基于创新思维与科研启蒙的多元立体化教学改革

摘  要：当前工科教学改革的方向是培养具备卓越的工程实践技能、出色的创新潜力和国际竞争力的高素质复合型人才。试验设计与统计分析是环境科学与工程相关专业的主干课程之一，承担着发展解决新环境问题能力的重要任务。该研究针对现行课程教学体系不能满足新工科发展战略的需求，从重构课程体系、探索创新教学方法、构建“以学生为中心”的教学模式和建立多元评价模式等多方面对课程教学进行改革，建立与环境科学专业紧密联系、交叉融合的多元立体化教学培养体系，旨在培养学生发现问题和解决问题的能力、创新思维和科学思维。实践表明，改革后课程教学的系统性和逻辑性更强，显著提高学生的学习主动性，激发学生的探索精神。

关键词：创新能力；科研启蒙；环境科学；试验设计与统计分析；教学改革

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）08-0142-04

Abstract： The current direction of engineering education reform focuses on cultivating highly skilled， well-rounded professionals with strong engineering practice abilities， exceptional innovation potential， and international competitiveness. Experimental design and statistical analysis is a core course in environmental science and engineering， playing a crucial role in developing students' ability to address emerging environmental challenges. However， the existing curriculum falls short of meeting the demands of modern engineering education. To bridge this gap， this study proposes a comprehensive reform strategy， including curriculum restructuring， innovative teaching methodologies， a student-centered learning model， and a diverse assessment framework. The goal is to establish a multidimensional and interdisciplinary teaching system closely integrated with environmental science， fostering students' problem-solving skills， innovative thinking， and scientific reasoning. Practical implementation of these reforms has demonstrated improved course structure and coherence， significantly enhancing students' engagement， curiosity， and exploratory mindset.

Keywords： innovation capacity; research initiation; environmental science; Experimental Design and Statistical Analysis; teaching reform

创新是国家繁荣发展的推动力。新时代的大学生承担了建设创新型国家的重要任务，这一点在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》中明确提出[1]。习近平总书记在北京大学建校120周年师生座谈会上强调，建设社会主义现代化强国，发展是第一要务，创新是第一动力，人才是第一资源[2]。因此，新时代对大学生的创新能力提出了更高的要求。很多学生在校期间会参加大学生创新创业项目、“互联网+”“挑战杯”等比赛以提升自己的能力和核心竞争力。此外，相当大部分的学生会通过参加全国硕士研究生统一招生考试，以争取更广阔的发展空间。显然，这些经历对学生的调查研究、试验设计、分析数据和总结报告等实践技能提出了更高的要求。

试验设计与统计分析是环境科学专业学生的专业基础课程，是一门实用性很强的工具课。该课程将数理统计的基本原理和方法应用于环境工程技术和科学研究领域，旨在培养学生掌握试验设计与统计分析的基本原则，使他们具备独立进行实验和科学分析的能力[3]。此课程与环境专业学生的学习和毕业设计直接相关，因此对学生培养质量具有重要影响。为提高教学质量，本研究深度剖析现有教学环节中存在的问题，通过改革教学模式和建立多元评价体系，推动了课程教学改革。

一  当前教学中存在的主要问题

环境科学专业具有实践性的显著特征，要求学生具备能高效、快速地分析和解决环境问题的能力[4-5]。然而，目前试验设计与统计分析的教学现状与专业需求之间存在显著差距。以下分别从教学内容、教学方法、教学模式和考核体系四个方面对课程教学存在的问题开展讨论。

（一）  教学内容缺乏环境专业特色和应用性

试验设计与统计分析以数理统计和概率论为基础，具有原理复杂、内容多、公式多、计算多和图表多等特点[6-7]。但该课程仅有24学时，教师在课堂上过于注重基本概念和原理的传授，却忽视了知识的实际应用，导致学生普遍感到学习乏味和难以理解。此外，教师过分强调经典理论，缺乏讲授具有专业特色的实例，更甚少将学科前沿知识和最新研究成果融入教学，导致课程教学与实际应用工作脱节。

（二）  采用单一的多媒体教学方法

由于课程内容丰富而教学时间有限，以往主要采用“满堂灌”的教学方法，即教师借助授课、板书和多媒体工具等方式讲授知识，并就常规知识对学生进行提问，缺乏其他课堂互动方式。这种单一的教学方式导致学生容易出现“似懂非懂”的情况，即使教师的教学质量非常高，学生也难以实现对知识的深刻理解、综合应用和解决实际问题的能力。

（三）  “以教为主”的教学模式

现有的教学模式是以教师为中心，即教师起主导作用，负责课程设计、知识传授和课堂管理，而学生充当知识的接收者和听众的角色。但这种教学模式存在以下问题：①学生学习的积极性和主动性不够；②环境科学专业学生的数据和统计学基础普遍相对较弱，难以理解课程内容；③实践应用能力不足，缺乏创新能力。

（四）  现有考核体系无法有效评估学习效果

当前的课程考核方式包括平时成绩和期末考试成绩，占比分别为30%和70%。其中平时成绩包括课堂考勤、课堂问答、课后章节作业（主要以计算题为主），期末考试成绩以笔试的考试卷（开卷）成绩为主。这种考核方式培养出应付考试的突击型考生，缺乏实践和应用，难以公平、客观地反映出学生的学习效果，且无法发挥出创新型学生的优势[8]。

由于该门课程教学存在上述问题（图1），学生在做毕业设计时，无法运用课程知识独立设计试验方案、灵活处理实验数据、对数据图形进行有效整理和分析。因此，基于创新能力培养和科研启蒙双导向的试验设计与统计分析课程多元立体化教学改革势在必行！

二  基于创新能力培养和科研启蒙双导向的课程教学创新思路与途径

基于上述课程教学中现存的问题，笔者结合环境科学学科实验研究的方法和原则，从以下四个方面对试验设计与统计分析课程教学进行改革（图2）。

（一）  调整和优化教学内容，增强专业特色和实用性

1  调整教学内容，凸显专业特色

在教学内容组织和知识侧重点的处理上，结合环境科学专业特色、适应行业需要为主导，强调该门课程在专业中的应用，从环境科学专业实验测试的程序、方法、常见问题等方面出发，组织调整优化理论教学内容。对于一些经典理论，只讲授基本概念及常用标准，侧重知识点在解决环境问题过程中的应用。调整前后的教学内容，具体见表1。

2  加强案例教学和实践性环节

将教学大纲中的各个知识点进行提炼、优化和重新组织，采用案例形式进行知识点的总结。在此过程中，我们剔除了参考教材原有的机械和建筑等领域的例子，选用期刊论文、硕博士论文中与环境科学专业知识相关的案例。结合教材章节的具体内容，从案例论文涉及的试验设计与统计分析两方面内容出发，系统分析案例论文所用的试验设计方法和数据处理方式。这一理论与案例并行的教学内容有助于学生初步了解如何分析和解决科学问题，并深化对教材相关知识的理解和应用。

除了课堂教学，我们还注重培养学生的实操能力。通过联系或引用一些环境科学和工程学问题，调动学生的积极性，鼓励他们自主设计实验方案，或者根据虚拟的实验结果采用数据处理软件验证实验方案。在教学中，教师将统计理论知识与实际操作相结合，学生与教师同时进行演练。在上机操作过程中，我们重点强调知识的应用。一旦学生通过课堂应用实例学会了软件的基本使用方法，我们将布置作业，让学生利用以往课程实验获得的数据进行处理和分析，以鼓励其主动学习软件操作技能。

3  适当引入学科前沿知识，拓展学生视野

试验设计与统计分析方法随着时代进步不断发展改进，因此，在课程教学中，我们不仅要介绍基本内容，还要引入学科发展的前沿知识。为此，课程增加了如Environmental Science & Technology、Water Research等环境领域顶级期刊上的研究论文，以探讨试验设计与统计分析的具体应用。这一方法有助于拓宽学生的学术视野。在教学过程中，我们采用多媒体展示、板书和在线资源等多种教学模式相结合，以更灵活地向学生传达最新的教学信息和前沿知识，从而提升他们对试验设计与统计分析领域的理解。

（二）  多种教学方法并用，激发学生积极性

利用互联网技术，在超星学习通上上传课程PPT、最新学科研究方法、优秀设计或论文、案例等资料。学生通过平台完成课前预习、课中互动、课后实践和拓展学习等环节；老师通过发布通知、开展活动（专题讨论、分组）、发布章节测验作业、监控任务点完成情况和统计作业测验考试成绩等，实现对整个教学过程的有效管理。

课堂教学中，采用案例教学法，以资源与环境学院近年的优秀本科毕业论文、大学生创新创业活动的科研论文或环境专业顶级期刊论文为素材，引导学生研究论文的设计思想和方法，讨论试验数据的处理。采用启发、互动式教学，如通过组织专题进行课堂讨论或分小组进行汇报等，给予学生充分发表意见的自由，引导学生自己发现问题、提出问题、分析问题和解决问题。在上机操作环节中，根据环境科学和工程学的常见问题，鼓励大家设计方案，或者根据虚拟的实验结果采用数据处理软件验证实验方案。

（三）  “以学生为中心”，发挥学生的自主性

构建“以学生为中心”新型教学模式[9-10]，即“课堂案例引导—课后探究学习—阶段实践练习—讨论反馈—过程评价”，我们特别注重针对不同试验设计方法的特点和差异，结合实际情境设置相应的案例。通过启发式和案例教学，逐步提出问题，由浅入深，逐层推进，以激发学生主动思考和积极参与讨论，并引导他们提出解决方案。同时，教师将专注于对关键问题和难点的有针对性解析和串讲。