創客空間助力數學應用創新能力培養的探索與實踐

張云　許春根　王慧　許孟

［摘 要］ “新工科”建設背景下，培養應用創新型本科畢業生成為理工類高校的首要任務，這對數學應用創新能力的培養提出了更高要求。目前，數學類傳統教學實踐中存在載體不足、學習效果反饋不及時、數學應用創新能力培養不易等諸多問題。針對數學類本科人才成長特點，提出了以創客空間為載體，改革教學實踐環節，構建覆蓋教學活動關鍵環節的新模式，建立“學生主動、教師指導、融合創新、協調發展”的智慧培養機制，為培養具有較高科學素養、創新能力、社會擔當的高質量理工科人才提供了新思路。

［關鍵詞］ 新工科；創客空間；數學；應用創新；協調創新

［基金項目］ 2022年度江蘇省高校高質量公共課教學改革研究專項課題“‘四新背景下大學數學基礎課的教學生態研究”（2022JDKT077）；2023年度江蘇省高等教育質量保障與評價研究課題“新工科建設背景下大數據賦能的大學數學公共基礎課課程評價體系研究”（2023-C34）；2021年度南京理工大學高等教育教學改革研究立項課題校級重點項目“新工科背景下高校數學類課程‘基礎+進階模式的探索與研究”（2021-I-11）

［作者簡介］ 張 云（1987—），男，河南南陽人，碩士，南京理工大學數學與統計學院助理研究員（通信作者），主要從事教育信息化和高等教育管理研究；許春根（1969—），男，安徽宣城人，博士，南京理工大學數學與統計學院教授，主要從事密碼學和網絡空間安全研究；王 慧（1985—），女，江蘇連云港人，學士，南京理工大學數學與統計學院中級實驗師，主要從事實驗教學管理和項目管理研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）07-0117-04［收稿日期］ 2023-05-10

引言

在新工科建設背景下，高校人才培養有了新的要求。培養具有工程實踐能力和創新能力、具備相應國際競爭力的復合型人才才能支撐以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展［1-2］。數學是工業發展的基石，新時代復合型人才需要跨學科的知識體系和應用能力。新工科教育理念進一步突出和強化了數學理論、方法對工科的支撐作用，這對數學應用與創新能力培養提出了更高要求。為迎接新一代科技革命對工科人才培養提出的新要求，南京理工大學結合學校自身辦學定位、辦學實踐和條件，探索不同專業類人才培養模式的改革，同時持續深化教育教學改革，以應用創新型優秀人才為目標，不斷推進一流本科建設［3-4］。數學與統計學院針對過去教學實踐中出現的問題，不斷創新建設理念，改革教學模式，加強教學能力，盡力提升全校本科生的數學素養，滿足人才培養新要求。

一、數學應用創新能力培養實踐中存在的問題

本科培養教學活動主要分為四個環節：教師教學、課堂學習、學科競賽、集中實踐。教師教學不僅指以教師實施的教學活動，更包括教師為改進教學活動開展的一系列教學改革、教學創新及教學實踐，教師具有絕對的主動權。課堂學習是指學生參加課堂學習的全過程，學生處于相對被動接受知識的過程。學科競賽是指學校組織學生參加以提高應用能力和工程實踐能力為目標的活動。集中實踐是指培養方案中包括認識實習、課程設計、科研訓練、畢業設計等課程階段的全過程。學生在入學之后的傳統培養模式下，主要通過參與教師教學、課堂學習等環節完成理論知識學習，通過學科競賽、集中實踐環節培養應用創新能力和工程實踐能力。

本科教學改革的通常做法是教師通過自身教學改革與學生課堂學習效果形成反饋迭代機制，踐行“以教促學”和“以學促教”的理念方法，實現教學質量的持續提高。通過學科競賽、集中實踐等環節，實施“以賽促教”“科教融合”“產教融合”戰略，促進本科生實踐應用能力、創新創業能力的培養。學生從新生到畢業要完成整個過程的培養，從而成為符合專業要求、具備專業能力的畢業生。然而，數學類人才培養在過去的整個過程中出現了一些影響應用創新能力的新問題。

（一）教學實踐中載體不足

在原有的教學活動中，教師教學改革動力主要源于教師個人的主動意愿，教師持續的教學改革、教學研究動力存在不足。學生作為教學對象，在教師課堂教學的過程中相對處于被動地位，學生存在不敢與教師溝通、不愿與教師溝通教學效果的現象。這大大增加了教學改革、教學研究的難度，也降低了教學活動正向迭代、改革創新的節奏和速度。在教學活動中常因對象不同、事項不同、場地環境不同、工作標準不同等原因，導致“以賽促教、科教融合、產教融合”等理念在教學實踐操作中難以統籌協調、齊頭并進。引入一個能嵌入本科培養教學全過程的載體，無疑是解決問題的一個思路。

（二）學習效果反饋不及時

數學類學科相對其他學科更具知識的層次性和進階性，低年級學生的數學基礎課學習效果不好，高年級學生的數學類專業選修課、專業進階課往往很難取得較好的學習效果。在現有的教學活動中，考驗基礎數學應用能力、實踐能力的教學環節，如學科競賽、科研訓練、畢業設計等活動，通常集中在大三、大四年級，基礎課或者前置課程的學習質量反饋存在相對滯后和不好彌補的問題。

（三）數學應用創新能力途徑不夠豐富

數學應用創新能力的形成離不開興趣、天賦、環境等諸多因素。工科專業用數學解決實際問題的應用通常對數學應用能力要求較高，非數學專業的本科生往往缺少持續提升數學應用創新能力的途徑，也缺少不斷提升工科數學應用知識積累的動力和環境。搭建一個合適的平臺既能夠促進非數學專業學生持續加入以數學知識應用為主題的活動中，又能夠提供一個數學氛圍濃郁、創新土壤濃厚的創新環境，這些對于學校培養學生的數學能力都具有極大的增益。

二、以創客空間為載體，構建覆蓋教學活動關鍵環節新模式

高水準軟硬件環境和持續資金投入的創客空間可以為教學活動提供優質、統一的環境。創客空間支持學科競賽培訓、學科競賽組織、科研訓練、畢業設計、創新性開放實驗等教學活動，也具有得天獨厚的優勢。以創客空間為載體，協調本科教學活動各個環節，不但能夠促進學生應用創新能力的培養，還能夠促進教師教研結合、共同發展，提升教師參加教學改革、開展教學研究的動力。南京理工大學創客數學與數據分析工作室依托數學與統計學院數學實驗中心，硬件設備以計算機和遠程高性能計算服務器為主，軟件主要為數學類專業軟件以及相關圖書雜志等。室內條件可滿足學生的日常訓練和小型競賽活動。大規模的學科競賽如數模競賽、數學競賽等則可以依托數學實驗中心機房、學校計算中心、教室等場所進行。數學與統計學院在不斷的教學實踐中，嘗試以創客空間為載體構建新的本科人才培養模式（見圖1）。

（一）開展豐富多樣的教師活動，力促教師能力全面發展

以學科競賽為紐帶打造不同賽事的優秀指導教師團隊，打破原有的專業、學科壁壘，為教學研究、教師競賽分享、科研靈感激發提供良好環境。舉辦教學沙龍，邀請跨學院、跨學校教師，對數學公共基礎課開展研討交流，推動課程教學改革。近年來，高等數學競賽團隊針對公共基礎課程教學開展的“分層分類”教學改革取得了良好的效果［5］。開展“慕課西行”“校園科普”等對外交流活動，既對學科發展、人才培養起到了促進作用，又體現了學院良好的社會責任感，此類活動深受好評。

（二）支持學生開展社團活動，營造數學能力培養環境

創客數學與數據分析工作室為數學建模協會等學生社團活動提供了大力支持，積極組織學生組成不同興趣小組開展交流研討活動。經常舉辦的數學講座為學生跨專業、跨學院交流提供了一個良好的平臺，提供了外院學生與數學老師輕松便捷交流的機會，給予非數學專業學生繼續學習數學知識、數學應用創新能力實踐的軟硬件環境。

（三）精心籌備重要學科賽事，奪得高層次獎項

經過多年的積累與沉淀，創客數學與數據分析工作室在數學學科競賽中已具有成熟的組織體系和豐富的參賽經驗。針對高等數學競賽這類覆蓋面廣的賽事，工作室已經探索出一套與課程教學改革同步的選拔模式，將選拔的階段從大學二年級移到了大學一年級。從新生入學開始開展分級教學，發掘數學天賦好的競賽種子學生進行培訓。在沖擊更高數學賽事獎項的同時，可以及時獲得教學效果反饋。方便任課教師開展教學反思與經驗總結，促進教學質量更快、更好提高。

2022年，創客數學與數據分析工作室共承辦和參與了18項競賽，目前部分競賽的成績已經公布。美國（國際）大學生數學建模競賽獲特等獎提名4項，一等獎6項；高教社杯全國大學生數學建模競賽獲國一1項，國二4項，連續7年斬獲國一；第二屆全國密碼科普競賽我校是江蘇省唯一獲獎單位；“泰迪杯大數據挖掘競賽”連續6年獲最佳組織獎；MathorCup高校數學建模挑戰賽、五一數學建模競賽、中國研究生數學建模競賽等都取得了優異成績。

1.大力支持高水平科研活動，產出優秀科研成果。創客數學與數據分析工作室的遠程高性能計算服務器為全校教師科研活動提供了良好服務。針對本科生集中實踐環節，工作室多次組織學生參加認識實習、校企交流、技能培訓等活動。創客空間為科研訓練、畢業設計、創新性實踐項目、產學合作協同育人項目等創新實踐活動提供了良好的支撐。

2.傳承創客文化，助力課程思政，注重人格培養。工作室以引領和鼓勵學生自主學習、自我挑戰、不斷挖掘自身潛力為理念，以培養有遠大目標、有理想信念、敢于創新、勇于挑戰的新時代大學生為目標，注重創客文化氛圍的塑造與傳承。工作室對教師課程思政建設提供了大力支持，為學院教師提供了課程思政建設培訓的平臺資源。同時，工作室對管理人員、指導教師進行統一培訓，要求相關教師注重發揮平日言行舉止中的引領作用，尊重學生個性發展，引導學生人格健全發展。

三、構建“學生主動、教師指導、融合創新、協調發展”的新型培養機制

（一）持續推動教學活動改革，建立“學生主動、教師指導”的新型培養方式

興趣是學習的第一動力，國內部分高校已經探索出“教師指導、學生主導”的拔尖創新人才培養新模式［6］，通過教師指導激發學生的學術興趣、內在動力、創新潛力，學生主導選擇科研方向和深度學習。這種新興拔尖人才培養模式注重大師引領，讓學術大師發揮精神感召、學術引領和人生指導的巨大價值，對于教師團隊的質量要求相對較高。

以創客空間為載體的新培養模式的探索，注重以創客文化、創客精神、創客氛圍發揮引導作用，使學生從興趣出發，由被動學變成主動學，由必須學變成選擇學。教師可以區分不同學生的需求，給予不同的學術指導和興趣引領，在這種模式下由導師身份轉化為朋友身份，學習氛圍更加輕松，溝通渠道更加順暢，更有利于以教促學、以學促教的實施，達到教學相長的理想狀態。相比拔尖人才培養模式對指導教師的高要求，在以創客空間為載體的新模式下，指導教師的工作壓力較小。

（二）創新創客教育模式，打造項目式教育、融合性教育，促進科教融合、產教融合進一步發展

大力推進科教融合、產教融合是本科教育持續改革的目標。目前的教育實踐中，如何深入促進科教融合、產教融合仍然需要持續探索。創客教育具有“興趣部落”“共同體”“多元化”等特征，利用創客空間環境，基于不同特征打造項目式教育、融合性教育，能夠凝聚科研團隊、產業團隊，促使科教融合、產教融合理念更好的實踐。創客數學與數據分析工作室利用不同的學科競賽、創新性實驗、科研訓練項目，打造不同的興趣小組和項目團隊，營造良好的教學科研氛圍，在科研活動中凝聚團隊精神，反思教學質量。工作室聯合校外企業，承辦多項專業培訓，給廣大師生提供更多的校企合作機會，在交流中碰撞火花、激發靈感、磋商產學研合作。

（三）系統整合教學資源，協調引領人才成長，構建創新探索訓練體系

在傳統創新創業教育實踐中，普遍遇到的問題包括：師生創新創業興趣缺乏、創新靈感激發困難、創意實現缺乏手段、缺乏系統性的能力培養、缺乏訓練實踐體系等諸多內容［7］。新培養模式以創客空間為載體，能夠更好地聯系教師、學生、教學條件、培訓資源、科研項目等全部教育活動要素，以創客管理模式系統整合教學資源，以創客教育模式孕育創新意識，構建系統性創新能力培養新模式，打造專業與創新創業融合發展的創新創業實踐體系。

結語

在未來的教學實踐中，進一步將創客教育的理論與實踐相結合，為學生打造更多、更全面、更系統的創客教育載體?？茖W設計創客教育與現有教學活動的融合方式，持續推進學院教學改革，不斷提升本科人才質量。

參考文獻

［1］路冬，魏艷，柯文德.“新工科”背景下以國際引領、產教融合、能力遞增為特色的工程素質與創新能力培養模式探索［J］.高教學刊，2021（10）：17-20.

［2］于微波，楊宏韜，董博.新工科背景下自動化專業人才培養方案研究與實踐［J］.黑龍江教育，2021（10）：1-2.

［3］黃雷，袁軍堂，殷增斌.新工科背景下的機械類人才培養探索：以南京理工大學機械工程專業為例［J］.教育教學論壇，2021（30）：177-180.

［4］馬倩，金鵬.“新工科”理念下自動化專業人才培養模式的研究與實踐：以南京理工大學為例［J］.教育現代化，2020（17）：11-13.

［5］孫和軍.新工科建設視域下的工科數學教師教學能力提升對策研究［J］.黑龍江教育（高教研究與評估），2021（5）：55-57.

［6］苑潔，汪洪苗，劉世一.拔尖創新人才培養模式探索與構建［J］.工業和信息化教育，2021（9）：1-5.

［7］朱鋁芬，王春峰，陳美玲，等.基于“三創融合”的全鏈式教學模式的研究與探索［J］.工業和信息化教育，2021（4）：87-88.

Exploration and Practice of Maker Space Assisting the Cultivation of Mathematical Application Innovation Ability

ZHANG Yun， XU Chun-gen， WANG Hui， XU Meng

（College of Mathematics and Statistics， Nanjing University of Science & Technology， Nanjing，

Jiangsu 210094， China）

Abstract： In the context of the construction of the “New Engineering”， cultivating innovative undergraduate graduates has become the primary task of science and engineering universities， which puts forward higher requirements for the cultivation of mathematical application innovation ability. At present， there are many problems in the traditional teaching practice of mathematics， such as insufficient carriers， delayed feedback on learning outcomes， and difficulty in cultivating innovative mathematical application abilities. In view of the growth characteristics of mathematics undergraduate talents， this paper proposes to reform the teaching practice links， build a new model covering the key links of teaching activities， and establish a wisdom training mechanism of “students initiative， teachers guidance， integration and innovation， and coordinated development”， which provides new ideas for cultivating high-quality science and engineering talents with high scientific literacy， innovation ability， and social responsibility.

Key words： new engineering; maker space; mathematics; application innovation; coordinated innovation