大學生創新實踐啟蒙課程“一體化”體系建設

呂淑平，孫 蓉，于 鑫，管鳳旭，韓云濤

(哈爾濱工程大學 自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

大力開展課外科技創新活動是高校實施教學改革，培養高素質創新人才的重要舉措之一[1]。近年來哈爾濱工程大學在“創新推動，打造品牌”人才培養戰略指導下，大力推進以大學生科研訓練和學科競賽為主要形式的本科生科研訓練和創新活動，積極構建研究型大學本科生參與科研和創新活動的平臺，建立了多位一體的學生科技創新支持體系，包括學生科技創新基金、創新學分、創新獎學金、大學生創業基金、個性化保送研究生、實驗室開放等，以“一學院一個品牌”為標志的學生科技創新活動普及開展[2-4]。

筆者在從事實驗教學和科技創新工作中發現一個普遍存在的問題，由于引導和啟蒙不夠，好多學生在開始從事科技創新時比較打怵，尤其是低年級本科生不知如何邁進科技創新大門，導致好多有潛力的學生被埋沒，創新能力沒有被挖掘。因此如何降低創新門檻，通過加強引導和啟蒙把學生領入科技創新大門是“創新普及”要解決的一個關鍵問題。

在美國，許多高等學校為了培養高素質的人才，從學生一入校起，就讓他們在教師指導下從事一些科研活動，有目的、有計劃地對他們進行系統的科研訓練，使他們盡早熟悉科學研究的程序和方法，在科研活動中培養學生的科研能力[5-6]。

為此，我院從2011年開始面向二年級本科生開設了“創新認知與實踐”必修課程。該課程共32學時，前4學時統一授課，主要介紹示波器、波形發生器、頻率特性測試儀、車床等常用測試及加工設備的使用，后28學時是實驗，要求學生利用課堂時間在教師引導下完成一件科技作品的制作。本文就“創新認知與實踐”課程的開展與“一體化”體系建設作介紹。

1 課程建設的核心要素

“創新認知與實踐”課程旨在增強學生創新意識、培養學生創新能力、樹立團隊協作精神和提升學生創新水平。學生通過親身實踐，利用課堂時間在教師引導下逐步掌握一項作品的軟硬件組成原理、設計方法、調試方法及一個創新作品完整開發過程，進而使學生盡早熟悉科學研究和科技創新的程序和方法，為今后參加科研和各類科技創新活動打下基礎。所以本課程定位重在引導性和實踐性。

國外大學普遍認為，大學教學最好的方式是基于項目的研究型教學，在“做”項目的過程中，學生驅動學習過程[7-8]。由此確定課程建設的核心三要素：

(1) 要素一：以科研、工程實踐典型小范例設計與制作為主線，利用項目教學法，將教學內容與工程實際相結合，基于項目把課程內容關聯起來，構建“基于項目的學習”的教學內容和實驗環境。

(2) 要素二：以“做中學”為指導方法, 更新教學觀念，實施以工程教學模式為基礎的整體化的能力培養，循序漸進、由淺入深，把學生領入創新實踐和科學研究的大門。

(3) 要素三：以小組合作式的學習方式，實施課內集中指導，課外完全開放的管理模式。培養學生團隊合作意識、溝通協調能力和主動學習能力。

2 “一體化”課程體系建設

圍繞“三要素”，將理論與實踐有機結合起來，把課程關聯成一個有機的整體，基于項目實施“一體化”課程體系建設。“一體化”課程體系包括：教學內容、實驗環境、師資隊伍、配套教材、教育方法和教學評價等。

2.1 構建“四平臺”教學內容及實驗環境

2.1.1構建“四平臺”實驗

本課程是面向自動化類專業學生開設的，基于國家級實驗教學示范中心和校企共建實驗教學資源，由課內到課外共開出“四平臺”實驗項目，學生可以根據自身基礎、能力、興趣和專業方向自由選擇實驗項目。其中第一、二、三平臺為學生必選內容，對應課內教學；第四平臺為學生選做內容，對應課外科技創新。

(1) 第一平臺實驗：以電子線路、傳感器、微特電機等設計及應用為主的創新項目。

(2) 第二平臺實驗：以單片機、PLC、FPGA等開發及應用為主的創新項目。

(3) 第三平臺實驗：以電力電子技術、新能源技術等自動化技術綜合應用為主的創新項目。

(4) 第四平臺實驗：以參加各類創新項目、科研立項、大學生競賽項目等為主的創新活動。

近3年課程組根據科研、工程實際項目分解成小的科研案例進行開發調試，針對第一、二、三平臺開發建設70余項實驗項目，現已全部用于課程中。課外開展全國大學生工業自動化挑戰賽、全國電子創新設計競賽、全國大學生飛思卡爾杯智能車競賽等8項大賽，指導學生科研立項100余項。開出的典型實驗項目如表1所示。

表1 典型實驗項目

2.1.2 教學內容特點

本課程構建的教學內容和實驗環境特點如下：

(1) 實驗內容豐富。實驗內容豐富且并且具有較強的工程性和綜合性。學生可按專業或興趣有針對性、有選擇性地學習，滿足各類學生的需求。

(2) 課內課外結合。課內以電子線路、傳感器、單片機、PLC等開發及應用為普及教育，課外以開展競賽、創新項目為實戰，使課內教學有效延伸到課外，逐步提升學生的科技創新能力。

2.2 保障課程效果，組建強大教師隊伍

本課程面向全院開設，每年有13～14個教學班，近500余人，學生量大。為保證課程的開出效果以及培養目標要求，按小組實施教學，2～3名學生為一組，每組一個課題，每位教師指導不超過10組，因此需要強大的指導教師隊伍。課程組在我院青年教師中進行試講，選拔科研經歷豐富、動手能力強，并熱心指導學生創新工作的教師共18人，按每位教師的專長分成傳感器組、51單片機組、Freescale單片機組、英飛凌單片機組、凌陽單片機組、FPGA組、PLC組、新能源組、電力電子組等。每組指定負責人，負責本組實驗項目的建設和指導工作。

2.3 基于項目進行教材建設

組織骨干任課教師，以近3年開發的70余實驗項目為基礎，編寫了“科研訓練范例”課程教材。

(1) 該教材面向自動化類專業本科生進行創新啟蒙教學，定位為科研素質培養的基礎教材。初學者通過書中的實例，逐步掌握實例的軟硬件組成原理，設計方法、調試方法及一個創新作品完整開發過程。

(2) 該教材內容包括常用傳感器、系列單片機、可編程控制器及FPGA等基本知識及具體應用范例開發設計過程。編寫時側重范例具體工程設計及實現，把對知識點的教學與案例相聯系。

(3) 在闡述科研范例時，按著設計內容、硬件設計、軟件設計及進一步擴展與提高的格式，從常用的功能出發，力爭用通俗易懂的語言，由淺入深，系統介紹了各種處理器及控制器的結構、軟硬件設計方法，功能逐步由簡單到復雜，適合初學者循序漸進的學習方式。

2.4 實施團隊形式的教育方法

研究性教學是國際上普遍認同和實施的一種新的教學模式，創新人才培養必須是以科學研究為根基的探究式學習[9-12]。課程實施團隊形式的教育方法，努力做好3個環節。

(1) 第一個環節：探究式教學。在實驗中，教師引導學生觀察、發現問題，以點撥、提問和相互探討等方式幫助學生解決問題。

(2) 第二個環節：課堂討論。設置課堂討論環節，由學生和教師共同探究問題、解決問題，提高學生學習的主動性，學生在與老師的探究中完成科技作品制作。

(3) 第三個環節：團隊合作。通過項目的研究和小組合作方式，把個人學習與團隊合作學習相結合, 促進團隊溝通和合作, 使學生在提高知識和能力的同時, 培養團隊意識，提高團隊合作能力。

2.5 實施多元化成績評價方式

課程以多種考核形式為手段，立足于學生整體素質發展，考核學生多方面能力，實施多元化的成績評價方式。考核內容包括考勤、實驗過程表現、設計報告撰寫、作品觀看、匯報與答辯。

(1) 考勤占5%：重點考核學生的學習態度、自我約束和自我管理能力，樹立嚴謹守紀、蓬勃向上的學風。

(2) 實驗過程表現占20%：重點考核學生理論聯系實際能力、實踐操作能力和實驗方案設計能力，以及小組合作組織協調能力和團隊協作能力。

(3) 設計報告撰寫占30%：重點考核學生知識點歸納能力，科技實驗總結能力和綜合分析問題能力。

(4) 作品觀看占20%：重點考核學生實踐動手能力、創造創新能力，培養學生自主實踐、主動創新的精神。

(5) 匯報與答辯占25%：重點考核學生交流表達及運用所學知識，講述總結自己所做工作的能力，考核學生敘述的條理性及溝通應變能力。

3 后勤保障

本課程學生量大，耗材需要量大，要保證課程開出效果，達到教學培養目標，后勤保障是關鍵。

(1) 配備基本測試設備和工具。每個實驗臺必須配備萬用表、示波器、焊接工具等基本測試儀器和工具，以備學生隨時使用。

(2) 配備專門元器件儲存室。制定元器件管理制度，由專人負責元器件購買、落賬、發放、回收以及學生課堂作品的收集、整理等工作。

(3) 配備專門機械設備加工室。由專人進行操作、維護和管理，負責幫助和指導學生進行機械設備設計與加工。

(4) 配備課程專項使用經費。學校每年專項撥款1.5～2萬元，平均70元/每組學生，支撐學生創新項目制作，用于購置元器件、耗材等用品，確保課程開出質量。

4 預期成效

一個作品相當于一個小型科研項目，完成一個作品整個過程就像完成一個科研項目一樣，對科學研究起到很好的啟蒙作用，對綜合能力的鍛煉不僅包括對知識的獲取能力，同時還包括對學生合作協作能力、解決實際問題能力的培養；經過答辯、匯報、小組討論、師生交流等過程，不僅僅提升學生的與人溝通能力、表達能力，而且還在這些過程中培養了學生勇于自我學習、自我表現。

基于第四實驗平臺，舉辦和指導校內外競賽、支撐學生課外科研和創新立項，每年參與人數1 000余人次。據2013統計，科技創新作品獲國家特等獎3項、國家一等獎2項、國家級二等獎5項、省級一等獎7項、省級二等獎12項。

5 結束語

有組織地開展本科生科研訓練是培養大學生自主學習和創新精神的有效途徑，在學校人才培養中發揮日益重要的作用。本文以“創新認知與實踐”課程的開展和建設為突破口，啟迪學生創新意識，營造創新的學術氛圍與校園文化環境，培養學生實踐能力和可持續發展能力。

[1] 劉志剛.三分天下有其一：加強實驗教學工作, 培養高素質創新人才[J].實驗室研究與探索，2009，28(2)：1-4.

[2] 劉志剛.協同化教學育英才[J].實驗室研究與探索，2012，31(1)：1-3.

[3] 劉志剛.協同化教學育英才(續)[J].實驗室研究與探索，2012，31(2)：1-3.

[4] 劉志剛.以培養創新型人才為目標構建高水平實驗教學大平臺[J].中國高等教育，2009(6)：20-22.

[5] 盧曉東.本科教育的重要組成部分：加州大學伯克利本科生科研[J].高等理科教育，2000(5)：67-73.

[6] 張愛樺.國內外研究型大學本科生科研訓練計劃的實施及啟示[J].科技資訊，2007(24)：109.

[7] 鄔家瑛，錢輝.論本科生科研訓練存在的問題及解決思路[J].中國高教研究，2009(1)：63-64.

[8] 馮林，吳振宇，于麗英.大學生綜合創新實驗中心建設的探索與實驗[J].實驗技術與管理，2011，28(8)：110-113.

[9] 孫淑琴，鄭凡.教學與科研互動模式的課程體系建設與實踐[J].中國校外教育，2011(7)：122-123.

[10] 李正，林鳳.論本科生科研的若干理論問題[J].清華大學教育研究，2009，30(4)：112-117.

[11] 唐鐵軍，成協設，徐躍進.構建研究型大學本科人才培養體系的探索與實踐[J].中國大學教學，2010(7)：23-25.

[12] 王寶璽.關于實施“卓越工程師教育培養計劃”的思考[J].高校教育管理，2012，6(1)：15-19.