基于創新思維與科研啟蒙的多元立體化教學改革 \t

摘 "要：當前工科教學改革的方向是培養具備卓越的工程實踐技能、出色的創新潛力和國際競爭力的高素質復合型人才。試驗設計與統計分析是環境科學與工程相關專業的主干課程之一，承擔著發展解決新環境問題能力的重要任務。該研究針對現行課程教學體系不能滿足新工科發展戰略的需求，從重構課程體系、探索創新教學方法、構建“以學生為中心”的教學模式和建立多元評價模式等多方面對課程教學進行改革，建立與環境科學專業緊密聯系、交叉融合的多元立體化教學培養體系，旨在培養學生發現問題和解決問題的能力、創新思維和科學思維。實踐表明，改革后課程教學的系統性和邏輯性更強，顯著提高學生的學習主動性，激發學生的探索精神。

關鍵詞：創新能力；科研啟蒙；環境科學；試驗設計與統計分析；教學改革

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）08-0142-04

Abstract： The current direction of engineering education reform focuses on cultivating highly skilled， well-rounded professionals with strong engineering practice abilities， exceptional innovation potential， and international competitiveness. Experimental design and statistical analysis is a core course in environmental science and engineering， playing a crucial role in developing students' ability to address emerging environmental challenges. However， the existing curriculum falls short of meeting the demands of modern engineering education. To bridge this gap， this study proposes a comprehensive reform strategy， including curriculum restructuring， innovative teaching methodologies， a student-centered learning model， and a diverse assessment framework. The goal is to establish a multidimensional and interdisciplinary teaching system closely integrated with environmental science， fostering students' problem-solving skills， innovative thinking， and scientific reasoning. Practical implementation of these reforms has demonstrated improved course structure and coherence， significantly enhancing students' engagement， curiosity， and exploratory mindset.

Keywords： innovation capacity; research initiation; environmental science; Experimental Design and Statistical Analysis; teaching reform

創新是國家繁榮發展的推動力。新時代的大學生承擔了建設創新型國家的重要任務，這一點在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》中明確提出[1]。習近平總書記在北京大學建校120周年師生座談會上強調，建設社會主義現代化強國，發展是第一要務，創新是第一動力，人才是第一資源[2]。因此，新時代對大學生的創新能力提出了更高的要求。很多學生在校期間會參加大學生創新創業項目、“互聯網+”“挑戰杯”等比賽以提升自己的能力和核心競爭力。此外，相當大部分的學生會通過參加全國碩士研究生統一招生考試，以爭取更廣闊的發展空間。顯然，這些經歷對學生的調查研究、試驗設計、分析數據和總結報告等實踐技能提出了更高的要求。

試驗設計與統計分析是環境科學專業學生的專業基礎課程，是一門實用性很強的工具課。該課程將數理統計的基本原理和方法應用于環境工程技術和科學研究領域，旨在培養學生掌握試驗設計與統計分析的基本原則，使他們具備獨立進行實驗和科學分析的能力[3]。此課程與環境專業學生的學習和畢業設計直接相關，因此對學生培養質量具有重要影響。為提高教學質量，本研究深度剖析現有教學環節中存在的問題，通過改革教學模式和建立多元評價體系，推動了課程教學改革。

一 "當前教學中存在的主要問題

環境科學專業具有實踐性的顯著特征，要求學生具備能高效、快速地分析和解決環境問題的能力[4-5]。然而，目前試驗設計與統計分析的教學現狀與專業需求之間存在顯著差距。以下分別從教學內容、教學方法、教學模式和考核體系四個方面對課程教學存在的問題開展討論。

（一） "教學內容缺乏環境專業特色和應用性

試驗設計與統計分析以數理統計和概率論為基礎，具有原理復雜、內容多、公式多、計算多和圖表多等特點[6-7]。但該課程僅有24學時，教師在課堂上過于注重基本概念和原理的傳授，卻忽視了知識的實際應用，導致學生普遍感到學習乏味和難以理解。此外，教師過分強調經典理論，缺乏講授具有專業特色的實例，更甚少將學科前沿知識和最新研究成果融入教學，導致課程教學與實際應用工作脫節。

（二） "采用單一的多媒體教學方法

由于課程內容豐富而教學時間有限，以往主要采用“滿堂灌”的教學方法，即教師借助授課、板書和多媒體工具等方式講授知識，并就常規知識對學生進行提問，缺乏其他課堂互動方式。這種單一的教學方式導致學生容易出現“似懂非懂”的情況，即使教師的教學質量非常高，學生也難以實現對知識的深刻理解、綜合應用和解決實際問題的能力。

（三） "“以教為主”的教學模式

現有的教學模式是以教師為中心，即教師起主導作用，負責課程設計、知識傳授和課堂管理，而學生充當知識的接收者和聽眾的角色。但這種教學模式存在以下問題：①學生學習的積極性和主動性不夠；②環境科學專業學生的數據和統計學基礎普遍相對較弱，難以理解課程內容；③實踐應用能力不足，缺乏創新能力。

（四） "現有考核體系無法有效評估學習效果

當前的課程考核方式包括平時成績和期末考試成績，占比分別為30%和70%。其中平時成績包括課堂考勤、課堂問答、課后章節作業（主要以計算題為主），期末考試成績以筆試的考試卷（開卷）成績為主。這種考核方式培養出應付考試的突擊型考生，缺乏實踐和應用，難以公平、客觀地反映出學生的學習效果，且無法發揮出創新型學生的優勢[8]。

由于該門課程教學存在上述問題（圖1），學生在做畢業設計時，無法運用課程知識獨立設計試驗方案、靈活處理實驗數據、對數據圖形進行有效整理和分析。因此，基于創新能力培養和科研啟蒙雙導向的試驗設計與統計分析課程多元立體化教學改革勢在必行！

二 "基于創新能力培養和科研啟蒙雙導向的課程教學創新思路與途徑

基于上述課程教學中現存的問題，筆者結合環境科學學科實驗研究的方法和原則，從以下四個方面對試驗設計與統計分析課程教學進行改革（圖2）。

（一） "調整和優化教學內容，增強專業特色和實用性

1 "調整教學內容，凸顯專業特色

在教學內容組織和知識側重點的處理上，結合環境科學專業特色、適應行業需要為主導，強調該門課程在專業中的應用，從環境科學專業實驗測試的程序、方法、常見問題等方面出發，組織調整優化理論教學內容。對于一些經典理論，只講授基本概念及常用標準，側重知識點在解決環境問題過程中的應用。調整前后的教學內容，具體見表1。

2 "加強案例教學和實踐性環節

將教學大綱中的各個知識點進行提煉、優化和重新組織，采用案例形式進行知識點的總結。在此過程中，我們剔除了參考教材原有的機械和建筑等領域的例子，選用期刊論文、碩博士論文中與環境科學專業知識相關的案例。結合教材章節的具體內容，從案例論文涉及的試驗設計與統計分析兩方面內容出發，系統分析案例論文所用的試驗設計方法和數據處理方式。這一理論與案例并行的教學內容有助于學生初步了解如何分析和解決科學問題，并深化對教材相關知識的理解和應用。

除了課堂教學，我們還注重培養學生的實操能力。通過聯系或引用一些環境科學和工程學問題，調動學生的積極性，鼓勵他們自主設計實驗方案，或者根據虛擬的實驗結果采用數據處理軟件驗證實驗方案。在教學中，教師將統計理論知識與實際操作相結合，學生與教師同時進行演練。在上機操作過程中，我們重點強調知識的應用。一旦學生通過課堂應用實例學會了軟件的基本使用方法，我們將布置作業，讓學生利用以往課程實驗獲得的數據進行處理和分析，以鼓勵其主動學習軟件操作技能。

3 "適當引入學科前沿知識，拓展學生視野

試驗設計與統計分析方法隨著時代進步不斷發展改進，因此，在課程教學中，我們不僅要介紹基本內容，還要引入學科發展的前沿知識。為此，課程增加了如Environmental Science amp; Technology、Water Research等環境領域頂級期刊上的研究論文，以探討試驗設計與統計分析的具體應用。這一方法有助于拓寬學生的學術視野。在教學過程中，我們采用多媒體展示、板書和在線資源等多種教學模式相結合，以更靈活地向學生傳達最新的教學信息和前沿知識，從而提升他們對試驗設計與統計分析領域的理解。

（二） "多種教學方法并用，激發學生積極性

利用互聯網技術，在超星學習通上上傳課程PPT、最新學科研究方法、優秀設計或論文、案例等資料。學生通過平臺完成課前預習、課中互動、課后實踐和拓展學習等環節；老師通過發布通知、開展活動（專題討論、分組）、發布章節測驗作業、監控任務點完成情況和統計作業測驗考試成績等，實現對整個教學過程的有效管理。

課堂教學中，采用案例教學法，以資源與環境學院近年的優秀本科畢業論文、大學生創新創業活動的科研論文或環境專業頂級期刊論文為素材，引導學生研究論文的設計思想和方法，討論試驗數據的處理。采用啟發、互動式教學，如通過組織專題進行課堂討論或分小組進行匯報等，給予學生充分發表意見的自由，引導學生自己發現問題、提出問題、分析問題和解決問題。在上機操作環節中，根據環境科學和工程學的常見問題，鼓勵大家設計方案，或者根據虛擬的實驗結果采用數據處理軟件驗證實驗方案。

（三） "“以學生為中心”，發揮學生的自主性

構建“以學生為中心”新型教學模式[9-10]，即“課堂案例引導—課后探究學習—階段實踐練習—討論反饋—過程評價”，我們特別注重針對不同試驗設計方法的特點和差異，結合實際情境設置相應的案例。通過啟發式和案例教學，逐步提出問題，由淺入深，逐層推進，以激發學生主動思考和積極參與討論，并引導他們提出解決方案。同時，教師將專注于對關鍵問題和難點的有針對性解析和串講。

此外，我們建立網絡在線課程資源，以促進學生在課后的自主學習和練習。在每種設計方法學習結束后，我們會組織實踐練習（即大作業），要求學生獨立查找相關文獻，確定實驗的考查因素和水平，選擇適當的方法進行設計，并模擬實驗設定以獲得數據進行數據分析處理。教師將根據學生的完成情況，選擇典型案例（包括錯誤和優秀的設計），并請學生在課堂上進行介紹、討論和分析，以幫助他們深入了解實際操作中的關鍵要點和問題。

（四） "建立多元評價體系，全面評估學習成果

課程采用多元化的考核模式，主要包括以下幾個方面：第一，將考核分為期中和期末兩個階段。期中考核包括多次小作業，涵蓋獨自練習、小組討論和展示等多種方式。期末考試時對試卷題型進行改進，減少記憶性題目的權重，增加理解和應用性考題的比例。第二，采用多維度的考核方式，不僅評估學生分析問題和解決問題的能力，還重點考察學生的創新潛力和實際操作技能。例如，每次上機實踐課后都布置了軟件操作作業，學生需以實踐報告的形式提交。報告內容應包含數據輸入界面、數據處理步驟、結果輸出界面等的截圖，并需對輸出結果加以文字解釋。此外，學生還需結合自己已完成的專業相關實驗課程，運用本課程所教知識設計實驗方案和進行數據分析。

三 "多元立體化教學改革成效分析

為了全面評價教學改革效果，我們選擇了環境科學專業試驗設計與統計分析課程改革前（2020年）和改革后（2023年）共56名學生為研究對象，從出勤率、期末卷面平均分、學生評價分數三個方面進行對比（表2）。從表2中可以看出，改革后學生明顯更愿意參加課程學習，對課程的滿意度更高，學生通過自主思考和學習，對知識點的理解更透徹，期末考試的平均成績顯著提升。此外，參加大學生創新創業項目、“挑戰杯”等課外活動的小組數量增加了2倍。

表2 "試驗設計與統計分析課程改革前后的效果

四 "結束語

本研究從應用型人才的培養目標和學科特色出發，設計并優化了教學內容，緊扣環境專業學科中的試驗設計與統計處理方法和要求，改革后的課程教學內容和教學目標與學科人才培養目標更契合。經過1年多的教學改革與實踐，試驗設計與統計分析課程教學的質量明顯提升。后期我們將根據教學反饋效果進行調整，持續改進課程，使其與培養工程實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質應用型人才的培養要求相適應。

參考文獻：

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0100802_93704.html.

[2] 習近平在北京大學師生座談會上的講話[EB/OL].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1599405562274773460amp;wfr=spideramp;for=pc.

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[10] 林倩.“以學生為中心”的新工科專業課程建設改革探究[J].

高教學刊，2023，9（23）：144-147.