基于新工科人才创新能力培养的教学研究

朱永强 张平霞 李敏 潘福全 杨勇

摘 要：当前课程培养模式难以适应新工科人才创新能力培养的新需求，并且存在学生学习积极性不高、实践动手与创新能力，尤其是解决实际问题的能力不强的问题。基于此，本文提出基于新工科创新能力培养的教学目标，对“运输系统规划与设计”课程教学模式和考核模式进行改革研究，搭建基于虚拟现实技术的虚拟设计+漫游平台，实现理论学习与实际应用的衔接。在此基础上，采用项目教学充分利用课内外时间，做好互动和拓展训练，满足新工科创新人才培养的需要。然后结合教师的动态技术跟进和指导尺度的把握，做好科学素质和创造性思维的同步培养。最终实现基于能力的成绩测评，重视创造过程的开展，推动学生主动地学好该课程。

关键词：运输系统规划与设计;虚拟现实技术;新工科;创新能力培养

中图分类号：G645 文献标识码：A

教育部于2016年提出“新工科”这一概念，新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性。这要求高校打造适应未来发展并满足新经济需求的专业，重点培养具备创新思维和国际竞争力的新工科人才;并要求学生在掌握某一专业技能的基础上，能创造性地交叉融合多门学科知识[1-2]。

大学生作为建设创新型国家的重要未来力量，其创新意识和创新能力，是保持我国核心竞争力的关键，而高校是培养高素质创新型人才的摇篮，因此加强大学生创新能力的培养是教育改革的核心目标，也是提高人才质量的关键[3-4]。

目前随着我国城市进程的加快，以及汽车保有量的增加，交通拥堵问题越来越严重，而交通运输规划则可以很好地解决这一问题，但由于城市规模的增大，以及全球经济一体化的影响，单一城市很难脱离整个世界经济的影响，导致现在的交通规划需要考虑更多的影响因素，现代的交通规划已是一门跨领域、涵盖多个学科的新兴交叉学科。这种发展趋势要求新的交通运输专业规划人员必须对交通规划的专业知识有更深入的了解和学习，能进行多层次多维度的规划设计及方案评估，而这也是新工科对创新人才的要求。基于此，本文对“运输系统规划与设计”教学手段开展研究，实现具备创新能力的新工科人才的培养[5]。

一、目前培养中存在的问题

（一）传统教学模式对创新人才培养的制约

传统教学模式，由教师进行知识的灌输和普及，学生处于被动学习状态中，学生的自由想象、自由研究、发表独到见解的空间很少，不利于启迪学生的创造性思维。同时传统的规划设计多采用图纸—积木拼接展示的形式，这样也会导致成本的增加及展示的困难度，并且展示效果比较有限。

（二）科学素质和创造性思维培养的非同步性

创造力的基础是科学素质，创造力的核心是创造性思维，而科学素质的提高和创造性思维的培养，主要是通过教学过程来实现。大学生的大多数时间是在教与学的过程中度过的，并通过该过程实现知识的传授、思维的训练和方法的学习。活动的开展必须与教学过程相结合，开展几次活动是容易的，要在教学过程中贯穿创造性教育则十分困难。

（三）创造过程的忽略

近年来，在科学教育活动及其他各种创造发明活动中，普遍重视的是创造结果，而没有针对创造过程开展有效的创新教育。同时学生在创造发明活动中，也会遇到许多困难。创新教育就是要利用这个过程，培养他们要有坚定的信念，要有恒心，有不怕困难、不屈不挠的精神。

二、教学改革

（一）基于虚拟现实—虚拟设计—虚拟漫游创新展示平台的搭建，解決理论学习与实际应用的衔接问题

通过虚拟设计—虚拟漫游与项目教学相结合，实现学生随时可以根据项目和课程进展的需要，开展运输设施设计，进行方案设计和理论验证，这样在学习课程内容时，就可以有针对性地、带着问题进行深度知识点学习，提高掌握知识的效率。

目前SketchUP软件具有直接面向方案创作的特点[6]：设计者可以直接在电脑上进行方案构思，方案呈现直观的三维立体状态，改变传统平面设计，设计图与效果图分离的缺点，便于团队合作时的即时交流。

采用该软件，进行相关运输系统设施，例如立体交通、车站枢纽的设计，然后利用虚拟现实技术再进行场景的虚拟漫游，让老师带领同学进入虚拟设计场地进行实际点评，同时结合课程内容，讲解规划设计的知识要点和注意事项，实现理论到实践的转移。而学生在该平台中亲眼看到自己设计的优点和不足，则必将大大促进相关软件和各种知识的主动学习。

（二）“运输系统规划与设计”课程内容与项目式教学的良好衔接，制定符合创新人才培养要求的项目教学题目，满足新工科创新人才培养要求

项目教学可以充分利用课内外时间，做好互动和拓展训练，但考虑到学生水平、精力以及课程本身课时、内容所限，以及新工科创新人才培养的需要，因此在选择题目时，指导教师必须做好题目难易度——创新能力培养的权衡工作。

通过项目式教学，实现知识学习和项目推进的同步进行，学生就会感受到新知识的价值，以及问题成功解决的喜悦和成就感，则必将激发学生的积极性，实现被动到主动学习的转化，同时项目研究无标准答案限制，大大激发同学的创新动力。

同时学生在项目研究和课程学习中，是一个不断认识、逐渐完善相关知识的过程，对项目方案进行调整，需要教师进行动态的跟进和指导，使学生不能偏离本来的课程学习重点。

另外在课程授课——项目实施过程中，要注意“度”的问题，即注意培养学生自学能力、钻研精神，实现科学素质和创造性思维的同步进行，避免对教师的过度依赖。

（三）OBE考核模式的探索

学生的课程成绩既是对所学课程的一种评价，同时也是今后评价其他活动的参考，因此学生在有能力的情况下，都会主动努力追求好的成绩。因此OBE考核模式就会从成绩的角度来实现和保证：推动学生学以致用，真正掌握好该课程，并积极运用所学知识解决实际问题。同时还可以指导学生结合项目教学及创新性，进行科研论文撰写，加强学生的科研意识培养，激发学生参加科研的热情。

采用基于能力培养的模式后，学生的过程考核变得更重要，而不是仅仅取决于最后的期末考试，只有这样才能激发学生平时对该课程的学习动力，而不是最后突击式学习。这样就需要解决整个学习、研究过程中，学生的成绩评定的问题。

三、具体实施

该课程总共有32课时，理论讲授比较紧张，需要精简陈旧的、实际应用价值不大的内容，使学生能够结合实例应用题目，给出具体的、可行的解决方案;让学生主动组队参与各种大学生科技竞赛以及教师科研，提高团队意识，并通过比赛，产生危机感、压力、动力和自信心。采用的方案如图1所示，实施流程如图2所示。

（一）方案确定

教师首先进行课程基本知识的讲授，结合课程特点及科研经验和学生前期学习成效、兴趣爱好，然后指导学生进行交通设施考察和调研，确定合适的研究题目。在题目选择的时候，特别要将“能力培养”作为切入点，以“工程和创新能力培养”主线来进行。以“能力培养”为主旨，以设计理论和方法为线索，重组教学内容，建立与强化培养学生的工程能力和创新能力相适应的教学内容，构建与OBE相适应的课程架构。

（二）方案完善

随着课程的进行以及知识学习的深入，需要学生结合实际案例，将所学专业知识应用到具体规划当中，例如青岛火车站规划设计、青岛滨海大道交通流规划设计，这便于初次进行规划设计的学生体验规划设计的基本流程，培养后续专业课程所需的基本能力，如模型建模、数据分析、影响因素分析与权衡，不断完善和细化各自的设计方案，并巩固所学知识。同时教师在授课时，也需要结合实际案例讲授知识应用。

（三）阶段性成果渲染展示与答辩汇报

為及早发现并纠正学生设计存在的问题，避免设计偏离本来目标，并及时督促和推进设计进度，需要进行阶段性检查和答辩汇报，要求学生利用SketchUP软件进行三维模型制作及展示、PPT展示等，阐述设计理念及有关理论，并随着专业课程的学习，逐步推进和完善设计方案，保证设计的顺利开展。

（四）最终成果渲染展示与答辩汇报

学生可以利用图片、漫游动画等从多个角度展示规划设计方案，阐述核心规划思想，从而更进一步体现课程的学习精髓。通过完成一个完整的“项目”而进行的实践教学活动，将除本课程以外的其他多门课程所涉及的知识和技能通过一个明确的“项目任务”布置给学生，学生根据任务要求，运用所学的知识和技能，通过“确定项目任务—制定工作计划—组织项目实施—检查考核评估—总结评比归档”等5个阶段，采用“团队学习”的方法，动脑、动手、交流和合作，最终完成项目任务并以成果的形式予以展现。

（五）成绩测评系统对能力培养教学模式的推动和保证

通过学生的成果产出——各种方案的创新性和可行性的测评，以及展示的手段和形式，实现能力的培养。在整个环节中，通过制定系统完整的考评手段，让全部学生参与到题目研究与考核中，例如为避免部分学生不真正参与题目研究，要求答辩时，团队所有成员依据不同的分工，分别进行不同部分的答辩，既有分工又有合作，同时各队还互相竞争。在汇报时为避免听取汇报的同学不作为，要求每个同学都要提出意见，并纳入考核范围，最终激励并推动学生变被动学习为主动学习，并且从成绩考核上保证转变的顺利实施，实现全部同学积极主动参与学习。

结语

为满足新工科人才创新能力培养的要求，本文提出基于虚拟现实技术，进行交通设施的虚拟设计和虚拟漫游，结合项目式教学和OBE教学模式改革，改善课程的教学手段，提高学生的学习兴趣。建立基于创新能力培养育人、项目—课程知识融合育人和注重“知识运用、能力培养、科学素质提升”的应用创新人才培养模式，随之形成一套科学、完整、可行性强的高素质应用型创新人才培养的改革理念、方案与措施，解决当前专业课程理论知识不能与实际应用环节良好衔接、知识创新性运用少以及接触实践项目少的实际难题，提高学生利用设计软件解决实际问题的能力，有效提升学生的工程实践能力、创新能力，为以后从事研发工作奠定基础，同时大幅度提升同学参与创新比赛的能力。研究项目可以作为学生的作品展示，也提高其竞争力。

参考文献：

[1]董跃宇，强振平，胡坤融，王晓锐.新工科理念下的计算机系统能力培养教学体系建设探讨[J].大学教育，2021（06）：115-117.

[2]安晓东，李亚丽，候军兴，张华阳.新工科和虚拟实验下汽车设计课程教学改革[J].汽车实用技术，2021，46（10）：152-154.

[3]刘昌亚.加快推进教育现代化 开启建设教育强国新征程——《中国教育现代化2035》解读[J].教育研究，2019，40（11）：4-16.

[4]王严淞.论我国一流大学本科人才培养目标[J].中国高教研究，2016（08）：13-19+41.

[5]张国辰.OBE理念下应用型人才培养的国际经验借鉴与启示[J].惠州学院学报，2020，40（02）：91-96.

[6]吴兆艳，汤孟平.基于SketchUp与GIS的森林景观可视化实现[J].浙江农林大学学报，2012，29（03）：352-358.

基金：青岛理工大学机械与汽车工程学院2020年度本科教学改革研究项目（编号2020-1）;青岛理工大学2020年本科教学改革与研究项目（编号F2020-12）;山东省自然科学基金（编号：ZR2019MEE072）;山东省本科教学改革研究重点项目（编号：Z2018S020）

作者简介：朱永强（1975— ），男，山东莱州人，博士，副教授，研究方向：机器人、车辆动力学、虚拟现实技术。