“切块拼图”用于课题训练探究式教学提升学生工程实践创新能力

仲启媛，谭立龙，姚志成

摘  要：依托训练课题开展探究式教学，既有理论，也有实践，有利于培育学生的自主学习能力和工程实践创新能力。该文将“切块拼图”模式用于课题训练探究式教学中，通过问题驱动，将学员学习的主动性和合作学习的积极性有效调动起来，有利于发挥学员个性，挖掘学员潜力，提高学员的工程实践创新能力， 取得较好的教学效果。

关键词：训练课题；切块拼图；探究式教学；自主学习能力；工程实践创新能力

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）18-0047-04

Abstract： Carrying out inquiry teaching has both theory and practice depending on training subjects. It is helpful to cultivate students' independent learning ability and innovative ability in engineering practice. In this paper， Jigsaw mode is used for inquiry teaching in subject training. Students' initiative in learning and positivity in cooperative learning has been effectively mobilized. Student personal is brought into play. Student potential is tapped. The ability of innovation in engineering practice is improved. Good teaching effect has been obtained.

Keywords： training subject; Jigsaw; inquiry teaching; independent learning ability; the ability of innovation in engineering practice

实践教学在知识转化运用、专业技能提升及对学生工程实践创新能力培养方面有着理论教学无法替代的重要作用。笔者在多年实践教学中发现，在基于问题驱动的探究性教学中，学员学习的深度和广度还有欠缺，面对需要解决的实际问题，在理论联系实际、学以致用、以用促学的训练环节还有进一步扩展的空间。大多数学员擅长通过记忆来获取知识，这是一种被动机械的学习，知其然不知其所以然。根据学习金字塔理论，这种方式获取的知识平均留存率只有5%左右，而通过实践获取的知识平均留存率可达75%左右，这种以记忆与重现为主的被动式学习过程，由于缺乏应用背景刺激，学到的知识属于浅层次的复制和粘贴，很难留下较深的烙印，整个学习过程缺少质疑发现、分析讨论、 综合概括、自我纠错等主动式的学习训练环节[１]。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》强调采用启发式、探究式、讨论式和参与式教学，帮助学生学会学习。其核心思想就是通过教学方法和手段的改革，激发学生学习兴趣，提高学生独立思考意识和自主创新精神[2]。

一  探究式教学

教员引导，学员探究。这里的“探究”就是学员“自主反复探讨、自主深入研究”之意，强调学员是教学主体，教员要建设良好的教学环境，为学员提供自由表达的机会，使学员带着质疑和疑问去学习，引导学员自主探究与自主学习知识，解决现实问题。探究式教学是将培养学员发现问题、分析问题、创新性解决问题能力及实践动手能力作为教学宗旨，激发学员潜力，开发学员智力，提升学习兴趣和积极性，使其可以自主发现问题并解决问题，提高学员的实践能力、创新性思维能力和自主学习能力，从而掌握一些自主学习的方法和理论，为走入任职岗位后的学习和工作打下基础[2]。

探究式教学是以學员为主的自主探究和自主学习，学员通过主动学习获取知识，从而提高自己的学习能力和科学探索精神。教员的作用一方面是基于问题驱动引导学员探究的方向，另一方面是通过适时鼓励和肯定调动学员的积极性，使学员主动去发现问题、提出问题、分析问题和解决问题。探究式教学具有以下特征。

1）问题驱动性。发现问题、提出问题是探究式教学开始的第一步，整个探究过程是以“问题”为主线，将解决问题和理论学习有机结合起来，目的性明确，避免了无头苍蝇式的泛泛理论学习，重视学员发现问题、分析问题、解决问题思维方式的培养。

2）开放综合性。探究需要打破知识壁垒，在分析问题、解决问题的过程中，学员要综合运用多方面的知识、技能与经验，并通过持续不断的知识和经验重组及建构过程来解决问题，掌握知识，深化认识，发展能力。

3）团队合作性。探究式教学鼓励团队合作，学员在独立思考的基础上，与小组内的组员展开交流、讨论，进而不断接受新知识，探索更多元和更有效解决问题的途径，从而促进自身知识和能力的提升。

4）自主创新性。在解决问题过程中，学员不仅要用到已有的知识和经验，还要主动学习新知识，自主查询资料，自主整理、归纳、研究所得资料，并通过自己的独立思考及和他人的交流、讨论来分析、解决问题[3]。

探究活动的过程不仅是为了学知识，更重要的是学习运用知识和理解知识来解决实际问题，通过质疑、思考、假设、分析、设计和验证等一系列活动，来提升学生的科学探究能力和创新能力，更重要的是有利于培养学生科学严谨、实事求是、追求卓越和团结协作的科学精神。

二  课题训练探究式教学

课题训练探究式教学是在教师指导下，以学生为主体开展课外科学研究活动。这种基于课题的探究训练实行指导教师和学生双向选择，学生按照自愿原则组成一个课题组。在对课题的训练探究中，课题组能够“以我为主”独自进行调查研究、文献查阅、分析论证、方案制订、系统设计、实验验证、系统调试、故障排除、优化改进和分析总结等实践创新活动，指导教师主要发挥指导作用。

（一）  课题训练探究式教学对教师要求

在课题训练探究过程中，教师需要重视以下几点。

1）要凸显学生主体地位，要保证通过课题的探究训练能培养学生自主学习能力，使其养成自主探究的习惯。

2）要利用问题驱动教学，引导学生善问勤思，培养明辨性思维，鼓励学生思行合一。

3）强调实践的重要性，引导学生在实践中主动发现问题，利用自身掌握的知识解决问题，如果现有知识无法解决问题，学生会自主学习新知识。

4）强调方法论的重要性，解决实际问题固然重要，掌握解决问题的方法才是本质，要授之以渔。即使没有正确解决问题，走了弯路，也同样具有方法论意义，即在遇到类似问题时可以少走弯路。

（二）  课题训练探究式教学对学生要求

1）有一定能力。以课题训练为依托的探究式教学要求学生具有一定的科研能力和自主实践能力，能从众多的资料中确定探究重点和方向，能根据课题需要设定课题训练用器材或元器件、探究方法和步骤。探究训练的学生必须具有一定的动手能力，保证课题探究训练的顺利实施。

2）有一定理论。参加课题训练的对象重点考虑三年级或四年级部分本科学生，这部分学生基础理论扎实，学习能力强，喜欢钻研，学有余力，已经具有了一定的知识和能力储备，具备了独立开展研究训练的条件。指导教师可以从自己熟悉的学生中选择优秀的学生，学生可以根据自己的情况选择课题。

3）主动性强。教师给出的课题涉及的知识领域非常广泛，在完成课题的过程中，需要课题组充分发挥主观能动性去独自完成这个课题，有利于培养学生独立思考和敢于怀疑的明辨性思维。

（三）  基于洛克定律选择合适课题

洛克定律又称为“篮球架”原理，是美国马里兰大学心理学教授埃德温·洛克提出的。其认为篮球之所以成为世界性体育，是与篮球架的高度有关，如果篮球架有两层楼高，进球难度可想而知，如果篮球架只有普通人高度，进球轻而易举，你还会去玩吗？正是因为篮球架有一个跳一跳就能够得着的高度，才使其备受世界欢迎，一个“跳一跳，够得着”的目标最有吸引力，对于这样的目标，人们才会以高度的热情去追求。

教师给出的训练课题，要遵循“篮球架”原理，难度要适中，不能太难，太难会使学生望而生畏，无从下手；也不能太简单，太简单没有挑战性。提供给学生探究训练的课题主要来源于四个渠道：科技创新和校内外竞赛课题；教师科研项目中提取的子课题；实验室开放的综合创新性课题；学生自拟课题，鼓励学生做生活和学习中的有心人，多想好点子、巧点子解决实际问题。

基于课题的探究训练，不仅有利于培养学生的创新思维和创新能力，还能增强学生“爱科学、学科学、用科学”的科技意识，通过系统设计、电路搭接、系统调试、故障排除和改进优化等实践活动，不仅实现了理论知识的转化运用，还有利于培养学生科学求真、刻苦钻研、勇于探索的精神。

三  “切块拼图”用于课题训练探究式教学提升学生工程实践创新能力

（一）  “切块拼图”教学

“切块拼图”教学源于拼图游戏（jigsaw puzzle） ，游戏者将完整的图片或模型拆分成“组件”，先对每一个“组件”及各“组件”之间的衔接关系进行分析研究，再按照一定的方法把这些“组件”一块块拼接起来恢复到原样，重新获得对图片或模型的整体功能的理解。这一游戏被美国社会心理学家艾略特·阿伦森教授首先引入到教学领域，即“切块拼图”教学，也叫拼图式合作学习（Jigsaw Co-operative Learning）。“切块拼图”教学模式作为一种行之有效的合作学习方法，具有以下特点。

1）动态情境教学，愉快轻松。教学过程不再是呆板的课堂讲授教学，而是一种动态情境教學，教学氛围愉快轻松。

2）教学活动。不断接受新知识，探索更多元和更有效解决问题的途径，从而促进自身知识和能力的提升。

3）团队合作，互教互学。“切块拼图”教学是一种团队合作、互教互学、讨论交流式学习，能提高学生参与训练课题探究的深度和广度，能增强学生完成任务的责任感，提升学生语言表达和沟通能力，能增强学生的学习动机。

“切块拼图”模式有利于促进学生积极、自主地参与学习，是一种面向实际复杂问题解决类学科的有效教学方法。采用“切块拼图”的训练课题大都来源于实际生活、工作和教学训练中的实际问题，面向理工科大三和大四年级学生，这些学生已具备一定的专业基础知识及动手实践能力，但在自主学习能力、合作学习能力和思辨能力等方面尚需培养，“切块拼图”教学模式可以有效培养学生的上述能力。

（二）  “切块拼图”用于课题训练探究式教学

用于探究式训练的课题相当于一个功能已知但组件未知的拼图，课题组需要根据功能需要设计出能满足功能需求的若干组件，这些组件按照特定规则进行组装可以实现拼图功能。课题组首先需要分析实现拼图功能需要哪些组件，从功能相似的组件里筛选出合适的组件，根据组件之间关系，通过硬件和软件设计将组件组装成拼图，最后进行调试，实现拼图功能。显然，满足拼图功能的组件类别和组装规则不具有唯一性，课题组在梳理、筛选、整合相关知识点时，通过交流、讨论、实验验证、组装调试等多个环节选择最优，这个过程本身就是提升创新思维和创新能力的过程。如果完成某个训练课题，需要m个组件，图1展示了“切块拼图”用于课题训练探究式教学的过程。

1  组建课题组

根据完成课题需要的组件数目组建课题组，如果需要组件m个，则课题组人数为m个，按照学生特长和自愿原则进行任务分工，即每个人负责不同组件，如果两个组件之间有关联或数据传输，相应负责的两个人之间要做好对接。课题组每个人都清楚课题要实现的功能，每个人负责组件的优劣都会影响课题功能最后能否顺利实现，这样每个人都承担责任，都会积极主动去完成自己负责的组件。

2  设计完成自己负责的组件

根据自己负责的组件，有针对性地进行资料查询、器件筛选，请教相关人员研讨交流，设计实现组件功能，同时进行相关组件对接。每个人只完成自己负责的组件，目标任务相对单一，适当降低了组件任务难度，对基础较差的学生来说，可以有效增加其学习兴趣和主动性。对于关联组件，相关责任人可以进行沟通和交流。

3  课题组汇报，互教互学

课题组定期汇报课题进展情况，每人汇报自己负责组件的设计过程、发现问题及处置方法，汇报人不仅讲解自己负责的组件任务，还要负责解答其他组员提出的疑问，换做其他组员讲解组件任务时，也要认真听讲，消化吸收，即使没有负责该组件，也有重要的方法论意义，在今后工作岗位上如果涉及相关知识，能够很快理清思路，避免走弯路。教师参与组内汇报和互教互学，及时检测查漏补缺。

4  组装调试

每人负责的组件设计完成后，将各组件进行组装和功能调试，这个过程不是一帆风顺的，会遇到各种意想不到的问题，课题组全体成员需要一起讨论、分析问题和解决问题。再根据结果对各组件进行改进。遇到课题组不能解决的问题，可以查阅资料，也可以请教教师，教师进行适当指导。此环节教师参与掌握学生学习情况，必要时给予补充和纠正，查漏补缺，提高学习效果。

5  优化改进，归纳总结

课题组根据组装调试的结果进一步优化改进。由于实现课题功能的组件和方法不唯一，在课题组对课题进行讨论、调试、优化过程中，每个人都要汇报各自负责组件的优化方案和结果，都要回答组内成员的疑问，组内成员的每一次讨论、每一次匯报、每一次优化和改进，都是对各个组件的再学习、再认识和归纳总结的过程，实现了整个课题组的共同学习和能力提升。

课题组中每个人负责的组件不同，如果不认真去学，就不可能顺利完成他负责的组件任务；课题汇报时，如果自己不认真讲解自己负责的那个组件，会面临组内成员更多的质疑；如果课题功能无法顺利实现，在分析问题和解决问题时，无法解释清楚是否是自己负责的组件出现了问题，将会面临组内成员的抱怨。因此，“切块拼图”用于课题训练探究式教学中，课题组成员必须相互合作、相互鼓励和相互促进，同时也促使每个人都得去听、去说、去交流，有利于促进学生自主学习，营造和谐的学习氛围。

四  训练成果丰硕

开设探究式课题训练，将专业需求、成才需求、任职需求与科技成果及科研成果综合在课题训练探究式教学中，是一种面向大三、大四年级学生综合能力提升的实践教学模式的一种新的尝试。在探究式教学中采用“切块拼图”教学法，使其融于专业理论及背景学习、方案设计、元件选型、硬件设计、软件设计、系统搭接、系统调试、识错纠错、功能实现、系统优化和结果讨论等环节中，学员面对要解决的实际问题，通过知识点梳理进行“切块”，组内学员面对每个“切块”小问题，主动开展学习，并与前后“切块”建立知识联系，进而建立知识体系。组内成员负责的每个“切块”都不是完全独立的，不仅要与前后“切块”配合好，还要保证这个系统运行正常，往往需要组内成员间的讨论及互助式学习，这极大地提高了学员参与度，增强了师生互动，不仅培养了学员的自学能力，思辨能力也得到提升。在解决“切块”问题和讨论互学中，学员几乎没有畏难情绪，愿意主动去学、去问、去听、去辩，不仅实现了知识点的巩固和课题训练中实践动手操作的有机结合，而且让学员的学习从理论学习、感性认识上升到实践动手操作、结果观察、理性分析及优化设计阶段。

将“切块拼图”用于课题训练探究式教学，能很好地锻炼学生分析问题、解决问题的能力及工程实践创新能力。近几年，学生依托训练课题积极参加校内外竞赛，获全国研究生电子设计大赛全国三等奖1项、西北赛区一等奖1项；获中国大学生计算机设计大赛西北赛区一等奖1项、二等奖1项、三等奖1项；获大学“砺剑”杯学员科技创新竞赛一等奖1项、二等奖5项、三等奖3项；创新作品以学生为主体共授权专利14项。部分作品推广应用于本专业和外专业实践教学训练，提高了装备操作训练的便利性，达到了良好的教学效果。上述创新成果在本科学生中起到很好的激励辐射作用，学生参与创新实践的积极性逐年提高，2021年有25组学员、近百人次主动联系教师参与以课题训练为主的创新实践，部分学生还能够根据日常生活、学习训练、部队实习提出新想法，阐述新方案，促进学生了解专业、熟悉专业、热爱专业。

五  结束语

本文探索了“切块拼图”教学模式在课题训练探究式教学中的应用，以解决实际问题为牵引，在方案设计、元件选型、软硬件设计、系统搭接与调试和功能实现与优化等各个环节中，采用了合作式学习模式，化整为零，降低了解决问题的难度，提高了学员学习的积极性和主动性，通过自己动手搭接和调试，以及互相讲解，使理论知识的学习更有针对性，提高了学员的自学、合作和研究能力，取得了较好的教学效果。

参考文献：

[1] 孙琳，蒲万芬，金发扬，等.启发式与探究式结合下的提高采收率原理教学实践[J]. 科教文汇（上旬刊），2018（4）：76-77，86.

[2] 仲启媛，谭立龙，蔡伟，等.以课题为依托开展探究训练式教学模式研究与实践[J].科技研究，2020（6）：20-23，27.

[3] 李科.普通高校军事理论课程“五结合”探究式教学法探索[J].教学研究，2018，41（2）：67-71.