利用開源項目進行研究性教學培養學生的創新能力

［摘 要］ 如何更好地培養學生的創新能力，是高校教育的一大挑戰。針對傳統的研究性教學在培養學生創新能力上效率較低的問題，首先，通過引入開源項目來進行研究性“教”和引導學生研究性“學”，可以讓老師和學生更好地把焦點集中在提出問題、分析問題、解決問題上，從而更有效地提高學生的創新能力。其次，提出了學生創新能力的評價要素與評價方法。最后，教改實驗與結果分析也證明了同傳統的研究性教學相比，利用開源項目來進行研究性教學能有效提升學生的創新能力，且能更有效地培育出更多的有創新力的優秀學生。

［關鍵詞］ 開源；研究性學習；研究性教學；創新

［基金項目］ 2019年度湖南省教育廳科學研究項目“基于三維建模的旅游圖像處理技術研究”（19C1276）；2017年度湖南文理學院博士科研啟動項目“旅游圖像處理技術研究”（E07017005）；2019年度湖南文理學院課程思政項目“linux編程課程思政”（SZZX1933）

［作者簡介］ 湯海冰（1978—），男，湖南長沙人，工學博士，湖南文理學院計算機與電氣工程學院講師，主要從事人工智能研究；廖凌志（1981—），女，湖南常德人，碩士，常德職業技術學院公共課部副教授（通信作者），主要從事英語教育研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）22-0177-04 ［收稿日期］ 2023-09-27

引言

當前我國高科技面臨的“卡脖子”問題、“小院高墻”式圍堵及經濟上的脫鉤斷鏈危機，要從根本上解決都有賴于國家創新能力的提高。因此，大學如何進行研究性教與學，培養大學生的創新能力，已成為當前大學教育改革的最緊迫課題。

一、研究的理論基礎

（一）研究性“教”與研究性“學”

研究性學習是學生在教師指導下，從自然、社會和生活中選擇和確定專題進行研究，并在研究過程中主動地獲取知識、應用知識、解決問題的學習活動［1］。隨著進入互聯網學習時代［2］，研究性學習能力顯得愈加重要。

現代教育原理認為，教學過程是教與學雙邊互動過程。研究性學習必然要求研究性教學。研究性“教”與“學”反映同一過程的兩個方面。這種新型教學思想的實質在于，認為學生的學習過程與科學家的研究過程在本質上是一致的，教育者應激勵、引導和幫助學生像科學家一樣，去主動發現問題、分析問題、解決問題［3］，并從研究過程中培養其創新能力。研究性教與學都以“研究性”為本質內核，所以其過程類似，一般科學研究過程［4］為：引入課題—研究意義—研究現狀—研究的主要內容及關鍵問題—研究方法與技術路線—實驗手段—可行性分析—特色與創新之處—合作與交流。

總之，研究性“教”與“學”相輔相成，密不可分；是教師與學生、學生與學生彼此之間合作運用知識、創造知識的過程；是以“研究性”為本質、創新為靈魂的教學方式和學習方式的融合。

（二）研究性“教”與“學”的結合點

研究性學習的本質內核是創新性，具體表現為學生的科學探究能力，但要找到其實現載體即研究性“教”與研究性“學”的結合點。國際上一些具體的學習方法如：“項目學習”（project learning）、“探究學習”（inquiry learning）、“基于問題的學習”（problem-based learning，PBL），及我國采用較多的課題研究模式，結合點都體現在“問題探究”上，通過前述研究過程來進行問題求解。但可以看出，上述過程是一個標準的科研過程，其用于研究性教學，有一些缺點：其一，通常周期較長，即使在教學過程中我們可以跳過或簡化其中一些步驟，如可行性分析、合作與交流，但在課程有限的學時里，還是捉襟見肘；其二，對相當一部分本科生而言，要求太高，他們可能達不到這樣的創新要求，這種研究性教學反而可能導致他們失去該門課的學習興趣，過猶不及；其三，這也對教師提出了非常高的要求，如果教師水平跟不上，很難想象教學效果會很好；其四，這種研究性教學要求教師、學生都投入極大的精力。現在很多思想、解決方案的實現都需要較大甚至龐大的代碼量來實現。老師、學生都可能在細枝末葉的部分花費較大精力——因為不寫代碼實現則看不到研究效果或研究結果得不到實驗驗證，但去實現又可能會被代碼編寫等細節所累。這極大降低了教與學的效率。所以，急需找到一個研究性教與研究性學的最佳結合點。根據教學經驗，筆者認為，開源項目就可以充當這樣一個結合點。

開源項目是指源代碼公開，并且可以自由運行、拷貝、研究、改進的項目軟件。在眾多研究前沿，都有相應的開源項目，其思想、方法都屬于較新成果，研究價值大；同時項目源代碼公開，代碼揭示了所有的秘密，加上豐富的項目文檔，為學生提供了廣闊的學習和研究空間，也為教師提供了極好的教學案例與素材，給了我們進一步改進的鑰匙。

通過研究開源項目，以開源項目為依托，來進行研究性教與學，可以讓老師、學生把焦點放在解決問題的算法、思想上，且能較快速地驗證解決方案的可行性，極大地節約了教師、學生的時間，讓教師、學生把更多的精力投入創新上。利用開源項目的研究性教學可以改變一般研究性教學周期較長的缺點，也更加靈活，如可以將一個大問題分解成多個小問題，完成即可調試驗證，這不但便于教學，更可以極大地提高學生的學習興趣、分析問題和解決問題的欲望，進而課后更主動地開展研究性學習。開源項目的作用可用圖1來描述。

二、基于開源項目的研究性“教”與“學”的設計

（一）過程設計

基于開源項目的研究性“教”與“學”還是遵從“做研究”的基本過程，但由于開源項目的引入，使其表現形式發生了更加適合教學的一些變化。首先，引導學生參與科研課題正是實踐研究性“教”與“學”的重要途徑。教師根據教學內容，選擇適當的開源項目，并結合自己的科研課題，選定適當的課程思政點，確定學生要參與解決的教師科研項目中的具體問題。這相當于教師完成了標準研究過程中的課題引入、研究意義與研究現狀部分。其次，教師再根據教學內容、開源項目及自己的科研課題將“具體問題”分解為每次課要解決的若干小問題，這相當于教師完成了研究中的主要內容及關鍵問題部分。而對每個子問題的研究方法、技術路線、可行性分析、特色與創新之處、合作與交流則由學生自己去分析問題，去研究開源項目，去查閱相關文獻形成自己的解決方案，再參與到課堂討論中來完成，當然在求解、討論的過程中也可能會產生新問題，過程也一定會有所反復，其過程可用圖2來描述。

可見，基于開源項目的研究性“教”與“學”，過程以開源項目為基礎，讓焦點集中在提出問題、分析問題、解決問題，這為學生、教師節約了大量時間，提高了教與學的效率。需要指出的是，它還特別強調“學生自己提出新問題”這一環節。正如愛因斯坦所說：“提出一個問題比解決一個問題更為重要。”培養學生的創新能力，培養學生的研究性學習能力，可以重點從培養學生提出問題的能力著手。

教學案例。筆者曾任教數字圖像處理課程，在研究FreeImage、CxImage、OpenCV等幾個開源庫后，考慮到教學的方便、算法改進及自身科研課題的需要，最終選定OpenCV開源項目用來教學。因為OpenCV對圖像處理的基本思想、算法都做了相應實現，學生只要調用相應函數就可實現其效果，同時又可以重點研究感興趣算法的代碼實現，便于學生改進創新。比如在講述圖像分割算法時，如分水嶺、金字塔、輪廓提取算法、Canny算子等，學生只需要研究其實現源碼并調用，做到所見即所得，便于培養學生的創新能力。再如結合圖像分割技術的新發展，讓學生使用OpenCV庫去研究并實現基于圖割理論的圖像分割算法［5］。

（二）評價設計

為便于評估基于開源項目的研究性教學效果和其在培養學生研究性學習能力中所起的作用，本文進行了以下設計。

1.評價對象。我校正在進行研究性課程教學實驗。筆者選取了我校2016級計算機專業的四個班128名學生，參考上學期考試總成績及學生平時在創新性上的表現，將之分成兩個大班，每班64名學生，可以認為兩個大班學生的創新能力沒有顯著性差異。

2.評價策略與方法。在教學中，對一個大班采用問題探究教學方法（后文稱問題探究班），另一個大班采用開源項目來進行研究性教學（后文稱開源創新班）。評估的目的主要是檢測在圖像處理教學完成后，學生在創新能力上的差異，具體表現為學生的提出問題能力、分析和解決問題能力、團隊協作能力。對于創新能力的評價，建議采用開放式內容的題目來完成。本實驗評價方法為將每個大班的學生分成16組，每組4人，期末完成教師的一個橫向項目。該橫向項目的目的是根據視頻中由煤構成的灰錐，其輪廓圖像變形時（由于溫度變化引起），自動判別灰錐變形（DT）、軟化（ST）、半球（HT）、流動（FT）四個特征溫度。要求改進項目中已有的灰錐變形識別算法，以更精確地測定四個溫度。要求提交項目報告，報告中必含該項目可能存在的問題分析、學生自己的新設計方案、優化方案及代碼實現與實驗驗證四部分。

三、數據統計與分析

數據統計分析的目標是量化評估利用開源項目來進行研究性“教”與“學”的效果，即量化評估學生的創新能力。本文根據創新與研究型教學的目標，結合項目要求，將學生的創新能力定義為四大要素：對可能存在的問題進行分析的能力，提出新設計方案的能力，對原方案進行優化的能力，代碼實現與實驗驗證的能力。團隊協作能力置入代碼實現與實驗驗證部分來考查。四大要素分別體現在學生的項目報告中“可能存在的問題分析”“新設計方案”“優化的解決方案”“代碼實現與實驗驗證”部分。對課程設計報告中對應的每一部分進行打分，滿分均為100分。表1中數據為學生創新能力各要素成績在各分數段的人數。其中，A代表問題探究班，B代表開源創新班。

可以認為，在各要素能力中，A、B班得分70分以上學生數目的多少反映了該班學生對該要素的掌握程度。根據上表，對各要素70分以上學生做統計，并以B班人數減去A班人數，得到結果如圖3所示。

由圖3可以看出，開源創新班學生在創新能力各要素上均優于問題探究班。僅在“能提出新設計方案”要素上優勢相對較少，主要是因為對該項目提出新方案確實難度太大。

四、總結與展望

利用開源項目進行研究性“教”與“學”，能極大地解放師生手腳，讓師生把更多的精力集中到研究問題、分析問題、解決問題的焦點上來，從而培養學生的創新能力。教改結果證明：同傳統的研究性教學相比，基于開源項目的研究性“教”與“學”更有利于學生創新能力的培養。

下一步擬將進一步細化學生的創新能力構成，并將之融合到基于開源項目的教改實踐中；在課程思政的引領下，讓教學緊緊圍繞提高學生的創新能力；不失航向，也為我國明日不再被“卡脖子”，盡一名人民教師的綿薄之力。

參考文獻

［1］彭豪，錢揚義.運用信息技術促進氣象科學研究性學習的實證研究［J］.電化教育研究，2014（1）：97-103.

［2］郭紹青，黃建軍，袁慶飛.國外移動學習應用發展綜述［J］.電化教育研究，2011（5）：105-109.

［3］龍慧靈，熊黎，龍海明.論研究性教學與研究性學習［J］.社會科學家，2010（8）：119-112.

［4］朱濤，王群，夏玲玲.基于OBE理念的智能物聯實訓項目教學設計［J］.實驗技術與管理，2022，39（10）：168-171.

［5］劉松濤，殷福亮.基于圖割的圖像分割方法及其新進展［J］.自動化學報，2012，38（6）：911-922.