基于科研成果的大學生綜合創新能力培養模式

王生懷,Li Tukun,徐風華,陳育榮,鄧小雯

(1. 湖北汽車工業學院 機械工程學院, 湖北 十堰 442002；2. University of Huddersfield, Centre for Precision Technologies, Huddersfield, HD1 3DH, UK)

基于科研成果的大學生綜合創新能力培養模式

王生懷1,Li Tukun2,徐風華1,陳育榮1,鄧小雯1

(1. 湖北汽車工業學院 機械工程學院, 湖北 十堰 442002；2. University of Huddersfield, Centre for Precision Technologies, Huddersfield, HD1 3DH, UK)

為了培養適應時代需要,具有創新意識、創新思維及創新能力和工程實踐能力的高素質工程技術人才,結合精密測量科研成果,提出了基于精密測量科研成果的大學生綜合創新能力培養模式,并進行了初步實施。結果表明,這種模式可充分利用科研成果培養在校大學生的綜合創新能力,使科學研究和教書育人結合起來,相互促進。

綜合創新能力； 培養模式; 精密測量

當今世界,人才是一個國家和社會發展的最重要資源,人才教育培養模式的探索一直是一個熱點話題。專業素養教育倡導學生的再學習與創新能力培養,從而適應時代對人才的“寬口徑、厚基礎、復合型”要求[1]。如何培養大學生的創新意識與創新能力,已經成為當前作為高級人才培養基地的高等學校推進素質教育的核心課題。尤其對于機械類工科專業,盡管近年來大學畢業生數量急劇增加,但其素質距離企業的要求似乎還很遠。如何培養適應時代需要,具有創新意識、創新思維及創新能力和工程實踐能力的高素質工程技術人才就顯得更為迫切。

為了提高學生的綜合創新能力,不僅需要在第一線工作的教師積極探索傳統課堂的教學模式,提高教學效果,做好第一課堂的教學工作；而且,還需要學校、學院等各方面大力組織和引導學生主動參加第二課堂活動,如本科生提前進入專業實驗室學習、參加學術活動以及科技競賽、構建特色實踐教學平臺等[2-8]。這些綜合創新能力培養模式的成功實施,無不得益于立足自身條件、因地制宜、量體裁衣。因此,制定綜合創新能力培養模式,必須立足自身,體現在特色之上,這也切合了我國加快發展現代職業教育、引導普通本科高校向應用技術型高校轉型的發展大趨勢。

1 創新能力培養模式設計

湖北汽車工業學院機械工程學院精密測量技術創新團隊長期從事精密測量技術及儀器、精密機械、測試理論、儀器計算機接口技術、虛擬儀器等的研究,一直把精密測量儀器及其智能化、精密機械設計與制造、光電檢測、測控技術等作為重點研究方向,已經在這些方面構筑了一定的基礎。團隊近幾年承擔了與表面精密測量相關的4項國家自然科學基金項目和10多項省部級、市廳級科研項目,并聯合外單位承擔了國家重大科學儀器設備開發專項和國家自然科學基金科學儀器專項的研究工作,開發出了相應的測量儀器裝置,這些儀器裝置包含了光學、機械、電路、控制、標準、軟件和算法等多學科的專業知識。如何將這些項目的研究成果和我校機械工程類大學生綜合創新能力的培養結合起來,制定出具有自身特色的創新能力培養模式,一直是我們近幾年來思考的問題。

1.1 設計思路

考慮了我們的創新團隊在表面形貌精密測量研究方面所做的前期研究工作,以及在理論研究和技術開發方面積累的經驗,制定了符合自身特色的大學生綜合創新能力培養模式,其思路和特點主要體現在以下方面:

(1) 本創新培養模式基于課題組的特色科研成果,強調團隊協作和綜合知識運用,以及參與課題組科研工作,從而不同于傳統的某一門課程的綜合設計,也不同于大四的綜合考察學生個體4年學習情況的畢業設計。

(2) 表面形貌精密測量研究中的技術開發成果包含了光學、機械、電路、控制、標準、軟件和算法等多學科的專業知識,并形成了實物儀器裝置,便于學生比較、模仿和參與新儀器的開發,更利于培養大學生的綜合創新能力。

(3) 把科研成果的轉化與大學生綜合創新能力結合起來,做到“研”為“學”用。同時,本科生參與科研項目,將促進課題組更好地完善科研成果,推進科研成果的市場化,有利于促進產、學、研協同發展。

(4) 創新團隊導師作為雙肩挑的教學科研與管理人員,既有一線的科研、教學與技術開發經歷,又有參與制定、調整、實施和管理學生培養方案的經歷,因此有利于從宏觀層面把握和從微觀層面細化學生綜合創新能力培養模式。

1.2 設計方案

1.2.1 培養目標

大學生創新能力培養模式的目標是充分利用創新團隊在表面形貌精密測量研究領域的科研成果,以儀器開發的形式,使大學生將在校期間所學的“大學物理”、“機械設計”、“機械制造”、“模電與數電”、“信號分析”、“測試技術”和“計算機編程”等基礎課和專業課綜合運用,以及培養大學生文獻查閱、論文撰寫和團隊協作能力,從而培養大學生的綜合創新能力。

1.2.2 培養內容

(1) 表面形貌精密測量科研成果與大學生綜合創新能力培養的結合。表面形貌精密測量涉及到多個學科的知識,目前已經形成了一個新的學科——表面計量學[9-12],其研究對象遠不止是機械零部件的表面,其內涵和外延發生了深刻的變化,有些需要研究生層次的基礎理論知識學習之后,才能從事相關的研究工作。因此,需要對表面計量學科作專題導論教學,使學生對該學科有基本的了解和認識,明確表面形貌精密測量技術的意義所在,從而使之與大學生綜合創新能力培養過程進行恰當的銜接。

(2) 現有課程體系與表面形貌精密測量科研成果的銜接。由于現有課程體系以基礎教學為主,各門課程相對比較獨立,與表面形貌精密測量科研成果以項目為導向存在差別,需要高度綜合各門專業課程。從現有的課程中選取與課題研究相關的部分進行深入學習和綜合應用,是綜合創新能力培養的一個重要內容。因此,需要對表面精密測量科研成果作專題導論教學,使學生對相關科研成果有基本的認識和了解,明確學生所學專業知識與精密測量技術中所用到的專業知識的關系,有選擇性地加強和細化所學專業知識,從而為參與創新能力培養作好相應的專業知識準備工作。

(3) 大學生綜合知識的創新應用與團隊協作能力的培養。由于表面形貌精密測量技術涉及到了多門學科的綜合應用,其中涉及到光學、機械、電路、控制、標準、軟件和算法等多學科的專業知識。作為機電類的本科生,相關方面的知識可能均有所接觸,但是把這些知識綜合運用起來,并進行技術開發,同時還要完成日常的理論與實踐課的學習,無論從能力上還是從精力上,已經不是學生可以獨立完成的。因此,需要將技術開發任務進行分解,并按分解任務組建合作開發團隊,團隊成員共同協作,綜合運用所學專業知識,完成、顯現和完善現有科研項目的成果,撰寫學術論文,促進產學研方面的轉化。

(4) 大學生綜合創新能力培養過程與現有理論實踐教學的銜接。在現行教學方式下,大學生必須有足夠的時間完成教學大綱規定的理論課程和實踐課程的學習之后,才能拿到相應的畢業證和學位證,并且每一門課程的學習時間比較集中,每一門課程的培養目標都很具體,考核方式一般也很明了。相比之下,大學生綜合創新能力培養的目標比較寬泛,暫時沒有辦法制定具體的學期和學時,學習時間相對比較零散。因此,需要充分利用大學生的課余時間和假期時間,將綜合創新能力培養過程貫穿于教學大綱規定的教育任務之中,使二者相互銜接、相互補充、互為促進。

2 創新能力培養模式實施

2.1 培養模式分解說明

結合課題組所承擔的教學科研項目,充分考慮自身及課題組綜合條件,以及現有的教學環境和教學條件,制定出大學生綜合創新能力培養模式,總共120學時,具體如下:

2.1.1 表面計量學科認知學習環節

該環節以教師作專題導論教學為主,安排6學時。主要介紹表面計量學科的產生、發展、現狀和趨勢,結合機械工程領域的表面粗糙度、表面形貌等應用,介紹微機電系統領域的微器件表面形貌、生物工程領域細胞表面形貌、光學工程中的微鏡陣列表面、航空工程領域的飛機蒙皮表面、醫療領域的人工關節表面形貌等與表面形貌計量密切相關的一系列當今科學與工程領域的前沿研究問題,讓學生了解表面計量學的重要意義[9-12]。

另外還介紹英國NPL、德國PTB、美國NIST、中國計量學院研究院NIMC以及英國哈德斯菲爾德大學精密技術中心等世界各國科研機構在此領域所做的工作,特別是英國哈德斯菲爾德大學精密技術中心蔣向前首席教授,由于在此領域所做的杰出工作而被評為英國皇家工程院首位華裔女院士,讓學生對本領域的前沿研究動態有一定的認識和了解,激發學生投身科研的熱情和信心。

2.1.2 表面精密測量技術認知學習環節

該環節以教師作專題導論教學為主,安排6學時。表面精密測量技術涉及到“光學工程”、“精密機械”、“模電與數電”、“精密測量控制”、“表面幾何規范GPS”、“科學計算方法”、“軟件工程”和“數據結構”等多門課程的綜合應用。

本環節介紹課題組在精密測量技術方面所做的工作,包括研究過程中的項目申報、論文撰寫、發明專利撰寫申請等,讓學生了解我國科研資助體系的基本情況,了解一般科學研究的基本流程,使之對科學研究過程有初步的認知。重點介紹所開發的儀器,包括基于電感的表面形貌測量儀、基于邁克爾遜的激光干涉表面形貌測量儀、基于白光干涉的垂直掃描干涉儀、基于雙光柵的激光干涉表面形貌測量儀、基于單光柵的激光干涉表面形貌測量儀、基于白光干涉的納米探針表面測量儀等,介紹這些儀器的基本原理、光路設計、機械設計、電路設計和軟件設計開發過程,讓學生對科學研究有直接感性的認知和可參與的落腳點,從而從認知階段向動手能力培養階段轉化。

2.1.3 專業知識復習鞏固與學習環節

該環節以學生自學為主,安排32學時。學生根據上述環節中所涉及到的光學、機械、電路、控制、標準、軟件和算法等多學科的專業知識,重點針對課題組研發儀器中所用到的專業知識和開發工具,對于已學過的專業知識加以復習鞏固,對于新涉及到的專業知識,則自己查找資料自學,培養自學能力。

在該環節中,給學生提供相關的光路設計圖、電路設計圖、軟件算法等資料,讓學生的自學有針對性。要求學生能掌握所提供圖紙中涉及到的相關基礎原理知識,能用相關的開發軟件閱讀瀏覽資料以及初步嘗試做一些基本的開發工作。同時,結合研究生助研、助管崗位,安排研究生參與本科生綜合創新能力的培養過程,鍛煉研究生的指導能力,使本科生綜合創新能力的培養和研究生的培養進行適度銜接。

2.1.4 綜合知識運用與創新能力培養環節

該環節以學生自己動手為主,教師和研究生輔導為輔,安排76個學時。根據測量儀器的特點,劃分為傳感器設計開發模塊、工作臺機械設計開發模塊、測控電路設計開發模塊和測量評定軟件設計開發模塊等4個模塊。

學生按上述模塊進行分組,每4個人成立1個小組,小組中每個成員負責1個模塊,小組團隊之間相互協作,培養獨立開發與團隊合作能力。小組分組和成員負責模塊確定后,各成員要求進一步深入學習和理解承擔開發模塊所涉及的專業知識以及相關開發軟件的熟練使用,此時學生的學習更有針對性。小組成員既要熟練掌握自己所承擔的模塊,又能在一定程度上了解本組員所做的工作,一定程度上可以協助解決小組成員承擔的工作。在此基礎上,小組成員各司其職,參考課題組提供資料,著手設計傳感器、機械零部件、測控電路和測量評定軟件。最后,進行安裝和調試,并測試標準樣板,撰寫模塊開發技術報告和系統綜合技術報告,完成整個儀器的開發。

2.2 案例實施與簡要分析

2.2.1 案例實施與反饋

2012年,我們將課題組研究成果與我校機械學院本科試點班4位三年級學生的培養結合,指導學生申報了我校大學生創新性實驗項目——電感表面粗糙度測量儀的研制,并按上述模式進行分解實施。在隨后一年半的時間內,指導學生完成了1臺電感表面粗糙度測量儀的研制,4位學生綜合應用機械零件設計、電路設計、軟件開發、標準運用、信號采集、數據分析和控制算法等多方面專業知識,成功地開發了1臺電感表面粗糙度測量儀,熟練掌握了個人所負責模塊的開發,基本掌握了整臺儀器的綜合設計開發流程,并公開發表學術論文1篇,實踐動手能力得到了很大提高。學生在參考現有科研成果進行開發的過程中,提出了很多問題和建議,有一些建議對整個團隊科研項目的進一步研究有著直接的促進作用。

從4位學生的反饋來看,他們在科學研究的認知、專業知識的綜合運用、文獻檢索、論文和技術報告撰寫、團隊協作等方面均有明顯提高。輔導員教師認為這4位學生比以前更加自信,畢業設計指導教師也認為他們容易指導,學生自主學習能力明顯提高。

2.2.2 簡要分析與思考

從上述實施效果來看,整體上基本達到綜合創新能力培養的目標和要求,同時也暴露出一些問題,值得思考與進一步改進。由于學生的現有培養計劃中理論和實踐學習任務比較重,沒有固定的比較長的時間來開展基于表面形貌精密測量科研成果的綜合創新能力培養。因此,對學生綜合創新能力培養的實施,需要進一步解決如下問題:

(1) 加強和調整學生學期內的理論教學和實踐教學內容,優化學生學期內的課程安排,充分利用課外時間,對學生在綜合創新能力培養培養過程中所需要的理論知識進行補充和強化,使學生綜合創新能力培養與學期內的理論教學和實踐教學內容進行銜接；

(2) 優化創新項目的模塊與任務分解,合理安排學生的假期,集中部分假期時間,讓學生逐段完成,并對完成情況進行綜合考核；

(3) 綜合評估綜合創新培養模式的作用,使學生綜合創新能力培養與各種獎勵申報、課程替代和加學分等環節進行有效銜接,從而更利于學生綜合創新能力培養的推進；

(4) 結合研究生助研、助管崗位,安排研究生參與本科生綜合創新能力的培養過程,鍛煉研究生的指導能力,使本科生綜合創新能力的培養和研究生的培養進行適度銜接；

(5) 結合科研成果與學生綜合創新能力培養,提升科研成果中試驗裝置的穩定性和可靠性,對試驗裝置進行產品化包裝,使科研成果向產業化方向轉化,讓學生參與到具有市場競爭力的產品開發過程之中。

3 結束語

我們將課題組科研成果與大學生綜合創新能力培養結合起來,意在探索如何充分利用科研成果培養在校大學生的綜合創新能力,使“研”為“學”用，“學”促“研”發展。同時,本科生參與科研項目,研究生參與指導本科生,將促進課題組進一步完善科研成果,推進科研成果的市場化,做到產、學、研協同發展。

我們在英國哈德斯菲爾德大學精密技術中心訪問留學期間,也見識了該中心接收機電類本科生從事科研活動、培養綜合創新能力的實踐環節,并詳細了解了其運行模式,這無疑也增強了在我校進一步推廣基于精密測量科研成果的大學生綜合創新能力培養模式的動力和信心,今后將進一步解決在大學生綜合創新能力培養模式推進過程中所遇到的問題。此外,隨著國家對高校科研工作的進一步支持,將會有更多的教師參與科研工作。相關高校教師結合自身特色的科研工作,開展基于其科研成果的大學生綜合創新能力培養模式研究,把科學研究與教書育人結合起來,更利于二者的共同發展。

References)

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Cultivating mode of comprehensive innovation ability for undergraduates based on scientific research outcomes

Wang Shenghuai1, Li Tukun2, Xu Fenghua1, Chen Yurong1, Deng Xiaowen1

(1. School of Mechanical Engineering, Hubei Institute of Automotive Technology, Shiyan 442002, China; 2. Centre for Precision Technologies, University of Huddersfield, Huddersfield, HD1 3DH, UK)

For the purpose of cultivating high quality engineering technology talents with the abilities of innovation awareness, innovation thinking, innovation ability and engineering practice according to the need of the modern era, a cultivating mode of comprehensive innovation ability for undergraduates based on the scientific research outcomes of precision measurement was presented. The mode has been practiced and the results show that the undergraduates’ comprehensive innovation ability has been cultivated by utilizing fully the scientific research outcomes. The scientific research and cultivating undergraduates can be incorporated and promoted mutually.

comprehensive innovation ability; cultivating mode； precision measurement

2015- 05- 20 修改日期:2015- 06- 19

國家留學基金項目(201308420014);湖北省自然科學基金項目(2013CFB045);湖北省高等學校省級教研項目(2014329);湖北省教育科學“十二五”規劃項目(2014B188)；湖北汽車工業學院教研項目(JY201401)

王生懷(1979—),男,湖北赤壁,博士,副教授,機械工程學院副院長,研究方向為精密測量技術、實踐教學與管理.

E-mail:shwangkb@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)12- 0009- 04