探究式教学在创新实践课程中的应用

赵俊红

摘要：提出将探究式教学方法应用到创新实践课程教学中，培养和提高学生实践和创新能力，探讨如何避免探究式教学中的两类误区，阐述探究式教学在教学中的定位与应用。

关键词：探究式教学；创新实践课程；创新能力；实践能力

0.引言

科技的发展对创新提出更高要求，科技水平的竞争即是创新能力的竞争，这就给高等工程教育带来新的挑战。高等工程教育需加强对工科学生创新精神和创新能力的培养。

1.探究式教学对于创新实践课程的必要性

20世纪50年代，探究式教学方法被提出，它强调“以学生为中心”的学习方式，也是教育课程改革的一个重要而具体的目标。美国《国家科学教育标准》中表述：“科学探究指的是学生构建知识、形成科学观念、领悟科学研究方法的各种活动。”探究式教学做到了“回归实践”“回归问题”“回归主体”。工科教育强调理论与实践相结合，侧重在科研实践活动中培养学生的创新精神和实践能力，而探究式教学正是让学生积极思考，独立探究，自行发现和掌握原理和结构的一种教学方法，能让学生自觉、主动探索科学问题并获得解决方法。因此，可将探究式教学引入到创新实践课程中。

机器视觉系统被广泛地应用于现代自动化生产过程中，如工况监视、成品检验和质量控制等领域，可提高生产的柔性和自动化程度，是自动化技术的重要应用之一。机器视觉与智能检测创新实践课程作为选修课程在大四第一学期开设，是一门应用性很强的课程，注重培养学生独立解决问题的能力和学生的创新精神、创新能力。

2.探究式教学在创新课程中的定位

在教学过程中发现探究式教学易出现两类偏差，一类是对探究的泛化，另一类则是对探究的神化。前者表现为将不具有探究式的教学过程冠名为探究式教学，后者则是把问题提出、资料收集和方案设计、结论的得出等都交由学生自行完成，缺乏教师必要的指导，这二者都违背了探究式教学的本质。

经过5年教学实践，我们已获得该课程的有效教学模式。该教学模式包括以下环节：设计研究课题、学生选择研究课题、学生查找资料、分组讨论、完成研究课题、分组答辩等。在整个教学过程中，学生为主体，资料的收集和方案设计及结论都由学生完成，这可以有效避免探究的泛化，不会变成教师讲而学生照着做的验证性实验。但是研究课题的设计中对于大部分本科生是比较困难的，因为研究课题需要满足一定的要求，所以需要教师进行题目设计。同时由于多数本科生从未接触过科研活动，因此在学生开始自行设计之前，教师可应用案例分析的方法，讲解一个具体实践任务的大致完成步骤，包括如何收集资料、如何分析和分解问题、如何设计方案等，让学生对创新实践的科研过程有具体认识，才能快速进入自己所感兴趣的课题研究中去。这样就可以避免对探究教学的神化，不会变成放任自流的自学，探究教学仍然在“教”，教会学生查阅资料、教会学生进行方案设计，学生是主体，教师是主导，指导学生自主完成实践课题，保证实践课题的顺利完成。

3.探究式教学在课程中的具体实施

3.1创新实践问题的提出

探究即学生在一个全新的问题刺激下，自主寻找解决问题的办法的过程；而创新实践则需要在一个实践问题中提出新的见解和解决方法。鉴于本科生的知识结构，如题目太难，不能在有限课时内解决，会给学生带来较大的挫败感；如题目太简单，则无法有效培养创新精神和创新能力，达不到该门课程的教学目标，因此，实践课题的选取非常重要。

创新实践的科研课题应具有以下4个特征：开放性、可行性、障碍性、创新性。开放性即问题的解决方案是多样的，并不是唯一的，这样可使得学生能从多方面思考问题，设计求解方法，有助于培养创新思维和发散思维，而且可以避免学生在实践课程中进行一些简单验证性的实践，即避免探究教学的泛化。

可行性即设计的问题能让学生在没有接触过该门知识的情况下，在一学期之内较好地解决。太难的问题会让学生产生挫败感，无法完成；而太容易的问题达不到探究的目的。

障碍性即学生利用已有的知识无法解决问题，必须学习、总结和运用新的知识，才能完成该科研课题。

创新性即在问题的求解中，能将创新意识的感性愿望提升到理性的探索上，实现创新活动由感性认识到理性思考的飞跃。因而有效地设置创新实践课程中学生需要解决的科研课题，是实施探究式教学的核心和关键。由于问题的设计需要较强的专业知识，而从未涉及过机器视觉的大四本科生，自行设计出一个具有开放性，又能进行一定程度创新研究的课题是不现实的，因而此教学环节需要教师积极参与，需由教师按照学生的不同兴趣设计出几大类的课题以供学生选择，这样可以避免将探究教学神化。

由于学生的主观能动性在整个实践课题中是最关键的，必须调动学生的积极性，对于工科学生，与工程实践结合紧密的课题因其具有较好的实际应用价值，更能激发学生兴趣，因此，针对机器视觉在测量领域的应用，我们设计了多个应用研究题目，以供学生按照兴趣自行选择，分别有喷码字符识别、形状分类识别、瓶盖字符识别、圆形零件参数检测、印刷体字符识别、血管识别、拨码开关识别等多类课题。这些创新均符合开放性、可行性、障碍性和创新性4个特点。经5年教学检验，绝大部分的学生能设计出合适的解决方案，从而得到正确的结论，达到创新实践课程的教学要求。

3.2高效获取基础知识的途径

机器视觉与智能检测创新实践这门课程开设的先修课程应该包括数字图像处理和机器视觉等课程，但是这两门课程在本科生阶段并未开设，而探究是运用现有的知识对新问题进行求解，有效的探究必须是在深厚背景知识的基础上才能进行，没有基础知识的积累就像是无源之水，无本之木。学生不可能在缺乏数字图像处理和机器视觉基础知识的情况下提出问题并解决问题，因此需要补修先修知识。鉴于本课程只有32学时，因此需要学生快速掌握知识。

在2009-2011年的3年教学中，我们采用了集中授课的方式，将数字图像处理和机器视觉的主要基础知识，在短时间内给学生讲解，但是在后来的实践中发现，学生难以在短时间内理解和掌握如此大量的基础知识，集中授课的效果并不好。2012年，我们对该环节进行教学改革，采用让学生以教师监督下的自学方式获取先修知识。

采用该种方式获取先修知识的理由如下：提供给学生的视觉检测任务具有多样性，而各类视觉检测任务所涉及的图像处理和机器视觉的知识具有相对独立性，因此在学生根据各自兴趣选定好任务后，应在教师的指导下选取相应的先修知识进行学习，不必将数字图像处理课程和机器视觉课程所有的知识全部学习完，有的放矢地学习需要的知识，可以减少学生准备先修知识的时间。这个环节由于是在学生对该门课程刚刚接触的时候进行，教师需要详细了解学生选择的具体实践任务后，指导学生学习相关基础知识，教师的工作量较大。

在掌握好相应的先修基础理论知识后，学生需要自行查阅相关创新课题的科技文献资料。针对大部分学生仅学习过科技文献检索方法，但没有具体进行过某一科研项目的文献检索，教师可在学生开始文献查阅前，简单复习文件检索方法，并介绍与自动化专业相关度较大的几个数据库。我们在教学活动中发现，针对自动化专业，可以选取PID参数整定为例讲解文献检索。学生在教师讲解完文献检索例子后，对选定的视觉测量任务进行分析、理解，从而进行文献收集。文献收集环节应由学生主动收集相关资料，通过小组交流形式对资料进行整理、分析而完成。在此环节中，学生应该以问题为导向，对该选题要解决什么问题、现有的解决方案的优缺点、如何进行改进等问题进行分析和解决。

3.3在探究式教学过程中培养学生的创新性

创新实践课程的目标是培养学生的创新性。创新可以定义为：根据预定的目的和任务，运用已知信息，开展能动的思维活动，产生某种新颖、独特、有社会或个人价值的产品的个人智力品质。从本质上看，创新能力就是一种发现问题并解决问题的能力。这一能力的高低主要取决于两大因素：学生对基础知识、基本技能的掌握程度和创造性思维能力的高低。前者来源于知识的传授，学生已经掌握基础知识；后者则主要来源于学生本身的思维品质与后天的训练。学生本身的思维品质属于先天的智力因素，在课程中侧重于后天的训练，即需在教学中采用案例教学的方法，选用一个具体的例子，对学生的科学素养和创新思维进行训练。

在课程中，我们使用了“多类水果识别”的案例进行教学，该案例不是学生需要完成的科研项目。在课程中，教师可详细地讲解解决方法，因为对于从未接触过机器视觉的学生，需要引导其了解最基本的机器视觉检测系统的组成部分，教师可以给出较为简单且经济的图像采集方案，如基于Labview和USB摄像头的方案，可引导学生自行设计其他采集方案；引导学生讨论识别各类水果可选择的特征量，对典型水果，学生会给出颜色和形状这两类特征量，针对这两大类特征量，引导学生采用不同的照明方式和光源，经过选择后，得到这两类特征量的适宜光源和照明方式，从而让学生直观感受选择合适光源和合适照明方式的重要性，同时能总结一些基本的选择原则，从实践中获得的知识会理解得更加深刻。对于颜色特征，引导学生学习彩色图像处理的方法；对形状特征，引导学生正确构建能表征的特征量，如周长、面积、圆形度等；对部分学有余力的学生，可指导其利用水果表面纹理信息构造特征量和利用机器学习的方法进行分类识别。

通过以上案例的讲解，使得学生在掌握基本机器视觉系统的构建，如何选择检测的特征量等方面进行一些总结，同时在此案例中运用观察一测量一整理一总结，如果效果不好，则需要再观察—再整理一再总结，对科学的认识呈螺旋式上升态势，特别是对规律的总结，对学生创新能力的培养是很好的锻炼和提高。然后，学生针对自己选择的实践课题进行研究，具体工作包括探究科学问题、针对问题收集资料、从资料中形成自己的方案，能阐述方案的合理性并实现方案。这些步骤中，除探究科学问题由教师给出，从而学生的自主探究性较少外，其他步骤均具有较多的自主探究性，进而培养学生的创新能力。

3.4探究式教学法中对学生创新能力的评价

合理的评价是培养学生创新能力的制度保障。对于该类创新实践课程，应该采用更灵活、更全面的考核方式，应侧重于考查学生的创新能力和独立分析问题的能力。经过5年教学摸索，我们采用了学生按照兴趣自行组织小组，对一个创新课题进行研究，撰写一个科研小论文，然后答辩；答辩过程中，教师可对小组任何成员进行提问。该小组成员成绩由答辩成绩50%+论文质量50%构成。经实践表明，此种方式可以有效遏制学生的懒惰行为，有效激发学生的积极性。由于学生所研究创新实践问题均是开放性的，在考核过程中应对不同的解决方案给以肯定，使得学生不是为了分数而学习，而是真正对科研产生兴趣，这也是本科开设创新实践课程的教学目标所在。

4.结语

经过5年的教学实践，学生的评教结果均为优秀。问卷调查反馈结果显示，学生反映课程内容设置合理，通过该课程，动手能力、文献查阅能力、科技论文撰写能力及解决问题的能力均有较大提高。跟踪大四下期的毕业设计，发现参加过该创新实践的同学，在文献查找的快速性和准确性、动手解决问题能力和科技论文表述能力等方面均具有一定的优势。