建构主义视域下学科竞赛驱动新工科学生创新实践能力——以物联网工程专业人才培养为例

陈荣军，郑雅妮，李绮桥，聂 琼，王磊军

（广东技术师范大学，广东 广州 510665）

0 引言

“新工科”建设是我国教育部为主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑创新驱动发展、“中国制造2025”等一系列国家战略，而提出的推动教育改革的“中国方案”[1,2]。从高校层面来看，“新工科”主要是指新兴的工科专业和传统工科的转型升级[3]，要求工程人员具备宽广的基础知识、更高的创新能力和综合实践能力[4]。创新实践能力是衡量一个国家是否具有可持续核心竞争力的一项重要指标。因此，我国高校应以培养具有创新能力和实践能力的多学科交叉型与复合型人才为己任[5,6]。但目前我国高校正处于复合型人才培养的关键时期，创新实践人才培养仍是教学建设中较为薄弱的一环。促进创新实践能力的提升，学科竞赛不失为一条很好的途径。本文以物联网工程专业为例，构建以建构主义学习理论为指导思想、以学科竞赛为驱动主线，全方位、多层次提升学生创新实践能力的新培养体系。

1 学科竞赛驱动学生创新实践能力的现状分析

国内以学科竞赛驱动学生创新实践能力的研究文献有很多，从《中国大学教学》《高等工程教育》《实验技术与管理》《实验室研究与探索》等具有典型代表性的核心期刊论文文献来研究，2011年到现在共有191 篇相关文献。如图1所示，以学科竞赛驱动学生创新实践能力的研究一直呈递增趋势，体现出该方向是研究热点。另外，如图2所示，以学科竞赛驱动学生创新实践能力的相关课题研究基金支持论文占总论文数27.5%，其中仅国家自然科学基金资助论文占总论文数9.89%，占所有基金数的38%，体现出国家和各政府部门也非常重视该研究方向。因此，学科竞赛驱动学生创新实践能力不仅是研究热点，还是国家培养人才战略的重点。

图1 学科竞赛驱动学生创新实践能力相关文献年度分布情况

图2 学科竞赛驱动学生创新实践能力相关文献基金资助情况

文献中以学科竞赛驱动学生创新实践能力培养的研究方法有很多，如夏春琴等人[7]等根据自身院校的特点，以课程改革为基础、学科竞赛为载体，提出了创新人才分层次培养模式；刘立等人[8]在对学科竞赛进行分析的基础上，提出适度增量、开放自愿、学生主体等学科竞赛基本原则，制定出“赛学一体化”的培养模式；文献[9]根据本科实践教学存在的问题，推进教学手段、育人模式的优化和创新型实验平台的建设，进而推动学生创新实践能力的培养。

综上所述，学科竞赛在一定程度上能够促进学生的创新实践能力，但如何以兴趣式、项目式驱动学生自主完成学科竞赛、自主建构创新实践能力是目前人才培养研究里普遍缺失的。从有关学科竞赛与创新人才培养的研究现状中可以发现，有的研究者一方面在强调学科竞赛是创新人才培养的重要途径，是创新人才培养的重要环节，但又把参加学科竞赛看成是对学生实施闲暇教育的一部分。这说明对于学科竞赛在培养创新人才中的重要性尚未真正认识到位。值得注意的是，在这些研究成果中，系统性、建设性、创新性的研究较少，尤其缺乏一套完整的系统理论体系。因此本课题的研究对建构主义学习理论的应用、对以学科竞赛驱动学生创新实践能力培养具有比较重要的价值。

2 建构主义理论指导下学生创新实践能力培养体系的研究

2.1 建构主义学习理论

建构主义将学习定义为学习者利用一定的辅助手段，在实际学习情景中对已有知识进行重新认识，并对新知识进行建构的过程[10]。建构主义强调学习者是信息加工的主体，是意义的主动构建者，而不是在外部条件刺激下的被动接受者或被灌输对象。如图3所示，建构主义包含了情景、协作、会话和意义建构四要素。建构主义认为学习者需要在一定的认知情景中才能有效建构知识。因此，教师需要为学习者提供合适的认知情景。协作和会话要素强调了学习者之间和教师与学习者之间交流的重要性。教师在意义建构过程中充当着帮助者、引导者和促进者的角色[11,12]，而不是知识的传授者和灌输者。

图3 建构主义学习理论

2.2 学生创新实践能力培养的特点分析

创新实践能力是指利用已有知识和经验，提出有价值的新思想、新方法和新成果，新颖而独特地解决实际问题的能力[13]，可以说是个人综合素质的最高体现。培养创新实践能力则可以从以下三个方面进行分析：

①兴趣是动力，学生是主体，教师为主导

兴趣是创新的源泉，是创新最好的老师。学生的兴趣不是与生俱来的，需要教师启发诱导，发挥其主导作用，培养学生收集、处理、加工信息的能力，鼓励学生主动探求新知，让学生的创新潜能得到最大程度的释放，以此促进创新实践能力的发展。

②自主学习的氛围，启发式的教学方法

在创新实践能力培养中，启发式是常用的教学方法，也是最为有效的方法之一。与传统教学方法“以讲为学”“以做为学”相对比，它更多的是让学生主动思考“为什么这样做”“还能怎样做”等有价值的问题，充分调动学生的积极主动性，培养良好的思维习惯，培养发现问题、分析问题、解决问题的能力。

③回归真实情境，注重实践经验，在实践中创新

创新能力是依托于真实情境中的知识应用和技能而习得的，抽离真实情境的实践无法驱动创新的产生，因此创新须在具体实践活动中体现出来，驱动学生对自身与环境的审视以及对已有技能的重构[14]。

2.3 体系构建思路

建构主义认为学习者的学习应该是主动构建知识经验的过程，在原有知识经验的基础上与新知识产生矛盾，重构认知过程，更新原有的知识体系。这个过程总是在一定的情境下进行的，不可能超越具体的情境来获取新知识，学生在真实的情境中、在指导教师的帮助下自主探索[15]，主动构建意义。在建构主义学习理论的指导下，以学科竞赛驱动学生创新实践能力培养体系的构建思路如图4所示。该体系从学习者的角度出发，用学科竞赛去多样式地驱动学习者学习课程，在建构主义视域下去设计学生创新实践能力培养体系，强调实践情景，注重学习的协作会话，引导学习者进行意义建构，从而培养学习者的创新实践能力。

图4 创新实践能力培养体系的构建思路

3 基于建构主义学习理论构建物联网专业培养体系

物联网是一门涉及计算机、电子信息、通信等多种领域知识的新型交叉学科，仅从理论学习的层面上很难将各学科融合在一起，因此实践教学在其专业教学中显得尤为重要[16]。物联网实践教学过程必须遵循由简到繁、由易到难、由深到浅的原则[17]，在建构主义学习理论的指导下，学科竞赛对理论的学习起到引导和巩固的作用，能够维持学生的学习动力。以广东技术师范大学的物联网工程专业为例，构建以学科竞赛为载体、符合人才培养要求及学生发展需求的创新实践能力培养体系，如图5所示。

图5 创新实践能力培养体系

在建构主义视域下以学科竞赛驱动物联网专业创新实践能力培养体系中，根据不同阶段学生学习任务的不同，设计相应的学科竞赛。一年级阶段，主要学习公共基础理论课程，包括物理数学类课程、软件编程基础类课程、电子硬件基础类课程，与之配套的竞赛有全国数学建模大赛和蓝桥杯竞赛。支架式教学法[18]是指教师在教学中为学生搭建脚手架，通过这些支架来引导学生进行下一步学习，提高解决问题的能力。由于一年级的学生还处于理论基础知识薄弱的阶段，因此需采用支架式教学法来进行相关课程教学，而配套的基础竞赛则以兴趣式的方式来驱动；二年级阶段，主要学习专业基础课程，包括物联网感知层、网络层、应用层基础类课程，与之配套的专业基础学科竞赛有全国大学生电子设计竞赛、华资杯、全国物联网设计大赛等。抛锚式教学法[19]是一种基于问题的教学，学生围绕一个实际的问题进行学习产出，强调实际经验的获取。二年级的学生在一年级阶段的学习之后，逐渐掌握一定的知识技能，能够进行物联网专业实际问题的学习，因此可以采用抛锚式教学法来进行专业基础课程的学习，而专业基础学科竞赛也同样采用问题式驱动；三年级、四年级阶段，主要学习专业综合课程，包括物联网应用系统设计类课程、物联网工程实训类课程、物联网专业实践类课程，而与之配套的专业综合学科竞赛有全国移动互联创新大赛、“互联网+”创新创业大赛、挑战杯等项目式比赛。随机进入式教学法[20]是来源于建构主义学习理论的分支，即认知弹性理论，通过不同的途径、方式让学生进入同样的教学内容进行学习，从而让学生能够灵活运用所学知识。三年级、四年级则采用随机进入教学模式驱动专业综合学科竞赛，可以全方位、多层次提升学生创新实践能力。

4 实践成效

实施教学以来，无论在学科竞赛的获奖层面，还是在学科竞赛所衍生的科研成果层面，都取得了积极成效，大大提高了学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。如图6所示，近4年来，广东技术师范大学物联网工程专业学生获得省级、国家级竞赛奖项的数量逐年上升，教师指导学生参加学科竞赛获得省级、国家级奖项共111 人次。其中，2020年由于受新冠疫情影响，获奖人次较去年仅相差8 人次，与2018年同期相比增幅达59%。同时，以学科竞赛为载体的创新实践教学模式，营造了浓厚的科研创新氛围，专业负责教师在该培养体系下指导物联网工程专业学生先后申请发明专利2项、实用新型专利2 项、软件著作权11 项和4 项国家级大学生创新创业训练计划项目，获得良好的社会荣誉，这不仅能有效地促进本校教学质量和科研水平，还能有效地提高学生的实践能力和创新能力。

图6 2017—2020年学生获奖情况示意图

5 结语

在建构主义学习理论的指导下，以学科竞赛为驱动点，在自主学习、合作学习与探究学习等方式的作用下，从根本上解决了过去单一的教学模式所存在的问题，诠释了“以学生为中心”的教学原则，让学生从被动接受知识转变为主动参与学习，切实提高教学质量，形成有效的教学模式。进一步弥补了学科竞赛驱动创新实践人才培养在理论指导和实践操作中的不足，细化了在建构主义学习理论下如何以兴趣式、项目式等驱动学生自主完成学科竞赛、自主建构创新实践能力的教学研究。因此，本研究对提升教学质量，培养高素质创新应用型人才有重要的现实意义。