利用開源項(xiàng)目進(jìn)行研究性教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

［摘 要］ 如何更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是高校教育的一大挑戰(zhàn)。針對傳統(tǒng)的研究性教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力上效率較低的問題，首先，通過引入開源項(xiàng)目來進(jìn)行研究性“教”和引導(dǎo)學(xué)生研究性“學(xué)”，可以讓老師和學(xué)生更好地把焦點(diǎn)集中在提出問題、分析問題、解決問題上，從而更有效地提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。其次，提出了學(xué)生創(chuàng)新能力的評價(jià)要素與評價(jià)方法。最后，教改實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析也證明了同傳統(tǒng)的研究性教學(xué)相比，利用開源項(xiàng)目來進(jìn)行研究性教學(xué)能有效提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，且能更有效地培育出更多的有創(chuàng)新力的優(yōu)秀學(xué)生。

［關(guān)鍵詞］ 開源；研究性學(xué)習(xí)；研究性教學(xué)；創(chuàng)新

［基金項(xiàng)目］ 2019年度湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“基于三維建模的旅游圖像處理技術(shù)研究”（19C1276）；2017年度湖南文理學(xué)院博士科研啟動項(xiàng)目“旅游圖像處理技術(shù)研究”（E07017005）；2019年度湖南文理學(xué)院課程思政項(xiàng)目“l(fā)inux編程課程思政”（SZZX1933）

［作者簡介］ 湯海冰（1978—），男，湖南長沙人，工學(xué)博士，湖南文理學(xué)院計(jì)算機(jī)與電氣工程學(xué)院講師，主要從事人工智能研究；廖凌志（1981—），女，湖南常德人，碩士，常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院公共課部副教授（通信作者），主要從事英語教育研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）22-0177-04 ［收稿日期］ 2023-09-27

引言

當(dāng)前我國高科技面臨的“卡脖子”問題、“小院高墻”式圍堵及經(jīng)濟(jì)上的脫鉤斷鏈危機(jī)，要從根本上解決都有賴于國家創(chuàng)新能力的提高。因此，大學(xué)如何進(jìn)行研究性教與學(xué)，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力，已成為當(dāng)前大學(xué)教育改革的最緊迫課題。

一、研究的理論基礎(chǔ)

（一）研究性“教”與研究性“學(xué)”

研究性學(xué)習(xí)是學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從自然、社會和生活中選擇和確定專題進(jìn)行研究，并在研究過程中主動地獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題的學(xué)習(xí)活動［1］。隨著進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)時(shí)代［2］，研究性學(xué)習(xí)能力顯得愈加重要。

現(xiàn)代教育原理認(rèn)為，教學(xué)過程是教與學(xué)雙邊互動過程。研究性學(xué)習(xí)必然要求研究性教學(xué)。研究性“教”與“學(xué)”反映同一過程的兩個(gè)方面。這種新型教學(xué)思想的實(shí)質(zhì)在于，認(rèn)為學(xué)生的學(xué)習(xí)過程與科學(xué)家的研究過程在本質(zhì)上是一致的，教育者應(yīng)激勵(lì)、引導(dǎo)和幫助學(xué)生像科學(xué)家一樣，去主動發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題［3］，并從研究過程中培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。研究性教與學(xué)都以“研究性”為本質(zhì)內(nèi)核，所以其過程類似，一般科學(xué)研究過程［4］為：引入課題—研究意義—研究現(xiàn)狀—研究的主要內(nèi)容及關(guān)鍵問題—研究方法與技術(shù)路線—實(shí)驗(yàn)手段—可行性分析—特色與創(chuàng)新之處—合作與交流。

總之，研究性“教”與“學(xué)”相輔相成，密不可分；是教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生彼此之間合作運(yùn)用知識、創(chuàng)造知識的過程；是以“研究性”為本質(zhì)、創(chuàng)新為靈魂的教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的融合。

（二）研究性“教”與“學(xué)”的結(jié)合點(diǎn)

研究性學(xué)習(xí)的本質(zhì)內(nèi)核是創(chuàng)新性，具體表現(xiàn)為學(xué)生的科學(xué)探究能力，但要找到其實(shí)現(xiàn)載體即研究性“教”與研究性“學(xué)”的結(jié)合點(diǎn)。國際上一些具體的學(xué)習(xí)方法如：“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”（project learning）、“探究學(xué)習(xí)”（inquiry learning）、“基于問題的學(xué)習(xí)”（problem-based learning，PBL），及我國采用較多的課題研究模式，結(jié)合點(diǎn)都體現(xiàn)在“問題探究”上，通過前述研究過程來進(jìn)行問題求解。但可以看出，上述過程是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的科研過程，其用于研究性教學(xué)，有一些缺點(diǎn)：其一，通常周期較長，即使在教學(xué)過程中我們可以跳過或簡化其中一些步驟，如可行性分析、合作與交流，但在課程有限的學(xué)時(shí)里，還是捉襟見肘；其二，對相當(dāng)一部分本科生而言，要求太高，他們可能達(dá)不到這樣的創(chuàng)新要求，這種研究性教學(xué)反而可能導(dǎo)致他們失去該門課的學(xué)習(xí)興趣，過猶不及；其三，這也對教師提出了非常高的要求，如果教師水平跟不上，很難想象教學(xué)效果會很好；其四，這種研究性教學(xué)要求教師、學(xué)生都投入極大的精力。現(xiàn)在很多思想、解決方案的實(shí)現(xiàn)都需要較大甚至龐大的代碼量來實(shí)現(xiàn)。老師、學(xué)生都可能在細(xì)枝末葉的部分花費(fèi)較大精力——因?yàn)椴粚懘a實(shí)現(xiàn)則看不到研究效果或研究結(jié)果得不到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但去實(shí)現(xiàn)又可能會被代碼編寫等細(xì)節(jié)所累。這極大降低了教與學(xué)的效率。所以，急需找到一個(gè)研究性教與研究性學(xué)的最佳結(jié)合點(diǎn)。根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，開源項(xiàng)目就可以充當(dāng)這樣一個(gè)結(jié)合點(diǎn)。

開源項(xiàng)目是指源代碼公開，并且可以自由運(yùn)行、拷貝、研究、改進(jìn)的項(xiàng)目軟件。在眾多研究前沿，都有相應(yīng)的開源項(xiàng)目，其思想、方法都屬于較新成果，研究價(jià)值大；同時(shí)項(xiàng)目源代碼公開，代碼揭示了所有的秘密，加上豐富的項(xiàng)目文檔，為學(xué)生提供了廣闊的學(xué)習(xí)和研究空間，也為教師提供了極好的教學(xué)案例與素材，給了我們進(jìn)一步改進(jìn)的鑰匙。

通過研究開源項(xiàng)目，以開源項(xiàng)目為依托，來進(jìn)行研究性教與學(xué)，可以讓老師、學(xué)生把焦點(diǎn)放在解決問題的算法、思想上，且能較快速地驗(yàn)證解決方案的可行性，極大地節(jié)約了教師、學(xué)生的時(shí)間，讓教師、學(xué)生把更多的精力投入創(chuàng)新上。利用開源項(xiàng)目的研究性教學(xué)可以改變一般研究性教學(xué)周期較長的缺點(diǎn)，也更加靈活，如可以將一個(gè)大問題分解成多個(gè)小問題，完成即可調(diào)試驗(yàn)證，這不但便于教學(xué)，更可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、分析問題和解決問題的欲望，進(jìn)而課后更主動地開展研究性學(xué)習(xí)。開源項(xiàng)目的作用可用圖1來描述。

二、基于開源項(xiàng)目的研究性“教”與“學(xué)”的設(shè)計(jì)

（一）過程設(shè)計(jì)

基于開源項(xiàng)目的研究性“教”與“學(xué)”還是遵從“做研究”的基本過程，但由于開源項(xiàng)目的引入，使其表現(xiàn)形式發(fā)生了更加適合教學(xué)的一些變化。首先，引導(dǎo)學(xué)生參與科研課題正是實(shí)踐研究性“教”與“學(xué)”的重要途徑。教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，選擇適當(dāng)?shù)拈_源項(xiàng)目，并結(jié)合自己的科研課題，選定適當(dāng)?shù)恼n程思政點(diǎn)，確定學(xué)生要參與解決的教師科研項(xiàng)目中的具體問題。這相當(dāng)于教師完成了標(biāo)準(zhǔn)研究過程中的課題引入、研究意義與研究現(xiàn)狀部分。其次，教師再根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、開源項(xiàng)目及自己的科研課題將“具體問題”分解為每次課要解決的若干小問題，這相當(dāng)于教師完成了研究中的主要內(nèi)容及關(guān)鍵問題部分。而對每個(gè)子問題的研究方法、技術(shù)路線、可行性分析、特色與創(chuàng)新之處、合作與交流則由學(xué)生自己去分析問題，去研究開源項(xiàng)目，去查閱相關(guān)文獻(xiàn)形成自己的解決方案，再參與到課堂討論中來完成，當(dāng)然在求解、討論的過程中也可能會產(chǎn)生新問題，過程也一定會有所反復(fù)，其過程可用圖2來描述。

可見，基于開源項(xiàng)目的研究性“教”與“學(xué)”，過程以開源項(xiàng)目為基礎(chǔ)，讓焦點(diǎn)集中在提出問題、分析問題、解決問題，這為學(xué)生、教師節(jié)約了大量時(shí)間，提高了教與學(xué)的效率。需要指出的是，它還特別強(qiáng)調(diào)“學(xué)生自己提出新問題”這一環(huán)節(jié)。正如愛因斯坦所說：“提出一個(gè)問題比解決一個(gè)問題更為重要。”培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)能力，可以重點(diǎn)從培養(yǎng)學(xué)生提出問題的能力著手。

教學(xué)案例。筆者曾任教數(shù)字圖像處理課程，在研究FreeImage、CxImage、OpenCV等幾個(gè)開源庫后，考慮到教學(xué)的方便、算法改進(jìn)及自身科研課題的需要，最終選定OpenCV開源項(xiàng)目用來教學(xué)。因?yàn)镺penCV對圖像處理的基本思想、算法都做了相應(yīng)實(shí)現(xiàn)，學(xué)生只要調(diào)用相應(yīng)函數(shù)就可實(shí)現(xiàn)其效果，同時(shí)又可以重點(diǎn)研究感興趣算法的代碼實(shí)現(xiàn)，便于學(xué)生改進(jìn)創(chuàng)新。比如在講述圖像分割算法時(shí)，如分水嶺、金字塔、輪廓提取算法、Canny算子等，學(xué)生只需要研究其實(shí)現(xiàn)源碼并調(diào)用，做到所見即所得，便于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。再如結(jié)合圖像分割技術(shù)的新發(fā)展，讓學(xué)生使用OpenCV庫去研究并實(shí)現(xiàn)基于圖割理論的圖像分割算法［5］。

（二）評價(jià)設(shè)計(jì)

為便于評估基于開源項(xiàng)目的研究性教學(xué)效果和其在培養(yǎng)學(xué)生研究性學(xué)習(xí)能力中所起的作用，本文進(jìn)行了以下設(shè)計(jì)。

1.評價(jià)對象。我校正在進(jìn)行研究性課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)。筆者選取了我校2016級計(jì)算機(jī)專業(yè)的四個(gè)班128名學(xué)生，參考上學(xué)期考試總成績及學(xué)生平時(shí)在創(chuàng)新性上的表現(xiàn)，將之分成兩個(gè)大班，每班64名學(xué)生，可以認(rèn)為兩個(gè)大班學(xué)生的創(chuàng)新能力沒有顯著性差異。

2.評價(jià)策略與方法。在教學(xué)中，對一個(gè)大班采用問題探究教學(xué)方法（后文稱問題探究班），另一個(gè)大班采用開源項(xiàng)目來進(jìn)行研究性教學(xué)（后文稱開源創(chuàng)新班）。評估的目的主要是檢測在圖像處理教學(xué)完成后，學(xué)生在創(chuàng)新能力上的差異，具體表現(xiàn)為學(xué)生的提出問題能力、分析和解決問題能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。對于創(chuàng)新能力的評價(jià)，建議采用開放式內(nèi)容的題目來完成。本實(shí)驗(yàn)評價(jià)方法為將每個(gè)大班的學(xué)生分成16組，每組4人，期末完成教師的一個(gè)橫向項(xiàng)目。該橫向項(xiàng)目的目的是根據(jù)視頻中由煤構(gòu)成的灰錐，其輪廓圖像變形時(shí)（由于溫度變化引起），自動判別灰錐變形（DT）、軟化（ST）、半球（HT）、流動（FT）四個(gè)特征溫度。要求改進(jìn)項(xiàng)目中已有的灰錐變形識別算法，以更精確地測定四個(gè)溫度。要求提交項(xiàng)目報(bào)告，報(bào)告中必含該項(xiàng)目可能存在的問題分析、學(xué)生自己的新設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案及代碼實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證四部分。

三、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的目標(biāo)是量化評估利用開源項(xiàng)目來進(jìn)行研究性“教”與“學(xué)”的效果，即量化評估學(xué)生的創(chuàng)新能力。本文根據(jù)創(chuàng)新與研究型教學(xué)的目標(biāo)，結(jié)合項(xiàng)目要求，將學(xué)生的創(chuàng)新能力定義為四大要素：對可能存在的問題進(jìn)行分析的能力，提出新設(shè)計(jì)方案的能力，對原方案進(jìn)行優(yōu)化的能力，代碼實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的能力。團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力置入代碼實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分來考查。四大要素分別體現(xiàn)在學(xué)生的項(xiàng)目報(bào)告中“可能存在的問題分析”“新設(shè)計(jì)方案”“優(yōu)化的解決方案”“代碼實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”部分。對課程設(shè)計(jì)報(bào)告中對應(yīng)的每一部分進(jìn)行打分，滿分均為100分。表1中數(shù)據(jù)為學(xué)生創(chuàng)新能力各要素成績在各分?jǐn)?shù)段的人數(shù)。其中，A代表問題探究班，B代表開源創(chuàng)新班。

可以認(rèn)為，在各要素能力中，A、B班得分70分以上學(xué)生數(shù)目的多少反映了該班學(xué)生對該要素的掌握程度。根據(jù)上表，對各要素70分以上學(xué)生做統(tǒng)計(jì)，并以B班人數(shù)減去A班人數(shù)，得到結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，開源創(chuàng)新班學(xué)生在創(chuàng)新能力各要素上均優(yōu)于問題探究班。僅在“能提出新設(shè)計(jì)方案”要素上優(yōu)勢相對較少，主要是因?yàn)閷υ擁?xiàng)目提出新方案確實(shí)難度太大。

四、總結(jié)與展望

利用開源項(xiàng)目進(jìn)行研究性“教”與“學(xué)”，能極大地解放師生手腳，讓師生把更多的精力集中到研究問題、分析問題、解決問題的焦點(diǎn)上來，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。教改結(jié)果證明：同傳統(tǒng)的研究性教學(xué)相比，基于開源項(xiàng)目的研究性“教”與“學(xué)”更有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

下一步擬將進(jìn)一步細(xì)化學(xué)生的創(chuàng)新能力構(gòu)成，并將之融合到基于開源項(xiàng)目的教改實(shí)踐中；在課程思政的引領(lǐng)下，讓教學(xué)緊緊圍繞提高學(xué)生的創(chuàng)新能力；不失航向，也為我國明日不再被“卡脖子”，盡一名人民教師的綿薄之力。

參考文獻(xiàn)

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