创新实践课程云端教学策略与实践.pdf

实训与实践探索2023年8 月刊PracticalTraining&Practical Exploration创新实践课程云端教学策略与实践刘佳男，刘路，林森，冯培连，曾昭阳，李婉辰（哈尔滨工业大学工程创新实践中心，黑龙江哈尔滨1 5 0 0 0 1）【摘要】创新创业教育是一种全新的教育模式，其本质是实践，在创造性思维的实现过程中，学生必须参与实践。针对创新实践课程云端教学的教学设计、教学内容、授课模式、考核方式、效果评价等方面进行了研究和实践。探索通过创新实践课程丰富创新创业教育实践体系和内容，促进深化高校创新创业教育改革，在提升高等教育质量、促进创新创业人才培养、服务国家经济社会发展等方面发挥了重要作用。【关键词】创新实践；云端教学；课程改革；课程思政【中图分类号】G642【文献标识码】A【文章编号】2 0 9 5-5 0 6 5（2 0 2 3）0 8-0 0 8 9-0 6校创新创业教育改革，是适应全球竞争、服务国家创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的时代要求，也是推进高等教育综合改革、促进大我国创新创业已经融人全球发展的大环境中，成为国际创新创业生态的重要平台。深化高收稿日期：2 0 2 1-7-1 3作者简介：刘佳男（1 9 8 6 一），女，黑龙江拜泉人，硕士，工程师，研究方向为创新创业教育、机器视觉；刘路（1 9 8 1 一），男，天津人，硕士，工程师，研究方向为机械设计及其自动化；林森（1 9 8 5 一），男，黑龙江哈尔滨人，学士，助理工程师，研究方向为机械自动化；冯培连（1 9 8 3 一），女，山西太原人，硕士，职员，研究方向为机械设计；曾昭阳（1 9 8 4 一），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，高级工程师，研究方向为特种加工、智能制造、创新实践教学；李婉辰（1 9 8 8 一），女，山东济宁人，硕士，工程师，研究方向为机械工程。基金项目：2 0 2 1 年黑龙江省高等教育教学改革项目“基于“卓越计划的实践教学体系创新与实践”（项目编号：SJGY20210340)学生高质量创业就业的客观需要。构建线上线下互通融合的“双创”课程体系，“双创”教育强调行动、分享与合作，并注重与新科技手段相结合，两者的结合使其逐渐发展为跨学科创新力培养的新途径。为了深入贯彻落实“停课不停教、停课不停学、停课不停创”及“一生一策”的精神和部署，哈尔滨工业大学大学生工程创新实践中心（以下简称“中心”）快速响应，短时间内完成实践教学内容的设计、授课模式的创新、考核方式的调整，在过程中提升云端课程的建设与应用能力。结合课程思政，以实践育人为核心，引导学生正确的价值观，把创新创业教育贯穿人才培养全过程 2 ，培养既有扎实的基础理论、专业知识及工程应用基础能力，又有工程创新精神与能力、科研开发能力和竞争意识，符合时代要求、胜任未来发展的高素质创新人才。89工业和信息化教育Industry and information Technology Education1云端教学策略中心积极响应国家创新驱动发展战略号召，以推进素质教育为主题，以提高人才培养质量为核心，以培养创新人才为目标，促进高等教育与科技、经济、社会的紧密结合，加快培养富有创新精神、勇于投身实践的创新创业人才。通过深化创新创业教育改革，建立创业理论研究平台，完善相关课程设置，实现创新创业教育和培训制度化、体系化，把创新创业教育贯穿人才培养全过程。1.1教学设计创新创业课程以教授创新创业知识为基础、培养创新创业精神为核心、提升学生创新创业能力为目标，注重创新创业知识、能力、素质的有机融合，理论和实践相统一，将创新创业教育与专业教育有机融合。创新实践教学内容面向个性化、柔性化的人才培养要求，课程强调自主创意、动手实践，培养学生的创新意识，掌握发明方法、提高工程设计能力。（1）教学内容。创新实践课堂授课使用相关的科技创新套件、制作材料、加工设备、装配工具等，由于环境限制，云端课程中与此相关的内容将无法开展，需使用其他教学手段和授课模式进行替代。因此，需要重新进行相关内容的设计，必要时适当扩充理论知识或实验理论方法。内容调整后及时进行知识点分割、教案编写、教学课件制作等工作，后续逐步改进学生参与课堂教学方式及实验设计方面的方案。开课前应尽早组建学生QQ群，在教务系统中调取学生的联系方式，进行充分沟通。详细调查学生的学科专业、居家学习环境、电脑配置、安全条件等。通过分析提炼学生的需求，结合课程目标的要求，设计相应的教学内容，做到“一生一策”的个性化教学。教学手段如首次应用，应进行多次重复操作、试错，记录演示时间、确定学生的练习时间。确保讲授内容掌握准确、演示流畅，课堂练习内容典型、时间合理，并且能够及时处理学生操作902023年8 月刊时出现的问题，同时留有备选方案、补充内容等。（2）教学方式。课堂讲授。机械创新类课程一般涵盖机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等多项技术，其中包括零件外形和特点、典型机构的设计、零件组合（装配）技巧、开发环境和控制程序的编写、调试与机器人演示等具体项目。培养学生在学习过程中主动地去寻找答案、解决难题的习惯，提升学习能力、动手能力和创新能力，这样既能得到满意的机器人作品又能学到足够的知识。实验教学。实验教学是培养学生的动手能力和创新精神的重要教学环节 5 ，帮助学生了解和掌握机器人的设计和控制。需要任课教师指导实验，并且批改实验报告，写出评语，评出成绩。布置作业。根据教学内容，通过大作业的形式，拓宽学生的知识面，锻炼学生收集、整理、加工信息及对所学知识综合运用的能力，培养学生辩证思维方法和创新意识。任务驱动。根据教学内容，设定相应的设计主题，学生以项目小组的形式进行创意作品的方案选择、结构设计、编程控制、调试改进，最终形成一个完整的创意机器人设计，并通过答辩的形式进行展示。引导学生重视研究过程，主动实践，不断提高创新能力。（3）考核方式。采用多环节累加积分的考核方式。侧重考核内容，真正考查学生对创新课程知识的综合运用能力和解决复杂工程实际问题的能力。将课程分多个环节，通过各环节的得分累加得出最终成绩。创新实践类课程的累加环节包括平时作业、实验成绩、大作业成绩、创新作品成绩、答辩成绩等。1.2授课模式（1）虚拟仿真实验。利用国家级、省级及校级虚拟仿真实验教学项目平台等校内外线上资源进行网络实验。国家虚拟仿真实验教学项目积累了丰富的教学成果，实验空间平台上的2 0 6 9 个实验项目覆盖了4 1 个专业大类中的2 5 5 个专业、1 5 6 1门课程。哈尔滨工业大学面向有在线实验教学需求的高校，免费提供一个学期的在线智能实验室实训与实践探索2023年8 月刊PracticalTraining&Practical Exploration服务，并对平台中已获国家认定的实验项目提供在线教学支持及考核管理服务。（2）远程实验。利用实验室的远程实验教学平台，学生访问连接实验设备的远程计算机，实现对实验设备的调节和控制，得到反馈的实验结果和摄像机拍摄的实验室现场视频图像，在异地完成真实的实验室实验。（3）仿真设计实验。学生下载安装相关仿真软件进行实验。学生使用个人计算机进行设计、装配、应力分析、运动仿真、模拟动画演示等实验。三维设计软件、动力学分析软件、运动控制仿真软件、飞行器仿真软件、水下机器人仿真软件等日常教学环节中的辅助工具在线上教学期间发挥了重要的作用。（4）演示实验。教师在线进行实验演示或利用录制好的实验视频进行实验演示。演示实验属于直观教学，基本方式是教师演示实验过程，引导学生观察、思考、分析实验现象，得出结论。教师在学校实验室使用实验设备、仪器，或居家使用相应的科技创新套件、自制教具对所研究相关问题的发生、发展做演示。实验前需做好充分准备，并确保直播拍摄角度合理、网络流畅。1.3授课平台课程的性质、对象、内容、形式、考核方式等都对直播（录播）平台有不同的要求。综合考虑课程特点、教学效果、使用习惯、学生人数等方面的因素，授课平台的选择应注重以下4 个方面。（1）师生互动。创新实践类课程一般课堂气氛比较活跃，师生互动频繁，学生团队协作。云端授课也要最大限度地满足课堂互动要求。师生共同参与，相互作用，能够实现教学目标。师生形成合力，促进学生的主动发展，提高课堂效率，达成教学效果的最优化。（2）课堂记录。云端课程自身具有学习时间灵活自主的特点，大学生创新实践也大多利用课余时间，授课平台的回放功能可以帮助学生进行课下复习、补习等。考勤功能可以帮助授课教师了解学生的上课情况，甚至观看回放的时间和时长也可以记录下来，以此掌握学生的学习状态、重点难点、学习时间。（3）课堂练习。课堂练习是教学活动的重要组成部分，网络授课时学生注意力分散，教师不容易掌握学生听课状态。授课过程中不定时弹出或教师主动提出课堂练习题，有利于获得教学效果反馈、提升教学质量。学生也可以通过思考和回答问题掌握知识、巩固技能、培养能力。（4）作业考试。授课平台的课程作业测试和考试管理功能，可以考核学生的自主学习能力，让学生能够随时进行知识点掌握情况的评价，提升课程教学质量，减少教师批改布置作业及进行课程期末考试的工作量。满足课程单元（项目）知识点测试、阶段性测试、期中/期末测试的要求。2云端教学实施中心构建多元化的办学格局 ，全面贯彻课程思政，完善以社会需求为导向的人才培养路径，实现教育链、人才链与产业链、创新链的有机融合 7 ，在“新工科”产学研用协同的复合创新型人才培养机制下 8 ，探索“教学一项目一竞赛一社区”一体化面向全过程的创新人才培养模式。第一、二学年突出创新意识、创新思维及专业基础能力的培养，开设创新创业基础课程、虚拟仿真课程，开展项目学习，组织参加创新方法与专业基本功考查类的大赛；第三、四学年重点在于创新水平、专业素质及学科交叉能力的培养，开设专业创新课程、综合创新课程，开展全国大学生创新创业训练计划项目、校企合作项目，组织学生参加学科专业领域与学科交叉类的大赛。2.1云端课程建设（1）工程认知创新实践课。以“创意机器人设计与实践”课程为例，课程以慧鱼创意组合模型为基础，强调机电控制、传感器等多项技术91工业和信息化教育Industry and Information Technology Education综合，学生可从零基础开始，最终能够设计和动手制作出功能各异、形象生动的各类创意机器人。云端授课时学生系统地学习创意机器人制作所涉及的基础知识、主要构件组成、机器人机构设计、控制程序开发环境的使用和虚拟搭建系统使用等内容。学生应用虚拟搭建软件对创新作品进行结构设计和运动仿真，验证方案可行性，慧鱼虚拟软件搭建的作品如图1 所示。使用程序开发软件的仿真模式进行控制程序编写与验证，ROBOPro仿真运行如图2 所示。课堂效果好，设计作品质量高，培养了学生的创新意识、工程设计能力和发明制作水平 9 。（2）机械专业创新实践课。以“机械产品创新设计及仿真”课程为例，完全应用虚拟仿真技术进行创新作品的设计、运动仿真、模拟动画演示。教师发布设计主题后，学生3 人1 组使用2023年8 月刊AutodeskInventor软件完成计算机辅助设计，要求在满足功能和需求的条件下，力求结构简单、可靠、实用、美观，部分学生作品如图3 所示。遵循“兴趣驱动、自主实践、重在过程”的原则 1 0 ,按照“自由组队、公平评审、规范管理”的程序，实行过程管理模式，以过程为导向，建立并逐步完善从实施过程到实施结果均能得到客观评价的综合评价体系，引导学生重视研究过程，主动实践，不断提高创新能力。（3）学科融合创新实践课。以“智能机器人实训营”为例，线下课程中学生使用VEX机器人套件设计并搭建可以完成设定任务的机器人，并对其进行编程控制。云端教学课程中使用SolidWorks进行零件建模、机器人装配（见图4），学习3 D打印、三维扫描技术（见图5），掌握VEXcodeVR的编程和虚拟仿真实验方法、Python编程方图1 慧鱼虚拟软件搭建的作品文文ABCMainprogram出门Mainprogram进门Main proROoutout0now0A0NMain proLampin0进门出门92RMain proin图2ROBOPro仿真运行RMain pronow公园门口的指示灯门O实训与实践探索2023年8 月刊PracticalTraining&PracticalExploration为机械手的设计，涉及工业生产线、家用办公、月球营地等应用场景。学生通过调研，针对各类研究对象的特点自行提出设计需求，明确设计功能目标，完成一种抓取过程的机械手爪设计。（2）实物制作项目。参加实物制作项目的小组应通过在线方式接受指导教师指导并开展图3 学生作品图4 使用SolidWorks软件搭建机器人图5 3 D打印模型切片法。可见，云端课程扩充了很多智能机器人设计的相关知识和实践内容。课程要求学生设计可用作指定规则的对抗比赛的机器人，突出机械结构、传动系统的功能设计，实现创意设计和对抗性比赛的最佳结合，将项目管理和团队合作纳入考查范围，重视竞争和结果，为学生提供更真实的工程体验。2.2云端创新制作（1）仿真设计项目。项目小组成员通过互联网进行分工协作，使用个人计算机安装的仿真软件完成设计任务。疫情防控期间，在执行中的共有1 8 8 件此类项目作品，参与学生5 6 0 余人，任务项目课题组交流和研究等相关工作。根据居家创新制作条件的实际情况，可将原本的样机制作调整为小型实物模型（尺寸不超过4 0 0 mm400mm400mm），重新调整项目方案，适应模型搭建。此类项目作品共1 0 2 件，参与学生5 0 0 余人，学生小组调整人员分工，指定1 名成员负责安装调试，其他学生负责方案设计和电控编程等工作。自行购买模型搭建所需的结构材料（已加工）、电子产品、必要的装配工具。2.3云端项目管理（1）讲座与答疑。居家创新信息不畅、沟通不够、指导不便、资源不足，阻碍项目的顺利实施。为解决这些问题，给项目小组提供技术支持和策略指导，组织了多场讲座和答疑活动。邀请专业课教师、创新创业指导教师、企业讲师、学长学姐，内容涉及项目执行过程中常见的难点问题、前沿技术、创新方法、竞赛解析等方面。（2）阶段检查答辩。组织云端立项论证、中期检查、结题验收答辩，对项目团队在整个研究过程中的调查论证、方案实施、能力水平、工作态度、创新意识、团队合作等方面给出评价。答辩评审主要考查在知识、技术或研究方法上的创新和技术难度，可提供正确性、完整性的项目纸质版设计图，展示成果及实现功能、答辩规范性和讲述情况，回答问题情况。中心累计完成2 9 0 余项作品的各阶段检查，从而了解项目进度，及时纠正问题，确保作品水平。3应用效果与推广在授课过程中不断探索、创新，提炼出创93工业和信息化教育Industry and information Technology Education新实践教学的特色，取得了积极的成果，受到相关部门和同行专家肯定和师生认可。在实践中育人，不仅提升了学生的动手能力、创新水平与综合素质，强化了思想政治教育的针对性和亲和力，也实现了学生和教师的良好联动 2 。在云端授课过程中，每次课结束都邀请学生进行课堂效果满意度调查，结课后学生填写课程整体评价。学生的意见是提升教学水平的参考，学生的鼓励是教师努力增强教学能力的动力。学科竞赛备赛效果良好，学生创新团队在秋季学期举办的各项学科竞赛中屡获佳绩。参加学科竞赛1 0 余项，本科生参赛获省级及以上奖励1 0 9 项，其中国际级2项，国家级8 2 项，省级2 5 项。4结语借助云端教学手段，通过课上个性化创新考核和课后创新活动并行的方式，协同提升学生的创新思维和能力。秉承“虚辅先行，实操过硬”的原则，在第一学年应用软件仿真的实践方法，在高年级采用虚实结合的教学方法，学生在设计实物之前先进行虚拟仿真实验，从而保证了实物样机创新作品制作的成功率。在实操训练过程中提供准工业化生产环境，通过示范、示教、设计、实训和实验等环节，培养学生实物创新作品制作的实操技能。【参考文献】1徐晓飞，李廉，战德臣，等“新工科”的新视角：面向可持续竞争力的敏捷教学体系 J.中国大学教2023年8 月刊学，2 0 1 8（1 0）：4 4-4 9.2胡金焱.创新创业教育：理念、制度与平台 .中国高教研究，2 0 1 8（7）：7-1 1.3 中国工程院“创新人才”项目组.走向创新：创新型工程科技人才培养研究 J.高等工程教育研究，2 0 1 0(1):1-19.4 张凤琴，蒋华，陈桂茸，等.线上线下一体化教学模式的设计与运用方法研究：以“数据结构”网络课程为例 J.工业和信息化教育，2 0 1 7（4）：66-71.5郭涛，谢琨.高校实验室建设的探索与实践 .实验室研究与探索，2 0 1 3，3 2（9）：2 2 2-2 2 4.6 崔月芝，陶芙蓉，李艳.高校创新创业教育多元协作的价值取向与策略选择 J.当代教育科学，2 0 2 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