利用开源项目进行研究性教学培养学生的创新能力

［摘 要］ 如何更好地培养学生的创新能力，是高校教育的一大挑战。针对传统的研究性教学在培养学生创新能力上效率较低的问题，首先，通过引入开源项目来进行研究性“教”和引导学生研究性“学”，可以让老师和学生更好地把焦点集中在提出问题、分析问题、解决问题上，从而更有效地提高学生的创新能力。其次，提出了学生创新能力的评价要素与评价方法。最后，教改实验与结果分析也证明了同传统的研究性教学相比，利用开源项目来进行研究性教学能有效提升学生的创新能力，且能更有效地培育出更多的有创新力的优秀学生。

［关键词］ 开源；研究性学习；研究性教学；创新

［基金项目］ 2019年度湖南省教育厅科学研究项目“基于三维建模的旅游图像处理技术研究”（19C1276）；2017年度湖南文理学院博士科研启动项目“旅游图像处理技术研究”（E07017005）；2019年度湖南文理学院课程思政项目“linux编程课程思政”（SZZX1933）

［作者简介］ 汤海冰（1978—），男，湖南长沙人，工学博士，湖南文理学院计算机与电气工程学院讲师，主要从事人工智能研究；廖凌志（1981—），女，湖南常德人，硕士，常德职业技术学院公共课部副教授（通信作者），主要从事英语教育研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）22-0177-04 ［收稿日期］ 2023-09-27

引言

当前我国高科技面临的“卡脖子”问题、“小院高墙”式围堵及经济上的脱钩断链危机，要从根本上解决都有赖于国家创新能力的提高。因此，大学如何进行研究性教与学，培养大学生的创新能力，已成为当前大学教育改革的最紧迫课题。

一、研究的理论基础

（一）研究性“教”与研究性“学”

研究性学习是学生在教师指导下，从自然、社会和生活中选择和确定专题进行研究，并在研究过程中主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动［1］。随着进入互联网学习时代［2］，研究性学习能力显得愈加重要。

现代教育原理认为，教学过程是教与学双边互动过程。研究性学习必然要求研究性教学。研究性“教”与“学”反映同一过程的两个方面。这种新型教学思想的实质在于，认为学生的学习过程与科学家的研究过程在本质上是一致的，教育者应激励、引导和帮助学生像科学家一样，去主动发现问题、分析问题、解决问题［3］，并从研究过程中培养其创新能力。研究性教与学都以“研究性”为本质内核，所以其过程类似，一般科学研究过程［4］为：引入课题—研究意义—研究现状—研究的主要内容及关键问题—研究方法与技术路线—实验手段—可行性分析—特色与创新之处—合作与交流。

总之，研究性“教”与“学”相辅相成，密不可分；是教师与学生、学生与学生彼此之间合作运用知识、创造知识的过程；是以“研究性”为本质、创新为灵魂的教学方式和学习方式的融合。

（二）研究性“教”与“学”的结合点

研究性学习的本质内核是创新性，具体表现为学生的科学探究能力，但要找到其实现载体即研究性“教”与研究性“学”的结合点。国际上一些具体的学习方法如：“项目学习”（project learning）、“探究学习”（inquiry learning）、“基于问题的学习”（problem-based learning，PBL），及我国采用较多的课题研究模式，结合点都体现在“问题探究”上，通过前述研究过程来进行问题求解。但可以看出，上述过程是一个标准的科研过程，其用于研究性教学，有一些缺点：其一，通常周期较长，即使在教学过程中我们可以跳过或简化其中一些步骤，如可行性分析、合作与交流，但在课程有限的学时里，还是捉襟见肘；其二，对相当一部分本科生而言，要求太高，他们可能达不到这样的创新要求，这种研究性教学反而可能导致他们失去该门课的学习兴趣，过犹不及；其三，这也对教师提出了非常高的要求，如果教师水平跟不上，很难想象教学效果会很好；其四，这种研究性教学要求教师、学生都投入极大的精力。现在很多思想、解决方案的实现都需要较大甚至庞大的代码量来实现。老师、学生都可能在细枝末叶的部分花费较大精力——因为不写代码实现则看不到研究效果或研究结果得不到实验验证，但去实现又可能会被代码编写等细节所累。这极大降低了教与学的效率。所以，急需找到一个研究性教与研究性学的最佳结合点。根据教学经验，笔者认为，开源项目就可以充当这样一个结合点。

开源项目是指源代码公开，并且可以自由运行、拷贝、研究、改进的项目软件。在众多研究前沿，都有相应的开源项目，其思想、方法都属于较新成果，研究价值大；同时项目源代码公开，代码揭示了所有的秘密，加上丰富的项目文档，为学生提供了广阔的学习和研究空间，也为教师提供了极好的教学案例与素材，给了我们进一步改进的钥匙。

通过研究开源项目，以开源项目为依托，来进行研究性教与学，可以让老师、学生把焦点放在解决问题的算法、思想上，且能较快速地验证解决方案的可行性，极大地节约了教师、学生的时间，让教师、学生把更多的精力投入创新上。利用开源项目的研究性教学可以改变一般研究性教学周期较长的缺点，也更加灵活，如可以将一个大问题分解成多个小问题，完成即可调试验证，这不但便于教学，更可以极大地提高学生的学习兴趣、分析问题和解决问题的欲望，进而课后更主动地开展研究性学习。开源项目的作用可用图1来描述。

二、基于开源项目的研究性“教”与“学”的设计

（一）过程设计

基于开源项目的研究性“教”与“学”还是遵从“做研究”的基本过程，但由于开源项目的引入，使其表现形式发生了更加适合教学的一些变化。首先，引导学生参与科研课题正是实践研究性“教”与“学”的重要途径。教师根据教学内容，选择适当的开源项目，并结合自己的科研课题，选定适当的课程思政点，确定学生要参与解决的教师科研项目中的具体问题。这相当于教师完成了标准研究过程中的课题引入、研究意义与研究现状部分。其次，教师再根据教学内容、开源项目及自己的科研课题将“具体问题”分解为每次课要解决的若干小问题，这相当于教师完成了研究中的主要内容及关键问题部分。而对每个子问题的研究方法、技术路线、可行性分析、特色与创新之处、合作与交流则由学生自己去分析问题，去研究开源项目，去查阅相关文献形成自己的解决方案，再参与到课堂讨论中来完成，当然在求解、讨论的过程中也可能会产生新问题，过程也一定会有所反复，其过程可用图2来描述。

可见，基于开源项目的研究性“教”与“学”，过程以开源项目为基础，让焦点集中在提出问题、分析问题、解决问题，这为学生、教师节约了大量时间，提高了教与学的效率。需要指出的是，它还特别强调“学生自己提出新问题”这一环节。正如爱因斯坦所说：“提出一个问题比解决一个问题更为重要。”培养学生的创新能力，培养学生的研究性学习能力，可以重点从培养学生提出问题的能力着手。

教学案例。笔者曾任教数字图像处理课程，在研究FreeImage、CxImage、OpenCV等几个开源库后，考虑到教学的方便、算法改进及自身科研课题的需要，最终选定OpenCV开源项目用来教学。因为OpenCV对图像处理的基本思想、算法都做了相应实现，学生只要调用相应函数就可实现其效果，同时又可以重点研究感兴趣算法的代码实现，便于学生改进创新。比如在讲述图像分割算法时，如分水岭、金字塔、轮廓提取算法、Canny算子等，学生只需要研究其实现源码并调用，做到所见即所得，便于培养学生的创新能力。再如结合图像分割技术的新发展，让学生使用OpenCV库去研究并实现基于图割理论的图像分割算法［5］。

（二）评价设计

为便于评估基于开源项目的研究性教学效果和其在培养学生研究性学习能力中所起的作用，本文进行了以下设计。

1.评价对象。我校正在进行研究性课程教学实验。笔者选取了我校2016级计算机专业的四个班128名学生，参考上学期考试总成绩及学生平时在创新性上的表现，将之分成两个大班，每班64名学生，可以认为两个大班学生的创新能力没有显著性差异。

2.评价策略与方法。在教学中，对一个大班采用问题探究教学方法（后文称问题探究班），另一个大班采用开源项目来进行研究性教学（后文称开源创新班）。评估的目的主要是检测在图像处理教学完成后，学生在创新能力上的差异，具体表现为学生的提出问题能力、分析和解决问题能力、团队协作能力。对于创新能力的评价，建议采用开放式内容的题目来完成。本实验评价方法为将每个大班的学生分成16组，每组4人，期末完成教师的一个横向项目。该横向项目的目的是根据视频中由煤构成的灰锥，其轮廓图像变形时（由于温度变化引起），自动判别灰锥变形（DT）、软化（ST）、半球（HT）、流动（FT）四个特征温度。要求改进项目中已有的灰锥变形识别算法，以更精确地测定四个温度。要求提交项目报告，报告中必含该项目可能存在的问题分析、学生自己的新设计方案、优化方案及代码实现与实验验证四部分。

三、数据统计与分析

数据统计分析的目标是量化评估利用开源项目来进行研究性“教”与“学”的效果，即量化评估学生的创新能力。本文根据创新与研究型教学的目标，结合项目要求，将学生的创新能力定义为四大要素：对可能存在的问题进行分析的能力，提出新设计方案的能力，对原方案进行优化的能力，代码实现与实验验证的能力。团队协作能力置入代码实现与实验验证部分来考查。四大要素分别体现在学生的项目报告中“可能存在的问题分析”“新设计方案”“优化的解决方案”“代码实现与实验验证”部分。对课程设计报告中对应的每一部分进行打分，满分均为100分。表1中数据为学生创新能力各要素成绩在各分数段的人数。其中，A代表问题探究班，B代表开源创新班。

可以认为，在各要素能力中，A、B班得分70分以上学生数目的多少反映了该班学生对该要素的掌握程度。根据上表，对各要素70分以上学生做统计，并以B班人数减去A班人数，得到结果如图3所示。

由图3可以看出，开源创新班学生在创新能力各要素上均优于问题探究班。仅在“能提出新设计方案”要素上优势相对较少，主要是因为对该项目提出新方案确实难度太大。

四、总结与展望

利用开源项目进行研究性“教”与“学”，能极大地解放师生手脚，让师生把更多的精力集中到研究问题、分析问题、解决问题的焦点上来，从而培养学生的创新能力。教改结果证明：同传统的研究性教学相比，基于开源项目的研究性“教”与“学”更有利于学生创新能力的培养。

下一步拟将进一步细化学生的创新能力构成，并将之融合到基于开源项目的教改实践中；在课程思政的引领下，让教学紧紧围绕提高学生的创新能力；不失航向，也为我国明日不再被“卡脖子”，尽一名人民教师的绵薄之力。

参考文献

［1］彭豪，钱扬义.运用信息技术促进气象科学研究性学习的实证研究［J］.电化教育研究，2014（1）：97-103.

［2］郭绍青，黄建军，袁庆飞.国外移动学习应用发展综述［J］.电化教育研究，2011（5）：105-109.

［3］龙慧灵，熊黎，龙海明.论研究性教学与研究性学习［J］.社会科学家，2010（8）：119-112.

［4］朱涛，王群，夏玲玲.基于OBE理念的智能物联实训项目教学设计［J］.实验技术与管理，2022，39（10）：168-171.

［5］刘松涛，殷福亮.基于图割的图像分割方法及其新进展［J］.自动化学报，2012，38（6）：911-922.