面向新时期国家战略需求的课程教学改革探索

李瑞华 宋刚福 陆建红

摘 要：在新时期国家战略需求下，培养利用现代信息技术分析和解决复杂工程问题的能力显得十分重要。本研究以MATLAB程序设计课程改革为例，革新传统被动输入的学习模式，提出以面向产出为导向设计教学内容，以学生为中心构建“教、学、做一体化”的教学模式，以持续改进为目的建立多重考核方式，梳理国家战略需求和给水排水工程的综合应用型案例，将理论与实践有机结合，育人与育才相统一，以培养出适应新时期国家战略需求的高素质人才。本研究成果将为编程类相关课程建设提供参考和应用实践。

关键词：MATLAB软件；课程思政；教学设计；实践教学

基金项目：2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目“面向新时期国家战略需求的河南省给排水科学与工程一流专业建设探索与实践”（编号：2021SJGLX155）；2021年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目（学位与研究生教育）“黄河国家战略背景下环境科学与工程学科研究生创新能力培养研究与实践”（编号：2021SJGLX012Y）

作者简介：李瑞华（1990— ），女，华北水利水电大学环境与市政工程学院讲师，研究方向为水污染控制技术及固体资源化回用；宋刚福（1977— ），男，华北水利水电大学环境与市政工程学院教授，研究方向为水资源系统分析及水污染控制技术；陆建红（1973— ），女，华北水利水电大学环境与市政工程学院副教授，研究方向为水处理理论与技术、城市水务规划与信息化管理研究。

随着黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略，社会迫切需要大量具备扎实专业理论基础，富有创新精神和实践能力，善于应用现代信息技术的高素质专业技术人才。给排水科学与工程专业主要是培养从事水资源保护、市政给排水、建筑给排水、海绵城市、低影响开发雨水系统等方面工作的高素质工程技术人才。新时期国家战略的实施不仅为给排水专业发展提供了广阔的空间，同时也对专业人才培养及其与社会需求的契合度提出了更高要求。

MATLAB程序设计课程是华北水利水电大学给排水科学与工程专业开设的一门工程基础课，注重数据分析和计算机思维能力的培养，强调理论与实践相结合，依托其独特的数学算法和编程设计帮助学生分析和解决复杂给排水工程问题。为了不断努力培养和造就适应新时期国家战略需求的高素质人才，课题组以MATLAB程序设计课程为依托建设教学团队，探讨编程类课程如何以面向产出为导向设计教学内容、如何以學生为中心构建一体化教学模式、如何以持续改进为目的建立考核方式，通过对理论和实践教学实施进行改革与探索，强化培养学生解决复杂工程问题的分析思维、创新意识和实践能力，并对教学效果进行评价和总结，辅助考核反馈结果反思教学效果，持续改进下一轮教学实践，全面提升学生学习的主动性、积极性以及创新性。

一、课程学情分析与思考

MATLAB程序设计课程为给排水科学与工程专业的一门工程基础课，开设于第四学期，此时学生已具备高等数学、线性代数、工程力学、概率分析与数理统计、计算机与信息技术等高等数学及工程数学的基本理论知识，初步具备合理抽象、逻辑推理和分析综合的能力。但还存在以下问题，首先，在此类基础课程教学过程中，课程内容多、学时紧张，一般采取以教师讲解为主的授课方式，课后通过大量的习题帮助学生巩固对重难点理解，学生的主动学习和创新思维意识不足；其次，大学生尚未系统接触过此类编程软件，未掌握计算机语言处理问题的思路，缺乏软件语言的分析能力和创新思维，无法将现代信息技术应用于解决复杂工程问题；最后，编程类课程的理论性强、实践性强，需要平衡理论知识教学和编程实践教学，体现出“教、学、做一体化”的教学思想，且有必要让学生利用网络资源和文献资料自主学习软件更新内容。鉴于以上问题，MATLAB程序设计课程的改革和创新势在必行。

二、示范课堂教学改革设计与实施

（一）以面向产出为导向设计教学内容

MATLAB程序设计的课程目标主要是依托于MATLAB软件，辅以在工程中的应用案例，识别和表述给水排水工程问题，模拟不同领域的复杂工程问题，进而支撑问题分析和使用现代工具的毕业要求。针对课程目标和产出导向，教师应首先对课程内容体系和教学环节进行深入分析与优化设计，强化理论知识与工程案例应用之间的联系，并在理论授课过程中适时加入应用背景和思路分析等，结合演示操作深化重难点，从而实现理论知识与实际操作的充分融合。在案例选取上，应重点关注学生知识、素质、能力的增长点，挖掘与黄河流域生态保护和高质量发展国家战略、给排水工程背景相关的案例，开发能够体现学生创新精神、探究意识的综合性设计题目，如水质指标分级、水处理工艺优化、水质水量模拟预测、标准数据可视化等。通过小组讨论、开放回答等模式促使学习模式由被动输入转向专业知识、实践能力、综合素养“三位一体”融合发展的人才培养新模式。在教学思路上，结合MATLAB程序设计教学大纲的授课内容，从理论起源、创新发展、技术应用等角度，无形中渗透政治信仰、价值理念、精神追求、科学思维、工匠精神等思政元素。

MATLAB程序设计课程的国家战略元素和思政内容嵌入设计内容如下。一是在MATLAB系统环境章节，可以结合文献资料，讲解MATLAB软件在给水、排水和建筑给排水工程及其在黄河流域生态保护中的具体应用，深化学生对给排水职业的认识，增强学生对专业的自信心，树立奉献给排水和环保事业的理想信念和精神追求。二是在MATLAB数据及其运算章节，可以结合运算规则，引导学生树立遵守规则的意识。三是在MATLAB矩阵处理章节，引入杨辉三角、祖冲之计算出圆周率小数点第七位等案例，增强学生的文化认同和民族自豪感。四是在MATLAB程序流程控制章节，通过程序流程编写、运行及调试优化，培养学生缜密的科学思维和“执着专注、精益求精、一丝不苟、追求卓越”的工匠精神。引入黄河流域生态保护和高质量发展国家战略背景，结合《河南省黄河流域水污染物排放标准》，利用选择结构、循环结构等实现“多参数水质分级”的工程案例。五是在MATLAB绘图章节，设置“水质参数变化趋势”案例，通过图形可视化更直观的判断和分析水质波动情况，为后续专业课打下良好基础。六是在MATLAB数据分析与多项式计算章节，结合不同数据分析不同比赛计分规则，引入奥运健儿的拼搏事迹，培养学生爱国、敬业的社会主义核心价值观。结合多项式运算和曲线拟合等理论知识，设置“水处理工艺参数优化”“水质水量模拟预测”题目，体现水污染控制技术在流域水生态环境保护中的应用价值。七是在MATLAB数值积分微分与方程求解章节，结合我国古代数学成果，培养学生开拓进取、创新的科学思维。结合文献资料，讲述最优化问题求解在水污染控制技术优化等案例中的应用，鼓励学生借助网络资源达到终身学习的目的。八是在MATLAB符号计算章节，结合文献资料，讲述MATLAB符号计算在水生态数学模型中的应用，鼓励学生通过自主学习提高对MATLAB广泛应用的认识。

（二）以学生为中心构建“教、学、做一体化”教学模式

MATLAB程序设计课程设置有理论学时和实践学时，要充分考虑课程结构特点，理论教学应以学生作为教学课程的主体，教师起到主导作用，实践教学可考虑小组协作、学生自己动手、教师辅助指导的教学模式，将基础理论课程与实践课程有机结合，从而构建“教、学、做一体化”的教学模式。

理论教学受学时限制，采取传统的教学方式已无法达成课程目标，可以采取学生自主学习、教师重难点讲解及工程案例分析、网络资源辅助教学等多维教学模式。课前，要求学生对重点内容进行任务式学习，提前反馈预习效果；课中，教师针对运行理论、程序调试等重难点进行深入讲解，结合工程案例进行讨论分析，共同给出开放性的运算思路；课后，学生再次总结案例并结合软件操作完成章节作业，层层深入实现对重难点的掌握。

实践教学对学生的自主学习意识和实验内容要求较高，若一味地按照教材中的实验内容进行教学，会限制学生的创造性思维和逻辑分析能力，从而影响教学效果，无法满足给水排水工程应用及国家战略对高素质专业技术人才的需求，因此，需要结合实践教学方法和实验题目进行改革探索。首先，在实践内容设置上，教师可以结合专业应用领域和国家战略需求设计出综合性、创新性强的实验项目，例如将程序控制结构与数据统计相结合设计出“多参数水质分级”题目，将数据统计、多项式计算与图形可视化相结合设计出“污水处理厂出水水质参数变化”，将数据插值与图形可视化相结合设计出“水处理工艺参数优化”题目，将数据插值与程序控制结构相结合设计出“管网管径选择”题目等，以上复杂问题既涉及多个知识点，需要学生对理论知识有充分了解，也应设置出开放性的解决思路，不拘泥于固定答案，又进一步培养学生的开放性、创新性思维。其次，在实践内容教学上，依托于课程教学团队，每次设置两名主讲教师，实现“小班教学”模式，全程突出以学生为教学主体、教师辅助指导的教学思路，贯彻以练为主、以讲为辅的教学模式，执行小组讨论、自己动手的实践方式，保证每一名学生都能针对实践内容自己上机操作，有效锻炼学生的实际编程动手能力，提高学生利用专业知识和计算机语言解决复杂工程问题的能力，促使学生向开发型、研究型、应用型人才转变，最大程度保证实践效果。此外，要注意个别差异性教学，在教学内容结束后可以留出自由训练时间，学生可以根据自身情况主动练习课后习题，或者针对课堂练习不理解的地方进行自由提问，教师可给予恰当的鼓励性评价，最大程度保证课堂教学走向开放。

（三）以持续改进为目的建立多重考核方式

根据MATLAB程序设计课程的特点，该门课程注重对每一名学生理论学习和实践学习的综合考核，重点关注学生对于工程案例的分析和解决能力，结合学生达成度的定性和定量分析，不足之处反馈到后续教学，进而达到持续改进的目的。

针对学生考核，主要设置平时成绩、上机成绩和期末考试成绩三部分。平时成绩可占10%—20%，主要包括学生作业、课堂测试、课堂互动、小组讨论等，体现学生对重难点的理解程度和自主学习的积极程度；上机成绩占30%，包括上机报告成绩和上机考试成绩两部分，主要依据学生上机操作熟练程度、小组讨论情况、报告撰写情况等，体现学生对实验操作的理解和应用能力；期末考试成绩可占50%—60%，题目可设置客观题、应用题、分析题、图形可视化题目等，题目不拘泥于固定答案，主要考查学生的理解能力、分析能力和创新意识。课程结束后，需要结合考核分数完成课程目标达成度评价报告，对于未达成个人需要的逐一分析原因，给出切实可行的改进措施。

教师可根据教学效果完成评价。首先，教师自查总结在本次课程结束后是否完成全部教学设计，重难点及案例讲解是否到位，并记录学生互动情况，结合课后学生提问、反馈情况，完成教学后记；其次，在本次课程结束后组织学生反馈，反馈内容主要包括教师讲解思路评价、授课内容评价、教学效果评价及授课方式建议等，反馈形式包括集中反馈、重点人员反馈及调查问卷等；最后，教师针对工程案例完成度进行定量分析，包括每次工程案例作业的完成情况、上机练习完成情况以及期末考试工程案例的完成情况，对于普遍问题要反思教学设计的不足之处并进行记录。根据以上考核查漏补缺，形成改进方案并应用于下一次课程教学中。

三、课程教学改革实施成效

MATLAB程序设计课程改革已在课题组所在的学校2020级给排水科学与工程专业实施，经过初步实践，取得了良好的教学效果。整体来看，学生课程目标点达成度由0.787上升至0.831，对理论知识的掌握程度以及操作应用的熟练程度均有明显提升。

课题组在结课后对2020级学生完成工程案例的达成情况进行具体分析。结果表明，学生利用上机操作对工程案例的分析能力较强，超64%的学生完成情况大于平均值，约96%的学生高于及格线，且强于利用理论知识解决工程问题的能力，这也说明学生能够积极参与实践教学的各个环节，体现了以学生为中心的的教育理念，“教、学、做一体化”教学模式执行到位。但仍有5名学生的综合完成情况未达到期望值，通过对个人学习情况进行单独分析，原因主要包括知识点理解不到位、对工程问题的分析能力有限、对实践操作的熟练程度不足、对工程案例的理解和应用不到位等，后续需要针对程序流程控制等内容进行进一步优化改进。

在新時期国家战略需求的大背景下，课题组以华北水利水电大学给排水科学与工程专业的MATLAB程序设计课程为依托，组建教学团队，引导教师专注课程建设和教学水平提升。在课程改革上，以面向产出为导向设计教学内容，融入水环境保护等工程案例和课程思政元素，以学生为中心构建“教、学、做一体化”教学模式，强化学生在理论教学和实践教学中的参与度。通过对学生达成度的定性和定量统计分析，多角度评价教学改革的提升效果，深入剖析学生对课程内容的理解掌握情况以及教师在课程实施过程中的不足之处，从而持续提升课程实施效果。

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责编：应 图