实践教学与科研对理工科大学生学习收获影响的系统动力学仿真研究

张洪亚 郭广生

摘 要：利用系统动力学方法，通过构建理工科大学生学习收获影响的仿真模型，探究实践经验丰富度对理工科大学生学习收获的影响趋势和敏感性。研究发现，在实践经验丰富度的作用下，理工科大学生学习收获增量曲线呈现“小—大—小”的变化趋势，曲线轨迹呈现倒“U”型;理工科大学生学习收获总量的增长呈现“慢—快—慢的上升趋势，曲线轨迹呈现罗杰斯特“S”型曲线。

关键词：实践;科研;大学生;系统动力学;学习收获

十九大报告中明确指出“加快一流大学和一流学科建设，实现高等教育内涵式发展”。关注大学生的学习正是实现高等教育内涵式发展的需要和体现。在过去六年中，中国教育经费收支两条线的增幅都超过了同期GDP的增长，其中全国教育经费在GDP中的占比持续保持在4%以上，是增长最快的时期。但伴随教育资源稳步快速增长，大学生学习收获不佳的问题却非常突出[1]。因此，如何提升大学生学习收获这一问题亟待深入研究，这也是真正落实十九大报告、回归高等教育常识、推动教育强国建设中的关键科学问题。

理工科教育在我国高等教育体系中占有重要地位，承担着培养基础研究、工程技术、工程和科技管理等方面人才的重任。本文以高校理工科大学生的学习为研究对象，把大学生的学习看成一个复杂系统，把大学生学习收获界定为大学生在完成一系列培养计划之后所获得的知识、技能和价值观，研究理工科大学生学习收获的影响因素、影响机理以及提升路径，重点研究实践经验对理工科大学生学习收获的影响机理及控制动因，给出提升理工科大学生学习收获的策略和对策建议。研究结论将对准确把握理工科大学生学习的特质，对学校资源配置、因材施教、分类指导，提升理工科大学生学习收获乃至提升教育教学质量具有重要意义。

一、系统动力学仿真方法及应用

系统动力学（System Dynamics）是管理学传统经典方法，主要研究复杂问题的反馈过程，通过分析变量之间的递归关系和非线性关系来解释复杂系统的行为，不仅仿真模拟出这些变量之间是如何相互影响和作用的，同时还可以模拟出反馈效应、时间延迟、影响的趋势和敏感度，以及存量和流量的变化。

理工科大学生的学习行为可以视为一个由影响因素、学习收获、个体心理因素等组成的复杂系统，我们界定这个系统名称为理工科大学生学习收获影响系统。该系统具有反馈性特征，例如学习收获的提升，可以激发学生更大的成就需要，引起学生参加实践活动意愿更强，导致参加实践活动更多，获取实践经验更为丰富，最终获取更大收获，而更大的学习收获激起更大的成就需要。同时，学习收获影响系统也具有动态性，因为，学生的学习与发展过程是呈螺旋式上升的，学生的学习收获随时间而变化，不是一成不变的。因此，系统动力学仿真方法适用于理工科大学生学习收获影响机理研究，本文将利用該方法探析实践经验丰富度对理工科大学生学习收获的影响作用。

二、实践经验丰富度对理工科大学生学习收获影响的系统动力学仿真研究

1.影响因素界定及研究假设

理工科大学生学习收获的影响因素既多元又复杂，不仅有大学生自身因素，同时还受到家庭经济地位、父母受教育程度、校园环境、教育经验、人际关系、师生关系等因素的影响。本文重点分析实践经验丰富度对理工科大学生学习收获的影响演化及控制机理，主要探析实践经验丰富度子系统作为一个系统对理工科大学生学习收获的影响趋势和敏感性。为了更准确地进行模型仿真检验，理工科大学生学习收获影响因素系统动力学模型包含以下几个假设：第一，理工科大学生学习收获受到生师交流互动、同伴合作学习、学业挑战度、院校环境支持度和实践经验丰富度五个子系统共同作用。第二，模型中设定系统仿真时间为100个单位;理工科大学生学习收获的初始值设为1。

2.理工科大学生学习收获影响系统的因果关系

分析理工科大学生学习收获影响系统因果关系的目的是为了研究系统诸要素之间以及整体与局部之间的联系和相互作用关系，建立系统的动态行为模式与系统内部的动态反馈结构之间的联系，并用模型、变量和参数表示出来。因此，依据大学生学习投入理论等理论成果，本文构建了理工科大学生学习收获影响系统的因果关系模型，主要反馈回路详见图1。

从图1可以看出，实践经验丰富度系统反馈回路为：理工科大学生学习收获—成就需要—参加各种有效教育活动意愿—实践经验丰富度增量—学习专注度增量—学习收获增量—学习收获。这一反馈回路表明，教育实践活动对理工科大学生学习收获有影响作用。

3.理工科大学生学习收获及影响因素系统动力学分析

（1）理工科大学生学习收获及影响因素间系统动力学流图

根据上述因果关系反馈回路环以及实际中的发展规律，本文的模型仿真中使用Time函数表示这些变量随时间变化的轨迹。利用Vensim仿真平台软件，构建理工科大学生学习收获影响因素的系统动力学模型，见图2。

（2）参数估计及主要动力学方程

本系统动力学模型中各参数的选取和确定是在基于大量的文献研究，以及实证研究基础上进行的。基于变量间的函数形式，在模拟仿真中进行具体函数设定并运算。本文采用描述性数据赋值法，对关键变量进行描述，模拟仿真理工科大学生学习收获的演变过程。

（3）模型有效性检验

模型设立之后正式运行之前，一般要对模型进行有效性检验。通过输入变量的初始值运行模型，得到理工科大学生学习收获在不同时间的变化情况，以此检验所设系统动力学模型是否符合预期效果，是否有效。

Vensim仿真结果显示模型中每个仿真均通过了检验并且有一定的实际意义，表明本文所建构的理工科大学生学习收获影响因素系统动力学模型相对客观地反映了理工科大学生学习收获的发展和变化情况，由此判定该模型有一定的合理性和较好的一致性，可以进行下一步仿真运行。

4.实践经验丰富度对理工科大学生学习收获演化及控制仿真研究

（3）鼓励和支持理工科大学生参与科学研究。科学研究是一种探索世界、认识未来的创造性活动，理工科大科生参与科研实践是调动理工科大学生学习主动性和自主学习能力、培养理工科大学生创新素质、接受高学业挑战度、提升实践动手能力的有效方式。理工科大学生从科研活动中可以提升批判性思维、解决问题的能力、责任心、工作态度、科研自信心、对某领域的兴趣、沟通技巧等。

参与科研实践也是理工科大学生的一种学习方式。可以使理工科大学生更好地理解和运用所学知识，有助于帮助学生发现知识的价值;有利于培养责任心、工作态度、科研自信心、解决问题的能力、对某领域的兴趣、沟通的技

巧;有利于培养学生發现问题、分析问题、解决问题的能力和批判性思维，并有助于提升创新素质[3];科研项目的合作促进了教师和学生的频繁接触，增强了教师与学生的交流;鼓励老师用高水平的科研支持高水平教学，有助于生师关系融洽，有助于老师掌握学生学习情况，也有助于老师言传身教;有助于增进同学之间互助合作培养合作精神;有助于锻炼学生的实践动手能力，鼓励理工科大学生参与科研项目的研究也有利于培养崇尚学术，坚持研究型学习和渴望创新、开拓进取的良好意识。科研学习投入对学习收获具有显著解释力[4]。国外学者丹尼尔斯[5]及其他一些学者[6][7]研究发现，教师指导质量越高、获得学校支持资源越多、科研学习收获越多，大学生最终获得的学习收获越多。国内已有研究成果认为，科研训练是提高大学生科研能力、创新意识、创新能力和综合素质的重要途径[8];科研参与次数多的学生，认知能力和社会性能力的自我评估更高[9];有科研参与经历的学生更倾向于选择学术型硕士[10]。

（4）构建一个理工科大学生能持续参与科研的制度保障体系

一是调整课程结构。开设研究性课程或科研项目计划。研究性课程或科研项目计划是面向全体理工科大学生开设的，以学生自主选择的、直接体验的、研究探索的学习为课程基本方式，以贴近学生现实的生活实践、社会实践、科学实践的主题为课程基本内容。通过开设研究性课程将科研活动纳入教学和学生培养计划，同时，也可以把科研活动纳入学分，使研究性课程作为理工科大学生参与科研的最初起步形式。例如，申请“科创”基金，参加科技学科竞赛，参加教师实验室项目等。

二是转换教学模式。课题实践研究强调自主学习，要求老师的教学模式也要从知识传授向培养学生自主学习转变。引导学生自主学习，对老师的能力要求更高。老师要有将科研成果转化为教学内容的能力，设计以问题为导向的研究性教学能力，依托高水平综合实验平台培养学生实践动手能力，通过开展学科竞赛、大学生创新实践项目培养学生实践创新能力，创建自主学习、合作学习的研究性学习氛围的能力。

三是鼓励学生组成科研创新小组。理工科大学生们从自身兴趣出发，联合有相同目标和兴趣的其他同伴，组成创新团队，选择参与老师或是学生自己的创新项目，一起去发现问题、研究分析问题和解决问题。

四是建立大学生参与科研项目保障服务机制。为了保障大学生顺利参加老师科研项目，需要制定相应的保障机制。比如将参加老师的科研项目纳入学生评价范围，学生参与科研项目的行为和效果纳入学分认定、评优评奖中。鼓励课题较多的老师开设与课题项目有关的专题课程，通过专题课程吸纳对该研究方向有兴趣的学生参与课题研究。或是定期推出介绍老师科研项目的推介会，向学生介绍课题情况，让学生申请报名。

本文以理工科大学生的学习为研究对象，利用系统动力学仿真方法，探讨了理工科大学生的实践经验丰富度对提升学习收获的作用机理，给出了提升理工科大学生学习收获的策略建议，对提高理工科教育教学及人才培养质量有重要借鉴意义。

参考文献：

[1] 张洪亚，郭广生. 理工科大学生学习收获影响机理实证研究[J].大学教育科学，2019（3）：68-75.

[2] 苏小红，刘宏伟，张彦航，史先俊，曲明成，翟建宏.坚持实践育人提升学生科学素养和创新实践能力[J].中国大学教学，2018（9）：78-82.

[3] 任志玲，付华，郭瑞.在科研实践中提升大学生科学素养[J].中国高校科技，2018（Z1）：71-72.

[4] 郭卉，韩婷.大学生科研学习投入对学习收获影响的实证研究[J].教育研究，2018，39（6）：60-69.

[5] Daniels H， Grineski S E. Collins T W.et al. Factors Influencing Student Gains from Undergraduate Research Experiences at a Hispanic-Serving Institution [J]. CBE-Life Sciences Education.2016（3）：55-60.

[6] Riley R L， Bustamante R M， Edmonson S L. Intercultural Competence and Student Engagement of U.S. Community College Students： A Mixed Method Study[J]. Community College Journal of Research & Practice， 2016， 40（1）：34-46.

[7] Weston T J， Laursen S L. The Undergraduate Research Student Self-Assessment （URSSA）： Validation for Use in Program Evaluation [J]. CBE-Life Sciences Education.2015（3）：29-35.

[8] 朱亚先，洪炜，吴丽晶，等.本科生科研能力培养之探索[J].中国大学教学，2016（10）：24-30.

[9] 李湘萍.大学生科研参与与学生发展——来自中国案例高校的实证研究[J].北京大学教育评论，2015（5）：14-20.

[10] 范皑皑，王晶心，张东明.本科期间科研参与情况对研究生类型选择的影响[J].中国高教研究，2017（7）：68-73.

[责任编辑：周 杨]