支持学科竞赛活动的实验室开放运行的探讨

屈 泳, 王三华, 阮小军

(南昌大学 理学院, 江西 南昌 330031)

“学科竞赛”与“开放实验室”是高等学校实践教学改革的两个重要研究方向。在高等教育体系中,培养学生实践能力和创新思维是非常重要的。创新创业教育属于学生能力培养中最高的一种层次,创新能力的培养与发展必须依靠参与者个体的主动实践才能实现[1]。如何更好地培养学生通过实践学习来提高自身的创新思维和创新能力已成为高等学校实践教学改革的一个重要研究方向。

随着创新、创业等实践工作的深入和发展,实验室开放已经进入到全面开放的管理新模式中。实验室的全面开放,指的是实验室在空间、仪器设备、时间及实验教师指导上的全面开放,体现了以学生为中心、有效整合实践教学资源的教育理念[2]。实验室的全面开放,不仅是作为传统课堂教学的补充,有利于实践教学的良性发展,同时也为学生开展学科竞赛活动提供自主学习、自主发展、自主创新、自主探索的实验环境和仪器设备保障。开放实验室的建设和研究对高等学校的教师科学研究、学生创新创业项目研究以及实验室综合建设等方面具有十分重要的意义。

数学建模实践与教育基地(以下简称基地)作为数学建模实验室的管理机构,在实验室开放管理上进行了多方面的研究和探索,为了促进实践教学内容的多样化,实现学生自主学习的实验室开放管理,以数学建模实验室举办的大学生数学建模竞赛为研究对象，取得了一些实践性的教学成果。构建以数学建模实践教学为中心的实验室开放和学生自主学习,该实验室是完全开放的运行机制,注重创新能力和创业能力培养形成了一套实用、开放的实验室管理和运行体系,具有一定的参考价值。

1 创新型学科竞赛实践教学模式的研究

创新型学科竞赛实践教学模式以培养高素质人才为宗旨,在竞赛活动中以参赛学生为主体,指导教师作为辅助,以校内外多层次数学建模竞赛活动为抓手, 目标是培养和提高大学生学习、应用数学知识独立分析和解决实际问题的能力、计算机编程能力、科技写作能力、团队协作能力和创新思维能力[3-4]。

1.1 校内数学建模竞赛活动

创新项目的选择与设置是学科竞赛活动模式的核心内容,在项目的选择上要考虑到难易程度和一定的专业性,为此我们在多年的研究与实践中举办了10多届校内数学建模竞赛活动。

数学建模教育与实践基地每年都主办一届覆盖全校的校内数学建模竞赛活动,该项竞赛活动面向各个专业年级的学生展开,并作为美国大学生数学竞赛和全国大学生数学建模竞赛的热身和选拔,为参加学生提供了数学建模竞赛活动的实践机会。学校数学建模竞赛的发展不仅促进了大学生创新思维和实践能力的提高,而且培养了学生运用计算机和数学知识解决实际问题的综合能力。同时也增强了参赛学生的团队精神和合作意识,全面提高了人才培养水平和学生综合素质[5]。校内数学建模的竞赛题目主要来自现实生活中遇到的实际问题,这些问题多为管理或工程技术等方面,这些问题经过适当简化和处理形成建模竞赛赛题。参赛者不要求学习数学模型等专业课程知识,只须完成大学公共数学课程的学习,因而有更大的灵活性来发展他们的创新能力和创新思维。参加者应独立完成模型的假设、建立和解决，计算方法的设计和实施，结果的分析和验证，以及模型的改进等工作,并最终提交相应的建模论文[6]。如在2018年度学校数学建模竞赛中,数学建模团队从题库中选择出了两道与实际生活息息相关的竞赛题目供参赛学生作答:A题:快递分拣机器人最优化设计; B题: 空调使用寿命与价值比较。参赛学生以3人为一组,在为期1周的竞赛期间选择相应的题目,通过计算机软件设计模型和解答问题,最后以建模论文的形式进行提交。建模团队指导教师通过对建模论文的评审确定获奖学生,并对获奖的建模论文通过数学建模讲座等方式进行点评。表1为2004年以年来历年校内数学建模竞赛参加人数和赛题。

表1 2004年以来历年来校内数学建模竞赛参加人数和赛题

1.2 全国及美国数学建模竞赛活动

全国和美国数学建模竞赛的赛事时间只有短短的3～4天,在较短竞赛时间内要求参赛队伍完成模型构建、程序设计与编写、论文写作等一系列的工作任务。为此在竞赛的培训和训练上,通过学科竞赛驱动模式进行竞赛培训和训练的设计和安排工作,实现学生实践能力和创新思维的提高[7]。

数学建模教育与实践基地作为数学建模竞赛活动的组织和管理机构,负责组织学校的各项数学建模竞赛活动及各类大学生数学建模竞赛选拔、培训和管理工作。通过对各级别数学建模竞赛活动的总结和积累,形成了一套较为完善的学科竞赛的管理机制。根据数学建模竞赛活动的要求和特性,将为期3～4天的竞赛周期扩展到1年时间。通过对历年来的全国及美国大学生数学建模竞赛赛题的研究,在参赛学生的选拔上着重于数学思维和计算机软件编程能力等方面,形成了校内、全国、美国等多级别的数学建模竞赛的选拔培训机制。各类数学建模竞赛活动情况统计见表2。

表2 各类数学建模竞赛活动情况统计表

1.3 创新能力培养模式的形成

为实现数学建模竞赛项目的连续和稳定发展,要建立常态化的学科竞赛培养模式。以各类数学建模竞赛为依托,通过实验室的全面开放,实现指导教师辅助下的学生自主管理、自我实践的学科竞赛培养模式[8]。在实验室开放上要健全创新能力培养机制,充分发挥学生的主动性,培养学生的团队精神和创造性思维。在实验室开放上,鼓励参加学科竞赛的学生团队积极参与实验室开放管理、创新创业计划项目、科研训练项目等各类大学生学科竞赛活动中,营造良好的大学科技文化氛围。学科竞赛培养模式在大学生实践能力和创新创业培养等方面有着非常重要的作用。

大学生数学建模竞赛项目促进了创新培养模式的建设和培养模式框架的形成(见图1)。以各类数学建模竞赛项目和数学建模培训等活动作为实验室面向学生开放的依据,以指导教师跟踪管理和参赛团队的项目评价来保证实验室的正常开放管理[9]。

图1 基于数学建模竞赛驱动的创新能力培养模式

2 实验室开放模式的研究与实践

实现开放实验室的学科竞赛模式可以提高实验的效率。除竞赛项目外,开放实验室还包括开放实验室空间、时间和设备资源。在实验室开放过程中,以学生为主体,指导教师和实验室管理人员进行辅助和管理。通过开放的实验室管理和安全体系,实验室可以持续稳定地发展[10]。

2.1 学生数学建模实践平台的建设

竞赛驱动模式是以参加竞赛的学生为主体,按照竞赛管理方式构成各自独立的竞赛团队,每个团队成员都要完成各自的工作和任务,承担各自的职责,共同协作完成竞赛工作。

由于参加数学建模竞赛活动的学生具有流动性、无法保证团队长期稳定的存在,数学建模协会作为数学建模竞赛活动的学生社团,实现了数学建模竞赛活动的自主管理。基地在实验场地和资源上为数学建模协会提供帮助。数学建模协会经过多年的建设和发展,规模不断扩大,现在会员已经有300余人,协会成员来自学校的各个专业和院系。协会设立了宣传部、组织部、学术部和秘书处4个部门,各部各司其职,又相互联系,相互协调。并在社长的领导下实现了协会的日常事务管理,同时也作为竞赛学生管理机构参与实验室开放管理。数学建模协会负责校内数学建模培训及讲座的承办和组织工作,不定期开展各类数学建模竞赛的讲座及培训活动,数学建模教育与实践基地在活动经费和实践场地等方面给予强有力的支持。

2.2 实验室开放运行机制的研究

数学建模基地的实验室由基地统一管理和使用,基地根据开设实验课程进行实验室教学安排,并通过学校教务管理系统进行实验安排的发布,在时间和空间上做到透明,方便学生的开放性实验预约。而各种竞赛形式的开放性实验安排,则由参赛学生和指导教师进行预约,数学建模教育与实践基地履行预约审核职责,在完成对参加人员及团队的实验室安全培训、设备操作培训等工作后,才能同意参加团队能进入实验室开展各类竞赛及实验操作,从而确保实验人员及实验室的安全稳定。

近年来各高校实验室开放都在不断发展和完善中,但总体的开放效果还不是很理想,观念陈旧和服务意识缺乏,已经成为阻碍实验室开放运行的主要因素。课程大纲计划学时内的实验课程只能为配套的课程教学进行辅助,所开设的课程大项目多属于验证性实验项目,这些课程的实验操作环节基本上都是由实验指导教师负责完成的,虽然这些实验项目能够对学生的实践能力进行培养和训练,但是无法实现学生创新思维能力的培养和训练[11]。学科竞赛活动作为创新实践教学活动,是培养和激发学生的创新思维及实践能力的重要环节。因此,在实验室的开放运行机制的研究上,一要做好各类学科竞赛的前期工作,充分调动学生积极地参加各类学科竞赛活动,让学生能够重视和参与到各类学科竞赛中; 二要针对各类学科竞赛开设创新实验课程和实验项目,同时积极引导学生进行创新实验课程和项目的选修,有效推动实验室的开放运行。

2.3 实验室开放持续稳定的发展

实验室开放的关键问题是实现实验室持续稳定的发展和开放,这也是一个十分复杂的问题[12]。在实验室的持续稳定发展上,首先是开放对象即参加实验的学生的持续稳定。在这方面,针对大学四年的学业进行合理的设计和管理,促进了实验室开放对象的新老更替。针对一年级学生,鼓励他们选修数学建模教育与实践基地开设的创新学分实验课程来进行实验室的设备和资源的申请和使用,并为参加今后的竞赛学习必要的基础知识; 二年级和三年级的学生则可以通过参加各类型的数学建模竞赛及培训来实现实验室设备和资源的使用; 大四年级学生则可以通过毕业设计及参加指导教师的课题来自主使用实验室的设备和资源。第二是学科竞赛活动费用的管理。实验室开放和学科竞赛活动的顺利实施及开放的关键是经费问题,在这方面学校安排了专项的学科竞赛经费和实践教学基地经费进行支持,由基地负责经费的使用和管理。第三是实验室教师和实验室技术人员的问题。实验室全面开放后,实验室的日常管理和设备维护以及实验室指导员的队伍建设更加艰巨和复杂。如何量化实验室技术人员和指导员的工作量,对于实验室的开放具有十分重要的意义,这也是一项非常重要的工作。为此,基地制定了数学建模教育与实践活动工作量及管理制度等多项管理和考核制度,从制度上多方面保障了指导教师参与实验室开放的热情与工作激情。

3 竞赛驱动模式取得的效果

经过多年的实践与发展,数学建模教育与实践基地在学科竞赛活动上采用实验室开放管理,在学生的综合素质教育及创新创业培养等方面发挥了极其重要的作用,取得了一定的成绩和效果:

(1) 提升学生综合能力。数学建模教育与实践基地至今一共主办了十五届校内数学建模竞赛,总参赛人次有1万余人次,每届校内竞赛期间都会开设多次数学建模讲座及数学建模课程培训,参加学生通过校内数学建模竞赛活动,进行实验室资源申请和使用。通过参加校内数学建模竞赛等学科竞赛活动,参加学生实现了数学建模知识的学习和提高,并在竞赛实践中增长了数学知识、培养了实践能力、提升了综合素质。

(2) 提高了实验室开放运行效率。开设了多门数学建模课程相关的创新学分实验项目,每年都开设数学模型综合实验、数学建模训练、数学模型、Matlab软件应用等多门与数学建模相关的创新学分实验项目。每年都有数以千计的学生通过选修创新学分实验项目使用实验室的资源和设备,并从中学习到数学建模相关的基础知识和理论,为今后参加更多的数学建模竞赛活动创造了有利的条件。同时实验室开放运行的效率也得到提高。

(3) 建立互联网交流平台。组建了数学建模协会等学生社团组织,通过开展各种类型的数学建模讲座及微信公众号、QQ群等互联网技术进行数学建模实践教学的学习和交流。利用先进的互联网技术,创建了NCU数模之家微信公众号及优竞赛(校内数学建模竞赛)微信报名平台,为数学建模实践教学提供了信息发布及交流互动的良好网络平台。

(4) 学生竞赛成绩显著。数学建模教育与实践基地多年来组队参加全国大学生数学建模竞赛,在全国大学生数学建模竞赛中取得全国一等奖34项,全国二等奖59项,省级奖项两百多项,并在2016年获得江西省大学生科技创新与职业竞赛数学建模团体总分第一名; 自2003年以来,累计获得美国大学生数学建模竞赛一等奖34项,二等奖108项等较好的成绩。近5年来，完成省级以上的大学生创新创业项目及科技创新项目10项。

4 结语

学生自主学习,教师辅助指导和管理及持续稳定的开放实验室构成了学科竞赛活动下的实验室开放运行机制[13],围绕各级数学建模竞赛活动、融合数学建模专业知识和创新思维的实践教学模式,有效解决了学生创新能力培养和实验室使用效率问题,不仅充分利用了各种实验室资源,而且提高了学生的实践能力和创新思维,培养了学生的自主学习及团队协作能力[14],为学生的未来发展和进一步学习奠定了坚实的基础。此模式对于综合性大学的实验室开放提供了一个良好的借鉴和参考,具有一定的推广和参照价值。