立体式实践教学提高学生创新能力

陆紫生

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

0 引言

2022 年上海疫情期间，我校机械与动力工程学院的立体式实践教学方法有效地降低了疫情的影响，保证实验教学的有序、高质量完成。所以网上教学显得尤其重要，其中小视频教学（Small Private Online Course，SPOC）、慕课教学（Massive Open Online Courses，MOOC）形式受到广泛关注。让本科生参与课外科研项目的研究工作，尽快接受科学研究的基础训练，培养学生的科研兴趣，我校大力发展本科生研究计划（Participation in Research Program，PRP）。如何集合SPOC、MOOC、PRP优点，有效地组织实验教学资源和提高实验教学效率，已成为实验教育改革中亟需探讨的课题。

为了增强学生兴趣、提高学生自主学习能力、学生创新思维、创新能力，提高学生团队合作意识，多位学者运用先进教学理念、信息化技术手段，进行深入的探索［1-9］。SPOC概念是由加州大学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在全世界兴起标志着以学生自主学习为主的新型学习模式正逐渐形成［10］。该教学的优点是以兴趣为导向，充满个人自主特色，突破了传统教学的固定时空和师生模式，拓展为全球范围内不同人群任何时候都可以共享优质教学资源，实现了个人终身学习的可能［11］。2012 年，大规模开放在线课程MOOC 上线，《纽约时报》将2012 年称为“MOOC 元年”［12］。2013年，哈佛、斯坦福等著名大学先后设立自有网络在线学习平台。同年，北京大学、清华大学等国内著名大学陆续与在线课程提供商建立了合作关系。SPOC、MOOC教学无法实现实验部分，建设虚拟仿真大规模开放在线实验（Massive Open Online Experiments，MOOE）平台提供一种新的解决方式，因为实验者在虚拟实验中完成一些在真实环境中无法实现或者难以实现的实验［13］。美国成立了麻省理工学院的微电子在线实验室、休斯顿大学的虚拟物理实验室［14］，东南大学建成7 个具有影响力和示范效应的国家级实验教学示范中心［15］。北京工商大学建设了经济管理类虚拟仿真实验教学平台［16］。

SPOC、MOOC、MOOE、PRP有必要相互结合，其优点在于网上理论知识与复杂的实践实验操作有机结合，提高学习效能产出，并形成以PRP 科创竞赛为牵引，SPOC、MOOC 理论教学与MOOE 实验教学为两翼教学体系。

1 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 实践教学体系框架

SPOC+MOOC +MOOE +PRP科创活动总体框架如图1 所示。根据难度不同分为3 个层次，即第1 层次基础理论和基础实验层次，第2 层次综合知识和设计类实验部分，第3 层次科创前沿和高阶科创部分。其中，第1 层次包括基础理论知识、基础设备操作、基础虚拟仿真实验、基础经典实验；第2 层次包括跨专业交叉学科知识、综合类设计性实验、开放性项目教学、混合类虚实结合类实践项目；第三层次包括科研兴趣俱乐部、各类校内竞赛、科研前沿转化的实践实验项目、工程实际转化的实践实验项目等。如上所述，MOOE 中高度融入衔接SPOC、MOOC内容，实现理论和实践内容的结合，激发学生的兴趣和求知欲，在MOOE中进行高危险性和高成本以及科研前沿类实验，并且对复杂的综合性的设计类实验进行自主探索和试错；通过科技竞赛过程中的科研前沿实验实现对理论知识的深入理解和复杂虚拟实验的自主虚拟实验进行验证，提高实际动手能力和实际解决问题的能力。

图1 SPOC+MOOC+MOOE+PRP实验教学总体框架

SPOC+MOOC+MOOE+PRP科创活动教学体系依照“创新意识培养为核心，理论知识、实验内容与科研前沿相结合为重点”的原则，构建了以“基础—综合—创新”为主线，根据“理论知识和实验实践相结合，实物实验和虚拟实验相结合，教学、科研和工程实际相结合”的方法，最终建成多层次、立体化、开放式的教学体系。

2 SPOC+MOOC+MOOE+PRP实践体系

依照以上教学总体框架，完善了热能与动力工程类SPOC +MOOC +MOOE +PRP 科创活动教学体系，其体系结构如图2 所示。热能与动力工程类的基础经典型实验有6 个，分别是热阻及肋片传热实验、对流传热特性实验、热电偶制作与校验实验、气体定压比热测定实验、气体状态特性实验。另外还有气体PVT虚拟仿真实验、传热特性与强化传热性能虚拟仿真实验。教学资源包括线下理论课程、线上SPOC、MOOC 等。教学方式以课前网上预习、课中以翻转课堂为主的教学方式，教学时间以课堂教学为主。

图2 热能与动力工程类SPOC+MOOC+MOOE+PRP实验课程体系

为了提高学生的综合运用知识能力和对复杂实验系统的设计及操作能力，本中心还设置了太阳能综合效率测试实验、综合制冷效率测试实验、综合燃烧学测试实验、综合传热性能测试实验等综合类设计类实验。教学资源包括交叉模块的课程、虚拟仿真中系统理论知识课程、综合类设计类虚拟仿真实验、开放性实验场地和设备等。教学方式以线上线下混合、虚实结合的教学方式，教学时间以学生课余时间学习和预约实验为主。

在PRP科创活动中，实行“俱乐部为基础、探索项目为路径，以赛促学、以赛促教、学赛结合”教学模式，建立起整套教学机制。首先，中心建立了绿色能源与智慧能源俱乐部，全校范围内任何对节能减排、绿色能源、智慧能源感兴趣的学生都可以加入俱乐部，俱乐部对感兴趣的科研方向进行系统的课程学习和实践训练。然后，学生在俱乐部中的创新想法可以以探究项目的形式进行进一步探索。中心组建师资团队、开放场地、设备，全力支持学生开展校级项目教学、大创项目、校企合作探索类项目等。最后，学生在探究项目中取得了一定的科研成果，可以参加中心举办节能减排等校内赛，在校内赛取得优秀成绩的队伍，可以进一步完善作品，参与省部级、国家级、国际级的比赛。在比赛准备过程中，学生不断得到师资团队的指导，学生在此过程中，增强了探究的兴趣，提升了创新能力和专业知识和技能，提高学生自主学习和解决实际问题的能力，从而达到“以赛促学”的效果，教师在指导学生的过程中，也必须努力提升自己，进一步拓展专业技术领域，达到“以赛促教”的效果。此类PRP科创活动以团队合作、自主设计、自主创新为主，活动时间一般为学生的课余时间。

3 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 实践教学体系优点

“SPOC+MOOC+MOOE+PRP科创活动”的教学体系实现了理论知识、实践实验操作、课程活动有机结合，虚实结合、线上线下混合教学、翻转课堂教学，以赛促学、以赛促教等多层次要求。其优点体现在：

（1）SPOC、MOOC提供了大量便于获取的优质的教学资源，学生可以在网上方便地进行学习和互动，解除了时空限制，提高了学生学习的自主性。

（2）MOOE部分解决了SPOC、MOOC中的实验部分，以课程组织复杂实验教学，学生通过MOOE 开展综合性、危险性、学科交叉性以及自主设计和创新类实验，培养学生的创新能力和实践能力。

（3）在PRP 科创活动中，以俱乐部为基础，广泛提高学生科创兴趣。以探索类项目为载体，系统培育学生专业知识和交叉学科知识，并提高学生的实践能力和科研素养。学生可以加深理解SPOC、MOOC学习的内容，验证MOOE虚拟仿真实验中创新性想法。以科技竞赛为抓手，学生可以接触到科研前沿和工程实践的问题，从而训练和提高学生系统工程思维和解决实际问题的能力。

4 SPOC +MOOC +MOOE +PRP 的实践探索成效

实验教学中心制作了实验课程典型小视频SOPC，并共享在网上，学生可以在课前、课后可以随时进行预习、复习，如图3。同时，实验教学中心还制作完成结合了MOOC 课程的虚拟仿真实验项目MOOE（见图4），这些项目可以配合实际实验操作，并对实验内容进行拓展，有利于拓展学生的视野，激发兴趣，接触到科研前沿以及工程实践项目，从而有利于培养学生的创新能力。在此基础上，学生对感兴趣的课题可以提出自己的科研创新项目PRP，有关老师对学生进行指导，并鼓励其积极参加各类科创竞赛。

图3 典型小视频SPOC教学示例

图4 MOOE虚拟仿真实验与MOOC课程结合示例

在2020 年，24 组学生以PRP 成果为基础参加校级节能减排大赛，其中优胜者被推荐到全国全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛，11 项获得“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”奖项，包括特等奖1 项、一等奖1 项、二等奖2 项、三等奖7 项。

5 结语

本文以上海交通大学基础与实验教学中心为例，探讨了SPOC+MOOC+MOOE+PRP科创活动多层次立体交叉融合人才培养模式；提出此教学体系的总体思路和推进策略；实施了此教学体系的具体培养模式和改革举措。①理实互动、深度融合：整合优质资源在虚拟实验教学中有机融入便捷查询和学习到相关理论知识，拓展基础知识并将其与综合实践创新培养相结合，将理论知识学习和实验实践能力的培养深度有机提升学生的知识水平和实践能力。②综合设计、创新实践：在理论和实践知识深度之后，学生对相关知识和能力进行关联学习。并在此基础上产生课程理论体系并产生新想法新思路，虚拟实验可以满足学生进行综合自主设计和探索试错，开展高成本和长周期以及高风险的理论研究和虚拟实验。③学教赛相互促进：在以上学生能力和素质培养的基础上，本教学方法积极推动探究式项目教学，将俱乐部中的创新想法、科研前沿问题、工程实际问题等转化为探讨类项目。以科技竞赛为抓手进行实体综合性和学科交叉性科训练，使学生加深理论知识理解，提高了实际动手解决实际问题的能力。

综上所述，“SPOC+MOOC +MOOE +PRP 科创活动”的教学方法的科学意义在于摒弃传统的灌输式教学方式，以人为本地提供丰富而系统的优质网上教学资源，学生从被动学习变为主动学习；学生可以在虚拟实验中实现理实互动，自行设计和组织创新型高风险和高成本的实验，提高了学生的兴趣和创新精神以及创新思维；在此基础上，学生通过参加俱乐部、开展探究类项目、参加校内比赛等PRP 科创活动，培养学生系统的专业知识、系统工程思维、科研素养和实验实践能力。所以，此教学方法实现了传统消费型学习模式向以创新创造能力培养为目标的主动学习模式转变。