立體式實踐教學提高學生創新能力

陸紫生

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

2022 年上海疫情期間，我校機械與動力工程學院的立體式實踐教學方法有效地降低了疫情的影響，保證實驗教學的有序、高質量完成。所以網上教學顯得尤其重要，其中小視頻教學（Small Private Online Course，SPOC）、慕課教學（Massive Open Online Courses，MOOC）形式受到廣泛關注。讓本科生參與課外科研項目的研究工作，盡快接受科學研究的基礎訓練，培養學生的科研興趣，我校大力發展本科生研究計劃（Participation in Research Program，PRP）。如何集合SPOC、MOOC、PRP優點，有效地組織實驗教學資源和提高實驗教學效率，已成為實驗教育改革中亟需探討的課題。

為了增強學生興趣、提高學生自主學習能力、學生創新思維、創新能力，提高學生團隊合作意識，多位學者運用先進教學理念、信息化技術手段，進行深入的探索［1-9］。SPOC概念是由加州大學伯克利分校的阿曼德·福克斯教授最早提出和使用的。自2011 年起，MOOC在全世界興起標志著以學生自主學習為主的新型學習模式正逐漸形成［10］。該教學的優點是以興趣為導向，充滿個人自主特色，突破了傳統教學的固定時空和師生模式，拓展為全球范圍內不同人群任何時候都可以共享優質教學資源，實現了個人終身學習的可能［11］。2012 年，大規模開放在線課程MOOC 上線，《紐約時報》將2012 年稱為“MOOC 元年”［12］。2013年，哈佛、斯坦福等著名大學先后設立自有網絡在線學習平臺。同年，北京大學、清華大學等國內著名大學陸續與在線課程提供商建立了合作關系。SPOC、MOOC教學無法實現實驗部分，建設虛擬仿真大規模開放在線實驗（Massive Open Online Experiments，MOOE）平臺提供一種新的解決方式，因為實驗者在虛擬實驗中完成一些在真實環境中無法實現或者難以實現的實驗［13］。美國成立了麻省理工學院的微電子在線實驗室、休斯頓大學的虛擬物理實驗室［14］，東南大學建成7 個具有影響力和示范效應的國家級實驗教學示范中心［15］。北京工商大學建設了經濟管理類虛擬仿真實驗教學平臺［16］。

SPOC、MOOC、MOOE、PRP有必要相互結合，其優點在于網上理論知識與復雜的實踐實驗操作有機結合，提高學習效能產出，并形成以PRP 科創競賽為牽引，SPOC、MOOC 理論教學與MOOE 實驗教學為兩翼教學體系。

1 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 實踐教學體系框架

SPOC+MOOC +MOOE +PRP科創活動總體框架如圖1 所示。根據難度不同分為3 個層次，即第1 層次基礎理論和基礎實驗層次，第2 層次綜合知識和設計類實驗部分，第3 層次科創前沿和高階科創部分。其中，第1 層次包括基礎理論知識、基礎設備操作、基礎虛擬仿真實驗、基礎經典實驗；第2 層次包括跨專業交叉學科知識、綜合類設計性實驗、開放性項目教學、混合類虛實結合類實踐項目；第三層次包括科研興趣俱樂部、各類校內競賽、科研前沿轉化的實踐實驗項目、工程實際轉化的實踐實驗項目等。如上所述，MOOE 中高度融入銜接SPOC、MOOC內容，實現理論和實踐內容的結合，激發學生的興趣和求知欲，在MOOE中進行高危險性和高成本以及科研前沿類實驗，并且對復雜的綜合性的設計類實驗進行自主探索和試錯；通過科技競賽過程中的科研前沿實驗實現對理論知識的深入理解和復雜虛擬實驗的自主虛擬實驗進行驗證，提高實際動手能力和實際解決問題的能力。

圖1 SPOC+MOOC+MOOE+PRP實驗教學總體框架

SPOC+MOOC+MOOE+PRP科創活動教學體系依照“創新意識培養為核心，理論知識、實驗內容與科研前沿相結合為重點”的原則，構建了以“基礎—綜合—創新”為主線，根據“理論知識和實驗實踐相結合，實物實驗和虛擬實驗相結合，教學、科研和工程實際相結合”的方法，最終建成多層次、立體化、開放式的教學體系。

2 SPOC+MOOC+MOOE+PRP實踐體系

依照以上教學總體框架，完善了熱能與動力工程類SPOC +MOOC +MOOE +PRP 科創活動教學體系，其體系結構如圖2 所示。熱能與動力工程類的基礎經典型實驗有6 個，分別是熱阻及肋片傳熱實驗、對流傳熱特性實驗、熱電偶制作與校驗實驗、氣體定壓比熱測定實驗、氣體狀態特性實驗。另外還有氣體PVT虛擬仿真實驗、傳熱特性與強化傳熱性能虛擬仿真實驗。教學資源包括線下理論課程、線上SPOC、MOOC 等。教學方式以課前網上預習、課中以翻轉課堂為主的教學方式，教學時間以課堂教學為主。

圖2 熱能與動力工程類SPOC+MOOC+MOOE+PRP實驗課程體系

為了提高學生的綜合運用知識能力和對復雜實驗系統的設計及操作能力，本中心還設置了太陽能綜合效率測試實驗、綜合制冷效率測試實驗、綜合燃燒學測試實驗、綜合傳熱性能測試實驗等綜合類設計類實驗。教學資源包括交叉模塊的課程、虛擬仿真中系統理論知識課程、綜合類設計類虛擬仿真實驗、開放性實驗場地和設備等。教學方式以線上線下混合、虛實結合的教學方式，教學時間以學生課余時間學習和預約實驗為主。

在PRP科創活動中，實行“俱樂部為基礎、探索項目為路徑，以賽促學、以賽促教、學賽結合”教學模式，建立起整套教學機制。首先，中心建立了綠色能源與智慧能源俱樂部，全校范圍內任何對節能減排、綠色能源、智慧能源感興趣的學生都可以加入俱樂部，俱樂部對感興趣的科研方向進行系統的課程學習和實踐訓練。然后，學生在俱樂部中的創新想法可以以探究項目的形式進行進一步探索。中心組建師資團隊、開放場地、設備，全力支持學生開展校級項目教學、大創項目、校企合作探索類項目等。最后，學生在探究項目中取得了一定的科研成果，可以參加中心舉辦節能減排等校內賽，在校內賽取得優秀成績的隊伍，可以進一步完善作品，參與省部級、國家級、國際級的比賽。在比賽準備過程中，學生不斷得到師資團隊的指導，學生在此過程中，增強了探究的興趣，提升了創新能力和專業知識和技能，提高學生自主學習和解決實際問題的能力，從而達到“以賽促學”的效果，教師在指導學生的過程中，也必須努力提升自己，進一步拓展專業技術領域，達到“以賽促教”的效果。此類PRP科創活動以團隊合作、自主設計、自主創新為主，活動時間一般為學生的課余時間。

3 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 實踐教學體系優點

“SPOC+MOOC+MOOE+PRP科創活動”的教學體系實現了理論知識、實踐實驗操作、課程活動有機結合，虛實結合、線上線下混合教學、翻轉課堂教學，以賽促學、以賽促教等多層次要求。其優點體現在：

（1）SPOC、MOOC提供了大量便于獲取的優質的教學資源，學生可以在網上方便地進行學習和互動，解除了時空限制，提高了學生學習的自主性。

（2）MOOE部分解決了SPOC、MOOC中的實驗部分，以課程組織復雜實驗教學，學生通過MOOE 開展綜合性、危險性、學科交叉性以及自主設計和創新類實驗，培養學生的創新能力和實踐能力。

（3）在PRP 科創活動中，以俱樂部為基礎，廣泛提高學生科創興趣。以探索類項目為載體，系統培育學生專業知識和交叉學科知識，并提高學生的實踐能力和科研素養。學生可以加深理解SPOC、MOOC學習的內容，驗證MOOE虛擬仿真實驗中創新性想法。以科技競賽為抓手，學生可以接觸到科研前沿和工程實踐的問題，從而訓練和提高學生系統工程思維和解決實際問題的能力。

4 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 的實踐探索成效

實驗教學中心制作了實驗課程典型小視頻SOPC，并共享在網上，學生可以在課前、課后可以隨時進行預習、復習，如圖3。同時，實驗教學中心還制作完成結合了MOOC 課程的虛擬仿真實驗項目MOOE（見圖4），這些項目可以配合實際實驗操作，并對實驗內容進行拓展，有利于拓展學生的視野，激發興趣，接觸到科研前沿以及工程實踐項目，從而有利于培養學生的創新能力。在此基礎上，學生對感興趣的課題可以提出自己的科研創新項目PRP，有關老師對學生進行指導，并鼓勵其積極參加各類科創競賽。

圖3 典型小視頻SPOC教學示例

圖4 MOOE虛擬仿真實驗與MOOC課程結合示例

在2020 年，24 組學生以PRP 成果為基礎參加校級節能減排大賽，其中優勝者被推薦到全國全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽，11 項獲得“全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”獎項，包括特等獎1 項、一等獎1 項、二等獎2 項、三等獎7 項。

5 結語

本文以上海交通大學基礎與實驗教學中心為例，探討了SPOC+MOOC+MOOE+PRP科創活動多層次立體交叉融合人才培養模式；提出此教學體系的總體思路和推進策略；實施了此教學體系的具體培養模式和改革舉措。①理實互動、深度融合：整合優質資源在虛擬實驗教學中有機融入便捷查詢和學習到相關理論知識，拓展基礎知識并將其與綜合實踐創新培養相結合，將理論知識學習和實驗實踐能力的培養深度有機提升學生的知識水平和實踐能力。②綜合設計、創新實踐：在理論和實踐知識深度之后，學生對相關知識和能力進行關聯學習。并在此基礎上產生課程理論體系并產生新想法新思路，虛擬實驗可以滿足學生進行綜合自主設計和探索試錯，開展高成本和長周期以及高風險的理論研究和虛擬實驗。③學教賽相互促進：在以上學生能力和素質培養的基礎上，本教學方法積極推動探究式項目教學，將俱樂部中的創新想法、科研前沿問題、工程實際問題等轉化為探討類項目。以科技競賽為抓手進行實體綜合性和學科交叉性科訓練，使學生加深理論知識理解，提高了實際動手解決實際問題的能力。

綜上所述，“SPOC+MOOC +MOOE +PRP 科創活動”的教學方法的科學意義在于摒棄傳統的灌輸式教學方式，以人為本地提供豐富而系統的優質網上教學資源，學生從被動學習變為主動學習；學生可以在虛擬實驗中實現理實互動，自行設計和組織創新型高風險和高成本的實驗，提高了學生的興趣和創新精神以及創新思維；在此基礎上，學生通過參加俱樂部、開展探究類項目、參加校內比賽等PRP 科創活動，培養學生系統的專業知識、系統工程思維、科研素養和實驗實踐能力。所以，此教學方法實現了傳統消費型學習模式向以創新創造能力培養為目標的主動學習模式轉變。