以科技竞赛为驱动的大学生创新能力培养实践

赵慧，杨文萃，葛勇，袁杰，郑秀华

（哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨 150090）

21 世纪以来，我国高等教育不断向新领域探索，将培养面向新世纪的创新型人才作为重中之重。创新型人才是可以对理论进行总结提升，在实践中开拓进取的复合型人才[1]。

目前各高校十分重视学生创新能力的培养，但是仅仅通过课堂教育，手段较为单一且效果不理想，学生不能很好地把专业知识、个人能力以及创新思想有机结合。专业性科技竞赛是专业领域内大学生比拼知识水平、实践能力的综合性平台，是对相关领域大学生综合能力的有效检验。高要求的比赛对学生的培养不仅仅是比赛期间的几天，而是整个准备期学生都在受到锻炼，促进成长。例如，每两年举办一届的全国大学生混凝土材料设计大赛，是土建类相关专业影响力最大的大学生竞赛。每届混凝土大赛明确给出一个主题，学生经过理论考试、材料设计和试拌比赛多个环节完成比赛。根据大赛主题，学生首先需要分析问题，运用所学的知识和理论设计方案，通过不断实践尝试达到比赛要求的性能，最后在比赛过程中根据实际情况随机应变。另外，这项比赛要求每组有3 名队员，且报名完成后不能换人，这对团队的协作能力也是一个非常重要的培养，可以通过比赛培养学生的领导力、组织力、团队角色分配、团队任务分解完成的能力，同时也培养队员之间人际交往的能力。通过竞赛，可以在高等教育中对创新型人才培养的模式进行探索，同时有益于完善课程体系，建构全过程、全方位的创新能力培养体系[2-3]。通过竞赛推动学生创新能力培养也是目前高等教育的一个研究方向。本文总结了在组织学生参加科技竞赛过程中培养学生创新能力的有效做法和成效。

1 科技竞赛在学生创新能力培养中的作用

高校的课程体系虽然在不断改革和更新，但却滞后于行业以及市场的发展，学生参加工作后适应岗位的过程较长。继续深造的学生从事科研工作往往自主性差，在科研中不能形成自己的思路。

建筑材料或土木工程材料课程是土建类相关专业的基础课，一般分为理论课和实践课两部分，其中理论课侧重于基础理论和基础知识；实践课程又包括实验课与实习，实验课是知识和理论的应用，实习是知识和理论的生产应用。目前实验课教学内容多采用已知结果的重复实验或演示实验，而实习多以实地参观为主，二者以夯实学生的专业基础为主，但对学生创新能力的培养效果不佳。科技竞赛不同于实践课程，可以在竞争中提升大学生创新能力及综合素质。科技竞赛可以使学生主动学习相关的知识和理论，主动寻找相关知识的应用环境，分析应用中的问题及原因，并且通过参与分析、设计等过程，自主实践，提升创新思维，培养动手创新能力，增强解决问题的信心。通过有效组织在校学生参加科技竞赛，可以促进学生创新能力的培养，同时教学方式方法可以促进课程创新元素的融入与革新[4-8]。当代高等教育以培养创新型人才为重点，科技竞赛既是检验人才培养效果的手段，也是推动人才培养的助推剂，教学和竞赛二者是相辅相成的关系。

2 赛教融合，培养和提升大学生创新能力

2.1 通过校内选拔赛，选拔参赛学生

全国大学生混凝土材料设计大赛每两年举办一届，汇集了全国大部分土建类相关专业的学校，且每所学校只能派出两支队伍，哈尔滨工业大学交通学院只有一个参赛名额。因此，如何选出最优队伍，并且使更多的学生因参加选拔考试而受益，能力得到提升，是非常重要的工作。为了实现这样的目的，哈尔滨工业大学交通学院组织了队伍选拔，包括理论知识考试、实验设计、动手操作相结合的综合测试，并且聘请学院资深的教师进行阅卷及评价。理论考试现场见图1。

图1 选拔考试笔试现场

首先，围绕理论考试强化学生的理论基础和自学能力。在考试前将理论考试范围（范围大、内容广）通知学生，并且给学生一定的时间进行学习。通过一段时间的学习，学生掌握的建筑材料相关知识，特别是水泥混凝土知识，已经超出了大二学生相关课程的教学内容，知识层次更深更广；对混凝土、外加剂等相关标准和规范也进行了学习，对不同原材料对混凝土性能的影响及组分间的互相作用也有了理论层次的理解，为后续选材建立了理论基础。经过这个过程，学生进入了知识探索的领域，不再是教师讲授，而是学生主动学习，对专业理论知识的获取方式及程度有了新的理解[9]。学生经过这一过程，具有了主动学习和自学的能力[10]，在今后的科研工作中遇到新的课题时，可以快速准确地获取所需要的知识。

其次，实验方案设计是理论知识转化为实践的方式。基于理论知识，学生需要将不同材料按照不同的比例和掺量组成混凝土，各项性能要达到要求。这个环节要求学生在小组内完成分工，学生需要思考如何在有限的比赛时间内合理、快速、顺利地完成整个实验方案设计。在这个过程中，学生会逐渐发现自身的优点与不足而扬长避短；通过实验方案设计可以进行知识循环。学生在本科阶段经历实验方案设计的过程，对今后科研或者工作中的工程应用，都有助于快速熟悉新的课题和工程。实验方案设计的评比对学生创新能力培养过程很关键，教师在这个环节中要关注不同小组的设计理念、设计方法，对学生设计出的具体方案根据不同的侧重点进行取舍与增减。

最后，在实践比拼中强化动手能力和锻炼团队合作精神。科学实践需要有正确的理论支持，理论要归于实践。实践是科研工作中必不可少的环节。学生要按照上一环节实验方案设计所完成的混凝土配合比，在给定场地和工具的情况下进行试拌实验，实验要求在一个小时内完成，包括称量、混合、拌和、测试和易性、成型、测试体积密度以及最后的整理、清洗工作。以上看似都是非常基础的实验技能，但在短时间内三人协同配合并且圆满完成对学生有一定的挑战性。学生要根据实际提供的工具以及原材料的情况进行拌和与调整。实际操作是让学生获得竞赛参与感的最优方式，并且通过实际操作测试可以增强学生的动手能力，使学生对专业的认知不仅仅停留在书本中、试卷上，而是成为真真切切的感受，并且学习和掌握根据原材料性能（例如骨料的种类、粗细、含水量等）来调整配合比以达到最终性能要求的能力。通过这个过程的学习和能力获得，学生在今后学习、科研以及工作中的动手实践，可以获得准确的验证，并引导创新。

2.2 通过参赛培训，培养学生创新探索精神

2021 年举办的全国大学生混凝土材料设计大赛的主题是“以耐久性为原则，采用机制砂配制C40 大流态混凝土，并考虑工程应用环境和经济性，展示大学生解决复杂工程问题的能力”。这个主题给参赛学生提出了几个关键词：耐久性、机制砂、C40 大流态、工程应用环境和经济性。这些关键词有要求但没有设定具体范围，从应试的思维来讲，学生没有着手点，因而要求学生从创新发散的思维入手。其中耐久性和工程应用环境可以归为一类，即在某种环境中可以有更长的使用寿命和性能保持；机制砂相对常用的河砂性能有较大差异；C40 大流态则要求新拌混凝土有较好的工作性；经济性表明本次竞赛在要求性能的同时要控制材料成本。这些关键词就是学生准备竞赛的着力点与出发点，学生需要自行查找和设计不同的使用环境，选取适当的原材料，使得所设计的混凝土强度达到设计要求，具备大流动性、良好的粘聚性和保水性，且成本合理。

学生小组作为一个团队，需要根据上述的要求进行信息收集和小组讨论，培养学生的团队协作意识和沟通技巧，在不断的讨论中得出最优解，或激发出新的想法进行研究，发现创新元素。混凝土工程应用环境多样且复杂，学生需要查阅相关标准或规范，明确混凝土使用中常用的五种环境，分别是一般环境、冻融环境、海洋氯化物环境、除冰盐等其他氯化物环境以及化学腐蚀环境。进而针对不同环境选取合适的材料以及应避免使用的材料，并据此列出几种不同原材料组合。接下来，根据不同的原材料组合选取合适的用量范围，进而确定各组分的用量，正常情况下完成这个环节，一部分需要专业知识，另一部分依靠专业实践经验，而专业实践经验恰恰是学生相对缺乏的。为了弥补这样的缺陷，教师在培训中应当引导学生主动查阅文献资料，借鉴经验，在按照标准计算出的配合比基础上根据原材料的具体情况列出调整计划。

最后是最重要的实践练习过程，要想在比赛中充满信心，实验动作标准规范，从容应对突发情况，就要有多次且科学的实践练习。学生首先测试所有原材料的性能，包括胶凝材料的性能、粗骨料的密度及级配、细骨料的细度模数及含泥量、外加剂的固含量及减水率等。其中，骨料需按照竞赛要求、紧密堆积原理以及合理级配中值选择出最优级配。在实践练习中，要让学生养成把练习作为比赛的习惯，在细节着手，从称料前记录环境温湿度，到实验结束后清洗实验器具并归位，每一个细节都不应忽略，让学生在潜意识中养成注意每个细节的习惯。每次实验学生记录相应的实验过程（包括数据和视频），并且对结果进行小组讨论和分析。教师负责对小组讨论得到的结果进行判定和点评，在练习中尽量不给出特别具体的建议，教师的建议应当是方向性的，引导学生掌握该方向全部或大部分的知识点，从而使学生在比赛中或者今后学习工作中遇到相关问题可以用自己的知识储备进行解决。把每一次实验当作一个学习机会，把参加比赛和提升能力放在同样的高度，并且在这个过程中学生组长发挥小组的领导作用，锻炼领导力；学生组员可以作为不可或缺的协同者进行配合，锻炼分工协作的能力。通过实践操作，学生掌握了规范的实验技能，获得了根据实际情况调整混凝土配比来改善其性能的能力。图2 为学生赛前练习的场景。

图2 赛前实操练习

2.3 通过实地参赛，提升学生创新能力与团队合作意识

第六届全国大学生混凝土材料设计大赛于2021年7 月在武汉理工大学举办。武汉炎热的夏季为比赛增加了难度，但同时也是对参赛队伍的考验。到达现场之后，学生报到、适应性参观场地，报到当天晚上就需进行理论考试。在理论考试结束后，组织参赛队员对比赛场地和原材料情况进行讨论，例如骨料粒形、骨料实际含水的程度、各种器具的数量以及使用方法，每位队员对各自负责的工作任务进行逐条分解等。此项讨论的主动权仍然交给学生，指导教师只起辅助、引导、鼓励的作用。经过第二天紧张的配合比设计以及实践操作比赛，哈尔滨工业大学交通学院代表队获得了团体一等奖的优异成绩。图3 为哈尔滨工业大学交通学院队参赛场景。

图3 学生比赛现场

通过比赛获得优异成绩固然可喜，更令人欣慰的是通过比赛，学生的信心得到了提升，对专业的了解和热爱得到了增强。通过此次比赛，学生的创新能力得到提升，遇到问题可以主动收集、查找相关资料，主动探索解决的方法，主动寻求团队合作，通过团队组织和分工协同，科学高效地解决实际问题，学生的个人能力和综合素质得到了显著提升。

3 以赛促教，探索课堂教学新方向

科技竞赛为参赛选手提供专业的平台，也能提高参赛选手的创新能力等综合素质，但是科技竞赛受众较少且不能连续对学生进行培养。借助组织参加科技竞赛的经验和成效，教师可以探索对现有实践课程进行改革，整体提高学生的创新能力。

总结组织学生参加科技竞赛的经验，实践类教学可从以下几个方面进行尝试和改革：（1）在实验课教学中融入竞赛的元素，让学生在竞争中主动学习，主动获取知识；（2）在实验课中模拟竞赛场景，尝试把实验课交给学生，由教师提出问题的模式转变为学生通过主动调查自己提出问题、自主创新的新型实验课，自己设计并动手实践，教师提供帮助和引导；（3）可尝试利用部分学时，按照竞赛模式设立小组间竞赛[11-14]，给出竞赛主题方向，由教师担任评委，按照不同的竞赛流程让学生体验竞赛的紧张与竞赛的开放，由学生小组内进行分工，通过知识获取与协同合作完成。教师对结果和过程进行记录和评判，从而活跃实验课课堂氛围，提升学生学习效率，提高教学效果。

4 结语

组织学生参加竞赛及将竞赛模式融入实验课，是当代土建类专业大学生创新创业能力培养的有效形式。参加科技竞赛对于学校打造创新创业平台，在学校层面为学生提供创新创业的场所有重要意义。通过参加竞赛，可以提高学生的创新能力、自主学习能力，培养学生的团队意识。目前大学生创新能力培养仍然面临很多问题，不同地区、不同专业、不同就业需求对于创新能力有着不同的要求，需要社会、高校、教师的共同努力，不断提高大学生的综合素质。