新工科背景下培养学生创新能力的实践

史友进,刘浩宇,尹博民

(南通理工学院 建筑学院，江苏 南通 226002)

在强化应用型人才培养的今天，高校找准自身定位，响应市场需求，用市场信息来引导和推进高校的人才培养改革，让高校更好地与市场接轨，是当前高校迫切需要思考的现实问题。2017年教育部《关于开展新工科研究与实践的通知》，明确提出了新工科的内涵：新理念、新结构、新模式、新质量、新体系。新工科概念的出现，说明现有工科教育不适应经济发展对人才的需求，需要通过创新来解决当前工科教育中存在的问题。

一、培养创新能力是新工科建设的核心内容

新工科之根本在创新。新工科建设不仅是传统工科与现代技术的有机结合，更是传统理念与现代理念的交融与碰撞，需要探索多元化人才培养方式,为社会输送富有创新精神与创新能力、具有较强竞争力的综合型人才，也为学生实现自己的人生价值提供保障。[1]

竞争力强的学生必须具备较强的创新能力。在新工科建设背景下，高校需要找准对人才培养体系进行综合改革的切入点，对传统工科的改造必须注重学科的交叉融合。对工科专业学生而言，迫切需要提高的是创新能力和实际操作能力。新工科背景下培养具有“创意、创新、创业”能力的人才是当前高等教育面临的重要使命，[2]“三创”是相辅相承的，有好的创意才有可能创新，创业必须建立在有创新能力的基础上，培养工科学生的创新能力应是新工科建设的核心内容。

二、开放性实验项目是培养工科学生创新能力的有效途径

实验教学是工科院校培养创新人才的重要环节，是理论课程的拓展。在新工科背景下，学科要交叉融合，实验需要融合创新。开放实验室是高等学校实验创新的一个主要举措，它强调在内容、方法和手段上对传统实验项目进行全方位的改革，使实验课程具有启发性和趣味性。开放性实验具有实验周期短、灵活性强和项目来源广等特点，在培养学生实践能力、科研思维和综合素质等方面发挥着重要作用，成为高校实践教学改革的重点内容，是培养创新人才的一种有效途径。[3]

1.开放性实验项目能够发挥学生的主体作用

开放性实验项目来源广，指导教师可以利用实验室多种设备，设计具有创新性的项目，提高实验设备的利用率；也可将自己的科研成果进行教学转化，设计出具有研究性、实践性的课题，有利于提高教学改革和人才培养的效果。学生可以选择自己感兴趣的项目，在指导教师的引导下查找文献资料，设计实验方案，自主完成实验及报告。教师要在开放性实验中充分发挥学生的主体作用，让学生挑战具有一定难度的探究性问题，体验成功探索实验的成就感，培养学生的自信心。[4-5]

2.开放性实验项目能够培养学生的合作意识

开放性实验以小组形式组织实施，不同学科、不同专业背景的学生参加同一实验小组，可以扩展学生的知识面，促进跨学科知识的融合，培养团队合作意识。在开放实验室项目中，学生拥有自由发挥的环境，在实验过程中能够主动掌控整个实验过程：可以通过改变实验条件，关注、追踪研究热点，开发新的实验项目，达到锻炼动手能力的目的。开放性实验中，教师可以因材施教，培养优秀学生，让优秀学生协助教师指导其他学生，从而进一步强化学生的合作意识，充分发挥团队合作在提高开放性实验教学效果中的作用。

3.开放性实验项目能够培养学生的创新精神

学生可以独立分析和解决实验中遇到的问题，能有效启发学生的创新理念与创业欲望，有利于学生进行为何而学、学有何用、用有何价值的思考，增强学生的自主判断能力。开放性实验注重对实验项目的实践和探索，促进学生了解先进的科学技术与研究方法，提升实践动手能力，让学生在实践中学习, 在动手操作的过程中体验探索的成就感,培养学生的创新精神，为后续的科研深造或工作就业奠定良好基础。

三、开放性实验培养学生创新能力的实践

1.实验目的

混凝土是工程建设中用量最大的建筑材料，土木工程专业的许多课程都需要用到混凝土的知识，学生对其知识的掌握程度将直接关系到毕业后能否胜任岗位的要求。混凝土是骨料、水泥浆及骨料—水泥浆界面组成的复合材料，其尺度范围介于0.000 1～0.1 cm之间，属于细观层次，土木工程专业的学生不借助工程仪器是难以领悟其中学问的。混凝土细观力学建模是研究混凝土损伤、结构耐久性、水份传输、氯离子扩散、碳化过程、钢筋锈蚀等问题的重要基础，在混凝土细观分析中起着非常重要的作用。

混凝土数值建模研究是培养学生实践与科研能力的开放性试验项目，是掌握混凝土细观力学原理、提高综合专业知识能力的过程。通过课程的基础学习、程序设计和编程调试等环节，使学生了解混凝土细观力学模拟在土木工程中的理论和应用价值；激发学生对本专业学习、研究的兴趣，为今后专业发展奠定基础；通过基于MATLAB混凝土细观建模实践，培养学生的编程和建模能力，为学生的学业生涯设计、就业核心竞争力的提升提供专业支撑。

2.实验内容和实施

MATLAB语言简单、编程容易，在计算方法、建模仿真等方面对土木工程专业的学生帮助很大。我们在开放实验室项目中开设了“混凝土数值建模”实验课，主要内容有骨料建模、骨料投放、界面生成等。实验引导学生了解细观力学理论，通过计算机模拟可以分析混凝土材料内部缺陷，对混凝土材料进行细观层次的破坏分析，更清晰地把握混凝土材料的工程情况，启发学生在细观世界的想象能力，有利于土木工程专业学生创新能力的培养和对工程细节的把控。

为了拓宽学生视野，教师也可向学生推荐3～5篇混凝土数值建模和细观力学方面的参考文献。不少学生通过认真阅读、积极思考，了解混凝土数值建模在混凝土损伤模拟以及混凝土中氯离子扩散模拟等方面的应用。有的学生还主动查阅相关资料，尝试模仿资料中介绍的内容开展研究工作。混凝土数值建模开放实验激发了学生从事相关研究的热情和愿望，增强了学生的创新意识。

3.实验意义

(1)激发创新思维，促进跨学科知识联系。新工科要求高校培养“三创合一”智能人才，需要提高学生理论与实践相结合的能力，需要学生融会贯通各学科知识。MATLAB软件的具象性、编程错误处理的直观性、多维图像坐标的准确性、数据处理的多样性等特点，十分合适作为土木工程专业学生学习混凝土数值建模的工具。[6]将化学、物理等学科的理论分析思维运用到混凝土分析中，构建跨学科交流平台，学生综合分析问题能力的得到显著提升，学生的抽象思维能力得到一定启发，进而激发学生的创新思维。

运用MATLAB软件进行混凝土细观建模，其构建多方面模型的上手难度相对较小，既可以让学生了解软件的功能，又可以将复杂且繁琐的数学运算以编程的形式巧妙的得出结果，可视化数据帮助学生理解计算结果，得到解决工程问题的启发。这可以提高土木工程专业学生个人的能力，增加学生的创业创造资本。

(2)促进学生创新思维能力的良性发展。建筑工程规模宏大，环境复杂，需要有将理论知识应用于工程实践的能力，学生具有创新能力就显得格外重要。土木工程专业是一个实践性极强的工科专业，常规实验教学受实验时间和实验场所的限制，一些实验不能得到有效开展；学生缺乏对学科前沿发展状况的了解，创新能力得不到有效提升，创新思维能力可能会变为空想能力。传统学科有上百年的历史底蕴，要做出创新对本科学生难度较大。“混凝土数值建模”开放性实验，是综合性实验、探究性实验，对学生创新潜能的启发作用要大于传统学科。因为用MATLAB软件对混凝土材料进行细观层次的破坏分析，在构建多方面模型上的创新难度相对较小，其创新成果的运用对象明确，学生可以更清晰地把握混凝土材料的工程情况，能够有效提高土木工程专业学生个人的能力，使学生的创新思维能力得到良性发展。

(3)培养“厚基础、宽口径”的专业人才。随着国家对基础建设的大力投入，土木工程专业人才要培养 “厚基础、宽口径”并独具特色的人才，越来越多与工程相关的软件需要土木工程专业学生去了解、学习、运用，给予土木学生更多与实践相关的选修课是有必要的、有意义的、有效果的。混凝土细观力学与MATLAB的结合学习可以满足学生了解新软件的功能，将抽象的理论知识运用于具体的对象，通过计算机软件将复杂且繁琐的数学运算以编程的形式得出结果，可视化数据帮助学生理解计算结果，得到解决工程问题的启发。计算机模拟既能实现无纸化模拟实验，又能加强土木工程专业学生对信息资源的分辨能力、处理能力、储存能力、运用能力，可谓一举多得。

4.实验成效

自2021年秋学期开始在土木工程专业开设“混凝土数值建模”实验以来，学生在计算机建模过程中，体会到学习的快乐，增强了自信心，取得了一些成果。已申请国家级大学生创新创业项目1项，申请发明专利1项(已进入实审阶段)，撰写研究论文两篇。学生通过参与开放性实验，提高了自学能力、分析能力、计算能力，激发了参与科学研究的兴趣，目前有2组学生正在积极准备材料，申请2022年度的大学生创新创业项目。