工科大学生创新能力培养的项目教学法探索与实践
——以土木工程专业为例

陈 鑫, 张兄武, 蔡新江, 毛小勇, 曹喜庆

(苏州科技大学 a.土木工程学院; b.教务处，江苏 苏州 215011)

0 引 言

当前世界范围内新一轮科技革命和产业变革正加速进行，各国先后就此做出了战略部属，如：“美国先进制造业国家战略计划”“德国工业4.0战略实施建议”“英国制造2025”等[1]。伴随这一发展浪潮，我国的社会主义建设正全面进入新时代、经济发展进入新常态、高等教育步入新阶段，亟需培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑[2]。

为适应新技术、新产业、新经济发展，新工科的理念应运而生，经过“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”后，新工科建设步入了实质推进阶段。新工科是指新的工科形态，是对工科注入新的内涵以适应新经济发展需要诞生的工科新形态[3-4]。一方面，物联网工程等新工科专业逐渐兴起，另一方面，土木工程等老工科专业与新技术结合形成了新的内涵。因此，新工科首先是工科，即将数学、科学、技术、经济学、社会科学等知识应用于人类实践的学科，同时又要植入新理念、新模式、新技术等新元素，从而更加符合新时代发展的需要。

新工科的这些特质对工科教育教学方法提出了新的更高的要求[5]，着眼于知识学习和简单应用的传统教学方法,对于工科大学生知识体系的构建和实践能力的提升有着较好的效果，但却对学生创新能力的培养帮助有限。这不利于适应时代发展和技术高速更新的创新型、应用型、复合型优秀人才的培养，亟需探索适应于新工科理念的教学方法。

1 项目教学法的内涵、现状及意义

1.1 项目教学法的内涵

美国著名教育家、伊利诺伊大学教授利兹博士和加拿大教育家、阿尔伯特大学教授查德博士共同推创出以学生为本的活动教学法——项目教学法[6]。它是在建构主义的指导下，以实际的项目为对象，先由教师对项目进行分解，并作适当示范，然后让学生分组围绕各自的项目进行讨论、协作学习，最后以共同完成项目的情况来评价学生是否达到教学目的的一种教与学的模式[7]。项目教学法揉合了探究教学法、任务驱动教学法与案例教学法的特点，实质上就是一种基于建构主义学习理论的探究性学习模式，是在真实情境中，借助教师的指导，学生进行自主探究，并与同学广泛交流，不断地解决疑难问题，从而完成对知识的意义建构[8]。

1.2 项目教学法的现状

项目教学法在北美广为使用，因效果良好而颇受欢迎。近年来，该方法在我国的高等教育领域中得到了较多的研究和应用，傅四保[8]运用构建主义学习理论对项目教学法的设计与实施进行了解读，并以“教育技术学研究方法”课程进行了实践。雷书华等[9]根据工程管理专业对培养学生综合实践能力的要求，在模块化课程体系的基础上，探讨了项目教学法的必要性，并以“工程估价课程设计”中投标报价的教学过程进行了实践研究。朱向庆等[10]将单片机原理及应用课程的知识点融入若干个微型项目中，以CDIO工程教育模式指导学生循序渐进地完成项目，实现了在学中做，在做中学。此外，项目教学法在商业空间设计[11]、非线性编辑[12]、机器人技术实训课程[13]等课程中的应用也有了一定的研究和实践。

可见，强调实践和探索的项目教学法特别适用于工科专业的教学活动，能够一定程度上夯实知识体系和提升创新实践能力。工科专业培养方案中的课程实验、生产实习、认识实习、课程设计、学科竞赛、毕业设计等一系列实践类课程一定程度上衔接了理论课程模块的教学内容[14-15]，同时也为项目教学法的实施提供了天然的载体。

1.3 项目教学法的意义

项目教学法是为师生共同实施一个完整的项目而进行的教学活动，它是“行为导向”教学法的一种。工科专业的实践类课程通常分为多个分别由1或2名教师和若干名学生构成的学习小组完成，这为精细化的以创新能力培养为目标的项目教学法的开展提供了重要条件。依托这些课程，构建以工科大学生为对象、以实践类课程为依托、以创新能力培养为目标的项目教学法，开展新工科专业教学方法的探索，具有重要的意义。

(1) 有利于开发学生自主学习智能。项目教学法融合了以建构主义学习理论和多元智能理论为代表的现代教育思想和理念。它强调以学生为中心，认为学生是认识的主体，是知识意义的主动建构者，教师只对学生的意义建构起帮助和引导作用。教师在教学过程中将各种教与学的策略运用到项目的规划和实施过程中，注重学习与实践的结合，通过培养和积累学习经验，使学生的多元智能得到发展。

(2) 有利于提升学生综合应用能力。实践类课程所提炼出的项目内容决定了学生必须综合应用所有专业知识，才能顺利完成项目。如在项目准备过程中，必须具备知识获取、学习与提炼的能力；在项目实践过程中，必须运用理论、实施和实验等多方面的专业知识；在项目总结的过程中，又必须掌握工程制图、文字处理和成果展示等方面的技巧和软件。因此，通过一个完整项目的实施，能够在一定程度上提升学生开展知识创新所需的各类综合能力。

(3) 有利于培养学生实践创新精神。实践类课程所形成的项目通常来源于实际工程或科研活动，具备一定的实际意义。同时，在有意识的项目设计和教学引导下，学生的创造性有较大的发挥空间。学生在教师引导下创造性地完成具有实际意义的项目，将有利于他们理解知识的产生和发展过程，建立知识体系的整体框架，理解知识中蕴含的思维形式和方法。从而使得他们的创新能力在实践中形成、在实践中提升。

(4) 有利于增强学生团队协作意识。在这样的一个项目团队中，一般有着多个学生，这与传统的课堂教学中学生独立开展学习或项目实践的情形完全不同。通过在项目内容和时间上的限制，使得团队内的学生必须分工明确、团结协作，才能圆满完成项目，项目团队的协作水平直接影响着项目目标的达成度。项目实施过程中，学生们在讨论、分析、试验、总结等环节中，相互了解团队成员，提高沟通能力，加强配合意识，最终形成临时团队的默契配合方式。在这一过程中，学生的团队协作意识必然会有长足的进步。

2 项目教学法框架设计

项目教学法最突出的特点是“以项目为主线、以教师为主导、以学生为主体、注重学习过程与实践活动的融合”[12]。其一般教学流程为：选择项目主题、确定项目任务、设计项目内容、制定项目计划、实施项目计划、调整项目策略、研发项目产品、交流项目成果、反思项目经验[13]。

工科专业是实践性很强的专业，“较强的实践能力和创新能力”是其重要的培养目标之一[16]。随着社会经济的不断发展，工业技术的高速更新已成为整个工科行业发展的重要趋势之一，这对卓越工程技术人才的知识、能力和素质提出了更高的要求，也对我国工科高等教育提出了更高的要求。结合工科专业的特点和发展新趋势，构建以工科大学生为对象、以实践类课程为依托、以创新能力培养为目标的项目教学法，其实施过程有三个主要阶段和六个关键环节(见图1)。

2.1 3个主要阶段

结合实践类课程的特点，将整个项目教学活动的基本框架描述为3个主要阶段：问题定向学习的项目准备阶段、探究导向学习的项目实施阶段和多主体评价的项目评价阶段。

(1) 项目准备阶段。教师通过一个驱动性的问题创设一个项目的情境，“现在需要你完成这样一个项目，你应该如何设计你的实施方案、开展你的实施过程呢？”对于工科专业的实践类课程而言，作为驱动性问题的项目确定方法是不同的：课程设计的对象是教学内容和教师自身的工程经历综合的结果；生产实习的计划是实习单位正在实施的项目决定的；学科竞赛的赛题是由赛事组织者限定的。随后，教师给出一个具体的类似项目的研究方案，通过对这个研究方案的分析，引出实施项目的几个关键步骤，并向学生讲解这几个关键步骤的知识点。

图1 以创新能力培养为目标的项目教学法

在这一阶段，创设合理的项目(即驱动性问题)是引导学生进行意义建构的一个重要方面，所提出的项目必须合乎学生知识水平且能够激发学生学习兴趣。在这个教学过程中，需要引导学生围绕这个项目开展问题定向、情境化的学习，使得他们在完成项目的过程中扮演积极的角色，根据原有的知识经验展开探索，发现新知识，锻炼和培养新的学习能力、研究能力及职业能力。

(2) 项目实施阶段。组内的学生根据项目内容，相互沟通、相互合作、共同负责，制定工作计划并逐步实施。在这一过程中，学生自行组织、安排自己的学习行为，克服、处理在项目实施过程中出现的困难和问题，如新的专业知识、新的专业技术、新的试验手段等。随后，学生按照项目成果的要求，进一步对项目成果进行修正和完善，并形成符合规范的项目成果，在这一过程中，教师需要发挥一定的辅助作用，引导学生掌握数据处理方法、了解写作规范等。

在这一阶段，为学生创设独立探究的情境是十分关键的，教师作为学生的帮助者和指导者，需要综合各种教学因素构建适宜的学习环境方便学生自主探究学习。在教学过程中，需要引导学生针对项目实施的具体过程开展探究导向的团队协作学习，一方面，学生在项目实施过程中，针对关键步骤，探索新的知识领域，更新和完善知识体系，掌握创新的技术，形成创新的思维；另一方面，学生通过协作将自己的观点和思维同群体共享，在不同意见的交流、讨论中建构起对知识的深层次理解，培养起协作精神和协作能力。

(3) 项目评价阶段。结合实践创新活动的特点，项目评价主体有3个方面：① 学生自我评价，要求学生根据项目要求，对项目实施过程中的思路、知识、试验、成果等进行总结，在团队内部进行自我评价或多个团队之间进行交流评价；② 教师评价，教师对项目过程中学生的独立学习情况、项目实施过程、项目完成度等方面进行评价；③ 公共评价，实践类课程的公共评价体系因具体课程而异，如：对于毕业设计，所在学校会组织专门的答辩会，通过教师、行业专家等组成的答辩委员会对设计成果进行评价；对于学科竞赛，大赛本身即带有评价的性质，可以检验项目教学的情况。

在这一阶段，评价的内容不仅包含项目完成情况，还应包含在项目实施过程中对学生学习智能、创新精神、综合能力和协作意识的提升情况。在这个教学过程中，评价应该是目标自由的，应能表现多重观点和看法的知识建构，既有终结性评价，又有形成性评价；评价的主体来源也应是多方面的，既包含指导教师，也包含学生自身、其他教师、行业专家等。这样形成一种多主体、全方位的评价体系。

2.2 6个关键环节

以上3个主要阶段构成了以创新能力培养为目标的项目教学法的基本框架，但在其中又包含了多个细节教学活动，这些活动都是围绕“讨论、调查、学习、分析、试验、展示”这6个关键环节展开的。

(1) 讨论。包含了学生之间的讨论、学生与教师之间的讨论、学生在网络中的讨论，讨论的内容包含了项目的规划、知识的理解、具体技术方案的应用等。

(2) 调查。一方面是对知识、技术和试验方法等的信息检索，另一方面是对所开展项目中部分内容的数据调查。

(3) 学习。学生根据项目进程所开展的问题定向学习、探究导向学习，包含了对新知识的获取、对知识体系的完善、以及对知识应用技能的掌握等。

(4) 分析。一方面是学生在教师引导下对项目整体理性分析和规划，另一方面是学生对项目内容的理论与数值分析。

(5) 试验。针对项目内容所开展的必要的试验活动，这是工科专业特色决定的必要环节，也是学生创新能力的重要构成。

(6) 展示。学生对项目全部过程的总结，形成规范化的文本和可供展示的成果，如报告、可视化软件等。

这6个关键环节的主体是学生，教师在此的作用是建构合适的情境，为学生顺利开展这些活动提供帮助。上述6个环节灵活穿插于主要阶段中构成了完整的教学体系，为项目的完成和学生创新能力的培养提供实施手段。

3 项目教学法在土木工程专业中的实践

土木工程是一个实践性很强的专业，“较强的实践能力和创新能力”一直是其重要的培养目标之一[16]。本文采用以创新能力培养为目标的项目教学法，依托土木工程专业的实践类课程，开展教学实践。

以第7届全国结构设计竞赛的准备和教学过程为例，对以创新能力培养为目标的项目教学法的实践过程进行说明。

3.1 项目准备阶段

(1) 赛题分析与初步方案。第7届结构设计竞赛的题目要求设计并制作一双竹结构高跷模型，并进行加载测试，详细赛题可参见全国大学生结构设计竞赛官方网站。通过小组讨论手段引导学生用科学的思维方式对竞赛题目进行了逐条分析，形成表格，部分分析如图2所示。

图2 竞赛题目分析

在对赛题分析的基础上，引导学生从专业的角度、以科学的思维设计初步方案，学生从一些形式类似的结构出发，提出了4种初步方案如图3所示。

(2) 项目实施计划与知识储备。在学生深入了解赛题含义、提出初步设计方案后，引导学生在这样一个情境下建立项目的实施计划(见图4)。在整个方案的形成和完善过程中，学生了解了土木工程研究中的材料、构件、结构3个层次，理论分析、数值模拟、科学试验3种研究手段，文字、表格、图片3种成果形式。围绕这个研究方案，启发学生回顾理论力学、材料力学、结构力学等基础理论知识，主动学习信息检索、结构设计、试验技术、专业软件、文档处理等领域的专业技能，促使他们构建出围绕该项目的综合知识框架体系。

3.2 项目实施阶段

(1) 材料性能数据搜集与试验。结构设计竞赛所用结构材料为复压竹皮，粘结材料采用鲨鱼牌502胶水。在这一教学活动中，指导学生针对材料的质量、性能在网络中进行信息搜集，认识竹皮的基本性能为：弹性模量10 GPa，抗拉强度60 MPa；胶水的抗剪强度为7.508 MPa。结合对材料的观察，认清材料缺陷[见(图5(a)]，并在实验室开展了材料顺纹受拉的性能试验[见图5(b)]，试验结果与网络数据的对比见表1。通过这一过程，学生掌握了信息检索、材料试验等研究方法和技能，并且理解了材料理论指标和真实指标之间的差别。

(a) 结构方案S1

(b) 结构方案S2

(c) 结构方案S3

(d) 结构方案S4

图4 项目实施计划

(a) 竹皮缺陷

(b) 材料性能试验

表1 竹皮力学性能

(2) 构件截面与性能试验。学生通过自行检索之前的结构设计竞赛信息，了解到利用竹皮常用的截面有箱型、圆环形和用于拉条的扁矩形截面。在构件成形的实践中，学生体会到，圆环形的截面制作较为方便，质量相对箱型容易保证，因此，选用了圆环形截面作为主要受力构件；多层竹皮叠合而成的扁矩形截面作为拉条。

由于拉条的承载力相对容易确定，学生又针对圆环形截面的构件，结合学校的试验条件，开展了构件拉、压试验(见图6)。其中的抗压试验，引导学生设计了一种短柱抗压试验，如图6(b)所示，在4根短构件的上下各加上硬板，在上硬板的上方用质量块堆载，可以粗略地测试构件的受压特性。采用上述两种试验，学生开展了相同内径下，不同竹皮厚度、不同竹皮卷制层数构件性能试验。

(a) 抗拉试验

(b) 抗压试验

(3) 结构分析与实训。学生为了对所设计的4个方案进行比选，自主学习了SAP2000有限元分析软件，建立如图7所示的模型对4个方案的受力性能进行分析。通过对比，S1方案最结实，但耗费材料最多；S2方案各项指标较为平均；S3方案在偏载下扭转较为严重；S4方案受力合理，耗费材料少，但底部面积小，对行走技能要求较高。在这一过程中，学生自主学习了专业软件，并应用基本力学知识分析了软件分析结果。

图7 结构方案分析模型

根据赛题要求，学生开展了结构的实际加载试验和竞速实训(见图8)。试验后，学生放弃了受力最优的方案S4，选择了更利于行走的方案S2；对减小了受力较小的右脚结构的杆件截面及部分受力较小构件的截面进行调整；对与地面接触的底面进行了一些摩擦处理。在这一过程中，学生掌握了部分结构动力试验技能和数据处理方法，并了解了理论分析与实际结构受力的关系。

(a) 试验过程

(b) 测点编号

(c) 左脚应变变化曲线

(4) 成果整理与完善。在整个项目实施过程基本完成后，引导学生以项目目标为导向，系统分析所有结果，寻找规律。学生通过对自己所有制作模型的实践数据处理与分析，统计了底面尺寸与行走速度、行走时间与结构质量(见图9)等各类因素与项目目标之间的关系。在此基础上，确定了参赛方案，并编制了竞赛所需的计算书。在这一过程中，学生不但学习了数据处理、图片绘制、文档编制等手段，而且锻炼了宏观分析项目的逻辑思维。

图9 行走时间与结构质量的关系

进一步，通过学生与学生、学生与教师的讨论交流，帮助学生从全过程的角度审视所有活动结果，梳理“方案-优化-实践”的创新思维，了解“材料-构件-结构”的研究思路，掌握“理论分析-数值模拟-科学试验”的科研手段，从而强化他们在项目实施过程中得到提高的创新能力。

3.3 项目评价阶段

在项目实施过程和校内组织的结构设计竞赛中，完成了学生和教师两个方面的评价工作；在全国结构设计大赛的过程中，完成了公共评价的工作。学生通过团队内部的交流、与其他团队的互评等方式完成学生评价。校内竞赛邀请了4个结构专业相关教师、1个企业界的结构从业者和1个学生工作主管教师组成评审组，对学生的成果和展现进行综合评价。指导教师在项目结束后对项目实施过程、成果和展示情况进行评价，并与学生就项目全过程中所有关键环节的得失进行交流，帮助学生深刻认识自身在项目实施过程的收获。对于公共评价，除按竞赛题目进行成果评定外，还由来自全国的知名专家对项目进行评价。

3.4 项目教学法效果

通过对所指导学生团队在项目实施完成后至本科毕业这段时间内的跟踪调查项目教学法的效果。由笔者指导的一学生团队通过校结构设计大赛，不仅取得了代表学校参加全国结构设计大赛的资格，并在大赛中获得二等奖，是学校在这一赛事的突破。该学生团队在随后学习经历中，陆续获得江苏省结构设计竞赛特等奖、第八届全国设计大赛一等奖。在毕业实习、本科毕业设计等其他实践活动中也获得了较优秀的成绩。由此可见，借助于项目教学法的实践，学生的综合创新能力有一定的提升。

4 结 语

面对新经济发展和新技术变革浪潮，迫切需要培养具有历史使命感和社会责任心、富有创新精神和实践能力的创新型、应用型、复合型优秀人才，工科专业的传统教育教学活动面临着新的问题。本文以实践类课程为平台，构建以创新能力培养为目标的“三阶段、六环节”项目教学法，并以土木工程专业为例开展实践，培养学生自主学习智能、综合应用能力、创新实践精神、团队协作意识等创新素质，通过跟踪调查学生在随后的实践创新活动中的成绩，评价了该教学法对学生创新能力提升的效果。