屈 泳, 王三華, 阮小軍

(南昌大學 理學院, 江西 南昌 330031)

“學科競賽”與“開放實驗室”是高等學校實踐教學改革的兩個重要研究方向。在高等教育體系中,培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新思維是非常重要的。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育屬于學生能力培養(yǎng)中最高的一種層次,創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與發(fā)展必須依靠參與者個體的主動實踐才能實現(xiàn)[1]。如何更好地培養(yǎng)學生通過實踐學習來提高自身的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力已成為高等學校實踐教學改革的一個重要研究方向。

隨著創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)等實踐工作的深入和發(fā)展,實驗室開放已經(jīng)進入到全面開放的管理新模式中。實驗室的全面開放,指的是實驗室在空間、儀器設(shè)備、時間及實驗教師指導(dǎo)上的全面開放,體現(xiàn)了以學生為中心、有效整合實踐教學資源的教育理念[2]。實驗室的全面開放,不僅是作為傳統(tǒng)課堂教學的補充,有利于實踐教學的良性發(fā)展,同時也為學生開展學科競賽活動提供自主學習、自主發(fā)展、自主創(chuàng)新、自主探索的實驗環(huán)境和儀器設(shè)備保障。開放實驗室的建設(shè)和研究對高等學校的教師科學研究、學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目研究以及實驗室綜合建設(shè)等方面具有十分重要的意義。

數(shù)學建模實踐與教育基地(以下簡稱基地)作為數(shù)學建模實驗室的管理機構(gòu),在實驗室開放管理上進行了多方面的研究和探索,為了促進實踐教學內(nèi)容的多樣化,實現(xiàn)學生自主學習的實驗室開放管理,以數(shù)學建模實驗室舉辦的大學生數(shù)學建模競賽為研究對象，取得了一些實踐性的教學成果。構(gòu)建以數(shù)學建模實踐教學為中心的實驗室開放和學生自主學習,該實驗室是完全開放的運行機制,注重創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)形成了一套實用、開放的實驗室管理和運行體系,具有一定的參考價值。

1 創(chuàng)新型學科競賽實踐教學模式的研究

創(chuàng)新型學科競賽實踐教學模式以培養(yǎng)高素質(zhì)人才為宗旨,在競賽活動中以參賽學生為主體,指導(dǎo)教師作為輔助,以校內(nèi)外多層次數(shù)學建模競賽活動為抓手, 目標是培養(yǎng)和提高大學生學習、應(yīng)用數(shù)學知識獨立分析和解決實際問題的能力、計算機編程能力、科技寫作能力、團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新思維能力[3-4]。

1.1 校內(nèi)數(shù)學建模競賽活動

創(chuàng)新項目的選擇與設(shè)置是學科競賽活動模式的核心內(nèi)容,在項目的選擇上要考慮到難易程度和一定的專業(yè)性,為此我們在多年的研究與實踐中舉辦了10多屆校內(nèi)數(shù)學建模競賽活動。

數(shù)學建模教育與實踐基地每年都主辦一屆覆蓋全校的校內(nèi)數(shù)學建模競賽活動,該項競賽活動面向各個專業(yè)年級的學生展開,并作為美國大學生數(shù)學競賽和全國大學生數(shù)學建模競賽的熱身和選拔,為參加學生提供了數(shù)學建模競賽活動的實踐機會。學校數(shù)學建模競賽的發(fā)展不僅促進了大學生創(chuàng)新思維和實踐能力的提高,而且培養(yǎng)了學生運用計算機和數(shù)學知識解決實際問題的綜合能力。同時也增強了參賽學生的團隊精神和合作意識,全面提高了人才培養(yǎng)水平和學生綜合素質(zhì)[5]。校內(nèi)數(shù)學建模的競賽題目主要來自現(xiàn)實生活中遇到的實際問題,這些問題多為管理或工程技術(shù)等方面,這些問題經(jīng)過適當簡化和處理形成建模競賽賽題。參賽者不要求學習數(shù)學模型等專業(yè)課程知識,只須完成大學公共數(shù)學課程的學習,因而有更大的靈活性來發(fā)展他們的創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。參加者應(yīng)獨立完成模型的假設(shè)、建立和解決，計算方法的設(shè)計和實施，結(jié)果的分析和驗證，以及模型的改進等工作,并最終提交相應(yīng)的建模論文[6]。如在2018年度學校數(shù)學建模競賽中,數(shù)學建模團隊從題庫中選擇出了兩道與實際生活息息相關(guān)的競賽題目供參賽學生作答:A題:快遞分揀機器人最優(yōu)化設(shè)計; B題: 空調(diào)使用壽命與價值比較。參賽學生以3人為一組,在為期1周的競賽期間選擇相應(yīng)的題目,通過計算機軟件設(shè)計模型和解答問題,最后以建模論文的形式進行提交。建模團隊指導(dǎo)教師通過對建模論文的評審確定獲獎學生,并對獲獎的建模論文通過數(shù)學建模講座等方式進行點評。表1為2004年以年來歷年校內(nèi)數(shù)學建模競賽參加人數(shù)和賽題。

表1 2004年以來歷年來校內(nèi)數(shù)學建模競賽參加人數(shù)和賽題

1.2 全國及美國數(shù)學建模競賽活動

全國和美國數(shù)學建模競賽的賽事時間只有短短的3～4天,在較短競賽時間內(nèi)要求參賽隊伍完成模型構(gòu)建、程序設(shè)計與編寫、論文寫作等一系列的工作任務(wù)。為此在競賽的培訓(xùn)和訓(xùn)練上,通過學科競賽驅(qū)動模式進行競賽培訓(xùn)和訓(xùn)練的設(shè)計和安排工作,實現(xiàn)學生實踐能力和創(chuàng)新思維的提高[7]。

數(shù)學建模教育與實踐基地作為數(shù)學建模競賽活動的組織和管理機構(gòu),負責組織學校的各項數(shù)學建模競賽活動及各類大學生數(shù)學建模競賽選拔、培訓(xùn)和管理工作。通過對各級別數(shù)學建模競賽活動的總結(jié)和積累,形成了一套較為完善的學科競賽的管理機制。根據(jù)數(shù)學建模競賽活動的要求和特性,將為期3～4天的競賽周期擴展到1年時間。通過對歷年來的全國及美國大學生數(shù)學建模競賽賽題的研究,在參賽學生的選拔上著重于數(shù)學思維和計算機軟件編程能力等方面,形成了校內(nèi)、全國、美國等多級別的數(shù)學建模競賽的選拔培訓(xùn)機制。各類數(shù)學建模競賽活動情況統(tǒng)計見表2。

表2 各類數(shù)學建模競賽活動情況統(tǒng)計表

1.3 創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式的形成

為實現(xiàn)數(shù)學建模競賽項目的連續(xù)和穩(wěn)定發(fā)展,要建立常態(tài)化的學科競賽培養(yǎng)模式。以各類數(shù)學建模競賽為依托,通過實驗室的全面開放,實現(xiàn)指導(dǎo)教師輔助下的學生自主管理、自我實踐的學科競賽培養(yǎng)模式[8]。在實驗室開放上要健全創(chuàng)新能力培養(yǎng)機制,充分發(fā)揮學生的主動性,培養(yǎng)學生的團隊精神和創(chuàng)造性思維。在實驗室開放上,鼓勵參加學科競賽的學生團隊積極參與實驗室開放管理、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目、科研訓(xùn)練項目等各類大學生學科競賽活動中,營造良好的大學科技文化氛圍。學科競賽培養(yǎng)模式在大學生實踐能力和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)等方面有著非常重要的作用。

大學生數(shù)學建模競賽項目促進了創(chuàng)新培養(yǎng)模式的建設(shè)和培養(yǎng)模式框架的形成(見圖1)。以各類數(shù)學建模競賽項目和數(shù)學建模培訓(xùn)等活動作為實驗室面向?qū)W生開放的依據(jù),以指導(dǎo)教師跟蹤管理和參賽團隊的項目評價來保證實驗室的正常開放管理[9]。

圖1 基于數(shù)學建模競賽驅(qū)動的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式

2 實驗室開放模式的研究與實踐

實現(xiàn)開放實驗室的學科競賽模式可以提高實驗的效率。除競賽項目外,開放實驗室還包括開放實驗室空間、時間和設(shè)備資源。在實驗室開放過程中,以學生為主體,指導(dǎo)教師和實驗室管理人員進行輔助和管理。通過開放的實驗室管理和安全體系,實驗室可以持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展[10]。

2.1 學生數(shù)學建模實踐平臺的建設(shè)

競賽驅(qū)動模式是以參加競賽的學生為主體,按照競賽管理方式構(gòu)成各自獨立的競賽團隊,每個團隊成員都要完成各自的工作和任務(wù),承擔各自的職責,共同協(xié)作完成競賽工作。

由于參加數(shù)學建模競賽活動的學生具有流動性、無法保證團隊長期穩(wěn)定的存在,數(shù)學建模協(xié)會作為數(shù)學建模競賽活動的學生社團,實現(xiàn)了數(shù)學建模競賽活動的自主管理?；卦趯嶒瀳龅睾唾Y源上為數(shù)學建模協(xié)會提供幫助。數(shù)學建模協(xié)會經(jīng)過多年的建設(shè)和發(fā)展,規(guī)模不斷擴大,現(xiàn)在會員已經(jīng)有300余人,協(xié)會成員來自學校的各個專業(yè)和院系。協(xié)會設(shè)立了宣傳部、組織部、學術(shù)部和秘書處4個部門,各部各司其職,又相互聯(lián)系,相互協(xié)調(diào)。并在社長的領(lǐng)導(dǎo)下實現(xiàn)了協(xié)會的日常事務(wù)管理,同時也作為競賽學生管理機構(gòu)參與實驗室開放管理。數(shù)學建模協(xié)會負責校內(nèi)數(shù)學建模培訓(xùn)及講座的承辦和組織工作,不定期開展各類數(shù)學建模競賽的講座及培訓(xùn)活動,數(shù)學建模教育與實踐基地在活動經(jīng)費和實踐場地等方面給予強有力的支持。

2.2 實驗室開放運行機制的研究

數(shù)學建?；氐膶嶒炇矣苫亟y(tǒng)一管理和使用,基地根據(jù)開設(shè)實驗課程進行實驗室教學安排,并通過學校教務(wù)管理系統(tǒng)進行實驗安排的發(fā)布,在時間和空間上做到透明,方便學生的開放性實驗預(yù)約。而各種競賽形式的開放性實驗安排,則由參賽學生和指導(dǎo)教師進行預(yù)約,數(shù)學建模教育與實踐基地履行預(yù)約審核職責,在完成對參加人員及團隊的實驗室安全培訓(xùn)、設(shè)備操作培訓(xùn)等工作后,才能同意參加團隊能進入實驗室開展各類競賽及實驗操作,從而確保實驗人員及實驗室的安全穩(wěn)定。

近年來各高校實驗室開放都在不斷發(fā)展和完善中,但總體的開放效果還不是很理想,觀念陳舊和服務(wù)意識缺乏,已經(jīng)成為阻礙實驗室開放運行的主要因素。課程大綱計劃學時內(nèi)的實驗課程只能為配套的課程教學進行輔助,所開設(shè)的課程大項目多屬于驗證性實驗項目,這些課程的實驗操作環(huán)節(jié)基本上都是由實驗指導(dǎo)教師負責完成的,雖然這些實驗項目能夠?qū)W生的實踐能力進行培養(yǎng)和訓(xùn)練,但是無法實現(xiàn)學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)和訓(xùn)練[11]。學科競賽活動作為創(chuàng)新實踐教學活動,是培養(yǎng)和激發(fā)學生的創(chuàng)新思維及實踐能力的重要環(huán)節(jié)。因此,在實驗室的開放運行機制的研究上,一要做好各類學科競賽的前期工作,充分調(diào)動學生積極地參加各類學科競賽活動,讓學生能夠重視和參與到各類學科競賽中; 二要針對各類學科競賽開設(shè)創(chuàng)新實驗課程和實驗項目,同時積極引導(dǎo)學生進行創(chuàng)新實驗課程和項目的選修,有效推動實驗室的開放運行。

2.3 實驗室開放持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展

實驗室開放的關(guān)鍵問題是實現(xiàn)實驗室持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)展和開放,這也是一個十分復(fù)雜的問題[12]。在實驗室的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展上,首先是開放對象即參加實驗的學生的持續(xù)穩(wěn)定。在這方面,針對大學四年的學業(yè)進行合理的設(shè)計和管理,促進了實驗室開放對象的新老更替。針對一年級學生,鼓勵他們選修數(shù)學建模教育與實踐基地開設(shè)的創(chuàng)新學分實驗課程來進行實驗室的設(shè)備和資源的申請和使用,并為參加今后的競賽學習必要的基礎(chǔ)知識; 二年級和三年級的學生則可以通過參加各類型的數(shù)學建模競賽及培訓(xùn)來實現(xiàn)實驗室設(shè)備和資源的使用; 大四年級學生則可以通過畢業(yè)設(shè)計及參加指導(dǎo)教師的課題來自主使用實驗室的設(shè)備和資源。第二是學科競賽活動費用的管理。實驗室開放和學科競賽活動的順利實施及開放的關(guān)鍵是經(jīng)費問題,在這方面學校安排了專項的學科競賽經(jīng)費和實踐教學基地經(jīng)費進行支持,由基地負責經(jīng)費的使用和管理。第三是實驗室教師和實驗室技術(shù)人員的問題。實驗室全面開放后,實驗室的日常管理和設(shè)備維護以及實驗室指導(dǎo)員的隊伍建設(shè)更加艱巨和復(fù)雜。如何量化實驗室技術(shù)人員和指導(dǎo)員的工作量,對于實驗室的開放具有十分重要的意義,這也是一項非常重要的工作。為此,基地制定了數(shù)學建模教育與實踐活動工作量及管理制度等多項管理和考核制度,從制度上多方面保障了指導(dǎo)教師參與實驗室開放的熱情與工作激情。

3 競賽驅(qū)動模式取得的效果

經(jīng)過多年的實踐與發(fā)展,數(shù)學建模教育與實踐基地在學科競賽活動上采用實驗室開放管理,在學生的綜合素質(zhì)教育及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)等方面發(fā)揮了極其重要的作用,取得了一定的成績和效果:

(1) 提升學生綜合能力。數(shù)學建模教育與實踐基地至今一共主辦了十五屆校內(nèi)數(shù)學建模競賽,總參賽人次有1萬余人次,每屆校內(nèi)競賽期間都會開設(shè)多次數(shù)學建模講座及數(shù)學建模課程培訓(xùn),參加學生通過校內(nèi)數(shù)學建模競賽活動,進行實驗室資源申請和使用。通過參加校內(nèi)數(shù)學建模競賽等學科競賽活動,參加學生實現(xiàn)了數(shù)學建模知識的學習和提高,并在競賽實踐中增長了數(shù)學知識、培養(yǎng)了實踐能力、提升了綜合素質(zhì)。

(2) 提高了實驗室開放運行效率。開設(shè)了多門數(shù)學建模課程相關(guān)的創(chuàng)新學分實驗項目,每年都開設(shè)數(shù)學模型綜合實驗、數(shù)學建模訓(xùn)練、數(shù)學模型、Matlab軟件應(yīng)用等多門與數(shù)學建模相關(guān)的創(chuàng)新學分實驗項目。每年都有數(shù)以千計的學生通過選修創(chuàng)新學分實驗項目使用實驗室的資源和設(shè)備,并從中學習到數(shù)學建模相關(guān)的基礎(chǔ)知識和理論,為今后參加更多的數(shù)學建模競賽活動創(chuàng)造了有利的條件。同時實驗室開放運行的效率也得到提高。

(3) 建立互聯(lián)網(wǎng)交流平臺。組建了數(shù)學建模協(xié)會等學生社團組織,通過開展各種類型的數(shù)學建模講座及微信公眾號、QQ群等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行數(shù)學建模實踐教學的學習和交流。利用先進的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),創(chuàng)建了NCU數(shù)模之家微信公眾號及優(yōu)競賽(校內(nèi)數(shù)學建模競賽)微信報名平臺,為數(shù)學建模實踐教學提供了信息發(fā)布及交流互動的良好網(wǎng)絡(luò)平臺。

(4) 學生競賽成績顯著。數(shù)學建模教育與實踐基地多年來組隊參加全國大學生數(shù)學建模競賽,在全國大學生數(shù)學建模競賽中取得全國一等獎34項,全國二等獎59項,省級獎項兩百多項,并在2016年獲得江西省大學生科技創(chuàng)新與職業(yè)競賽數(shù)學建模團體總分第一名; 自2003年以來,累計獲得美國大學生數(shù)學建模競賽一等獎34項,二等獎108項等較好的成績。近5年來，完成省級以上的大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目及科技創(chuàng)新項目10項。

4 結(jié)語

學生自主學習,教師輔助指導(dǎo)和管理及持續(xù)穩(wěn)定的開放實驗室構(gòu)成了學科競賽活動下的實驗室開放運行機制[13],圍繞各級數(shù)學建模競賽活動、融合數(shù)學建模專業(yè)知識和創(chuàng)新思維的實踐教學模式,有效解決了學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)和實驗室使用效率問題,不僅充分利用了各種實驗室資源,而且提高了學生的實踐能力和創(chuàng)新思維,培養(yǎng)了學生的自主學習及團隊協(xié)作能力[14],為學生的未來發(fā)展和進一步學習奠定了堅實的基礎(chǔ)。此模式對于綜合性大學的實驗室開放提供了一個良好的借鑒和參考,具有一定的推廣和參照價值。