李建林，鄭繼東，郭曉明，林 云，劉永和

(1.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；2.中原經(jīng)濟(jì)區(qū)煤層(頁巖)氣河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

創(chuàng)新是“互聯(lián)網(wǎng)+”時代最重要的特征，高校是培養(yǎng)創(chuàng)新性人才最主要的陣地。工科是我國高校第一大學(xué)科，其培養(yǎng)目標(biāo)是在相應(yīng)的工程領(lǐng)域從事規(guī)劃、勘探、設(shè)計、施工、原材料的選擇研究和管理等方面工作的高級工程技術(shù)人才[1]；其有些專業(yè)課程理論性較強(qiáng)，教學(xué)過程中老師和學(xué)生都會感覺較為吃力。實驗教學(xué)對于抽象概念和理論的理解非常重要，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和探索能力的重要環(huán)節(jié)[2]，但我國高校存在重理論輕實踐的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了實驗教學(xué)內(nèi)容與生產(chǎn)實踐脫節(jié)，不能適應(yīng)科學(xué)、時代發(fā)展，學(xué)生就業(yè)難等問題。工科課程實驗一般有兩種形式：動手操作實驗和上機(jī)實驗。以上機(jī)實驗為研究對象，探討上機(jī)實驗綜合實驗的設(shè)置，以期為工科專業(yè)課程教學(xué)水平的提高、為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供借鑒作用。

1 創(chuàng)新能力及其培養(yǎng)

1.1 我國教育領(lǐng)域創(chuàng)新能力培養(yǎng)存在的問題

創(chuàng)新是改進(jìn)或創(chuàng)造新的事物、方法、環(huán)境，并能獲得一定有益效果的行為。它是人類進(jìn)步的動力。創(chuàng)新能力是在技術(shù)和各種實踐活動領(lǐng)域中不斷提供有價值的新思想、新理論、新方法和新發(fā)明的能力。

創(chuàng)新的概念引入到我國教育領(lǐng)域已近百年(陶行知，1919)，但我國創(chuàng)新能力和國際先進(jìn)水平還有很大的差距。這與我國“中庸”的傳統(tǒng)文化、社會氛圍、教育模式、人的主觀因素等都有密切的關(guān)系。就教育而言，存在以下3個主要問題：1)教學(xué)方式以教師為主體，對學(xué)生進(jìn)行灌輸式授課，致使學(xué)生喪失了主動性；2)學(xué)習(xí)方式以記憶、模仿為主，壓抑了學(xué)生的創(chuàng)造性；3)教育與實踐脫節(jié)，學(xué)生走上社會還得從頭再來。這種教育模式使學(xué)生既缺乏創(chuàng)造性的培養(yǎng)，又缺乏與人合作的精神。

1.2 創(chuàng)新能力培養(yǎng)原則

針對我國創(chuàng)新能力培養(yǎng)中存在的問題，須動員全社會的力量，以解決實際問題為目的進(jìn)行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1)系統(tǒng)性原則。

培養(yǎng)創(chuàng)新能力是一個包括培養(yǎng)創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法等諸要素的有機(jī)整體，絕不能割裂開來；另外，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，是一項龐大的社會系統(tǒng)工程，需要政府、學(xué)校、家庭、社會各方面的共同參與。

系統(tǒng)中，每個環(huán)節(jié)都有自己任務(wù)。就高校教師而言，首先要積極學(xué)習(xí)和吸收新的知識、理念，不斷改進(jìn)自己的思維模式，做到與時俱進(jìn)，以提高自己的教學(xué)水平。這樣才能在日常教學(xué)中以學(xué)生為主體、多種教學(xué)方式并舉，進(jìn)而調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。

2)實踐性原則。

創(chuàng)新的最終目的是在各種實踐活動領(lǐng)域取得一定有益的效果。所以，培養(yǎng)創(chuàng)新能力要針對實際問題，堅持以實踐作為檢驗和評價創(chuàng)新能力的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

具體到教學(xué)環(huán)節(jié)，應(yīng)該與學(xué)科發(fā)展的熱點和難點問題相結(jié)合，以解決實際問題為目的，增加相應(yīng)的實驗和實習(xí)內(nèi)容。這樣學(xué)生在畢業(yè)后就能很快找到適合自己的工作，并在工作中進(jìn)行創(chuàng)新地解決問題。

2 工科上機(jī)試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的特征是跨界、創(chuàng)新和連接一切，其中創(chuàng)新是其核心。信息豐富、視野開闊、缺乏深入思考，求新求異意識強(qiáng)，自主、獨立意識強(qiáng)是這個時代大學(xué)生的顯著特點[3]。

基于“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新的核心特征，實驗?zāi)康拇_定為：通過實驗提高本科生熟練掌握和運用知識的能力、實際操作和相互協(xié)作的能力，并逐步提高學(xué)生提出(發(fā)現(xiàn))問題、分析問題和解決問題的能力。

2.2 設(shè)計原則

目前，內(nèi)容多而學(xué)時少是高校理工科專業(yè)課教學(xué)遇到的共同問題。一般上機(jī)實驗學(xué)時一般為4～8學(xué)時，所以，上機(jī)綜合試驗的設(shè)計應(yīng)抓住重點，選擇易于上機(jī)實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，與學(xué)科發(fā)展的前沿問題相結(jié)合，難度適中即可。總結(jié)以往的教學(xué)實踐經(jīng)驗，一個綜合實驗包含2～3個知識點，在2～4學(xué)時內(nèi)完成，教學(xué)效果較好。

2.3 設(shè)計形式

工科課程上機(jī)實驗中，可選用的軟件主要有Excel、SPSS、MATLAB、Origin和R軟件等[4]。其中Excel是微軟公司的辦公軟件Office的組件之一，它可以進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計分析和輔助決策操作[5]。SPSS為專業(yè)統(tǒng)計軟件，其統(tǒng)計分析功能較強(qiáng)，是復(fù)雜、大型統(tǒng)計分析中的常用工具[6]。MATLAB是商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言，以為基本數(shù)據(jù)單位,指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似[7]。Origin是一款專業(yè)的制圖軟件與數(shù)據(jù)分析軟件，其數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計、信號處理、圖像處理、峰值分析和曲線擬合[8]，使用Origin就像使用Excel和Word一樣簡單。R是一套完整的數(shù)據(jù)處理、計算和制圖軟件系統(tǒng)，它可以提供一些集成的統(tǒng)計工具[6]，但更大量的是它提供各種數(shù)學(xué)計算、統(tǒng)計計算的函數(shù)，從而使使用者能靈活機(jī)動的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，甚至創(chuàng)造出符合需要的新的統(tǒng)計計算方法。

以上軟件各有操作特點和處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，根據(jù)課程的不同要求和學(xué)生掌握軟件程度的不同，可以選擇相應(yīng)的軟件進(jìn)行工科上機(jī)綜合試驗的操作軟件。

2.4 創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是上機(jī)實驗核心價值的體現(xiàn)。主要通過學(xué)生對實驗的預(yù)習(xí)、上課時師生的互動和實驗完成后對結(jié)果的思索這3個環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)和提高。

1)預(yù)習(xí)階段。

在讓學(xué)生明確實驗?zāi)康摹⑹煜は嚓P(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生多查閱相關(guān)文獻(xiàn)，這樣做有兩個目的：一是熟悉實驗內(nèi)容、方法和步驟，盡可能使實驗在規(guī)定時間完成；二是對不同方法進(jìn)行比較，評價其優(yōu)劣。這將為新方法(或改進(jìn)方法)的提出奠定堅實的基礎(chǔ)。

2)上機(jī)實驗階段。

一定要讓學(xué)生親自上機(jī)操作，這樣學(xué)生才能體會實驗過程的難易，尤其是那些步驟繁瑣的環(huán)節(jié)，在重復(fù)操作的同時，學(xué)生自己會考慮如何進(jìn)行改進(jìn)；此時，師生的互動就很重要，通過老師的引導(dǎo)和提示，學(xué)生創(chuàng)新的火苗就會被點燃。

3)完善階段。

完成實驗后，引導(dǎo)學(xué)生對實驗過程進(jìn)行回顧和梳理，對實驗結(jié)果進(jìn)行總結(jié)和思考；同時推薦相關(guān)文獻(xiàn)讓學(xué)生自己閱讀。逐漸地，學(xué)生就會找到新的或是改進(jìn)的方法。

3個環(huán)節(jié)中，有2個環(huán)節(jié)需要閱讀文獻(xiàn)，要讓學(xué)生體會到知識的積累和對比是創(chuàng)新的前提。

2.5 考核方式

對操作軟件，可以讓學(xué)生提前熟悉，以便充分利用好實驗階段的時間完成實驗；一旦在規(guī)定時間沒有完成實驗，應(yīng)該允許學(xué)生通過自己的電腦繼續(xù)進(jìn)行實驗，畢竟掌握和熟練運用知識才是教學(xué)的最終目的。

合理的考核評價體系，能夠客觀評價學(xué)生的學(xué)業(yè)水平，進(jìn)而調(diào)動學(xué)生積極性、提高學(xué)習(xí)效率。如果能保證難易程度一致，盡可能讓學(xué)生每人一題，這樣就可以對學(xué)生進(jìn)行客觀的評價。如果無法做到每人一題，那么除了考勤和提交實驗報告外，可以在最后的考試中增加與上機(jī)實驗內(nèi)容相關(guān)的知識點的考查，以鞏固實驗內(nèi)容的掌握，真正達(dá)到實驗?zāi)康摹?/p>

3 應(yīng)用舉例

水文統(tǒng)計學(xué)是基于水文現(xiàn)象隨機(jī)性特點，利用概率統(tǒng)計的原理方法對水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推斷的學(xué)科，是水利工程學(xué)科各專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。大多數(shù)高校選用的教材是文獻(xiàn)[9]；學(xué)時安排一般為40～48學(xué)時，其中實驗4～8學(xué)時；該課程數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，概念比較抽象，不易掌握。只學(xué)理論、方法，而不應(yīng)用于實踐，學(xué)生學(xué)完之后會很快將知識還給老師；通過上機(jī)實驗，可以加深學(xué)生對概念和理論的理解、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情、提高學(xué)習(xí)效率、鞏固學(xué)習(xí)成果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.1 教學(xué)的主要內(nèi)容

水文統(tǒng)計學(xué)教學(xué)大綱要求：熟練掌握水文變量的分布特征及其數(shù)字特征的統(tǒng)計和水文含義；利用概率統(tǒng)計的方法，計算水文事件發(fā)生的概率、估計水文變量分布函數(shù)的參數(shù)、確定水利工程的設(shè)計流量；對水文現(xiàn)象進(jìn)行假設(shè)檢驗、對水文時間序列和水文過程進(jìn)行分析和預(yù)測。為進(jìn)一步學(xué)習(xí)水文水力計算、流域水文模型等課程以及今后從事水文專業(yè)教學(xué)及其相關(guān)研究打下基礎(chǔ)[2]。所以，上機(jī)實驗的內(nèi)容應(yīng)從以上知識點中選擇。

3.2 上機(jī)內(nèi)容的選擇

上機(jī)實驗一般為4～8學(xué)時，可以考慮安排2個綜合實驗；經(jīng)過長期的教學(xué)實踐，實驗重點圍繞以下3方面內(nèi)容進(jìn)行。

1)水文變量的分布及其數(shù)字特征。

在水文統(tǒng)計學(xué)中，會學(xué)到很多的分布(二項分布、泊松分布、正態(tài)分布、P-Ш型分布、對數(shù)正態(tài)分布、K-M分布、耿貝爾分布等)，但我國大部分水文變量服從P-Ш型分布；由于數(shù)字特征的簡便、直觀，在進(jìn)行隨機(jī)變量分析時，更多的是借助于隨機(jī)變量的數(shù)字特征(數(shù)學(xué)期望、方差、離勢系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)等)進(jìn)行。所以，P-Ш型分布及其數(shù)字特征應(yīng)該是水文統(tǒng)計學(xué)一個重要的知識點。

2)水文頻率計算。

學(xué)習(xí)水文統(tǒng)計學(xué)的目的是掌握水文變量的統(tǒng)計規(guī)律，進(jìn)而為水利工程的建設(shè)服務(wù)；而水文頻率計算的目的是確定水利工程的設(shè)計頻率，所以水文頻率計算是水文統(tǒng)計學(xué)核心教學(xué)內(nèi)容之一。

3)水文時間序列預(yù)測。

目前，水文學(xué)研究的熱點和難點問題之一是水文時間序列的預(yù)測(尤其是中長期預(yù)測)。預(yù)測方法主要分為基于成因預(yù)測和數(shù)理統(tǒng)計預(yù)測兩大類，其中統(tǒng)計預(yù)測是目前常用的徑流量預(yù)測手段，包含了傳統(tǒng)的統(tǒng)計學(xué)方法以及灰色預(yù)測、模糊預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、小波分析和馬爾科夫鏈等方法[10]。馬爾科夫過程是水文統(tǒng)計學(xué)教學(xué)難點之一，雖然不是主要的知識點，但掌握該方法，不僅可以進(jìn)行水文時間序列的預(yù)測，更將提高學(xué)生學(xué)習(xí)本專業(yè)熱情，為學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)專業(yè)課程或考取水文專業(yè)的研究生增強(qiáng)了信心。所以可以將馬爾科夫過程作為上機(jī)實驗的一個重要內(nèi)容。

3.3 實驗內(nèi)容的設(shè)計

水文統(tǒng)計學(xué)的設(shè)計實驗，利用Excel、SPSS、Matlab、Origin和R軟件都可以完成。但對初學(xué)水文統(tǒng)計的同學(xué)而言，如果沒有學(xué)習(xí)以上軟件的基礎(chǔ)，既要處理較多的數(shù)據(jù)，又要掌握數(shù)據(jù)處理的方法和過程，建議利用Excel作為處理綜合實驗的軟件。

以上3個知識點都可以針對一組水文時間序列進(jìn)行分析，水文數(shù)據(jù)可以通過3種方式獲得：1)任課教師自己準(zhǔn)備(最好是自己課題中的數(shù)據(jù))；2)實驗之前讓學(xué)生自己在網(wǎng)上搜索或在圖書館借閱相關(guān)書籍；3)與附近水文站或氣象站建立合作關(guān)系實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。但3個知識點合成一個實驗，學(xué)生完成需要的時間太長；另外，進(jìn)行水文頻率計算之前需要確定隨機(jī)變量的數(shù)字特征。

綜合分析，將以上3個知識點分為以下2個綜合實驗。1)“基于Excel的水文序列頻率曲線的繪制”，主要內(nèi)容包括：海森幾率格紙的繪制、水文序列的數(shù)字特征的計算、參數(shù)的估計(適線法)、水文頻率曲線的繪制和判定、水文頻率的確定；其中海森幾率格紙的繪制需要足夠的細(xì)心和耐心。2)“基于Excel的水文序列的馬爾科夫預(yù)測”，主要內(nèi)容包括：水文序列數(shù)學(xué)期望和標(biāo)準(zhǔn)差的計算、水文序列的狀態(tài)劃分、一步及多步轉(zhuǎn)移矩陣的計算、水文過程的預(yù)測；其中轉(zhuǎn)移矩陣的計算同樣需要足夠的細(xì)心。

3.4 實驗成果

在水文統(tǒng)計學(xué)的多年授課過程中，堅持開設(shè)以上實驗，得到以下2點實驗效果。

1)學(xué)生創(chuàng)新能力明顯提高。

發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，是創(chuàng)新的源泉和動力。上機(jī)綜合實驗的開設(shè)，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力和動手能力，達(dá)到了實驗?zāi)康摹?/p>

在第一個實驗“基于Excel的水文序列頻率曲線的繪制”中，學(xué)生對“海森幾率格紙繪制”過程的繁瑣深有體會。實驗結(jié)束后，就有一些同學(xué)嘗試用其他操作軟件來進(jìn)行實驗，以避開繁瑣的繪圖過程。另外，通過預(yù)習(xí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有水文序列頻率曲線自動生成的軟件，但沒有源代碼；教師可以鼓勵學(xué)生進(jìn)行嘗試，設(shè)計自己的水文序列頻率曲線自動生成的軟件。

在第二個實驗“基于Excel的水文序列的馬爾科夫預(yù)測”,在Excel中轉(zhuǎn)移矩陣的確定顯得很笨拙。實驗過程中，就有學(xué)生對其進(jìn)行改進(jìn)；實驗結(jié)束后，有一些同學(xué)嘗試?yán)镁幊虂斫鉀Q重復(fù)的計算過程。另外，學(xué)生在實驗過程發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[11]所采用的疊加馬爾科夫預(yù)測方法在實際應(yīng)用中存在預(yù)測能力受限、效率不高的問題；通過與老師的交流，提出改進(jìn)的方法；并與老師一起利用該方法發(fā)表了學(xué)術(shù)論文[12]。

另外，河南理工大學(xué)在2015年和2017年參加全國大學(xué)生水利創(chuàng)新設(shè)計大賽獲得一二等獎的同學(xué)都是上機(jī)試驗中表現(xiàn)活躍、成績優(yōu)秀的同學(xué)。

2)考試成績分析。

上機(jī)綜合實驗的設(shè)置提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)習(xí)主動性明顯加強(qiáng)，反映在考試成績上即：每學(xué)年的優(yōu)良人數(shù)普遍較多，不及格人數(shù)極少，如表1所示；成績的分布區(qū)間更為合理，如圖1所示。

表1 2012～2016年水文統(tǒng)計學(xué)考試成績對比

圖1 2012～2016年水文統(tǒng)計學(xué)成績分布圖

通過教學(xué)實踐，師生共同的體會是：創(chuàng)新并不是一件特別難的事，只要勤思考、勤動手就會發(fā)現(xiàn)問題，并產(chǎn)生新的方法解決問題。

4 結(jié)束語

創(chuàng)新是“互聯(lián)網(wǎng)+”時代最重要的特征；上機(jī)綜合實驗的教學(xué)對于工科專業(yè)課程中抽象概念和理論的理解十分重要，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識和探索能力的重要環(huán)節(jié)。

創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，是上機(jī)實驗核心價值的體現(xiàn)；須通過學(xué)生對實驗的預(yù)習(xí)、上課時師生的互動和實驗完成后對結(jié)果的思考改進(jìn)，這3個環(huán)節(jié)逐步培養(yǎng)和提高。

以水文統(tǒng)計學(xué)為例，結(jié)合水文學(xué)科發(fā)展的熱點和難點問題，確定了2個上機(jī)綜合實驗。通過課后學(xué)生的反饋信息和考試成績可以看出：上機(jī)綜合實驗的設(shè)置提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使成績的分布更為合理；切實培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。