秦廣久，叢東升，高永艷，王 偉，邢魯義

(山東建筑大學 a.機電工程學院；b.后勤管理處；c.體育教學部；d.土木工程學院，山東 濟南 250101)

0 引言

新工科是服務于新時代“創(chuàng)新驅動高質量發(fā)展”工程教育改革的主導戰(zhàn)略方向，其本質是以“信息技術”為牽引，形成現(xiàn)代化、高效化、智能化的教育方向，包括新時代創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、新學科專業(yè)建設等內容[1-2]。在新工科的大背景下，為了高質高效培養(yǎng)高素質、高水平的創(chuàng)新型人才，目前已有不少高校開設了創(chuàng)新方法類的相關課程(含思政課程)，如“創(chuàng)造性思維及創(chuàng)新設計”“創(chuàng)新思維與創(chuàng)新方法”“創(chuàng)新方法與工程訓練”“發(fā)明問題解決理論”等[3-4]。創(chuàng)新方法類課程旨在通過科學創(chuàng)新思維方法訓練和科技倫理教育，全力培養(yǎng)青年學生的責任感、使命感，以及精益求精的奮發(fā)進取精神、不計得失的無私奉獻精神和大國工匠的開拓創(chuàng)新精神。鑒于該類課程存在授課內容涉及多學科交叉且更新迅速、授課的具體內容與其對象的專業(yè)背景耦合相對較弱、課堂教學方式尤為單一、考核機制不夠健全等問題，在當前新工科的大背景下，如何將現(xiàn)代先進教學手段巧妙融入創(chuàng)新方法類課程的教學改革實踐之中，進而有效解決教學過程中課程講授內容、課堂教學方式、課程考核機制等所涉及的各種難題，不斷提高教學效果，最終達到培養(yǎng)高素質、高水平的創(chuàng)新型、復合型人才的效果與目的，已逐步成為新時代教學改革的前瞻性課題，同時也是教改政策制定與調整方面尤為重要的發(fā)展趨勢[5-9]。

1 新工科背景下虛擬現(xiàn)實技術驅動的教學

虛擬現(xiàn)實技術(VR)是利用信息技術在事先創(chuàng)造的“真實”環(huán)境中對人體的各種感官和觸覺進行精準模擬，其具有交互性強、真實感強、對人的心理模仿性強等諸多特征及優(yōu)點，并在多個領域得到了廣泛應用和大力推廣。虛擬現(xiàn)實教學技術是現(xiàn)代科學中較為先進的教學手段之一，是將虛擬現(xiàn)實技術融合到高等教育課堂教學之中，通過輔助課堂教學來增加課堂的趣味性和互動性，提升學生的學習興趣和聽課質量，進而更為高效地提高教師的教學效率、教學質量和教學效果。通常情況下，其對于互動性相對較強的實踐類課程更具一定的適用性[10-13]。

2 創(chuàng)新方法類課程的特點

2.1 創(chuàng)新方法類課程的內容知識體系重構存在較大難度

隨著新工科新技術的迅猛發(fā)展，邊緣學科、交叉學科也在不斷涌現(xiàn)，知識成果轉化周期明顯縮短，創(chuàng)新方法類課程的知識點也在明顯增多，內容體系越發(fā)變得龐大。對于作為“舶來品”的諸多創(chuàng)新性方法，比如TRIZ、AD、QFD等等，其與新工科類專業(yè)知識的結合度往往不夠密切，與社會實踐的需求也存在明顯的脫節(jié)現(xiàn)象，亟待選擇科學有效的創(chuàng)新方法類課程內容，采取合理手段對創(chuàng)新方法知識體系加以科學重構。與此同時，還需結合新工科類專業(yè)知識，實現(xiàn)“中國化”，將新工科、新技術融入到具體的課程內容與教學改革實踐之中，不斷提高學生解決工程實際問題的水平與能力。

2.2 創(chuàng)新方法類課程的教學手段和方式較為單一

隨著現(xiàn)代教學新技術、新方法、新手段的不斷發(fā)展和完善，創(chuàng)新方法類課程單一的課堂講授已無法滿足新時代青年大學生對知識的高度渴求。特別是在新媒體技術、虛擬現(xiàn)實技術等先進科學技術的高速發(fā)展背景下，對教師的講授方式也就提出了更高的要求。因而，急需在創(chuàng)新方法類課程教學課堂中融入虛擬現(xiàn)實技術，利用其互動性、趣味性等特點，開展啟發(fā)式、探究式的教學改革新模式。

2.3 創(chuàng)新方法類課程的考核機制與評價體系尤為復雜

創(chuàng)新方法類課程體系龐大、覆蓋面廣，目前已涵蓋智能制造、人工智能、機械電子工程、機械工程、土木工程、城市地下空間工程、礦業(yè)工程、安全工程、測繪工程、遙感科學與技術、機械電子工程、機械設計制造及其自動化、車輛工程、管理工程等學科(專業(yè))[14-17]，體現(xiàn)在理學、工學、農(nóng)學、醫(yī)學、軍事學、管理學等學科門類，專業(yè)背景極為廣泛[18-21]。課程知識點內容相對較多，采用卷面期末考試和課堂表現(xiàn)的考核方式已經(jīng)難以全面開展、精準實施，且無法合理、有效地反映教師的授課質量和學生的學習成效，也尚未形成相對健全的考核體系與評價機制[22-25]。因此，需要在創(chuàng)新方法類課程教學的全過程中對學生的學習效果和創(chuàng)新能力進行全面、準確、公平、客觀的評價與考核。

3 教學改革的具體實施措施

3.1 基于教研相融的課程內容系統(tǒng)重構

新工科背景下創(chuàng)新方法類課程的知識內容需緊密結合新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)的更新和發(fā)展，全力融合多交叉學科的知識，進而提高其時效性和實效性。新工科背景下的授課教師應不斷跟蹤行業(yè)新技術的革新及發(fā)展，實現(xiàn)最前沿科研成果、技術與創(chuàng)新方法類理論核心知識點的有機融合，如質量功能展開(亦稱“質量屋”)、仿生學、數(shù)字孿生、功能分析建模拓展、超系統(tǒng)資源的獲取方式等等，以及利用最新工程案例構建TRIZ發(fā)明原理應用資源庫，全面引導廣大本(專)科生更好地將學習理論知識和解決實際問題相結合，最終達到提升課堂教學質量的效果[26-30]。

創(chuàng)新方法類課程內容在重構過程中，需要對相關知識點進行有效地梳理和升華，尤其對于TRIZ發(fā)明原理應用場景的構建、技術沖突和物理沖突的問題提煉，以及發(fā)明原理和物理原理案例庫等方面，更需開展更為系統(tǒng)的探究。通過本類課程的教學，讓授課教師更加清晰地掌握新工科、新產(chǎn)業(yè)、新技術的發(fā)展方向和關鍵卡脖子問題，同時對教師研究領域的拓展具有一定的促進作用，實現(xiàn)“教研相長”，基于教研相融的課程內容示意圖如圖1所示。

圖1 基于教研相融的課程內容示意圖

3.2 基于虛擬現(xiàn)實技術(VR)的探究式教學方法重構

探究式教學方法是指學生在教師的引導下，積極主動地參與到教學活動的全周期及全過程，從而培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力與水平。將虛擬現(xiàn)實技術互動性強、趣味性好等優(yōu)點融入至創(chuàng)新方法類課程教學全過程之中。課前通過VR云平臺進行自主學習，課中需通過VR資源及智慧課堂進行協(xié)作學習，課后則通過VR實訓平臺完成探究學習，形成以VR為載體的課前-課中-課后“全時空”探究式教學組織形式，達到“老師易教、學生易學”的目的，基于“云VR”的全時空探究式教學模式流程圖如圖2所示。

圖2 基于“云VR”的全時空探究式教學模式流程圖

基于創(chuàng)新方法類課程的虛擬教學場景是為學生設置與主題緊密相關的一系列教學內容，課前需將相關教學內容全部導入，讓學生處于虛擬的現(xiàn)實課堂場景之中，進一步豐富其課前知識，進而為課堂教學做好有效準備。同時，在課件制作過程中融入了VR動態(tài)演示方式，表達創(chuàng)新方法類課程中的諸多知識點。學生借助“VR+教學云平臺”進入相應的課程模塊學習相應的VR教學資源，各階段的學習活動需要在教師指定的時間內自主完成。教師則采用由VR“黑板”、移動設備、智慧課堂管理系統(tǒng)等組成的VR智慧課堂，形成“以學生為主體、以教師為主導”的教學新機制。嚴格按照“教師講授、分組討論、彈題互動、手機學習、隨堂測試”的教學方式組織課堂教學，實現(xiàn)學生自主討論、沉浸體驗、交聯(lián)互動的課堂教學和協(xié)作學習新模式。引入課外實踐環(huán)節(jié)，通過“VR+教學云平臺”發(fā)布相關實踐案例，學生在移動端進行分組討論并上傳Word報告和PPT課件，教師開展在線點評，待收集共性問題后進行課堂探究式授課，學生也可隨時利用VR資源進行自主探究式的學習和討論。

3.3 基于全過程管理的考核方式重構

為了使課堂的教學效果得到充分保證，需要對考核方式進行全面重構?；谌^程管理的創(chuàng)新方法類課程考核方式由課堂輸入質量(T)、探究式學習質量(Q)、課堂輸出質量(S)和團隊參與度(P)組成，前三部分基礎分都為30分，后一部分基礎分10分，學生互評系數(shù)分別為K1、K2、K3、K4，創(chuàng)新方法類課程分數(shù)配置如圖3所示。

圖3 創(chuàng)新方法類課程分數(shù)配置圖

課堂輸入質量由學生課堂表現(xiàn)(T1)和聽課質量(T2)組成。學生課堂表現(xiàn)基礎分設置為15分，如課堂考勤、課堂規(guī)范等；聽課質量基礎分設置為15分，根據(jù)“VR+教學云平臺”的參與數(shù)據(jù)和平臺答題質量進行評價。探究式學習質量由學習質量(Q1)和書面報告(Q2)組成。學習質量基礎分設置為20分，包括：報告選題、學習內容、小組討論；書面報告基礎分設置為10分，以最終提交書面報告為準。課堂輸出質量由課堂報告(S1)和課堂討論(S2)組成。課堂報告基礎分為25分，包括報告質量和答辯質量；課堂討論基礎分設置為5分，根據(jù)問題提問的積極性和答題質量計分。團隊參與度(P)，設定3人組的基礎分設置為15分，2人組的基礎分設置為10分，同時，小組自行制定相應分值分配規(guī)則，將每位同學基礎分值進行分配，但每位同學最多基礎分設置不超過10分。

綜上可知，每名學生的最終考核成績由式(1)表示為

(1)

式中：n為班級總人數(shù)；i為第i個學生，其取值范圍為[1，n]；K1i、K2i、K3i、K4i分別為第i個學生的互評系數(shù)，其取值范圍為[0，1]。

全過程管理的考核方式是將課堂教學的各個環(huán)節(jié)進行有效分解，形成有效的教學行為分值考核閉環(huán)模型，克服了課堂講授和期末考試的單一最終成績考核方式，最大限度地保證學生的參與度和實際的教學質量及效果。

4 結語

文章以培養(yǎng)基礎知識扎實、富有創(chuàng)新精神、堪當民族大任的新時代高素質、高水平的創(chuàng)新型、復合型人才為出發(fā)點，依據(jù)“課程內容-教學方法-考核方式”的教學新模式，重構課程內容、創(chuàng)新教學方法、改進考核方式，解決創(chuàng)新方法類課程內容知識體系選擇困難、課堂教學方式尤為單一、考核機制不夠健全等關鍵科學問題，實現(xiàn)了對新工科背景下虛擬現(xiàn)實技術(VR)驅動的創(chuàng)新方法類課程教學改革的深入系統(tǒng)探索，主要體現(xiàn)在以下三個方面。

(1)實現(xiàn)了傳統(tǒng)創(chuàng)新思維與現(xiàn)代創(chuàng)新方法之間的有機融合，結合最新科技發(fā)展與學生在新工科背景下成才的新需求，有效重構全新的教學內容與課程體系。

(2)在研究手段方面，將虛擬現(xiàn)實技術與數(shù)字孿生技術有機融合，結合虛擬教學資源與教師在云計算方面的學術科研成果，科學搭建全時空教學平臺，創(chuàng)建全周期學習環(huán)境。

(3)將創(chuàng)新方法理論與教學研究實踐有機融合，結合人才需求導向與師生在教與學過程中的互動設計，形成科學的評價體系與考核機制，激發(fā)學生的潛能，全面提高學生的綜合素質，為德智體美勞全面發(fā)展創(chuàng)新型人才的開發(fā)及培養(yǎng)奠定堅實的基礎。