建構主義視域下學科競賽驅動新工科學生創新實踐能力
——以物聯網工程專業人才培養為例

陳榮軍，鄭雅妮，李綺橋，聶 瓊，王磊軍

（廣東技術師范大學，廣東 廣州 510665）

0 引言

“新工科”建設是我國教育部為主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家戰略，而提出的推動教育改革的“中國方案”[1,2]。從高校層面來看，“新工科”主要是指新興的工科專業和傳統工科的轉型升級[3]，要求工程人員具備寬廣的基礎知識、更高的創新能力和綜合實踐能力[4]。創新實踐能力是衡量一個國家是否具有可持續核心競爭力的一項重要指標。因此，我國高校應以培養具有創新能力和實踐能力的多學科交叉型與復合型人才為己任[5,6]。但目前我國高校正處于復合型人才培養的關鍵時期，創新實踐人才培養仍是教學建設中較為薄弱的一環。促進創新實踐能力的提升，學科競賽不失為一條很好的途徑。本文以物聯網工程專業為例，構建以建構主義學習理論為指導思想、以學科競賽為驅動主線，全方位、多層次提升學生創新實踐能力的新培養體系。

1 學科競賽驅動學生創新實踐能力的現狀分析

國內以學科競賽驅動學生創新實踐能力的研究文獻有很多，從《中國大學教學》《高等工程教育》《實驗技術與管理》《實驗室研究與探索》等具有典型代表性的核心期刊論文文獻來研究，2011年到現在共有191 篇相關文獻。如圖1所示，以學科競賽驅動學生創新實踐能力的研究一直呈遞增趨勢，體現出該方向是研究熱點。另外，如圖2所示，以學科競賽驅動學生創新實踐能力的相關課題研究基金支持論文占總論文數27.5%，其中僅國家自然科學基金資助論文占總論文數9.89%，占所有基金數的38%，體現出國家和各政府部門也非常重視該研究方向。因此，學科競賽驅動學生創新實踐能力不僅是研究熱點，還是國家培養人才戰略的重點。

圖1 學科競賽驅動學生創新實踐能力相關文獻年度分布情況

圖2 學科競賽驅動學生創新實踐能力相關文獻基金資助情況

文獻中以學科競賽驅動學生創新實踐能力培養的研究方法有很多，如夏春琴等人[7]等根據自身院校的特點，以課程改革為基礎、學科競賽為載體，提出了創新人才分層次培養模式；劉立等人[8]在對學科競賽進行分析的基礎上，提出適度增量、開放自愿、學生主體等學科競賽基本原則，制定出“賽學一體化”的培養模式；文獻[9]根據本科實踐教學存在的問題，推進教學手段、育人模式的優化和創新型實驗平臺的建設，進而推動學生創新實踐能力的培養。

綜上所述，學科競賽在一定程度上能夠促進學生的創新實踐能力，但如何以興趣式、項目式驅動學生自主完成學科競賽、自主建構創新實踐能力是目前人才培養研究里普遍缺失的。從有關學科競賽與創新人才培養的研究現狀中可以發現，有的研究者一方面在強調學科競賽是創新人才培養的重要途徑，是創新人才培養的重要環節，但又把參加學科競賽看成是對學生實施閑暇教育的一部分。這說明對于學科競賽在培養創新人才中的重要性尚未真正認識到位。值得注意的是，在這些研究成果中，系統性、建設性、創新性的研究較少，尤其缺乏一套完整的系統理論體系。因此本課題的研究對建構主義學習理論的應用、對以學科競賽驅動學生創新實踐能力培養具有比較重要的價值。

2 建構主義理論指導下學生創新實踐能力培養體系的研究

2.1 建構主義學習理論

建構主義將學習定義為學習者利用一定的輔助手段，在實際學習情景中對已有知識進行重新認識，并對新知識進行建構的過程[10]。建構主義強調學習者是信息加工的主體，是意義的主動構建者，而不是在外部條件刺激下的被動接受者或被灌輸對象。如圖3所示，建構主義包含了情景、協作、會話和意義建構四要素。建構主義認為學習者需要在一定的認知情景中才能有效建構知識。因此，教師需要為學習者提供合適的認知情景。協作和會話要素強調了學習者之間和教師與學習者之間交流的重要性。教師在意義建構過程中充當著幫助者、引導者和促進者的角色[11,12]，而不是知識的傳授者和灌輸者。

圖3 建構主義學習理論

2.2 學生創新實踐能力培養的特點分析

創新實踐能力是指利用已有知識和經驗，提出有價值的新思想、新方法和新成果，新穎而獨特地解決實際問題的能力[13]，可以說是個人綜合素質的最高體現。培養創新實踐能力則可以從以下三個方面進行分析：

①興趣是動力，學生是主體，教師為主導

興趣是創新的源泉，是創新最好的老師。學生的興趣不是與生俱來的，需要教師啟發誘導，發揮其主導作用，培養學生收集、處理、加工信息的能力，鼓勵學生主動探求新知，讓學生的創新潛能得到最大程度的釋放，以此促進創新實踐能力的發展。

②自主學習的氛圍，啟發式的教學方法

在創新實踐能力培養中，啟發式是常用的教學方法，也是最為有效的方法之一。與傳統教學方法“以講為學”“以做為學”相對比，它更多的是讓學生主動思考“為什么這樣做”“還能怎樣做”等有價值的問題，充分調動學生的積極主動性，培養良好的思維習慣，培養發現問題、分析問題、解決問題的能力。

③回歸真實情境，注重實踐經驗，在實踐中創新

創新能力是依托于真實情境中的知識應用和技能而習得的，抽離真實情境的實踐無法驅動創新的產生，因此創新須在具體實踐活動中體現出來，驅動學生對自身與環境的審視以及對已有技能的重構[14]。

2.3 體系構建思路

建構主義認為學習者的學習應該是主動構建知識經驗的過程，在原有知識經驗的基礎上與新知識產生矛盾，重構認知過程，更新原有的知識體系。這個過程總是在一定的情境下進行的，不可能超越具體的情境來獲取新知識，學生在真實的情境中、在指導教師的幫助下自主探索[15]，主動構建意義。在建構主義學習理論的指導下，以學科競賽驅動學生創新實踐能力培養體系的構建思路如圖4所示。該體系從學習者的角度出發，用學科競賽去多樣式地驅動學習者學習課程，在建構主義視域下去設計學生創新實踐能力培養體系，強調實踐情景，注重學習的協作會話，引導學習者進行意義建構，從而培養學習者的創新實踐能力。

圖4 創新實踐能力培養體系的構建思路

3 基于建構主義學習理論構建物聯網專業培養體系

物聯網是一門涉及計算機、電子信息、通信等多種領域知識的新型交叉學科，僅從理論學習的層面上很難將各學科融合在一起，因此實踐教學在其專業教學中顯得尤為重要[16]。物聯網實踐教學過程必須遵循由簡到繁、由易到難、由深到淺的原則[17]，在建構主義學習理論的指導下，學科競賽對理論的學習起到引導和鞏固的作用，能夠維持學生的學習動力。以廣東技術師范大學的物聯網工程專業為例，構建以學科競賽為載體、符合人才培養要求及學生發展需求的創新實踐能力培養體系，如圖5所示。

圖5 創新實踐能力培養體系

在建構主義視域下以學科競賽驅動物聯網專業創新實踐能力培養體系中，根據不同階段學生學習任務的不同，設計相應的學科競賽。一年級階段，主要學習公共基礎理論課程，包括物理數學類課程、軟件編程基礎類課程、電子硬件基礎類課程，與之配套的競賽有全國數學建模大賽和藍橋杯競賽。支架式教學法[18]是指教師在教學中為學生搭建腳手架，通過這些支架來引導學生進行下一步學習，提高解決問題的能力。由于一年級的學生還處于理論基礎知識薄弱的階段，因此需采用支架式教學法來進行相關課程教學，而配套的基礎競賽則以興趣式的方式來驅動；二年級階段，主要學習專業基礎課程，包括物聯網感知層、網絡層、應用層基礎類課程，與之配套的專業基礎學科競賽有全國大學生電子設計競賽、華資杯、全國物聯網設計大賽等。拋錨式教學法[19]是一種基于問題的教學，學生圍繞一個實際的問題進行學習產出，強調實際經驗的獲取。二年級的學生在一年級階段的學習之后，逐漸掌握一定的知識技能，能夠進行物聯網專業實際問題的學習，因此可以采用拋錨式教學法來進行專業基礎課程的學習，而專業基礎學科競賽也同樣采用問題式驅動；三年級、四年級階段，主要學習專業綜合課程，包括物聯網應用系統設計類課程、物聯網工程實訓類課程、物聯網專業實踐類課程，而與之配套的專業綜合學科競賽有全國移動互聯創新大賽、“互聯網+”創新創業大賽、挑戰杯等項目式比賽。隨機進入式教學法[20]是來源于建構主義學習理論的分支，即認知彈性理論，通過不同的途徑、方式讓學生進入同樣的教學內容進行學習，從而讓學生能夠靈活運用所學知識。三年級、四年級則采用隨機進入教學模式驅動專業綜合學科競賽，可以全方位、多層次提升學生創新實踐能力。

4 實踐成效

實施教學以來，無論在學科競賽的獲獎層面，還是在學科競賽所衍生的科研成果層面，都取得了積極成效，大大提高了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。如圖6所示，近4年來，廣東技術師范大學物聯網工程專業學生獲得省級、國家級競賽獎項的數量逐年上升，教師指導學生參加學科競賽獲得省級、國家級獎項共111 人次。其中，2020年由于受新冠疫情影響，獲獎人次較去年僅相差8 人次，與2018年同期相比增幅達59%。同時，以學科競賽為載體的創新實踐教學模式，營造了濃厚的科研創新氛圍，專業負責教師在該培養體系下指導物聯網工程專業學生先后申請發明專利2項、實用新型專利2 項、軟件著作權11 項和4 項國家級大學生創新創業訓練計劃項目，獲得良好的社會榮譽，這不僅能有效地促進本校教學質量和科研水平，還能有效地提高學生的實踐能力和創新能力。

圖6 2017—2020年學生獲獎情況示意圖

5 結語

在建構主義學習理論的指導下，以學科競賽為驅動點，在自主學習、合作學習與探究學習等方式的作用下，從根本上解決了過去單一的教學模式所存在的問題，詮釋了“以學生為中心”的教學原則，讓學生從被動接受知識轉變為主動參與學習，切實提高教學質量，形成有效的教學模式。進一步彌補了學科競賽驅動創新實踐人才培養在理論指導和實踐操作中的不足，細化了在建構主義學習理論下如何以興趣式、項目式等驅動學生自主完成學科競賽、自主建構創新實踐能力的教學研究。因此，本研究對提升教學質量，培養高素質創新應用型人才有重要的現實意義。