基于创新能力培养的工科上机综合实验设计

李建林，郑继东，郭晓明，林 云，刘永和

(1.河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000；2.中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

创新是“互联网+”时代最重要的特征，高校是培养创新性人才最主要的阵地。工科是我国高校第一大学科，其培养目标是在相应的工程领域从事规划、勘探、设计、施工、原材料的选择研究和管理等方面工作的高级工程技术人才[1]；其有些专业课程理论性较强，教学过程中老师和学生都会感觉较为吃力。实验教学对于抽象概念和理论的理解非常重要，是培养大学生的创新意识和探索能力的重要环节[2]，但我国高校存在重理论轻实践的现象，从而导致了实验教学内容与生产实践脱节，不能适应科学、时代发展，学生就业难等问题。工科课程实验一般有两种形式：动手操作实验和上机实验。以上机实验为研究对象，探讨上机实验综合实验的设置，以期为工科专业课程教学水平的提高、为创新人才的培养提供借鉴作用。

1 创新能力及其培养

1.1 我国教育领域创新能力培养存在的问题

创新是改进或创造新的事物、方法、环境，并能获得一定有益效果的行为。它是人类进步的动力。创新能力是在技术和各种实践活动领域中不断提供有价值的新思想、新理论、新方法和新发明的能力。

创新的概念引入到我国教育领域已近百年(陶行知，1919)，但我国创新能力和国际先进水平还有很大的差距。这与我国“中庸”的传统文化、社会氛围、教育模式、人的主观因素等都有密切的关系。就教育而言，存在以下3个主要问题：1)教学方式以教师为主体，对学生进行灌输式授课，致使学生丧失了主动性；2)学习方式以记忆、模仿为主，压抑了学生的创造性；3)教育与实践脱节，学生走上社会还得从头再来。这种教育模式使学生既缺乏创造性的培养，又缺乏与人合作的精神。

1.2 创新能力培养原则

针对我国创新能力培养中存在的问题，须动员全社会的力量，以解决实际问题为目的进行创新能力的培养。

1)系统性原则。

培养创新能力是一个包括培养创新意识、创新精神、创新思维、创新方法等诸要素的有机整体，绝不能割裂开来；另外，培养创新能力，是一项庞大的社会系统工程，需要政府、学校、家庭、社会各方面的共同参与。

系统中，每个环节都有自己任务。就高校教师而言，首先要积极学习和吸收新的知识、理念，不断改进自己的思维模式，做到与时俱进，以提高自己的教学水平。这样才能在日常教学中以学生为主体、多种教学方式并举，进而调动学生的学习兴趣，培养其创新能力。

2)实践性原则。

创新的最终目的是在各种实践活动领域取得一定有益的效果。所以，培养创新能力要针对实际问题，坚持以实践作为检验和评价创新能力的唯一标准。

具体到教学环节，应该与学科发展的热点和难点问题相结合，以解决实际问题为目的，增加相应的实验和实习内容。这样学生在毕业后就能很快找到适合自己的工作，并在工作中进行创新地解决问题。

2 工科上机试验设计

2.1 试验目的

“互联网+”时代的特征是跨界、创新和连接一切，其中创新是其核心。信息丰富、视野开阔、缺乏深入思考，求新求异意识强，自主、独立意识强是这个时代大学生的显著特点[3]。

基于“互联网+”创新的核心特征，实验目的确定为：通过实验提高本科生熟练掌握和运用知识的能力、实际操作和相互协作的能力，并逐步提高学生提出(发现)问题、分析问题和解决问题的能力。

2.2 设计原则

目前，内容多而学时少是高校理工科专业课教学遇到的共同问题。一般上机实验学时一般为4～8学时，所以，上机综合试验的设计应抓住重点，选择易于上机实现的教学内容，与学科发展的前沿问题相结合，难度适中即可。总结以往的教学实践经验，一个综合实验包含2～3个知识点，在2～4学时内完成，教学效果较好。

2.3 设计形式

工科课程上机实验中，可选用的软件主要有Excel、SPSS、MATLAB、Origin和R软件等[4]。其中Excel是微软公司的办公软件Office的组件之一，它可以进行各种数据的处理、统计分析和辅助决策操作[5]。SPSS为专业统计软件，其统计分析功能较强，是复杂、大型统计分析中的常用工具[6]。MATLAB是商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言，以为基本数据单位,指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似[7]。Origin是一款专业的制图软件与数据分析软件，其数据分析主要包括统计、信号处理、图像处理、峰值分析和曲线拟合[8]，使用Origin就像使用Excel和Word一样简单。R是一套完整的数据处理、计算和制图软件系统，它可以提供一些集成的统计工具[6]，但更大量的是它提供各种数学计算、统计计算的函数，从而使使用者能灵活机动的进行数据分析，甚至创造出符合需要的新的统计计算方法。

以上软件各有操作特点和处理数据的优势，根据课程的不同要求和学生掌握软件程度的不同，可以选择相应的软件进行工科上机综合试验的操作软件。

2.4 创新能力的培养

创新能力的培养，是上机实验核心价值的体现。主要通过学生对实验的预习、上课时师生的互动和实验完成后对结果的思索这3个环节逐步培养和提高。

1)预习阶段。

在让学生明确实验目的、熟悉相关内容的基础上，引导学生多查阅相关文献，这样做有两个目的：一是熟悉实验内容、方法和步骤，尽可能使实验在规定时间完成；二是对不同方法进行比较，评价其优劣。这将为新方法(或改进方法)的提出奠定坚实的基础。

2)上机实验阶段。

一定要让学生亲自上机操作，这样学生才能体会实验过程的难易，尤其是那些步骤繁琐的环节，在重复操作的同时，学生自己会考虑如何进行改进；此时，师生的互动就很重要，通过老师的引导和提示，学生创新的火苗就会被点燃。

3)完善阶段。

完成实验后，引导学生对实验过程进行回顾和梳理，对实验结果进行总结和思考；同时推荐相关文献让学生自己阅读。逐渐地，学生就会找到新的或是改进的方法。

3个环节中，有2个环节需要阅读文献，要让学生体会到知识的积累和对比是创新的前提。

2.5 考核方式

对操作软件，可以让学生提前熟悉，以便充分利用好实验阶段的时间完成实验；一旦在规定时间没有完成实验，应该允许学生通过自己的电脑继续进行实验，毕竟掌握和熟练运用知识才是教学的最终目的。

合理的考核评价体系，能够客观评价学生的学业水平，进而调动学生积极性、提高学习效率。如果能保证难易程度一致，尽可能让学生每人一题，这样就可以对学生进行客观的评价。如果无法做到每人一题，那么除了考勤和提交实验报告外，可以在最后的考试中增加与上机实验内容相关的知识点的考查，以巩固实验内容的掌握，真正达到实验目的。

3 应用举例

水文统计学是基于水文现象随机性特点，利用概率统计的原理方法对水文数据进行分析、推断的学科，是水利工程学科各专业的一门专业基础课。大多数高校选用的教材是文献[9]；学时安排一般为40～48学时，其中实验4～8学时；该课程数学推导多，概念比较抽象，不易掌握。只学理论、方法，而不应用于实践，学生学完之后会很快将知识还给老师；通过上机实验，可以加深学生对概念和理论的理解、激发学生学习热情、提高学习效率、巩固学习成果，培养学生的创新能力。

3.1 教学的主要内容

水文统计学教学大纲要求：熟练掌握水文变量的分布特征及其数字特征的统计和水文含义；利用概率统计的方法，计算水文事件发生的概率、估计水文变量分布函数的参数、确定水利工程的设计流量；对水文现象进行假设检验、对水文时间序列和水文过程进行分析和预测。为进一步学习水文水力计算、流域水文模型等课程以及今后从事水文专业教学及其相关研究打下基础[2]。所以，上机实验的内容应从以上知识点中选择。

3.2 上机内容的选择

上机实验一般为4～8学时，可以考虑安排2个综合实验；经过长期的教学实践，实验重点围绕以下3方面内容进行。

1)水文变量的分布及其数字特征。

在水文统计学中，会学到很多的分布(二项分布、泊松分布、正态分布、P-Ш型分布、对数正态分布、K-M分布、耿贝尔分布等)，但我国大部分水文变量服从P-Ш型分布；由于数字特征的简便、直观，在进行随机变量分析时，更多的是借助于随机变量的数字特征(数学期望、方差、离势系数、偏态系数等)进行。所以，P-Ш型分布及其数字特征应该是水文统计学一个重要的知识点。

2)水文频率计算。

学习水文统计学的目的是掌握水文变量的统计规律，进而为水利工程的建设服务；而水文频率计算的目的是确定水利工程的设计频率，所以水文频率计算是水文统计学核心教学内容之一。

3)水文时间序列预测。

目前，水文学研究的热点和难点问题之一是水文时间序列的预测(尤其是中长期预测)。预测方法主要分为基于成因预测和数理统计预测两大类，其中统计预测是目前常用的径流量预测手段，包含了传统的统计学方法以及灰色预测、模糊预测、神经网络预测、小波分析和马尔科夫链等方法[10]。马尔科夫过程是水文统计学教学难点之一，虽然不是主要的知识点，但掌握该方法，不仅可以进行水文时间序列的预测，更将提高学生学习本专业热情，为学生进一步学习专业课程或考取水文专业的研究生增强了信心。所以可以将马尔科夫过程作为上机实验的一个重要内容。

3.3 实验内容的设计

水文统计学的设计实验，利用Excel、SPSS、Matlab、Origin和R软件都可以完成。但对初学水文统计的同学而言，如果没有学习以上软件的基础，既要处理较多的数据，又要掌握数据处理的方法和过程，建议利用Excel作为处理综合实验的软件。

以上3个知识点都可以针对一组水文时间序列进行分析，水文数据可以通过3种方式获得：1)任课教师自己准备(最好是自己课题中的数据)；2)实验之前让学生自己在网上搜索或在图书馆借阅相关书籍；3)与附近水文站或气象站建立合作关系实现数据共享。但3个知识点合成一个实验，学生完成需要的时间太长；另外，进行水文频率计算之前需要确定随机变量的数字特征。

综合分析，将以上3个知识点分为以下2个综合实验。1)“基于Excel的水文序列频率曲线的绘制”，主要内容包括：海森几率格纸的绘制、水文序列的数字特征的计算、参数的估计(适线法)、水文频率曲线的绘制和判定、水文频率的确定；其中海森几率格纸的绘制需要足够的细心和耐心。2)“基于Excel的水文序列的马尔科夫预测”，主要内容包括：水文序列数学期望和标准差的计算、水文序列的状态划分、一步及多步转移矩阵的计算、水文过程的预测；其中转移矩阵的计算同样需要足够的细心。

3.4 实验成果

在水文统计学的多年授课过程中，坚持开设以上实验，得到以下2点实验效果。

1)学生创新能力明显提高。

发现问题、分析问题和解决问题，是创新的源泉和动力。上机综合实验的开设，提高了学生创新能力和动手能力，达到了实验目的。

在第一个实验“基于Excel的水文序列频率曲线的绘制”中，学生对“海森几率格纸绘制”过程的繁琐深有体会。实验结束后，就有一些同学尝试用其他操作软件来进行实验，以避开繁琐的绘图过程。另外，通过预习，发现已经有水文序列频率曲线自动生成的软件，但没有源代码；教师可以鼓励学生进行尝试，设计自己的水文序列频率曲线自动生成的软件。

在第二个实验“基于Excel的水文序列的马尔科夫预测”,在Excel中转移矩阵的确定显得很笨拙。实验过程中，就有学生对其进行改进；实验结束后，有一些同学尝试利用编程来解决重复的计算过程。另外，学生在实验过程发现文献[11]所采用的叠加马尔科夫预测方法在实际应用中存在预测能力受限、效率不高的问题；通过与老师的交流，提出改进的方法；并与老师一起利用该方法发表了学术论文[12]。

另外，河南理工大学在2015年和2017年参加全国大学生水利创新设计大赛获得一二等奖的同学都是上机试验中表现活跃、成绩优秀的同学。

2)考试成绩分析。

上机综合实验的设置提高了学生的学习兴趣，学习主动性明显加强，反映在考试成绩上即：每学年的优良人数普遍较多，不及格人数极少，如表1所示；成绩的分布区间更为合理，如图1所示。

表1 2012～2016年水文统计学考试成绩对比

图1 2012～2016年水文统计学成绩分布图

通过教学实践，师生共同的体会是：创新并不是一件特别难的事，只要勤思考、勤动手就会发现问题，并产生新的方法解决问题。

4 结束语

创新是“互联网+”时代最重要的特征；上机综合实验的教学对于工科专业课程中抽象概念和理论的理解十分重要，是培养大学生的创新意识和探索能力的重要环节。

创新能力的培养，是上机实验核心价值的体现；须通过学生对实验的预习、上课时师生的互动和实验完成后对结果的思考改进，这3个环节逐步培养和提高。

以水文统计学为例，结合水文学科发展的热点和难点问题，确定了2个上机综合实验。通过课后学生的反馈信息和考试成绩可以看出：上机综合实验的设置提高了学生学习的积极性，使成绩的分布更为合理；切实培养和提高了学生的创新能力。