李瑞華 宋剛福 陸建紅

摘 要：在新時期國家戰(zhàn)略需求下，培養(yǎng)利用現(xiàn)代信息技術(shù)分析和解決復(fù)雜工程問題的能力顯得十分重要。本研究以MATLAB程序設(shè)計課程改革為例，革新傳統(tǒng)被動輸入的學(xué)習(xí)模式，提出以面向產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)生為中心構(gòu)建“教、學(xué)、做一體化”的教學(xué)模式，以持續(xù)改進(jìn)為目的建立多重考核方式，梳理國家戰(zhàn)略需求和給水排水工程的綜合應(yīng)用型案例，將理論與實踐有機(jī)結(jié)合，育人與育才相統(tǒng)一，以培養(yǎng)出適應(yīng)新時期國家戰(zhàn)略需求的高素質(zhì)人才。本研究成果將為編程類相關(guān)課程建設(shè)提供參考和應(yīng)用實踐。

關(guān)鍵詞：MATLAB軟件；課程思政；教學(xué)設(shè)計；實踐教學(xué)

基金項目：2021年度河南省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目“面向新時期國家戰(zhàn)略需求的河南省給排水科學(xué)與工程一流專業(yè)建設(shè)探索與實踐”（編號：2021SJGLX155）；2021年度河南省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目（學(xué)位與研究生教育）“黃河國家戰(zhàn)略背景下環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)研究與實踐”（編號：2021SJGLX012Y）

作者簡介：李瑞華（1990— ），女，華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院講師，研究方向為水污染控制技術(shù)及固體資源化回用；宋剛福（1977— ），男，華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院教授，研究方向為水資源系統(tǒng)分析及水污染控制技術(shù)；陸建紅（1973— ），女，華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院副教授，研究方向為水處理理論與技術(shù)、城市水務(wù)規(guī)劃與信息化管理研究。

隨著黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，社會迫切需要大量具備扎實專業(yè)理論基礎(chǔ)，富有創(chuàng)新精神和實踐能力，善于應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)的高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才。給排水科學(xué)與工程專業(yè)主要是培養(yǎng)從事水資源保護(hù)、市政給排水、建筑給排水、海綿城市、低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)等方面工作的高素質(zhì)工程技術(shù)人才。新時期國家戰(zhàn)略的實施不僅為給排水專業(yè)發(fā)展提供了廣闊的空間，同時也對專業(yè)人才培養(yǎng)及其與社會需求的契合度提出了更高要求。

MATLAB程序設(shè)計課程是華北水利水電大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)開設(shè)的一門工程基礎(chǔ)課，注重數(shù)據(jù)分析和計算機(jī)思維能力的培養(yǎng)，強(qiáng)調(diào)理論與實踐相結(jié)合，依托其獨特的數(shù)學(xué)算法和編程設(shè)計幫助學(xué)生分析和解決復(fù)雜給排水工程問題。為了不斷努力培養(yǎng)和造就適應(yīng)新時期國家戰(zhàn)略需求的高素質(zhì)人才，課題組以MATLAB程序設(shè)計課程為依托建設(shè)教學(xué)團(tuán)隊，探討編程類課程如何以面向產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、如何以學(xué)生為中心構(gòu)建一體化教學(xué)模式、如何以持續(xù)改進(jìn)為目的建立考核方式，通過對理論和實踐教學(xué)實施進(jìn)行改革與探索，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的分析思維、創(chuàng)新意識和實踐能力，并對教學(xué)效果進(jìn)行評價和總結(jié)，輔助考核反饋結(jié)果反思教學(xué)效果，持續(xù)改進(jìn)下一輪教學(xué)實踐，全面提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性以及創(chuàng)新性。

一、課程學(xué)情分析與思考

MATLAB程序設(shè)計課程為給排水科學(xué)與工程專業(yè)的一門工程基礎(chǔ)課，開設(shè)于第四學(xué)期，此時學(xué)生已具備高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、工程力學(xué)、概率分析與數(shù)理統(tǒng)計、計算機(jī)與信息技術(shù)等高等數(shù)學(xué)及工程數(shù)學(xué)的基本理論知識，初步具備合理抽象、邏輯推理和分析綜合的能力。但還存在以下問題，首先，在此類基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中，課程內(nèi)容多、學(xué)時緊張，一般采取以教師講解為主的授課方式，課后通過大量的習(xí)題幫助學(xué)生鞏固對重難點理解，學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和創(chuàng)新思維意識不足；其次，大學(xué)生尚未系統(tǒng)接觸過此類編程軟件，未掌握計算機(jī)語言處理問題的思路，缺乏軟件語言的分析能力和創(chuàng)新思維，無法將現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用于解決復(fù)雜工程問題；最后，編程類課程的理論性強(qiáng)、實踐性強(qiáng)，需要平衡理論知識教學(xué)和編程實踐教學(xué)，體現(xiàn)出“教、學(xué)、做一體化”的教學(xué)思想，且有必要讓學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)資源和文獻(xiàn)資料自主學(xué)習(xí)軟件更新內(nèi)容。鑒于以上問題，MATLAB程序設(shè)計課程的改革和創(chuàng)新勢在必行。

二、示范課堂教學(xué)改革設(shè)計與實施

（一）以面向產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容

MATLAB程序設(shè)計的課程目標(biāo)主要是依托于MATLAB軟件，輔以在工程中的應(yīng)用案例，識別和表述給水排水工程問題，模擬不同領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題，進(jìn)而支撐問題分析和使用現(xiàn)代工具的畢業(yè)要求。針對課程目標(biāo)和產(chǎn)出導(dǎo)向，教師應(yīng)首先對課程內(nèi)容體系和教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入分析與優(yōu)化設(shè)計，強(qiáng)化理論知識與工程案例應(yīng)用之間的聯(lián)系，并在理論授課過程中適時加入應(yīng)用背景和思路分析等，結(jié)合演示操作深化重難點，從而實現(xiàn)理論知識與實際操作的充分融合。在案例選取上，應(yīng)重點關(guān)注學(xué)生知識、素質(zhì)、能力的增長點，挖掘與黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略、給排水工程背景相關(guān)的案例，開發(fā)能夠體現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新精神、探究意識的綜合性設(shè)計題目，如水質(zhì)指標(biāo)分級、水處理工藝優(yōu)化、水質(zhì)水量模擬預(yù)測、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可視化等。通過小組討論、開放回答等模式促使學(xué)習(xí)模式由被動輸入轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)知識、實踐能力、綜合素養(yǎng)“三位一體”融合發(fā)展的人才培養(yǎng)新模式。在教學(xué)思路上，結(jié)合MATLAB程序設(shè)計教學(xué)大綱的授課內(nèi)容，從理論起源、創(chuàng)新發(fā)展、技術(shù)應(yīng)用等角度，無形中滲透政治信仰、價值理念、精神追求、科學(xué)思維、工匠精神等思政元素。

MATLAB程序設(shè)計課程的國家戰(zhàn)略元素和思政內(nèi)容嵌入設(shè)計內(nèi)容如下。一是在MATLAB系統(tǒng)環(huán)境章節(jié)，可以結(jié)合文獻(xiàn)資料，講解MATLAB軟件在給水、排水和建筑給排水工程及其在黃河流域生態(tài)保護(hù)中的具體應(yīng)用，深化學(xué)生對給排水職業(yè)的認(rèn)識，增強(qiáng)學(xué)生對專業(yè)的自信心，樹立奉獻(xiàn)給排水和環(huán)保事業(yè)的理想信念和精神追求。二是在MATLAB數(shù)據(jù)及其運算章節(jié)，可以結(jié)合運算規(guī)則，引導(dǎo)學(xué)生樹立遵守規(guī)則的意識。三是在MATLAB矩陣處理章節(jié)，引入楊輝三角、祖沖之計算出圓周率小數(shù)點第七位等案例，增強(qiáng)學(xué)生的文化認(rèn)同和民族自豪感。四是在MATLAB程序流程控制章節(jié)，通過程序流程編寫、運行及調(diào)試優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生縝密的科學(xué)思維和“執(zhí)著專注、精益求精、一絲不茍、追求卓越”的工匠精神。引入黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展國家戰(zhàn)略背景，結(jié)合《河南省黃河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，利用選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等實現(xiàn)“多參數(shù)水質(zhì)分級”的工程案例。五是在MATLAB繪圖章節(jié)，設(shè)置“水質(zhì)參數(shù)變化趨勢”案例，通過圖形可視化更直觀的判斷和分析水質(zhì)波動情況，為后續(xù)專業(yè)課打下良好基礎(chǔ)。六是在MATLAB數(shù)據(jù)分析與多項式計算章節(jié)，結(jié)合不同數(shù)據(jù)分析不同比賽計分規(guī)則，引入奧運健兒的拼搏事跡，培養(yǎng)學(xué)生愛國、敬業(yè)的社會主義核心價值觀。結(jié)合多項式運算和曲線擬合等理論知識，設(shè)置“水處理工藝參數(shù)優(yōu)化”“水質(zhì)水量模擬預(yù)測”題目，體現(xiàn)水污染控制技術(shù)在流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用價值。七是在MATLAB數(shù)值積分微分與方程求解章節(jié)，結(jié)合我國古代數(shù)學(xué)成果，培養(yǎng)學(xué)生開拓進(jìn)取、創(chuàng)新的科學(xué)思維。結(jié)合文獻(xiàn)資料，講述最優(yōu)化問題求解在水污染控制技術(shù)優(yōu)化等案例中的應(yīng)用，鼓勵學(xué)生借助網(wǎng)絡(luò)資源達(dá)到終身學(xué)習(xí)的目的。八是在MATLAB符號計算章節(jié)，結(jié)合文獻(xiàn)資料，講述MATLAB符號計算在水生態(tài)數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)用，鼓勵學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)提高對MATLAB廣泛應(yīng)用的認(rèn)識。

（二）以學(xué)生為中心構(gòu)建“教、學(xué)、做一體化”教學(xué)模式

MATLAB程序設(shè)計課程設(shè)置有理論學(xué)時和實踐學(xué)時，要充分考慮課程結(jié)構(gòu)特點，理論教學(xué)應(yīng)以學(xué)生作為教學(xué)課程的主體，教師起到主導(dǎo)作用，實踐教學(xué)可考慮小組協(xié)作、學(xué)生自己動手、教師輔助指導(dǎo)的教學(xué)模式，將基礎(chǔ)理論課程與實踐課程有機(jī)結(jié)合，從而構(gòu)建“教、學(xué)、做一體化”的教學(xué)模式。

理論教學(xué)受學(xué)時限制，采取傳統(tǒng)的教學(xué)方式已無法達(dá)成課程目標(biāo)，可以采取學(xué)生自主學(xué)習(xí)、教師重難點講解及工程案例分析、網(wǎng)絡(luò)資源輔助教學(xué)等多維教學(xué)模式。課前，要求學(xué)生對重點內(nèi)容進(jìn)行任務(wù)式學(xué)習(xí)，提前反饋預(yù)習(xí)效果；課中，教師針對運行理論、程序調(diào)試等重難點進(jìn)行深入講解，結(jié)合工程案例進(jìn)行討論分析，共同給出開放性的運算思路；課后，學(xué)生再次總結(jié)案例并結(jié)合軟件操作完成章節(jié)作業(yè)，層層深入實現(xiàn)對重難點的掌握。

實踐教學(xué)對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和實驗內(nèi)容要求較高，若一味地按照教材中的實驗內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，會限制學(xué)生的創(chuàng)造性思維和邏輯分析能力，從而影響教學(xué)效果，無法滿足給水排水工程應(yīng)用及國家戰(zhàn)略對高素質(zhì)專業(yè)技術(shù)人才的需求，因此，需要結(jié)合實踐教學(xué)方法和實驗題目進(jìn)行改革探索。首先，在實踐內(nèi)容設(shè)置上，教師可以結(jié)合專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域和國家戰(zhàn)略需求設(shè)計出綜合性、創(chuàng)新性強(qiáng)的實驗項目，例如將程序控制結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計相結(jié)合設(shè)計出“多參數(shù)水質(zhì)分級”題目，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計、多項式計算與圖形可視化相結(jié)合設(shè)計出“污水處理廠出水水質(zhì)參數(shù)變化”，將數(shù)據(jù)插值與圖形可視化相結(jié)合設(shè)計出“水處理工藝參數(shù)優(yōu)化”題目，將數(shù)據(jù)插值與程序控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計出“管網(wǎng)管徑選擇”題目等，以上復(fù)雜問題既涉及多個知識點，需要學(xué)生對理論知識有充分了解，也應(yīng)設(shè)置出開放性的解決思路，不拘泥于固定答案，又進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的開放性、創(chuàng)新性思維。其次，在實踐內(nèi)容教學(xué)上，依托于課程教學(xué)團(tuán)隊，每次設(shè)置兩名主講教師，實現(xiàn)“小班教學(xué)”模式，全程突出以學(xué)生為教學(xué)主體、教師輔助指導(dǎo)的教學(xué)思路，貫徹以練為主、以講為輔的教學(xué)模式，執(zhí)行小組討論、自己動手的實踐方式，保證每一名學(xué)生都能針對實踐內(nèi)容自己上機(jī)操作，有效鍛煉學(xué)生的實際編程動手能力，提高學(xué)生利用專業(yè)知識和計算機(jī)語言解決復(fù)雜工程問題的能力，促使學(xué)生向開發(fā)型、研究型、應(yīng)用型人才轉(zhuǎn)變，最大程度保證實踐效果。此外，要注意個別差異性教學(xué)，在教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后可以留出自由訓(xùn)練時間，學(xué)生可以根據(jù)自身情況主動練習(xí)課后習(xí)題，或者針對課堂練習(xí)不理解的地方進(jìn)行自由提問，教師可給予恰當(dāng)?shù)墓膭钚栽u價，最大程度保證課堂教學(xué)走向開放。

（三）以持續(xù)改進(jìn)為目的建立多重考核方式

根據(jù)MATLAB程序設(shè)計課程的特點，該門課程注重對每一名學(xué)生理論學(xué)習(xí)和實踐學(xué)習(xí)的綜合考核，重點關(guān)注學(xué)生對于工程案例的分析和解決能力，結(jié)合學(xué)生達(dá)成度的定性和定量分析，不足之處反饋到后續(xù)教學(xué)，進(jìn)而達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的。

針對學(xué)生考核，主要設(shè)置平時成績、上機(jī)成績和期末考試成績?nèi)糠?。平時成績可占10%—20%，主要包括學(xué)生作業(yè)、課堂測試、課堂互動、小組討論等，體現(xiàn)學(xué)生對重難點的理解程度和自主學(xué)習(xí)的積極程度；上機(jī)成績占30%，包括上機(jī)報告成績和上機(jī)考試成績兩部分，主要依據(jù)學(xué)生上機(jī)操作熟練程度、小組討論情況、報告撰寫情況等，體現(xiàn)學(xué)生對實驗操作的理解和應(yīng)用能力；期末考試成績可占50%—60%，題目可設(shè)置客觀題、應(yīng)用題、分析題、圖形可視化題目等，題目不拘泥于固定答案，主要考查學(xué)生的理解能力、分析能力和創(chuàng)新意識。課程結(jié)束后，需要結(jié)合考核分?jǐn)?shù)完成課程目標(biāo)達(dá)成度評價報告，對于未達(dá)成個人需要的逐一分析原因，給出切實可行的改進(jìn)措施。

教師可根據(jù)教學(xué)效果完成評價。首先，教師自查總結(jié)在本次課程結(jié)束后是否完成全部教學(xué)設(shè)計，重難點及案例講解是否到位，并記錄學(xué)生互動情況，結(jié)合課后學(xué)生提問、反饋情況，完成教學(xué)后記；其次，在本次課程結(jié)束后組織學(xué)生反饋，反饋內(nèi)容主要包括教師講解思路評價、授課內(nèi)容評價、教學(xué)效果評價及授課方式建議等，反饋形式包括集中反饋、重點人員反饋及調(diào)查問卷等；最后，教師針對工程案例完成度進(jìn)行定量分析，包括每次工程案例作業(yè)的完成情況、上機(jī)練習(xí)完成情況以及期末考試工程案例的完成情況，對于普遍問題要反思教學(xué)設(shè)計的不足之處并進(jìn)行記錄。根據(jù)以上考核查漏補(bǔ)缺，形成改進(jìn)方案并應(yīng)用于下一次課程教學(xué)中。

三、課程教學(xué)改革實施成效

MATLAB程序設(shè)計課程改革已在課題組所在的學(xué)校2020級給排水科學(xué)與工程專業(yè)實施，經(jīng)過初步實踐，取得了良好的教學(xué)效果。整體來看，學(xué)生課程目標(biāo)點達(dá)成度由0.787上升至0.831，對理論知識的掌握程度以及操作應(yīng)用的熟練程度均有明顯提升。

課題組在結(jié)課后對2020級學(xué)生完成工程案例的達(dá)成情況進(jìn)行具體分析。結(jié)果表明，學(xué)生利用上機(jī)操作對工程案例的分析能力較強(qiáng)，超64%的學(xué)生完成情況大于平均值，約96%的學(xué)生高于及格線，且強(qiáng)于利用理論知識解決工程問題的能力，這也說明學(xué)生能夠積極參與實踐教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了以學(xué)生為中心的的教育理念，“教、學(xué)、做一體化”教學(xué)模式執(zhí)行到位。但仍有5名學(xué)生的綜合完成情況未達(dá)到期望值，通過對個人學(xué)習(xí)情況進(jìn)行單獨分析，原因主要包括知識點理解不到位、對工程問題的分析能力有限、對實踐操作的熟練程度不足、對工程案例的理解和應(yīng)用不到位等，后續(xù)需要針對程序流程控制等內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

在新時期國家戰(zhàn)略需求的大背景下，課題組以華北水利水電大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)的MATLAB程序設(shè)計課程為依托，組建教學(xué)團(tuán)隊，引導(dǎo)教師專注課程建設(shè)和教學(xué)水平提升。在課程改革上，以面向產(chǎn)出為導(dǎo)向設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，融入水環(huán)境保護(hù)等工程案例和課程思政元素，以學(xué)生為中心構(gòu)建“教、學(xué)、做一體化”教學(xué)模式，強(qiáng)化學(xué)生在理論教學(xué)和實踐教學(xué)中的參與度。通過對學(xué)生達(dá)成度的定性和定量統(tǒng)計分析，多角度評價教學(xué)改革的提升效果，深入剖析學(xué)生對課程內(nèi)容的理解掌握情況以及教師在課程實施過程中的不足之處，從而持續(xù)提升課程實施效果。

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