基于數理學科競賽的創新人才培養模式研究與實踐

摘 要：以培養拔尖創新人才頂端需求為目標，基于數理學科競賽培養體系，系統優化基于OBE理念的“一二三四”課程教學內容和教學模式改革，增加學科競賽的內涵。建設新型“兩體系三改革”交互的學科競賽平臺，促進學生綜合素質及能力的培養。探索并實踐“后競賽”時期學生科研活動的管理機制，“兩層次四環節”地將競賽對學生的影響延伸到參加科研項目和國創項目、發表專利和論文等研究活動中。

關鍵詞：數理競賽；創新人才；培養體系；競賽平臺；綜合素質

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）30-0087-05

Abstract： With the goal of cultivating outstanding innovative talents， based on mathematical and physical competitions training system， the "1234" teaching content and mode reform based on OBE has been systematically optimized to increase subject competitions connotation; it builds the new interactive competition platform with "two systems and three reforms" to promote the cultivation of students' comprehensive qualities and abilities， explores and practices the management mechanism of student research activities during "post competition" period， and extends the impact of competitions on students to participate in research projects and national innovation projects， publish patents and papers etc. in a "two-level and four link" manner.

Keywords： mathematical and physical competition; innovative talent; training system; competition platform; comprehensive quality

基金項目：2021年山東省本科教學改革與研究面上項目“學科競賽視域下創新人才‘四環五步遞推反饋式’培養體系的研究與實踐”（M2021331）、“多元目標、技術賦能背景下公共基礎教學課程群教學改革研究”（M2021087）；2024年高等教育科學研究規劃課題“‘四新’背景下以創新能力培養為導向的大學數學教學改革研究與實踐”（24SX0409）；2019年青島理工大學本科教學改革與研究項目“基于省一流課程《計算方法》的課堂改革研究與實踐”（F2022-002）

第一作者簡介：陳麗娟（1981-），女，漢族，山東日照人，博士，教授，碩士研究生導師。研究方向為大學數學。

創新人才教育作為高校人才培養模式的新探索，是高等教育主動適應、積極回應時代呼喚的創新、發展和升華，將直接影響甚至引領未來世界高等教育發展。學科競賽對于培養學生的創新能力意義重大，以新理念、新模式培養具有可持續競爭力的創新型人才，已成為我國高等教育主動應對新一輪科技革命和產業變革，服務國家戰略和區域發展需求的首要任務。

一 創新人才培養存在的問題

近年來，我國高等教育事業得到快速發展、取得巨大成就，但是大部分高校的創新教育的水平參差不齊、模式陳舊、效果欠佳，普遍存在諸多不利于創新型人才培養的因素，突出表現在以下幾個方面。

（一） 創新人才培養體系不夠完善

在人才培養方面，綜合素質促進學生創新能力變革的戰略性高度不夠，缺乏清晰、長期的發展愿景，缺乏系統的規劃設計和實施方案。原有的學生培養教學和課程體系難以達到現在學生對創新能力的需求，綜合素質及能力的融合度不強。

（二） 學生綜合素質及能力的培養不能較好體現

教學模式存在重灌入輕啟發、重講授輕研討、重考查輕反饋及重“知識目標”輕“能力和素質目標”等問題，信息技術與教學“兩張皮”的情況還十分普遍，難以促進信息時代學生的創造力和個性化發展，在教學培養方面，綜合素質促進學生創新能力變革的戰略性高度不夠，缺乏清晰、長期的發展愿景，缺乏系統的規劃設計和實施方案。工科基礎課程在高等教育中占據重要地位，其理論知識往往抽象且深奧，學生難以直接將其與實際應用場景相聯系，導致學習動力不足，理解深度有限。

（三） 人才培養模式不能適應學生個性化發展，學生在教學中的主體地位不夠凸顯

高校培養計劃和課程設置方面學生自由選擇度低，選修課程相對少。學生群體存在多樣化趨勢，學生學習興趣、學習能力、學習需求的差異性日顯突出。同時教學過程中重教法、輕學法，重結果、輕過程，重理論、輕實踐的做法依然非常嚴重，不能滿足學生個性化發展的需求。與個性化教育和創新型人才培養的需求相差甚遠。

二 解決問題方法和思路

近年來，我們以物理和數學類相關專業學生為培養對象，以數學物理類課程為實踐平臺，依托數學和物理學科競賽，對創新人才培養模式方法進行探索與實踐，思路如下。

（一） 以培養創新人才為目標，優化設計了數學物理類課程的“一二三四”知識體系和教學模式改革，增加學科競賽的內涵

1 一體化課程體系的建設

人才培養是一個有機過程，每一個環節緊密結合，以學生的創新、綜合能力培養為目標，課程體系構建、過程培養都必須圍繞這一目標開展。教學團隊定期深入行業企業調研，修訂專業培養方案和課程教學大綱，不斷完善物理和數學類專業的課程體系。建立了“理論課程+實踐課程”有機結合的創新人才一體化課程體系，將學科競賽輔導培訓貫穿其中。

2 兩條主線推動課程建設

高校是高級人才培養基地，課程是人才培養基本構成要素。實施課程內容建設與教材建設相結合，全面提高教學質量，課程內容是核心，教材是課程學習中獲取知識與能力的基本工具。兩條主線同步推進，促進課程建設可持續發展。

3 三種教學模式改進

教學模式是教學理論的具體化，同時又直接面向和指導教學實踐，具有可操作性，它是教學理論與教學實踐之間的橋梁。陳舊的傳統教學模式多采用“滿堂灌”“教師為主體”的方式，學生主體地位缺失，不利于創新型人才培養。教學團隊積極探索改進基于在線課程的線上學習模式、基于翻轉課堂的線下合作學習模式、基于學科競賽和實踐項目的線下體驗學習模式。多種教學模式有機融合，激發最大動能。

4 四類教學理念創新

教學理念是人們對教學和學習活動內在規律認識的集中體現，同時也是人們對教學活動的看法和持有的基本態度和觀念，是人們從事教學活動的信念。教學團隊關注學生的進步發展和最新的學科動態，創新教學理念：強化課程思政建設，培養家國情懷；更新教學內容方法，以適應學科專業前沿；注重與國內知名院校專家交流，拓展教育視野；踐行理論與實踐結合，凸顯動手實踐能力培養。如圖1所示。

（二） 為提升學生綜合素養水平，建設了新型“兩體系三模式”交互的學科競賽平臺，促進學生綜合素質及能力的培養

1 基于學科競賽平臺的兩大體系建設

學科競賽為學生創新實踐能力和綜合能力培養提供了平臺，是課堂理論知識內化的訓練場，也是檢驗人才培養成效的試金石。為更好發揮學科競賽的帶動作用，教學團隊構建并實施了“完善的學科競賽體系”和基于競賽輔導機制的“交叉融合的課程體系”。經過多年實踐檢驗，學生總體綜合素質及能力顯著提升，兩大體系相輔相成，共同支撐起創新人才教育的保障主體。

2 增強綜合能力培養的三大改革措施

為了創新人才培養方案的順利實施，教學團隊經過多年探索，打造適合自身學情的軟硬件環境，積極改革不適用的舊方式和舊制度。目前已形成并完善了“開放實驗室的運行機制”“本科生進課題組的選拔實施機制”和“數學物理類課程創新教學機制”。通過這些改革措施，進一步補充完善人才培養手段，豐富人才培養內涵。如圖2所示。

（三） 為滿足學生個性化發展，“兩層次四環節”探索并實踐“后競賽”時期學生科研活動的管理機制

1 根據學生興趣專長，實施“兩層次”個性化發展途徑

以學生為中心，因材施教，充分尊重與鼓勵學生個性發展，允許學生根據自身實際、興趣愛好，自主選擇“進入老師課題研究小組” 或“主持國創省創課題”兩個層次的陣營，教學團隊在課堂內外給予學生專業化指導。調動學生的學習興趣對于增強教學效果至關重要，要激發學生的學習興趣，讓學生的“興趣”變為“專長”是學生創新能力得到鍛煉的絕佳途徑。

2 根據學生能力水平， 呈現“四環節”個性化培養成效

學科競賽在學生實踐創新能力培養過程中起到至關重要的作用，學科競賽的成績不是一蹴而就，而是厚積薄發，競賽對學生培養的影響力也不是曇花一現，而是會延伸到競賽結束后相當長的一段時間里，甚至是整個學習生涯。鼓勵學生將競賽的經驗和取得的成果融入“發表創新文章”“申請專利”“申請軟件著作權”“考取研究生”等環節，既是對學生能力水平的肯定，也是創新人才培養成效的寫照。如圖3所示。

三 具體實施步驟

（一） 教學內容重構與優化

1 強化課程思政建設

深入挖掘每個物理、數學符號中及各教學環節中所蘊含的思政元素，通過數學物理競賽中的案例教學培養學生良好的數學物理素養和思維嚴謹、工作求實的作風，培養學生勇于探索、敢于創新的思想意識和良好的團隊合作精神。同時把數學和物理文化與課程思政有機地融合在一起，介紹知識的產生背景和數學物理文化、科學家勵志故事，使學生認識到數學物理來源于實踐又服務于實踐，從而樹立辯證唯物主義世界觀，激發學生的求知欲，培養學生邏輯思維能力、洞察探索能力、抽象建模能力等，激勵學生發奮學習，積極向上，勇于創新。

2 學科競賽內容融入課堂教學

在課堂教學中，可以適當地加入歷屆數理競賽的知識點，鞏固課堂知識的同時，也能吸引學生參加學科競賽的興趣和求知欲。涉及數理類競賽知識點的課程需要適應青島理工大學的教學計劃、適應學生實際水平及適合教學和培訓。在課程教學內容中，選取的數理類競賽知識點既要與學生的水平適應，又要滿足學生現在與將來的需要。例如教師可以結合學生正在學的內容，講敘一些較簡單的數學建模題目或開放性的物理實驗，在課外讓有興趣的同學展開討論，教師可以指導論文、實驗數據處理等；在一些應用性較強的課程中，例如計算物理基礎、計算方法等，增加基于數學軟件應用的實踐內容，最大限度地調動學生的學習積極性。

3 講義和教材建設與時俱進

大學的教材應順應學科發展規律，講義的編寫更要與學科前沿和當今科學熱點相適應。教材的選擇既要與學生的水平適應又要滿足學生現在與將來的需要，例子習題要豐富，要有一定學術水平，便于學生自學，能最大限度地發掘學生的學習能力。部分教師及時把自己主持或參與的教研、科研項目中的研究成果編寫進教材或講義中。收集資料，編寫具有特色案例的課程教案及數學物理類競賽的培訓材料或講義。如獲數學建模獎項中的優秀案例，已充實到“計算方法”教材中，并且每年會對講義或教材內容進行修訂和優化，來滿足以產出為導向的人才培養目標達成度。

（二） 培訓方法改革與實踐

1 培訓理念新穎化

樹立全新理念，將培養學生的創新意識、創新能力、實踐能力根植于每一位教師心中。發揮教師的主導作用和學生的主體作用，通過立體多元化深度學習，充分調動學生的學習主動性和積極性，使學生以飽滿的熱情參與教學活動。加強頂層設計，通過調整培養方案，制定新的課程教學大綱，建立“理論課程+實踐課程”有機結合的創新人才培養模式，通過理論與實踐相結合的方式全面培養學生的各項素質和能力。通過“精彩一課”“師生座談”“同伴示范”等活動，采用布盧姆教育目標分類體系引導教師準確制定教學目標，精心設計課程教學的六個步驟，提高了教師的教學理論水平和實踐能力。

2 競賽內容課堂化

在數學物理類課程設計中，可以在適當的章節加入數學物理類競賽題目或實驗，競賽題有很多創新解題方法，可以開拓學生思維創新。把教學活動與學科競賽活動聯系起來，使競賽內容深入到教學活動中，成為課堂與實踐關聯的有益補充。引入基于競賽案例的PBL教學法（Problem-based Learning），團隊教師選取相關專業背景案例，通過解決專業性問題的訴求為導向來引入概念、推導定理，并將此類關鍵問題作為每節課的核心和線索，引導學生在探索專業性問題解決方案過程中逐步構建知識體系，加深學生對課程內容本質的理解，在潛移默化間培養他們的問題意識，使其接受從事科研工作的基礎訓練。

3 考核方式過程化

考試是教學活動組成部分， 不是教學活動的終結， 更不是教學活動的目的。在成績評價形式上， 應是多角度、多層次、全方位的， 鼓勵學生以各種方式展示自己的學識和能力，其評價活動應該貫穿整個教學過程中。數學物理類學科競賽融入教學課程應建立過程考核模式，過程考核結果要和最終評價相結合，而且在可2jDujyrDLSj+AbwR4Cj1OsiUAgv3Rx/zWdwfKlTIN1g=能的條件下應該占有較大比重。通過上課提問、隨機測驗、專題討論等方面來表現，分階段實施，綜合評定成績。

4 培訓成果實踐化

注重加強與國內知名院校教授交流，舉辦高層次的數理競賽專題教研活動，定期征求國內同行專家對課程教學內容和方法等方面的意見與建議，以促進課程建設。與此同時，團隊注重將數理競賽成果用于教學實踐，強調“教師成果三進”，即進教材，部分教師及時把自己主持或參與的教研、科研項目中的研究成果編寫進教材或講義中；進課堂，團隊教師將學科發展前沿及學科研究成果融入到教學內容中，教師將科研成果及學科競賽中的成果帶進課堂教學，讓學生深切感受到前沿科技魅力，激發學習興趣；進畢業設計，畢業論文課題很多來源于教師的數理競賽中的優秀案例。

（三） 培養模式探索與創新

課程內涵深度化，組織了以青島市教學名師為帶頭人的教學團隊，站在學科高度，統攬課程內容，設計了“數理學科競賽融入數理類課程”的教學案列，由知識傳授內涵深化思維/能力培養，實施教育理念、教學內容、教學方法的全面創新。

建立統一的專門的數理學科競賽網站，提高學生對數理學科競賽的認識。構建并完善數理學科課外實踐平臺和學科競賽基地。指定專門教師對學生的學科競賽進行精準指導，提高獲獎率。建立實驗室開放的運行機制，采用“空間開放、時間開放、內容開放”的全新教學模式。

探索并實踐“后競賽”時期學生科研活動的教學形式，科教一體融合，創辦一些符合新時代要求、與學生需求相適應的活動品牌，做學生心目中“貨真價實”的活動，讓學生在潤物無聲中得到鍛煉、成長。充分利用物理文化節、物理協會、開放實驗室等平臺，將優質學習資源送到學生面前，讓學生在不知不覺、潛移默化中學習。近年來，團隊老師開展了一系列獨具特色的活動，如本科生進課題組、名家講壇，創辦了物理學習興趣小組等，為學生提供了展示自我、個性化發展的平臺。不少學生在課題組老師的指導下自主學習、合作研究、科研創新，并且申請專利、發表高水平科研論文、申請軟件著作權或考取研究生。

引入競爭和激勵機制，營造積極向上的氛圍。深挖先進事跡，樹立優秀典型，積極整合各類資源，通過開展集中學習，并運用學校和學院網站、移動APP等平臺，努力擴大典型事跡和榜樣在廣大師生中的影響力，激發師生共鳴，用榜樣力量和典型事跡激勵鼓舞全校師生員工。

引入競爭和激勵機制，建立充滿活力、可持續的發展機制。完善激勵體系，增強教師參與課改的成就感，形成內生激勵機制，通過經費資助、提高工作量系數、職稱評聘等措施發揮外在激勵作用。

及時更新學校硬件設施，加強實驗室的建設與開放。確保教學實驗室經費真正用于改善教學實驗條件，保障實驗設備真正給學生帶來較高水平的保障。設立數理學科競賽專項基金，提高師生待遇。學校和學院對競賽給予一定的基金支持，確保數理學科競賽的有序進行。

四 成果推廣和應用效果

以數學物理類課程為實踐平臺，通過對創新人才培養模式方法的探索與實踐，將如何進行學科課程建設、如何完善競賽平臺、如何建立教師培訓體系、最終達到科教融合培養四位一體的創新能力課堂培養模式進行推廣。此課題的受益面主要體現在如下幾個方面。

（一） 創新教學模式，促進課程建設

基于在線課程的線上學習模式、基于翻轉課堂的線下合作學習模式、基于學科競賽和實踐項目的線下體驗學習模式被引入到大學數學和物理的教學模式中，多種教學模式有機融合，激發最大動能。教師通過實際案例的設計，引導學生分析與解決問題，逐步培養建模思想，使教學重點由易到難、由淺入深，形成遞進式與波浪式的教學結構，制定出一套完整的、符合高校實際的、合理有效的公共課程教學具體案例教程，并總結出一套探究式、線上線下混合式教學方法在公共課程教學中的應用經驗。

（二） 競賽平臺完善，競賽成績提升

通過教學模式改革和課程建設，學科競賽成績顯著提高，學生受益面顯著擴大。自2014年開始應用以來，累計受益學生達5 000多人。受訓學生的實踐和創新能力得到大幅度提升，獲得了學科競賽國家獎項50多項，省級以上獎項千余項。連續多年獲得數學建模競賽全國一等獎，2019年全國大學生數學建模競賽獲得全國一等獎5項，二等獎7項，成績位居全國高校第二。

（三） 加強教師培訓，教研成果豐碩

建立建模、競賽、考研教師團隊，形成以青島教學名師為帶頭人的“老帶新”的“傳幫帶”培養模式。加強中青年教師的培訓，通過“引進來”和“走出去”的方式，舉辦中青年教師教學創新與實踐能力提升培訓會10余場，使得新入職教師快速提升教學能力，逐步培養為優秀教師和教學骨干。

項目教學團隊共發表教研論文十余篇，出版教材8部。在線開放課程3門，承擔省級教改課題25項，青島市教學名師一名，省中青年講課比賽一等獎，校信息化教學比賽一等獎，校教學創新大賽一等獎等，教學質量顯著提升。

（四） 科教有機融合，社會效應顯著

根據中國高校創新人才培養暨學科競賽評估結果顯示，高校學科競賽極大地提升了大學生創新創業能力等綜合素質。學生發表與科技創新能力培養有關論文30余篇，國家大學生創新創業訓練項目44項，人才培養效果明顯。

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