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探究式教學在創新實踐課程中的應用

2016-11-10 08:27趙俊紅
計算機教育 2016年7期
關鍵詞:探究式教學實踐能力創新能力

趙俊紅

摘要:提出將探究式教學方法應用到創新實踐課程教學中,培養和提高學生實踐和創新能力,探討如何避免探究式教學中的兩類誤區,闡述探究式教學在教學中的定位與應用。

關鍵詞:探究式教學;創新實踐課程;創新能力;實踐能力

0.引言

科技的發展對創新提出更高要求,科技水平的競爭即是創新能力的競爭,這就給高等工程教育帶來新的挑戰。高等工程教育需加強對工科學生創新精神和創新能力的培養。

1.探究式教學對于創新實踐課程的必要性

20世紀50年代,探究式教學方法被提出,它強調“以學生為中心”的學習方式,也是教育課程改革的一個重要而具體的目標。美國《國家科學教育標準》中表述:“科學探究指的是學生構建知識、形成科學觀念、領悟科學研究方法的各種活動?!碧骄渴浇虒W做到了“回歸實踐”“回歸問題”“回歸主體”。工科教育強調理論與實踐相結合,側重在科研實踐活動中培養學生的創新精神和實踐能力,而探究式教學正是讓學生積極思考,獨立探究,自行發現和掌握原理和結構的一種教學方法,能讓學生自覺、主動探索科學問題并獲得解決方法。因此,可將探究式教學引入到創新實踐課程中。

機器視覺系統被廣泛地應用于現代自動化生產過程中,如工況監視、成品檢驗和質量控制等領域,可提高生產的柔性和自動化程度,是自動化技術的重要應用之一。機器視覺與智能檢測創新實踐課程作為選修課程在大四第一學期開設,是一門應用性很強的課程,注重培養學生獨立解決問題的能力和學生的創新精神、創新能力。

2.探究式教學在創新課程中的定位

在教學過程中發現探究式教學易出現兩類偏差,一類是對探究的泛化,另一類則是對探究的神化。前者表現為將不具有探究式的教學過程冠名為探究式教學,后者則是把問題提出、資料收集和方案設計、結論的得出等都交由學生自行完成,缺乏教師必要的指導,這二者都違背了探究式教學的本質。

經過5年教學實踐,我們已獲得該課程的有效教學模式。該教學模式包括以下環節:設計研究課題、學生選擇研究課題、學生查找資料、分組討論、完成研究課題、分組答辯等。在整個教學過程中,學生為主體,資料的收集和方案設計及結論都由學生完成,這可以有效避免探究的泛化,不會變成教師講而學生照著做的驗證性實驗。但是研究課題的設計中對于大部分本科生是比較困難的,因為研究課題需要滿足一定的要求,所以需要教師進行題目設計。同時由于多數本科生從未接觸過科研活動,因此在學生開始自行設計之前,教師可應用案例分析的方法,講解一個具體實踐任務的大致完成步驟,包括如何收集資料、如何分析和分解問題、如何設計方案等,讓學生對創新實踐的科研過程有具體認識,才能快速進入自己所感興趣的課題研究中去。這樣就可以避免對探究教學的神化,不會變成放任自流的自學,探究教學仍然在“教”,教會學生查閱資料、教會學生進行方案設計,學生是主體,教師是主導,指導學生自主完成實踐課題,保證實踐課題的順利完成。

3.探究式教學在課程中的具體實施

3.1創新實踐問題的提出

探究即學生在一個全新的問題刺激下,自主尋找解決問題的辦法的過程;而創新實踐則需要在一個實踐問題中提出新的見解和解決方法。鑒于本科生的知識結構,如題目太難,不能在有限課時內解決,會給學生帶來較大的挫敗感;如題目太簡單,則無法有效培養創新精神和創新能力,達不到該門課程的教學目標,因此,實踐課題的選取非常重要。

創新實踐的科研課題應具有以下4個特征:開放性、可行性、障礙性、創新性。開放性即問題的解決方案是多樣的,并不是唯一的,這樣可使得學生能從多方面思考問題,設計求解方法,有助于培養創新思維和發散思維,而且可以避免學生在實踐課程中進行一些簡單驗證性的實踐,即避免探究教學的泛化。

可行性即設計的問題能讓學生在沒有接觸過該門知識的情況下,在一學期之內較好地解決。太難的問題會讓學生產生挫敗感,無法完成;而太容易的問題達不到探究的目的。

障礙性即學生利用已有的知識無法解決問題,必須學習、總結和運用新的知識,才能完成該科研課題。

創新性即在問題的求解中,能將創新意識的感性愿望提升到理性的探索上,實現創新活動由感性認識到理性思考的飛躍。因而有效地設置創新實踐課程中學生需要解決的科研課題,是實施探究式教學的核心和關鍵。由于問題的設計需要較強的專業知識,而從未涉及過機器視覺的大四本科生,自行設計出一個具有開放性,又能進行一定程度創新研究的課題是不現實的,因而此教學環節需要教師積極參與,需由教師按照學生的不同興趣設計出幾大類的課題以供學生選擇,這樣可以避免將探究教學神化。

由于學生的主觀能動性在整個實踐課題中是最關鍵的,必須調動學生的積極性,對于工科學生,與工程實踐結合緊密的課題因其具有較好的實際應用價值,更能激發學生興趣,因此,針對機器視覺在測量領域的應用,我們設計了多個應用研究題目,以供學生按照興趣自行選擇,分別有噴碼字符識別、形狀分類識別、瓶蓋字符識別、圓形零件參數檢測、印刷體字符識別、血管識別、撥碼開關識別等多類課題。這些創新均符合開放性、可行性、障礙性和創新性4個特點。經5年教學檢驗,絕大部分的學生能設計出合適的解決方案,從而得到正確的結論,達到創新實踐課程的教學要求。

3.2高效獲取基礎知識的途徑

機器視覺與智能檢測創新實踐這門課程開設的先修課程應該包括數字圖像處理和機器視覺等課程,但是這兩門課程在本科生階段并未開設,而探究是運用現有的知識對新問題進行求解,有效的探究必須是在深厚背景知識的基礎上才能進行,沒有基礎知識的積累就像是無源之水,無本之木。學生不可能在缺乏數字圖像處理和機器視覺基礎知識的情況下提出問題并解決問題,因此需要補修先修知識。鑒于本課程只有32學時,因此需要學生快速掌握知識。

在2009-2011年的3年教學中,我們采用了集中授課的方式,將數字圖像處理和機器視覺的主要基礎知識,在短時間內給學生講解,但是在后來的實踐中發現,學生難以在短時間內理解和掌握如此大量的基礎知識,集中授課的效果并不好。2012年,我們對該環節進行教學改革,采用讓學生以教師監督下的自學方式獲取先修知識。

采用該種方式獲取先修知識的理由如下:提供給學生的視覺檢測任務具有多樣性,而各類視覺檢測任務所涉及的圖像處理和機器視覺的知識具有相對獨立性,因此在學生根據各自興趣選定好任務后,應在教師的指導下選取相應的先修知識進行學習,不必將數字圖像處理課程和機器視覺課程所有的知識全部學習完,有的放矢地學習需要的知識,可以減少學生準備先修知識的時間。這個環節由于是在學生對該門課程剛剛接觸的時候進行,教師需要詳細了解學生選擇的具體實踐任務后,指導學生學習相關基礎知識,教師的工作量較大。

在掌握好相應的先修基礎理論知識后,學生需要自行查閱相關創新課題的科技文獻資料。針對大部分學生僅學習過科技文獻檢索方法,但沒有具體進行過某一科研項目的文獻檢索,教師可在學生開始文獻查閱前,簡單復習文件檢索方法,并介紹與自動化專業相關度較大的幾個數據庫。我們在教學活動中發現,針對自動化專業,可以選取PID參數整定為例講解文獻檢索。學生在教師講解完文獻檢索例子后,對選定的視覺測量任務進行分析、理解,從而進行文獻收集。文獻收集環節應由學生主動收集相關資料,通過小組交流形式對資料進行整理、分析而完成。在此環節中,學生應該以問題為導向,對該選題要解決什么問題、現有的解決方案的優缺點、如何進行改進等問題進行分析和解決。

3.3在探究式教學過程中培養學生的創新性

創新實踐課程的目標是培養學生的創新性。創新可以定義為:根據預定的目的和任務,運用已知信息,開展能動的思維活動,產生某種新穎、獨特、有社會或個人價值的產品的個人智力品質。從本質上看,創新能力就是一種發現問題并解決問題的能力。這一能力的高低主要取決于兩大因素:學生對基礎知識、基本技能的掌握程度和創造性思維能力的高低。前者來源于知識的傳授,學生已經掌握基礎知識;后者則主要來源于學生本身的思維品質與后天的訓練。學生本身的思維品質屬于先天的智力因素,在課程中側重于后天的訓練,即需在教學中采用案例教學的方法,選用一個具體的例子,對學生的科學素養和創新思維進行訓練。

在課程中,我們使用了“多類水果識別”的案例進行教學,該案例不是學生需要完成的科研項目。在課程中,教師可詳細地講解解決方法,因為對于從未接觸過機器視覺的學生,需要引導其了解最基本的機器視覺檢測系統的組成部分,教師可以給出較為簡單且經濟的圖像采集方案,如基于Labview和USB攝像頭的方案,可引導學生自行設計其他采集方案;引導學生討論識別各類水果可選擇的特征量,對典型水果,學生會給出顏色和形狀這兩類特征量,針對這兩大類特征量,引導學生采用不同的照明方式和光源,經過選擇后,得到這兩類特征量的適宜光源和照明方式,從而讓學生直觀感受選擇合適光源和合適照明方式的重要性,同時能總結一些基本的選擇原則,從實踐中獲得的知識會理解得更加深刻。對于顏色特征,引導學生學習彩色圖像處理的方法;對形狀特征,引導學生正確構建能表征的特征量,如周長、面積、圓形度等;對部分學有余力的學生,可指導其利用水果表面紋理信息構造特征量和利用機器學習的方法進行分類識別。

通過以上案例的講解,使得學生在掌握基本機器視覺系統的構建,如何選擇檢測的特征量等方面進行一些總結,同時在此案例中運用觀察一測量一整理一總結,如果效果不好,則需要再觀察—再整理一再總結,對科學的認識呈螺旋式上升態勢,特別是對規律的總結,對學生創新能力的培養是很好的鍛煉和提高。然后,學生針對自己選擇的實踐課題進行研究,具體工作包括探究科學問題、針對問題收集資料、從資料中形成自己的方案,能闡述方案的合理性并實現方案。這些步驟中,除探究科學問題由教師給出,從而學生的自主探究性較少外,其他步驟均具有較多的自主探究性,進而培養學生的創新能力。

3.4探究式教學法中對學生創新能力的評價

合理的評價是培養學生創新能力的制度保障。對于該類創新實踐課程,應該采用更靈活、更全面的考核方式,應側重于考查學生的創新能力和獨立分析問題的能力。經過5年教學摸索,我們采用了學生按照興趣自行組織小組,對一個創新課題進行研究,撰寫一個科研小論文,然后答辯;答辯過程中,教師可對小組任何成員進行提問。該小組成員成績由答辯成績50%+論文質量50%構成。經實踐表明,此種方式可以有效遏制學生的懶惰行為,有效激發學生的積極性。由于學生所研究創新實踐問題均是開放性的,在考核過程中應對不同的解決方案給以肯定,使得學生不是為了分數而學習,而是真正對科研產生興趣,這也是本科開設創新實踐課程的教學目標所在。

4.結語

經過5年的教學實踐,學生的評教結果均為優秀。問卷調查反饋結果顯示,學生反映課程內容設置合理,通過該課程,動手能力、文獻查閱能力、科技論文撰寫能力及解決問題的能力均有較大提高。跟蹤大四下期的畢業設計,發現參加過該創新實踐的同學,在文獻查找的快速性和準確性、動手解決問題能力和科技論文表述能力等方面均具有一定的優勢。

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