学生主体、教师主导理念在创新实践教学中的应用 ——以武汉大学水利水电专业为例

来源：论文查重 时间：2019-12-02 20:25:52

［摘 要］在建设“双一流”和培养创新人才的背景下，课题组以武汉大学水利水电工程专业实践教学环节中的认识实习、课 程设计、毕业设计、水利创新设计大赛为案例，对增进教学效果的指导思想、基本原则、实施措施、效果评估等进行介绍，探讨了高 素质创新型工程技术人才培养的有效方式，指出在“学生主体、教师主导、制度保障”思想指导下，将课内实践和课外实践紧密结 合，让创新意识一脉贯通，是培养高素质创新型人才的重要途径。
［关键词］水利水电工程; 认识实习; 课程设计; 毕业设计; 创新实践
武汉大学的“水利工程”学科是国内办学历史最悠 久的重点一级学科之一，目前正大张旗鼓地开展“双一 流”学科建设。水利水电工程专业是建设的主体，目标 是培养“基础厚、知识宽、能力强、素质高，富有团结合作 与钻研创新精神及国际化视野，可从事水利水电工程勘 测、规划、设计、施工、管理、科研工作的高级工程技术实 践和创新人才”[1]。为实现此目标，该专业近年来对实践 和创新两方面加大改革力度，在认识实习、课程设计、毕 业设计、创新实践等方面均提出相应举措，取得了明显 效果。本文以该专业的认识实习、课程设计、毕业设计、 水利创新设计大赛为案例，介绍改进教学效果的指导思 想、基本原则、实施措施、效果评估等，以探讨适应“双一 流”建设要求的实践课程教学理念和教学方法。
一、“学生主体、教师主导、制度保障”的基本思想
“双一流”建设和创新人才培养是宏大的系统工程， 本科教育质量提升是其最重要的支撑。实践训练是本 科阶段培养创新型、国际化人才不可忽视的环节。实践 环节中，除了培养方案中以课程形式安排的实践教学 外，课外的实践活动也是重要的组成部分[2]。课程实践 和课外实践应紧密结合、相辅相成、相互促进。实践训 练的目标是创新意识养成和创新能力培养，故在各项活 动中须将创新理念一脉贯通。在实践活动组织中，既要 充分调动学生的积极性，发挥他们创新创造的主体性， 又要发挥教师的主导性，重视指导工作的高远性、启发 性、持续性，两方面都十分关键。而管理制度的规范化、 科学化、严密化也是实践效果的重要保障。多年来，遵循“学生主体、教师主导、制度保障”的基本思想，武汉大 学水利水电工程专业的课内课外创新实践均取得了明 显成效。
二、认识实习——强化“疑问牵引、自主学习”
认识实习是本科生认识自己专业的实习，是引导学 生从“门外人”变为“门内人”、跨入专业的起步环节[3-4]， 很多学校将其安排在第 4 学期后期或第 5 学期，此时基 础课已结束，专业课即将开始。我校每年均由 6名教师 带队，组织 6 个班近 200 名本专业学生赴三峡、葛洲坝、 隔河岩、水布垭等著名的水利枢纽工程进行为期 1周的 现场认识实习。以往，实习活动由教师讲授、专家讲座、 现场参观、撰写实习报告等环节组成，整个过程缺乏有 针对性的动员和严格的总结，且学生学习处于被动跟随 状态，因而真正深刻认识和理解专业的学生不多，实习 报告中记流水账和写旅游感想的不少。
为了激发学生主动认识专业、热爱专业、研究专业 的热情，我们根据“教师主导、学生主体”的原则，提出 “疑问牵引、自主学习”的理念，推行“出发演讲，预告问 题，激发疑问，促进思考；开卷考试，以考促学”方式，在 认识实习前增加动员环节，在认识实习后增加考试总结 环节。动员会上邀请经验丰富的教授做题为“你准备好 了吗？”的热情洋溢的演讲，从美丽的实习地、合理的行 程安排引出关于水电开发原理、建设成就、发展前景、争 论焦点、国家战略需求、工程特殊性、关键技术等方面的 数十个开放性、启发性的问题，要求学生在实习中寻找 答案，并预告这些问题与回校后的考试密切相关。这种动员激发了学生回答这些专业基本问题、热点问题的强 烈愿望和对实习的向往，他们开始积极主动地思考和查 阅文献，并在教师讲授、专家讲座、现场参观中频繁提问 和求证。回校后的考试采取“大题量、开放灵活题型、无 标准答案、不固定满分题数、开卷考试”形式，让学生在 数十个题目中选择自己认识深刻的开展论述，表达自己 的独立见解。“不固定满分题数”驱使学生在给定的时间 内全力以赴回答更多问题，拉开了差距，消除了少题量 形式难以区分学生潜力的缺点。
这种“激发好奇心、调动主动性、发挥主体性”的思 路抓准了学习的“驱动力”，发挥了学生的“自主性”，真 正起到帮助学生“认识专业”的目的。虽然缺乏量化数 据，但五年来，学生对该课的评教分数均在 95分以上，实 习课教师从学生的实习表现和考试卷面上，以及专业课 教师在后续专业课上，均发现学生对专业的热爱和了解 程度显著提高。
三、课程设计——强调“设计意识、空间概念”
以水利水电工程专业主干课程水电站的配套实践 环节——水电站课程设计展开讨论。水电站课程设计 是巩固和深化对水电站课程内容的理解，应用相关理 论、方法、技术来分析与解决问题的重要实践环节，重点 是训练学生对水电站的功能与空间进行设计和表达的 能力[3]。我校将该环节安排在第 6学期水电站课程结束 后，以“某水电站地面厂房设计”为题进行为期 1.5 周的 设计实践。以往教学组织包括任务布置、日常指导、成 果批改等环节，但由于不少学生缺乏“设计意识”和“空 间想象力”，在确定厂房高程和尺寸时主要依靠教师提 供的经验数字进行加减，在设备的布置上往往难以满足 安装和检修要求，且绘图表达错误较多。
为了改变这种将“设计”等同于“绘图”，将“布置”等 同于“计算”的错误，我们对“任务布置”环节进行改革， 并增加了“电站模型参观”“成果问题排查”环节。在“任 务布置”中特别强调“空间设计”思想，明确讨论“设计与 绘图，布置与计算”的辩证关系，举例给出水、机、电、辅 助系统布置的基本原则和常见形式，特别要求学生提交 手绘图纸以杜绝 CAD 图拷贝问题。任务布置后即进行 “电站模型参观”，带领学生仔细观看和亲手抚摸模型， 建立空间概念和熟悉布置要求。在成果提交前的“成果 问题排查”要求学生按照老师提供的“水电站课程设计 中 40个常犯错误”表，逐条进行错误排查和修改，以消除 设计内容和成果格式等方面的常规错误。
通过“强调空间设计、组织模型参观、排查成果问 题、要求手绘图纸”等措施，以及进一步加强的设计指导 环节，使学生确实经历设计思想、设计步骤、设计方法、 设计细节的训练，体会到精益求精的做事态度。五年 来，水电站课程设计成果的质量明显提高，在评价标准 未变的条件下，学生成绩得 A 的数量大幅增多，得 C 的 明显减少，评教成绩均在 90分以上。
四、毕业设计——“优化选题、因材施教、过程控制”
毕业设计是综合应用大学所掌握的知识和锻炼能力，针对具体技术问题进行设计或研究，促进认识升华、 能力提高、技术更新的实践环节，是教学、科研、工程实 践相融合的过程[5-6]。近年来，本专业面临的形势有所 变化：（1）国内大型水电建设高潮退去，非洲、拉美、东南 亚和一带一路沿线国家水电建设需求增大，学生毕业后 从事国际工程设计、施工、管理的人数增多；（2）抽水蓄 能、风能、海洋能发电形式快速崛起，人才需求量增长； （3）有半数以上毕业生选择进入研究生阶段深造；（4）工 程设计技术不断革新，三维协同设计、建筑信息模型系 统（BIM）、有限元分析（FEM）、计算流体动力学（CFD）快 速普及。
为了适应新情况新需求，我校水利水电专业的毕业 设计进行了改革，在选题、指导、进度控制、答辩等方面 均提出新举措。选题上，加大研究论文型、新趋势型题 目比例，适当压缩常规设计型比例；强调实践性、新颖 性、科学性并重；要求每人一题，互不重复且每年更新； 鼓励因材施教，根据学生特点和发展去向拟定题目。近 年有代表性的题目有：两叶片风力机尾流特性研究、螺 旋叶潮流能水轮机工作特性数值模拟研究、基于内特性 及数理分析的水泵水轮机全特性曲线研究、地下厂房监 测数据库系统开发与应用、水电站地面厂房结构设计与 抗震分析、抽水蓄能电站厂房三维空间设计及虚拟现实 显示、基于 CATIA 三维数字水电站地下厂房设计、基于 C.NET 的贴边钢岔管辅助设计系统开发与应用、基于 ANSYS的任意截面的内力图形的处理及界面开发、基于 IB-LB耦合算法的贯流式水轮机三维水锤计算、灯泡式 水轮机过渡过程三维数值模拟、基于频率特征的混凝土 重力坝损伤识别方法、考虑土体空间变异性的土坡稳定 系统可靠度分析、矿渣-硅酸盐水泥胶凝体系的强度与 水化特性、白鹤滩水电站右岸坝基及边坡水文地质条件 评价与渗流场分析、松涛水利枢纽初期导流方案风险决 策研究、大岗山高拱坝施工期温度仿真数值分析。
指导上，推行师生自由互选，每位导师指导的学生 数与其提供题目的吸引力相关，限制每位教师指导学生 数最多不超过 5位；要求师生每周讨论工作进展 2次；做 好周记表格填报；鼓励教师将学生安排在“研究生办公 室”甚至“教授办公室”。进度控制上，通过“开题报告、 中期检查、预答辩”来加强督促控制，这些环节均组织报 告会，填写书面报告和表格，由三位以上指导教师组成 的委员会进行评判，给出的成绩占毕业设计总成绩的 30%。在答辩环节，专家评阅占 21%，指导教师评阅占 21%，答辩委员会评分占 28%。答辩委员会由教授、副教 授组成，每位同学上台演讲 10 分钟，回答问题 10 分钟。 通过“合理选题、因材施教、过程控制、精心指导、全 面计分”的耦合作用，学生毕业设计成果的创新性、科学 性、规范性明显提高。2012 至 2017 年的 6 年中，共 222 位学生参加水电站方向的毕业设计，成果申报并获批 “湖北省优秀学士论文”的 11项，随后整理成学术论文正 式发表的 30余篇（多位学生的论文在国际权威杂志上发 表），成果获“湖北省优秀学士论文”的比例达 4.95%，明显高于全院的 3.3%和全校的 2.8%。其中成绩最为突出 的是程永光教授，5 年来指导 23 个毕业设计论文，通过 创新性选题和精心指导，学生成绩获“优”的 15位，比例 达 65%，成果获“湖北省优秀学士论文”4项，相关研究内 容已发表论文 9 篇，其中“Construction of pump-turbine characteristics at any specific speed by domain - partitioned transformation”“Three - dimensional prediction of reservoir water temperature by the lattice Boltzmann method: valida⁃ tion”“3D CFD simulation of the runaway process of a Pel⁃ ton turbine”“Hydraulic characteristics of a siphon - shaped overflow tower in a long water conveyance system: CFD simu⁃ lation and analysis”等被国际 SCI期刊发表。
五、创新实践——“突出创新、广泛动员、优中选优”
积极发动和指导学生参加课外创新创业实践是培 养创新人才的重要途径[6-7]，我院将参加“国家大学生创 新创业训练计划”“全国大学生水利创新设计大赛”作为 水利水电工程专业实践环节的重要组成部分，投入巨大 力量进行组织，取得明显成效。2009 年以来，中国水利 教育协会和教育部高等学校水利类教学指导委员会共 举办 6届“全国大学生水利创新设计大赛”，有 1043支队 伍参赛，参赛高校数最多时达 90所（图 1）。武汉大学水 利水电学院共派出 23 支队伍代表武汉大学参赛，获得 16 个特等奖、5 个一等奖、2 个二等奖的突出成绩，其中 特等奖占全国全部 123个特等奖的 17%，我校获特等奖 的比例达 70%，远大于平均比例 11.8%，是全国参赛高校 之冠（图 2）。武汉大学这 23支参赛队中，水利水电工程 专业学生占主体，指导教师均来自水利水电学院。

能取得如此突出的成绩，与学院制订的“发动全院学生参加水利创新实践，进行多轮预赛严格竞争和反复 锤炼队伍，精选并优化配置指导教师和队员，加强创新 思维、理论和技术培训”的方针密切相关。以 2011年“第 二届全国大学生水利创新设计大赛”为例，学院于 2010 年下半年即与华中科技大学水电与数字化学院共同主 办“同城水电创新设计大赛”，进行创新设计热身；2011 年上半年，开始学院内的动员、组队和多轮初赛，通过 4 轮比赛，最初 55 支队伍通过激烈竞争依次精选到 20、 10、7、5支队伍；脱颖而出的 5支队伍又进行重新模型制 作和多次答辩预演，才最终代表学校参加全国比赛。在 强手如云的赛场上，我校队员才华爆发，以绝对优势斩 获 3个特等奖、2个一等奖。该项活动动员了全校 200余 位学生和 20余位老师参加，在学院形成了浓郁的创新实 践气氛，锻炼了一大批优秀大学生的创新意识和分析问 题解决问题能力。
在组织过程中，动员、组队、指导等环节均十分关 键。动员会上，特别邀请经验丰富的教授进行演讲，有 力宣传了创新设计与国家发展和同学们成长成才的关 系，启发了学生参加创新训练的积极性，分析了本次比 赛的主题和历届比赛的特点，传授了管用的创新原则和 技巧。例如，程永光教授曾指导 5个队参加 4届比赛，全 部获得特等奖，他总结出的获奖作品必备特点“创新性、 重要性、科学性、可实现性、技术先进性、经济合理性”对 指导学生取得好成绩发挥了重要作用。组队方面，允许 在院内初赛阶段重新调整队员和指导教师，能使队伍成 员优势互补，达到最佳配置，保证在组织协调、模型制 作、文稿撰写、演讲表达、对外联络等各方面都有最合适 的人员来负责。在指导上，教师既充分调动学生的主观 能动性，又及时纠正他们前进的方向，还掌握队员的情 绪波动，及时鼓励他们战胜困难。经过大赛锤炼的学 生，不仅创新意识强、意志品质好，而且做事有方法和策 略，这是他们在今后道路上取得更大成绩的基础。
作品要获奖，创新选题最为关键。选题既要靠学生 自主地广泛查阅资料和开展头脑风暴，也需要指导教师 的合理点拨和指引。近几届我校特等奖作品的创新性 突出，如“生态水力综合除螺装置”利用水流动能/势能 相互转换原理来去除水中钉螺；“超声波直立斜管（板） 沉淀池”用超声波振动来启动沉砂池表面污泥；“雾化水 汽处理废气 PM2.5自动控制装置”用自动控制的雾化水 幕来去除空气中的 PM2.5；“基于全自动机械表原理的波 浪能发电装置”引进全自动机械表原理实现多自由度运 动的能量利用；“太阳能高效吸附式空气取水装置”利用 太阳能驱动的冷凝吸附装置在旱区取水；“螺旋板动静 旋流水沙分离装置”用弯道水流离心力来分离水和沙； “桨板浮船模块化潮/河流能发电装置”利用水流与浮船 的相对直线运动来做功高效发电；“减速坎联动的储-曝 气增氧装置”利用汽车碾压减速坎的能量来为水体曝 气。这些标题、内容、创新性、实物制作、录像都是由不 计其数的讨论、修改、尝试、失败、再尝试、再修改凝练和 升华而得。
总结经验，除了创新选题、精益求精等基本要素外， “广泛动员、反复竞争、优中选优”的选拔过程，“强将配 精兵、高人勤指点”的有力组织，是取得创新实践突出成 绩的重要保证。
六、结语
课内实践和课外实践紧密结合是培养高素质创新 型人才的重要途径。武汉大学水利水电工程专业大学 生实践教学改革的尝试表明，在“学生主体、教师主导、 制度保障”的思想指导下，将创新意识一脉贯通于各个 环节，通过找准驱动力、精心指导、严格管理就能取得认 识实习和课程设计效果的明显改善，而通过创新选题、 强化指导、优化步骤就能取得毕业设计和课外创新实践 的突出成绩。

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