以科技競賽為驅動的大學生創新能力培養實踐

趙慧，楊文萃，葛勇，袁杰，鄭秀華

（哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱 150090）

21 世紀以來，我國高等教育不斷向新領域探索，將培養面向新世紀的創新型人才作為重中之重。創新型人才是可以對理論進行總結提升，在實踐中開拓進取的復合型人才[1]。

目前各高校十分重視學生創新能力的培養，但是僅僅通過課堂教育，手段較為單一且效果不理想，學生不能很好地把專業知識、個人能力以及創新思想有機結合。專業性科技競賽是專業領域內大學生比拼知識水平、實踐能力的綜合性平臺，是對相關領域大學生綜合能力的有效檢驗。高要求的比賽對學生的培養不僅僅是比賽期間的幾天，而是整個準備期學生都在受到鍛煉，促進成長。例如，每兩年舉辦一屆的全國大學生混凝土材料設計大賽，是土建類相關專業影響力最大的大學生競賽。每屆混凝土大賽明確給出一個主題，學生經過理論考試、材料設計和試拌比賽多個環節完成比賽。根據大賽主題，學生首先需要分析問題，運用所學的知識和理論設計方案，通過不斷實踐嘗試達到比賽要求的性能，最后在比賽過程中根據實際情況隨機應變。另外，這項比賽要求每組有3 名隊員，且報名完成后不能換人，這對團隊的協作能力也是一個非常重要的培養，可以通過比賽培養學生的領導力、組織力、團隊角色分配、團隊任務分解完成的能力，同時也培養隊員之間人際交往的能力。通過競賽，可以在高等教育中對創新型人才培養的模式進行探索，同時有益于完善課程體系，建構全過程、全方位的創新能力培養體系[2-3]。通過競賽推動學生創新能力培養也是目前高等教育的一個研究方向。本文總結了在組織學生參加科技競賽過程中培養學生創新能力的有效做法和成效。

1 科技競賽在學生創新能力培養中的作用

高校的課程體系雖然在不斷改革和更新，但卻滯后于行業以及市場的發展，學生參加工作后適應崗位的過程較長。繼續深造的學生從事科研工作往往自主性差，在科研中不能形成自己的思路。

建筑材料或土木工程材料課程是土建類相關專業的基礎課，一般分為理論課和實踐課兩部分，其中理論課側重于基礎理論和基礎知識；實踐課程又包括實驗課與實習，實驗課是知識和理論的應用，實習是知識和理論的生產應用。目前實驗課教學內容多采用已知結果的重復實驗或演示實驗，而實習多以實地參觀為主，二者以夯實學生的專業基礎為主，但對學生創新能力的培養效果不佳?？萍几傎惒煌趯嵺`課程，可以在競爭中提升大學生創新能力及綜合素質?？萍几傎惪梢允箤W生主動學習相關的知識和理論，主動尋找相關知識的應用環境，分析應用中的問題及原因，并且通過參與分析、設計等過程，自主實踐，提升創新思維，培養動手創新能力，增強解決問題的信心。通過有效組織在校學生參加科技競賽，可以促進學生創新能力的培養，同時教學方式方法可以促進課程創新元素的融入與革新[4-8]。當代高等教育以培養創新型人才為重點，科技競賽既是檢驗人才培養效果的手段，也是推動人才培養的助推劑，教學和競賽二者是相輔相成的關系。

2 賽教融合，培養和提升大學生創新能力

2.1 通過校內選拔賽，選拔參賽學生

全國大學生混凝土材料設計大賽每兩年舉辦一屆，匯集了全國大部分土建類相關專業的學校，且每所學校只能派出兩支隊伍，哈爾濱工業大學交通學院只有一個參賽名額。因此，如何選出最優隊伍，并且使更多的學生因參加選拔考試而受益，能力得到提升，是非常重要的工作。為了實現這樣的目的，哈爾濱工業大學交通學院組織了隊伍選拔，包括理論知識考試、實驗設計、動手操作相結合的綜合測試，并且聘請學院資深的教師進行閱卷及評價。理論考試現場見圖1。

圖1 選拔考試筆試現場

首先，圍繞理論考試強化學生的理論基礎和自學能力。在考試前將理論考試范圍（范圍大、內容廣）通知學生，并且給學生一定的時間進行學習。通過一段時間的學習，學生掌握的建筑材料相關知識，特別是水泥混凝土知識，已經超出了大二學生相關課程的教學內容，知識層次更深更廣；對混凝土、外加劑等相關標準和規范也進行了學習，對不同原材料對混凝土性能的影響及組分間的互相作用也有了理論層次的理解，為后續選材建立了理論基礎。經過這個過程，學生進入了知識探索的領域，不再是教師講授，而是學生主動學習，對專業理論知識的獲取方式及程度有了新的理解[9]。學生經過這一過程，具有了主動學習和自學的能力[10]，在今后的科研工作中遇到新的課題時，可以快速準確地獲取所需要的知識。

其次，實驗方案設計是理論知識轉化為實踐的方式。基于理論知識，學生需要將不同材料按照不同的比例和摻量組成混凝土，各項性能要達到要求。這個環節要求學生在小組內完成分工，學生需要思考如何在有限的比賽時間內合理、快速、順利地完成整個實驗方案設計。在這個過程中，學生會逐漸發現自身的優點與不足而揚長避短；通過實驗方案設計可以進行知識循環。學生在本科階段經歷實驗方案設計的過程，對今后科研或者工作中的工程應用，都有助于快速熟悉新的課題和工程。實驗方案設計的評比對學生創新能力培養過程很關鍵，教師在這個環節中要關注不同小組的設計理念、設計方法，對學生設計出的具體方案根據不同的側重點進行取舍與增減。

最后，在實踐比拼中強化動手能力和鍛煉團隊合作精神?？茖W實踐需要有正確的理論支持，理論要歸于實踐。實踐是科研工作中必不可少的環節。學生要按照上一環節實驗方案設計所完成的混凝土配合比，在給定場地和工具的情況下進行試拌實驗，實驗要求在一個小時內完成，包括稱量、混合、拌和、測試和易性、成型、測試體積密度以及最后的整理、清洗工作。以上看似都是非常基礎的實驗技能，但在短時間內三人協同配合并且圓滿完成對學生有一定的挑戰性。學生要根據實際提供的工具以及原材料的情況進行拌和與調整。實際操作是讓學生獲得競賽參與感的最優方式，并且通過實際操作測試可以增強學生的動手能力，使學生對專業的認知不僅僅停留在書本中、試卷上，而是成為真真切切的感受，并且學習和掌握根據原材料性能（例如骨料的種類、粗細、含水量等）來調整配合比以達到最終性能要求的能力。通過這個過程的學習和能力獲得，學生在今后學習、科研以及工作中的動手實踐，可以獲得準確的驗證，并引導創新。

2.2 通過參賽培訓，培養學生創新探索精神

2021 年舉辦的全國大學生混凝土材料設計大賽的主題是“以耐久性為原則，采用機制砂配制C40 大流態混凝土，并考慮工程應用環境和經濟性，展示大學生解決復雜工程問題的能力”。這個主題給參賽學生提出了幾個關鍵詞：耐久性、機制砂、C40 大流態、工程應用環境和經濟性。這些關鍵詞有要求但沒有設定具體范圍，從應試的思維來講，學生沒有著手點，因而要求學生從創新發散的思維入手。其中耐久性和工程應用環境可以歸為一類，即在某種環境中可以有更長的使用壽命和性能保持；機制砂相對常用的河砂性能有較大差異；C40 大流態則要求新拌混凝土有較好的工作性；經濟性表明本次競賽在要求性能的同時要控制材料成本。這些關鍵詞就是學生準備競賽的著力點與出發點，學生需要自行查找和設計不同的使用環境，選取適當的原材料，使得所設計的混凝土強度達到設計要求，具備大流動性、良好的粘聚性和保水性，且成本合理。

學生小組作為一個團隊，需要根據上述的要求進行信息收集和小組討論，培養學生的團隊協作意識和溝通技巧，在不斷的討論中得出最優解，或激發出新的想法進行研究，發現創新元素?；炷凉こ虘铆h境多樣且復雜，學生需要查閱相關標準或規范，明確混凝土使用中常用的五種環境，分別是一般環境、凍融環境、海洋氯化物環境、除冰鹽等其他氯化物環境以及化學腐蝕環境。進而針對不同環境選取合適的材料以及應避免使用的材料，并據此列出幾種不同原材料組合。接下來，根據不同的原材料組合選取合適的用量范圍，進而確定各組分的用量，正常情況下完成這個環節，一部分需要專業知識，另一部分依靠專業實踐經驗，而專業實踐經驗恰恰是學生相對缺乏的。為了彌補這樣的缺陷，教師在培訓中應當引導學生主動查閱文獻資料，借鑒經驗，在按照標準計算出的配合比基礎上根據原材料的具體情況列出調整計劃。

最后是最重要的實踐練習過程，要想在比賽中充滿信心，實驗動作標準規范，從容應對突發情況，就要有多次且科學的實踐練習。學生首先測試所有原材料的性能，包括膠凝材料的性能、粗骨料的密度及級配、細骨料的細度模數及含泥量、外加劑的固含量及減水率等。其中，骨料需按照競賽要求、緊密堆積原理以及合理級配中值選擇出最優級配。在實踐練習中，要讓學生養成把練習作為比賽的習慣，在細節著手，從稱料前記錄環境溫濕度，到實驗結束后清洗實驗器具并歸位，每一個細節都不應忽略，讓學生在潛意識中養成注意每個細節的習慣。每次實驗學生記錄相應的實驗過程（包括數據和視頻），并且對結果進行小組討論和分析。教師負責對小組討論得到的結果進行判定和點評，在練習中盡量不給出特別具體的建議，教師的建議應當是方向性的，引導學生掌握該方向全部或大部分的知識點，從而使學生在比賽中或者今后學習工作中遇到相關問題可以用自己的知識儲備進行解決。把每一次實驗當作一個學習機會，把參加比賽和提升能力放在同樣的高度，并且在這個過程中學生組長發揮小組的領導作用，鍛煉領導力；學生組員可以作為不可或缺的協同者進行配合，鍛煉分工協作的能力。通過實踐操作，學生掌握了規范的實驗技能，獲得了根據實際情況調整混凝土配比來改善其性能的能力。圖2 為學生賽前練習的場景。

圖2 賽前實操練習

2.3 通過實地參賽，提升學生創新能力與團隊合作意識

第六屆全國大學生混凝土材料設計大賽于2021年7 月在武漢理工大學舉辦。武漢炎熱的夏季為比賽增加了難度，但同時也是對參賽隊伍的考驗。到達現場之后，學生報到、適應性參觀場地，報到當天晚上就需進行理論考試。在理論考試結束后，組織參賽隊員對比賽場地和原材料情況進行討論，例如骨料粒形、骨料實際含水的程度、各種器具的數量以及使用方法，每位隊員對各自負責的工作任務進行逐條分解等。此項討論的主動權仍然交給學生，指導教師只起輔助、引導、鼓勵的作用。經過第二天緊張的配合比設計以及實踐操作比賽，哈爾濱工業大學交通學院代表隊獲得了團體一等獎的優異成績。圖3 為哈爾濱工業大學交通學院隊參賽場景。

圖3 學生比賽現場

通過比賽獲得優異成績固然可喜，更令人欣慰的是通過比賽，學生的信心得到了提升，對專業的了解和熱愛得到了增強。通過此次比賽，學生的創新能力得到提升，遇到問題可以主動收集、查找相關資料，主動探索解決的方法，主動尋求團隊合作，通過團隊組織和分工協同，科學高效地解決實際問題，學生的個人能力和綜合素質得到了顯著提升。

3 以賽促教，探索課堂教學新方向

科技競賽為參賽選手提供專業的平臺，也能提高參賽選手的創新能力等綜合素質，但是科技競賽受眾較少且不能連續對學生進行培養。借助組織參加科技競賽的經驗和成效，教師可以探索對現有實踐課程進行改革，整體提高學生的創新能力。

總結組織學生參加科技競賽的經驗，實踐類教學可從以下幾個方面進行嘗試和改革：（1）在實驗課教學中融入競賽的元素，讓學生在競爭中主動學習，主動獲取知識；（2）在實驗課中模擬競賽場景，嘗試把實驗課交給學生，由教師提出問題的模式轉變為學生通過主動調查自己提出問題、自主創新的新型實驗課，自己設計并動手實踐，教師提供幫助和引導；（3）可嘗試利用部分學時，按照競賽模式設立小組間競賽[11-14]，給出競賽主題方向，由教師擔任評委，按照不同的競賽流程讓學生體驗競賽的緊張與競賽的開放，由學生小組內進行分工，通過知識獲取與協同合作完成。教師對結果和過程進行記錄和評判，從而活躍實驗課課堂氛圍，提升學生學習效率，提高教學效果。

4 結語

組織學生參加競賽及將競賽模式融入實驗課，是當代土建類專業大學生創新創業能力培養的有效形式。參加科技競賽對于學校打造創新創業平臺，在學校層面為學生提供創新創業的場所有重要意義。通過參加競賽，可以提高學生的創新能力、自主學習能力，培養學生的團隊意識。目前大學生創新能力培養仍然面臨很多問題，不同地區、不同專業、不同就業需求對于創新能力有著不同的要求，需要社會、高校、教師的共同努力，不斷提高大學生的綜合素質。