刺激控制教学模式下的工科学生“运筹学”课程改革

赵红超，刘洪林，冯金枝，张晓雷，赵亚红

1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；

2.新疆医科大学附属新疆维吾尔自治区中医院 CCU，新疆 乌鲁木齐 830000；

3.咸阳师范学院 数学与应用数学系，陕西 咸阳 712000

课程建设

刺激控制教学模式下的工科学生“运筹学”课程改革

赵红超1，刘洪林1，冯金枝2，张晓雷1，赵亚红3

1.新疆大学 地质与矿业工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；

2.新疆医科大学附属新疆维吾尔自治区中医院 CCU，新疆 乌鲁木齐 830000；

3.咸阳师范学院 数学与应用数学系，陕西 咸阳 712000

随着“大工科”培养理念的进一步深化和社会对复合型人才培养要求的不断提高，经济管理类课程已经逐步纳入工科学生培养方案，但学生的学习积极性一直得不到有效的提高。本文以新疆大学采矿工程专业为例，基于“宽采矿”专业人才培养新方案，引入行为心理学研究方法，积极探索刺激控制教学模式下的工科学生学习兴趣培养与教学方法改革，通过创新课堂教学手段，改革考核评价机制，探索工程案例教学等方式践行具有显著新疆矿业地域特色的课程改革新思路，不断提升采矿工程专业学生参与经管类课程主观能动性，取得了良好的效果，可以为相关工科专业的经管类课程教学改革提供参考。

刺激控制；课程改革；工科；运筹学

stimulate motivation; course reform;engineering;OS

随着高等教育普及化改革程度的进一步加深，社会对人才质量的要求越来越高，在工科人才培养方面主要表现在更加强调学生理论知识与专业实践的统一协调，全面发展学生的智能并不断激发其创造性和能动性[1]成为当前人才培养的基本目标。为此，丰富多样的经济管理类课程（运筹学、技术经济学、系统工程学、管理学、组织行为学等）随之进入“大工科”人才培养体系。但是受任课教师专业限制、教学内容选择不合理、教学理念更新缓慢和教学方法相对陈旧等诸多因素制约，经济管理类课程在工科人才培养体系中本应发挥的作用不是十分的明显，甚至出现部分课程学生表现出厌学的突出问题。

本文选取工科学生普遍涉及的经济管理类核心课程“运筹学”为研究对象，以新疆大学“宽采矿”专业人才培养方案为蓝本，引入行为心理学研究方法，在实际教学过程中积极探索以刺激控制法为核心的教学理念和教学方法的改革创新，取得了较好的教学效果，相关成果可以为进一步深化“大工科”培养理念，特别是完善人才培养体系的改革与实践提供参照。

一、 工科学生运筹学的再认知

运筹学是以定量研究为主体，应用分析、试验、量化的数学方法，通过对经济管理系统中人、财、物等有限的资源进行统筹安排，为决策者提供科学可行的最优方案，以期获取整个系统的最优（较优）决策方案的一门基础应用学科。

1.运筹学分支在采矿工程中的应用

“运筹学”作为采矿工程专业的核心基础课程，其相关学科分支的主要应用体现在以下几个方面[2]：

（1）线性规划模型（linear programming） 。煤炭资源的预先评估，在建矿井的生产资料合理

配置、生产矿井的利润最大化和成本最小化、采掘接替计划安排、合理开采规模确定等方面。

（2）整数规划模型(integer programming)。生产调度所需机电设备、人员的统筹计划以及技术经济比较中对比方案的取舍决策等方面。

（3）目标规划模型（goal programming） 。在保证技术可行的前提下经济的开拓开采技术方案筛选，最小人员配置，复杂生产条件下的多方案选择等方面。

（4）图论与网络分析（graph theory and network analysis） 。矿井通风网络图绘制、风量调节与分配、井巷工程空间位置选择、生产运输路线确定、有限人力资源的合理计划、工作面循环作业图表的编制等方面。

（5）存储论（inventory theory） 。在建矿井合理设备订购数目、生产矿井基本生产资料存储量、考虑存储成本下的矿井合理生产规模确定和预期售价的确定。

（6）对策论与决策论（game theory） 。不同经济环境下的关键决策手段选择和方案确定，竞争关系下的合理矿产品定价、双赢模式下的双方合作机制选择等方面。

（7）动态规划（dynamic theory）。最短运输路线选择、投资决策方案优选、矿用大型设备更新、最少人员配置、折旧经济损失控制等方面。

2.当前教学中存在的主要问题

通过对现行教学过程全程跟踪和教学效果评价，归纳包括学科发展定位、配套教材选择、主讲教师配备、教学方式滞后在内的影响教学效果的4个主要影响因素。

（1）学科发展定位。

以最优化的方法确定决策问题的目标继而实现效益的最大化是运筹学学科的最终目标，将学科发展定位于大众化教育还是专业化教育的争论不仅是学科发展的瓶颈[3]，同时也直接关系其在工程类专业实际教学中的侧重点选择。尽管在现行教学计划安排中，运筹学已经被纳入采矿工程专业的专业基础课程范畴，但各矿业类高校普遍将学科定位为面向对象的大众化教育，其培养模式与“高等数学”、“概率论与数理统计”等基础课程大同小异，将教学的重心放在基本理论的推导和相关定理的证明上，极易使得整个教学陷入纯数学学科分支的传统讲授模式之中，不仅与课程本身期望加强采矿工程专业人才经管意识的初衷相背离，也在一定程度上降低了学生学习的积极性。为解决这一问题，本教研室将“运筹学”定位于偏向工程实践的专业课程，在实际教学过程中以解决采矿工程实际问题为出发点，以培养采矿工程学生熟悉经营管理理念和掌握常用经济管理技术手段为目标。

（2）配套教材选择。

“运筹学”作为经济管理专业的核心课程，目前市面上流通的教材种类繁多、质量参差不齐，如何选择适合采矿工程专业的教材直接关系到后期整个教学环节的实施。尽管近年来部分高校已经在逐步推广采用专门面向工科学生的运筹学教材但要做到与采矿工程专业的无缝对接依然难度较大。为此，本教研室以《新疆大学采矿工程专业培养大纲（2011年修订）》提出的“宽采矿”人才培养模式为蓝本，选取清华大学出版社《运筹学教程》为教材，以学院教师承担的科研项目为切入点，提炼运筹学主要学科分支实际工程应用，选取具有新疆特色的采矿工程案例编制成《矿业运筹学讲义（新疆大学版）》，作为对现行教材的主要补充。

（3）主讲教师配备。

通常情况下，运筹学主讲教师由具有数理专业背景的教师担任，尽管对于理论知识的讲授比较清楚但由于采矿工程专业相关知识的匮乏，在教学过程中侧重于基本理论的推导而忽视了运筹学方法与矿业工程实践之间的关联性。对如何从矿山生产实际问题抽象出运筹学问题缺少研究，特别是对于实际问题的求解以及对计算结果的解释缺乏准确地把控。同时由于主讲教师的专业背景限制和个人研究方向的制约，对于运筹学涉及的各类数学模型的把握也存在一定偏差。导致教学重点围绕在线性规划、目标规划、整数规划、动态规划等传统章节，对于直接与采矿工程息息相关的网络计划、存储理论、图与网络分析、对策论等内容讲解不足，对学生毕业后从事相关专业生产实践活动产生影响。为此，本教研室选择具有经济学背景的专业教师担任主讲教师，采取案例教学的方式，最大限度实现理论与实践相结合。

（4）教学方式滞后。

目前运筹学教学主要按照常规教材编排体系进行讲授，不能与专业课程实现有效对接。由于运筹学开设时间为第5学期，与现行培养计划中的“采矿学”、“矿井运输与提升”、“矿山压力与

岩层控制”等专业核心课程在同一时段，能否将各个学科体系贯通，不仅关系学生对“运筹学”课程本身的认可，也直接影响到采矿工程专业学生对整个“大采矿”学科体系的准确认知和深入学习专业课程的积极性与主动性。

寻找基础理论与采矿工程专业的契合点是目前运筹学教学的重点与难点。针对这一问题，新疆大学采矿工程教研室对现有的章节式教学体系进行优化，提出以主干课程为导向的模块化教学方式，图1为讲义的模块化教学体系构建图。

其中以主干课程为导向的模块化教学体系指围绕同期进行的4门专业基础课程，按照分析问题—抽象问题—模型建立—问题求解的系统过程，以“开拓设计”、“准备设计”、“回采设计”为大类建立案例教学资源库，以“采掘”、“运输”、“销售”为小类提取教学案例，制定包括线性规划、动态规划、网络规划在内的教学模块，在各教学模块实施过程中始终贯穿基本理论推导、计算机软件求解、教学案例二次开发3个环节，使学生真正认识到“运筹学”作为专业基础课程的重要性，同时也可以进一步加强对其他专业课程的深入理解与掌握。

图1 运筹学课程模块化教学体系构建

通过采取模块化教学方式，将各门专业课程教学环节打通，以解决相关工程实际问题为出发点，以专业工程案例为教学内容，有效地拓宽了运筹学教学内容的深度和广度，充分发挥运筹学的纽带作用，在“宽采矿”培养模式的整体框架下，实现各专业课程教学内容上的大融合。

二、刺激控制学习动机的作用

在准确的学科定位、专业教材选取和主讲教师等与教学环节息息相关的因素确定的基础上，亟须对教学理念和教学模式进行革新，有效地激发学生的学习积极性和主动性，以期从根本上改善现行课程学生学习积极性不高、解决实际问题能力不足的问题。为此，引入行为心理学研究方法，开展刺激控制教学模式改革。

刺激控制教学模式是建立在B F Skinner等[4]行为主义强化理论的基础上，认为环境中的任何一个能够提高个体期望产生概率的事物都可以作为强化。

通常认为学生从教学环境中接受刺激，刺激推动感受器并转变为神经信息，而这个过程根据刺激的强弱和学生的选择性感知而确定短时记忆能否进入长时记忆并在适当的时候有效的提取。即学生能否对课程表现出较强的求知欲继而进入自主学习的阶段主要取决于学习动机的强烈程度和外部刺激条件的强弱。

根据学生与教学环境刺激之间的相互作用关系，笔者基于教学效果反馈结果分析，将刺激控制教学模式按照学生对外部教学环境刺激产生的学习动机强弱差异划分并统计出各自的持续时间。

由图2可以看出，如何在教学计划安排的时限内尽可能早地激发学生的学习积极性并将动机成型阶段最大化的提前直接关系到教学效果的好坏。为说明刺激控制学习动机的控制作用，从以下3个方面展开。

图2 刺激控制学习动机成型全过程时段划分

1. 学习需要与培养目标

学习需要表现为学习者主观的学习愿望或意向，由于传统教学过程中于缺乏对课程培养目标的正确把控与积极导向，致使学生不能充分认识到“运筹学”与其他专业课程之间的联系，低估了其作为专业基础课程的重要地位和在实际工作中的作用，从而造成学生学习积极性不高、主动性不够的情况出现。

新疆大学在参照国内矿业类高校培养大纲的基础上做大幅度调整，将课程定位为培养具有统筹协调能力和系统观念的复合型人才的专业核心课程，着重培养学生抽象思维和解决实际问题能力，摒弃了以往以掌握运筹学基本理论为核心的培养目标。以学生个人需求为导向，选取具有显

著新疆特色的工程案例，让学生真正体会到学科间的普遍联系，认识到运筹学对个人专业发展的重要性，从而激发其学习热情。

2. 学习期待与评价体系

学习期待是个体对学习活动所要达到目标的主观估计，是学习目标在人脑中的主观形象。传统的以理论讲授、公式推导、手工计算为核心的教学方式很大程度上造成学生对“运筹学”课程的畏惧感，无形中增加了学生学习的心理负担。加强学生对包括LINGO、WinQSB软件在内的现代计算工具掌握对于提高学习期待、降低学习难度具有不可估量的作用。

合理的评价体系对于学习期待的作用是异常显著的。当学习需要初步形成，学习期待将自始至终贯穿在整个学习与教学活动之中。

目前普遍采用的期末试卷考核制在很大程度上制约了学生学习期待的有效形成，缺乏对整个学习过程的监控考核从另一方面弱化了个体的学习目标。能否实现全过程的量化考核的关键在于评价体系的合理完善。为此，将平时成绩划分为四个项目（课堂、实验、创新、竞赛），并给予每个项目赋予不同的权重，用以充分发挥学生的积极性与主观能动性。

表1 评价体系比重

3. 学习迁移与内涵发展

奥苏伯尔的“先行组织者”教学策略认为如果不能为新的学习任务提供观念上的固着点，增加新旧知识之间的可辨别性，则不能有效地促进学习迁移。单纯的以课程学习的结束作为课程学习的终点显然与课程设置的初衷相背离。

学习迁移的最高境界就是各学科间知识的相互贯通，消除专业课程之间的壁垒，更进一步的推动整个知识网络的构建。对于“运筹学”课程改革而言，就是以模块化教学为核心，选取同期进行的专业课程中涉及的实际问题或工程应用作为教学案例，通过采用运筹学的思维方法和相关理论进行模型建立、计算求解、结果分析等完整过程，最终找到最优决策方案。不断尝试利用现有知识储备解决未知问题，继而增加学生在整个学习过程中的自我认同感和自豪感，从而有效地促进其进一步投入新知识的学习掌握之中。

三、刺激控制教学模式的实施

本文以新疆大学采矿工程专业2011级4个采矿工程专业班级为测试对象，测试周期为2013年9月至2014年1月，其中11-1,11-3班为测试样本（刺激控制教学模式），10-2,10-4班为对比样本（传统教学模式），通过控制变量的方法探索刺激控制教学模式下工科学生学习动机的激发与持续强化。

1.呈现期望行为的刺激线索分类

结合目前教学环节中普遍存在的问题，首要解决的问题是寻找学生呈现期望行为的刺激线索。按照归因理论，可以将影响学生期望行为产生的刺激线索划分为3大类（稳定的、可控的、内部的），主要涉及课堂环境、教学媒介、教学方法、学习环境、能力高低、外界环境6个方面，如表2所示。

表2 呈现期望行为的刺激线索分类

其中学习环境、能力高低、外部环境3个直接影响期望行为产生的刺激线索在传统教学模式和刺激控制教学模式下是趋于一致的。其中存在显著差异的主要体现在课堂环境、教学媒介和教学方法3个方面。

（1）课堂环境。

课堂环境主要包括教学地点选择和教学时间编排。根据实际教学安排将测试班级和对比班级分别安排在普通多媒体教室和数值计算中心（机房）并告知课程学习内容结束后可以进行自主的讨论与上机实践检验。结果显示在数值计算中心上课的学生普遍能够较好地接受知识，且注意力集中时间明显长于在普通多媒体教室。尽管后者也

可以开展一定量的验证性实验，但总体效果不如前者。分析原因主要在于学生普遍喜欢较为宽松的课堂环境而不是中规中矩的课堂讲授，更倾向于自己动手检验结果而不是任课教师的演示。从教学时间编排上而言，学生注意力集中持续时间在上午3～4节课最长，下午5～6节学习效果最差。

（2）教学媒介。

教学媒介主要涉及包括板书、问答在内的传统教学手段和现代多媒体教学手段。传统的教学方法基本上以课堂讲授配合板书为主，虽然在课程的条理性和清晰度方面占据优势，但对于复杂问题特别是工程性较强的问题时明显不足。多媒体教学手段可以在较短的时间内展示较多的教学内容，但学生对具体推演过程的掌握显得有些吃力。由于实施模块化教学之后，更加强调各课程之间的关联性，故在大力推广多媒体辅助教学的基础上，鼓励学生运用所学内容建立与之相对应的数学模型或者采用其他动画制作方式将实际工程案例做简单复原，增加实际案例的立体性和可操作性。

（3）教学方法。

常用的教学方法主要包括课堂讲授法、实验指导法和自学指导法，根据对2011级采矿工程专业131名学生的问卷调查结果分析，不同的学习阶段学生对不同的教学方法的接受程度是有所变化的，在课程开始初期学生更倾向于课堂讲授法，随着课堂教学计划的推进和学习动机的不断强化，其他的教学方法也逐步得到认可，与国外相关研究结果差异性主要表现在自学指导法所占权重较低，主要原因在于学生缺少自主学习的信心和学习的需求不足。

2.安排期望行为的效果建立

在准确探求呈现期望行为的刺激线索的基础上，需要考虑安排期望行为的效果建立。以实验课程环节为例，主要指在实验课程开设初期给学生预先设定完整的实验任务和课程评价体系。

在优选实验教学内容和优化教学大纲设计方面做进一步改善，让学生清楚地掌控自己学习的重心，更加强调动手实践能力的教学导向将在一定程度上激发学生的学习积极性。为进一步敦促学生养成自我学习的良好习惯，充分发挥实验课程在培养学生独立意识和学习主动性方面的优势，以全国大学生数学建模竞赛组队模式为参照，以班级为单位，3名学生自由组队形成学习小组，在每个版块学习完成之后布置相应的实验任务，提交涵盖问题分析、模型建立、软件求解、数据分析在内的实验报告，并按照既定的评价体系进行考核。

同时，为进一步激发学生的积极性，设定以周为单位，给予每个小组15～20分钟时间进行现场汇报，内容涵盖软件学习、案例开发、方法探讨等方面，在一定程度上通过上台演讲的方式提高个人的自我认同感和自信心，作为反馈机制，不断增强学生的学习需要与学习期待，以便更好地投入到后期的学习中去。

3.减少期望行为实现难度

通过初步的期望行为的效果建立，基本上可以让学生认识到学习本门课程的重要性和实用性，为进一步推进学生学习积极性的激发与维持，必须减少期望行为的实现难度。

具体表现为在安排实验内容和分组讨论的初期，对相关的辅助性知识进行适当的补充和讲解，同时根据各个小组的以往表现，布置与其能力相适应的任务，避免了传统的因为知识层次结构差异较大而产生的部分学生厌学甚至放弃心理。控制合理的教学进度和难度是保证学习兴趣的基本前提，为此实验课程方面允许学生互相指导学习，但是保证考核过程中的公平公正，以学生自身知识掌握为目标，避免了传统的“一刀切”评价模式，在最后一次实验课结束之前，允许学生根据自己对知识的掌握程度在试题库范围内参加多次考核。

4.消除非期望行为的刺激线索与效果建立

在课程改革初期，特别是让学生将自己的研究成果做集中汇报的时候，个别同学表现出明显的漠视甚至冷嘲热讽，在很大程度上挫伤了演讲学生的积极性，针对这一问题，及时进行制止，同时给予演讲学生相应的鼓励，经过3周的坚持，后面学生准备的材料和演讲效果均有显著的增加，实现学期末每名学生均有独自上台演讲或准备演讲材料的经历，不仅在本门课程的学习过程中取得较大的收获，同时也增加了对专业的认同，促进了自我能力的提高。

除此之外，对影响学习效果的可控因素（学习环境和外部环境）特别是课堂学习环境方面做有效的限制，在上课之前要求所有学生关闭手机及其他移动设备，在每节课程中间留设10～15分钟的随堂练习时间以及上课前5分钟的课程复习。另一方面，对学生课后学习环境做积极有效的引导，

包括作业布置以小组为单位，从题库中随机抽题，不仅可以丰富学生知识面的广度，也可以有效地杜绝作业过程中的抄袭，减少非期望行为产生的刺激线索。

四、刺激控制教学模式教学效果评价

为进一步探索刺激控制教学模式在运筹学改革中的实际效果，在2012级采矿工程3个班级中继续开展刺激控制教学模式改革，结果表明测试班级学生平均成绩明显高于采用传统教学方法的班级，且全学年课堂出勤率也处于较高水平，如表3所示。此外，更多的学生投入课外学术活动，分别获得全国大学生电工杯数学建模竞赛获得三等奖1项，全国大学生采矿工程专业学生实践作品大赛获一、二、三等奖各1项，挑战杯创业计划大赛优秀奖1项。

五、结论

为充分发挥运筹学作为采矿工程专业的专业基础课程在人才培养体系中的重要作用，新疆大学采矿工程系以“宽采矿”专业人才培养方案为蓝本，积极推进刺激控制教学模式下的“运筹学”课程改革，有效地改善了传统课程教学中存在的包括学生学习积极性不高，学习效用不明显在内的诸多问题，有效地激发了学生的学习积极性和主动性，取得了较好的教学效果。本文提出的刺激控制教学模式改革亦可以为其他工科专业经济管理类课程提供参考。

表3 教学效果评价

[1] 张幼蒂,王玉浚.采矿系统工程及其发展趋势探讨[J].煤炭学报，1997，22(12)：52-56.

[2] 李志猛,祝江汉,邱涤珊.启发式教学在运筹学课程中的应用与实践[J].高等教学研究学报，2008，31(4):58-60.

[3] 韦福雷,胡彩梅.理论与实践互动的经管类运筹学教学体系研讨[J].实验室研究与探索，2011，30(2):177-179.

[4] Skinner Burrhus Frederic.The Behavior of Organisms:An Experimental Analysis[M].Amazon: Library of Congress,1938:457.

[5] 沈炜，文伟全.运筹学课程实验教学方法的探讨［J］.实验室研究与探索，2009，28(8):135-137.

[6] 余 跃，王婷婷.在运筹学课程教学中培养学生的创新思维［J］.吉林省教育学院学报，2007，23(2):27-29.

[7] 王南兰，彭琛，陈日新，等.改革实验教学体系，培养学生创新精神［J］.实验室研究与探索，2011，30(8):163-166.

G642

A

1006-9372（2016）03-0022-06

2015-11-10。

新疆维吾尔自治区教育厅高校科研计划（XJEDU2014S011）；新疆大学21世纪高等教育教学改革工程四期项目(XJU2015JGY65)；新疆大学地质与矿业工程学院院级教学改革工程项目（DK2015JG01）；地质与釆矿工程自治区级实验教学示范中心建设项目资助（新教财[2012]254号文件）；国家大学生创新训练计划（201510755071）。

赵红超，男，讲师，主要从事巷道围岩稳定机理与支护技术的教学和研究工作。

投稿网址： www.chinageoeducation.net.cn 联系邮箱：bjb3162@cugb.edu.cn

赵红超，刘洪林，冯金枝，等.刺激控制教学模式下的工科学生“运筹学”课程改革[J].中国地质教育，2016，25（3）：22-27.

Title: Exploration of Teaching Method Reform on Course of Operation System in Engineering Based on the Stimulate Motivation Model

Author(s): ZHAO Hong-chao, LIU Hong-lin, FENG J in-zhi,ZHANG Xiao-lei, ZHAO Ya-hong