探究式教學(xué)在創(chuàng)新實(shí)踐課程中的應(yīng)用

趙俊紅

摘要：提出將探究式教學(xué)方法應(yīng)用到創(chuàng)新實(shí)踐課程教學(xué)中，培養(yǎng)和提高學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力，探討如何避免探究式教學(xué)中的兩類誤區(qū)，闡述探究式教學(xué)在教學(xué)中的定位與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：探究式教學(xué)；創(chuàng)新實(shí)踐課程；創(chuàng)新能力；實(shí)踐能力

0.引言

科技的發(fā)展對(duì)創(chuàng)新提出更高要求，科技水平的競(jìng)爭(zhēng)即是創(chuàng)新能力的競(jìng)爭(zhēng)，這就給高等工程教育帶來新的挑戰(zhàn)。高等工程教育需加強(qiáng)對(duì)工科學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.探究式教學(xué)對(duì)于創(chuàng)新實(shí)踐課程的必要性

20世紀(jì)50年代，探究式教學(xué)方法被提出，它強(qiáng)調(diào)“以學(xué)生為中心”的學(xué)習(xí)方式，也是教育課程改革的一個(gè)重要而具體的目標(biāo)。美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中表述：“科學(xué)探究指的是學(xué)生構(gòu)建知識(shí)、形成科學(xué)觀念、領(lǐng)悟科學(xué)研究方法的各種活動(dòng)?！碧骄渴浇虒W(xué)做到了“回歸實(shí)踐”“回歸問題”“回歸主體”。工科教育強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，側(cè)重在科研實(shí)踐活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，而探究式教學(xué)正是讓學(xué)生積極思考，獨(dú)立探究，自行發(fā)現(xiàn)和掌握原理和結(jié)構(gòu)的一種教學(xué)方法，能讓學(xué)生自覺、主動(dòng)探索科學(xué)問題并獲得解決方法。因此，可將探究式教學(xué)引入到創(chuàng)新實(shí)踐課程中。

機(jī)器視覺系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，如工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域，可提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，是自動(dòng)化技術(shù)的重要應(yīng)用之一。機(jī)器視覺與智能檢測(cè)創(chuàng)新實(shí)踐課程作為選修課程在大四第一學(xué)期開設(shè)，是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的課程，注重培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力和學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力。

2.探究式教學(xué)在創(chuàng)新課程中的定位

在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)探究式教學(xué)易出現(xiàn)兩類偏差，一類是對(duì)探究的泛化，另一類則是對(duì)探究的神化。前者表現(xiàn)為將不具有探究式的教學(xué)過程冠名為探究式教學(xué)，后者則是把問題提出、資料收集和方案設(shè)計(jì)、結(jié)論的得出等都交由學(xué)生自行完成，缺乏教師必要的指導(dǎo)，這二者都違背了探究式教學(xué)的本質(zhì)。

經(jīng)過5年教學(xué)實(shí)踐，我們已獲得該課程的有效教學(xué)模式。該教學(xué)模式包括以下環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)研究課題、學(xué)生選擇研究課題、學(xué)生查找資料、分組討論、完成研究課題、分組答辯等。在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生為主體，資料的收集和方案設(shè)計(jì)及結(jié)論都由學(xué)生完成，這可以有效避免探究的泛化，不會(huì)變成教師講而學(xué)生照著做的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。但是研究課題的設(shè)計(jì)中對(duì)于大部分本科生是比較困難的，因?yàn)檠芯空n題需要滿足一定的要求，所以需要教師進(jìn)行題目設(shè)計(jì)。同時(shí)由于多數(shù)本科生從未接觸過科研活動(dòng)，因此在學(xué)生開始自行設(shè)計(jì)之前，教師可應(yīng)用案例分析的方法，講解一個(gè)具體實(shí)踐任務(wù)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(shè)計(jì)方案等，讓學(xué)生對(duì)創(chuàng)新實(shí)踐的科研過程有具體認(rèn)識(shí)，才能快速進(jìn)入自己所感興趣的課題研究中去。這樣就可以避免對(duì)探究教學(xué)的神化，不會(huì)變成放任自流的自學(xué)，探究教學(xué)仍然在“教”，教會(huì)學(xué)生查閱資料、教會(huì)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，學(xué)生是主體，教師是主導(dǎo)，指導(dǎo)學(xué)生自主完成實(shí)踐課題，保證實(shí)踐課題的順利完成。

3.探究式教學(xué)在課程中的具體實(shí)施

3.1創(chuàng)新實(shí)踐問題的提出

探究即學(xué)生在一個(gè)全新的問題刺激下，自主尋找解決問題的辦法的過程；而創(chuàng)新實(shí)踐則需要在一個(gè)實(shí)踐問題中提出新的見解和解決方法。鑒于本科生的知識(shí)結(jié)構(gòu)，如題目太難，不能在有限課時(shí)內(nèi)解決，會(huì)給學(xué)生帶來較大的挫敗感；如題目太簡(jiǎn)單，則無法有效培養(yǎng)創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，達(dá)不到該門課程的教學(xué)目標(biāo)，因此，實(shí)踐課題的選取非常重要。

創(chuàng)新實(shí)踐的科研課題應(yīng)具有以下4個(gè)特征：開放性、可行性、障礙性、創(chuàng)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(xué)生能從多方面思考問題，設(shè)計(jì)求解方法，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新思維和發(fā)散思維，而且可以避免學(xué)生在實(shí)踐課程中進(jìn)行一些簡(jiǎn)單驗(yàn)證性的實(shí)踐，即避免探究教學(xué)的泛化。

可行性即設(shè)計(jì)的問題能讓學(xué)生在沒有接觸過該門知識(shí)的情況下，在一學(xué)期之內(nèi)較好地解決。太難的問題會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生挫敗感，無法完成；而太容易的問題達(dá)不到探究的目的。

障礙性即學(xué)生利用已有的知識(shí)無法解決問題，必須學(xué)習(xí)、總結(jié)和運(yùn)用新的知識(shí)，才能完成該科研課題。

創(chuàng)新性即在問題的求解中，能將創(chuàng)新意識(shí)的感性愿望提升到理性的探索上，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新活動(dòng)由感性認(rèn)識(shí)到理性思考的飛躍。因而有效地設(shè)置創(chuàng)新實(shí)踐課程中學(xué)生需要解決的科研課題，是實(shí)施探究式教學(xué)的核心和關(guān)鍵。由于問題的設(shè)計(jì)需要較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，而從未涉及過機(jī)器視覺的大四本科生，自行設(shè)計(jì)出一個(gè)具有開放性，又能進(jìn)行一定程度創(chuàng)新研究的課題是不現(xiàn)實(shí)的，因而此教學(xué)環(huán)節(jié)需要教師積極參與，需由教師按照學(xué)生的不同興趣設(shè)計(jì)出幾大類的課題以供學(xué)生選擇，這樣可以避免將探究教學(xué)神化。

由于學(xué)生的主觀能動(dòng)性在整個(gè)實(shí)踐課題中是最關(guān)鍵的，必須調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，對(duì)于工科學(xué)生，與工程實(shí)踐結(jié)合緊密的課題因其具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，更能激發(fā)學(xué)生興趣，因此，針對(duì)機(jī)器視覺在測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，我們?cè)O(shè)計(jì)了多個(gè)應(yīng)用研究題目，以供學(xué)生按照興趣自行選擇，分別有噴碼字符識(shí)別、形狀分類識(shí)別、瓶蓋字符識(shí)別、圓形零件參數(shù)檢測(cè)、印刷體字符識(shí)別、血管識(shí)別、撥碼開關(guān)識(shí)別等多類課題。這些創(chuàng)新均符合開放性、可行性、障礙性和創(chuàng)新性4個(gè)特點(diǎn)。經(jīng)5年教學(xué)檢驗(yàn)，絕大部分的學(xué)生能設(shè)計(jì)出合適的解決方案，從而得到正確的結(jié)論，達(dá)到創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)要求。

3.2高效獲取基礎(chǔ)知識(shí)的途徑

機(jī)器視覺與智能檢測(cè)創(chuàng)新實(shí)踐這門課程開設(shè)的先修課程應(yīng)該包括數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺等課程，但是這兩門課程在本科生階段并未開設(shè)，而探究是運(yùn)用現(xiàn)有的知識(shí)對(duì)新問題進(jìn)行求解，有效的探究必須是在深厚背景知識(shí)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行，沒有基礎(chǔ)知識(shí)的積累就像是無源之水，無本之木。學(xué)生不可能在缺乏數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺基礎(chǔ)知識(shí)的情況下提出問題并解決問題，因此需要補(bǔ)修先修知識(shí)。鑒于本課程只有32學(xué)時(shí)，因此需要學(xué)生快速掌握知識(shí)。

在2009-2011年的3年教學(xué)中，我們采用了集中授課的方式，將數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺的主要基礎(chǔ)知識(shí)，在短時(shí)間內(nèi)給學(xué)生講解，但是在后來的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生難以在短時(shí)間內(nèi)理解和掌握如此大量的基礎(chǔ)知識(shí)，集中授課的效果并不好。2012年，我們對(duì)該環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)改革，采用讓學(xué)生以教師監(jiān)督下的自學(xué)方式獲取先修知識(shí)。

采用該種方式獲取先修知識(shí)的理由如下：提供給學(xué)生的視覺檢測(cè)任務(wù)具有多樣性，而各類視覺檢測(cè)任務(wù)所涉及的圖像處理和機(jī)器視覺的知識(shí)具有相對(duì)獨(dú)立性，因此在學(xué)生根據(jù)各自興趣選定好任務(wù)后，應(yīng)在教師的指導(dǎo)下選取相應(yīng)的先修知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，不必將數(shù)字圖像處理課程和機(jī)器視覺課程所有的知識(shí)全部學(xué)習(xí)完，有的放矢地學(xué)習(xí)需要的知識(shí)，可以減少學(xué)生準(zhǔn)備先修知識(shí)的時(shí)間。這個(gè)環(huán)節(jié)由于是在學(xué)生對(duì)該門課程剛剛接觸的時(shí)候進(jìn)行，教師需要詳細(xì)了解學(xué)生選擇的具體實(shí)踐任務(wù)后，指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，教師的工作量較大。

在掌握好相應(yīng)的先修基礎(chǔ)理論知識(shí)后，學(xué)生需要自行查閱相關(guān)創(chuàng)新課題的科技文獻(xiàn)資料。針對(duì)大部分學(xué)生僅學(xué)習(xí)過科技文獻(xiàn)檢索方法，但沒有具體進(jìn)行過某一科研項(xiàng)目的文獻(xiàn)檢索，教師可在學(xué)生開始文獻(xiàn)查閱前，簡(jiǎn)單復(fù)習(xí)文件檢索方法，并介紹與自動(dòng)化專業(yè)相關(guān)度較大的幾個(gè)數(shù)據(jù)庫。我們?cè)诮虒W(xué)活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)，針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)，可以選取PID參數(shù)整定為例講解文獻(xiàn)檢索。學(xué)生在教師講解完文獻(xiàn)檢索例子后，對(duì)選定的視覺測(cè)量任務(wù)進(jìn)行分析、理解，從而進(jìn)行文獻(xiàn)收集。文獻(xiàn)收集環(huán)節(jié)應(yīng)由學(xué)生主動(dòng)收集相關(guān)資料，通過小組交流形式對(duì)資料進(jìn)行整理、分析而完成。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生應(yīng)該以問題為導(dǎo)向，對(duì)該選題要解決什么問題、現(xiàn)有的解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)、如何進(jìn)行改進(jìn)等問題進(jìn)行分析和解決。

3.3在探究式教學(xué)過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性

創(chuàng)新實(shí)踐課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性。創(chuàng)新可以定義為：根據(jù)預(yù)定的目的和任務(wù)，運(yùn)用已知信息，開展能動(dòng)的思維活動(dòng)，產(chǎn)生某種新穎、獨(dú)特、有社會(huì)或個(gè)人價(jià)值的產(chǎn)品的個(gè)人智力品質(zhì)。從本質(zhì)上看，創(chuàng)新能力就是一種發(fā)現(xiàn)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(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的掌握程度和創(chuàng)造性思維能力的高低。前者來源于知識(shí)的傳授，學(xué)生已經(jīng)掌握基礎(chǔ)知識(shí)；后者則主要來源于學(xué)生本身的思維品質(zhì)與后天的訓(xùn)練。學(xué)生本身的思維品質(zhì)屬于先天的智力因素，在課程中側(cè)重于后天的訓(xùn)練，即需在教學(xué)中采用案例教學(xué)的方法，選用一個(gè)具體的例子，對(duì)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維進(jìn)行訓(xùn)練。

在課程中，我們使用了“多類水果識(shí)別”的案例進(jìn)行教學(xué)，該案例不是學(xué)生需要完成的科研項(xiàng)目。在課程中，教師可詳細(xì)地講解解決方法，因?yàn)閷?duì)于從未接觸過機(jī)器視覺的學(xué)生，需要引導(dǎo)其了解最基本的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分，教師可以給出較為簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)的圖像采集方案，如基于Labview和USB攝像頭的方案，可引導(dǎo)學(xué)生自行設(shè)計(jì)其他采集方案；引導(dǎo)學(xué)生討論識(shí)別各類水果可選擇的特征量，對(duì)典型水果，學(xué)生會(huì)給出顏色和形狀這兩類特征量，針對(duì)這兩大類特征量，引導(dǎo)學(xué)生采用不同的照明方式和光源，經(jīng)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(xué)生直觀感受選擇合適光源和合適照明方式的重要性，同時(shí)能總結(jié)一些基本的選擇原則，從實(shí)踐中獲得的知識(shí)會(huì)理解得更加深刻。對(duì)于顏色特征，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)彩色圖像處理的方法；對(duì)形狀特征，引導(dǎo)學(xué)生正確構(gòu)建能表征的特征量，如周長、面積、圓形度等；對(duì)部分學(xué)有余力的學(xué)生，可指導(dǎo)其利用水果表面紋理信息構(gòu)造特征量和利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行分類識(shí)別。

通過以上案例的講解，使得學(xué)生在掌握基本機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)建，如何選擇檢測(cè)的特征量等方面進(jìn)行一些總結(jié)，同時(shí)在此案例中運(yùn)用觀察一測(cè)量一整理一總結(jié)，如果效果不好，則需要再觀察—再整理一再總結(jié)，對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)呈螺旋式上升態(tài)勢(shì)，特別是對(duì)規(guī)律的總結(jié)，對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是很好的鍛煉和提高。然后，學(xué)生針對(duì)自己選擇的實(shí)踐課題進(jìn)行研究，具體工作包括探究科學(xué)問題、針對(duì)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(shí)現(xiàn)方案。這些步驟中，除探究科學(xué)問題由教師給出，從而學(xué)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(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3.4探究式教學(xué)法中對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的評(píng)價(jià)

合理的評(píng)價(jià)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的制度保障。對(duì)于該類創(chuàng)新實(shí)踐課程，應(yīng)該采用更靈活、更全面的考核方式，應(yīng)側(cè)重于考查學(xué)生的創(chuàng)新能力和獨(dú)立分析問題的能力。經(jīng)過5年教學(xué)摸索，我們采用了學(xué)生按照興趣自行組織小組，對(duì)一個(gè)創(chuàng)新課題進(jìn)行研究，撰寫一個(gè)科研小論文，然后答辯；答辯過程中，教師可對(duì)小組任何成員進(jìn)行提問。該小組成員成績由答辯成績50%+論文質(zhì)量50%構(gòu)成。經(jīng)實(shí)踐表明，此種方式可以有效遏制學(xué)生的懶惰行為，有效激發(fā)學(xué)生的積極性。由于學(xué)生所研究創(chuàng)新實(shí)踐問題均是開放性的，在考核過程中應(yīng)對(duì)不同的解決方案給以肯定，使得學(xué)生不是為了分?jǐn)?shù)而學(xué)習(xí)，而是真正對(duì)科研產(chǎn)生興趣，這也是本科開設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐課程的教學(xué)目標(biāo)所在。

4.結(jié)語

經(jīng)過5年的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生的評(píng)教結(jié)果均為優(yōu)秀。問卷調(diào)查反饋結(jié)果顯示，學(xué)生反映課程內(nèi)容設(shè)置合理，通過該課程，動(dòng)手能力、文獻(xiàn)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(yè)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)參加過該創(chuàng)新實(shí)踐的同學(xué)，在文獻(xiàn)查找的快速性和準(zhǔn)確性、動(dòng)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(yōu)勢(shì)。