖掘學生創造力的目的。

圖2 “5·3·3”教學體系下線性代數課程的教學模式

基于SL-CDIO理念的實驗教學培養，高分子材料與工程系教學質量得到改善，學生創新性思維得到明顯提升。此外，教師基于教學質量評價反饋意見對課程教學進行持續改進，學生滿意度顯著提高。近幾年來，在實現與運作環節實踐中，學生積極參加各類創新創業競賽，例如：工學院學生榮獲全國大學生電子商務“創新、創意、創業”挑戰賽特等獎、“挑戰杯”中國大學生創業計劃競賽銅獎、“挑戰杯”吉林省大學生課外學術科技作品競賽特等獎和“建行杯”吉林省“互聯網+”大學生創新創業大賽金獎等多項成績，累計獲得國家級獎項3項，省部級一等獎以上獎項5項。這一重大改革舉措不但將科研成果和專業基礎教育有機結合，而且成功整合了實驗教學資源，實現了教育資源最大化利用。同時，這一改革模式對于教師科研能力和教學水平提出了更高的要求。

5 結 語

在新工科建設背景下，基于SL-CDIO理念構建的針對民族地區高校的5·3·3教學體系摒棄了傳統教學模式，使學生在專業基礎課程的學習過程中培養了創新創業能力；通過“競賽實踐項目”階段模擬完成了實驗室科技成果轉化，為創新型工科人才培養提供了重要平臺，為民族地區高等工程教育中專業基礎教育與雙創教育的結合、運行和保障提供一個合理的體系；通過合理整合工學類實驗室有關資源，深化高等工程教育的改革與創新，為創新型人才培養提供了有效的方法。