構建“三位一體”實驗教學體系培養本科生創新型人才

王革思, 周　天, 高明生, 李　楊, 宋瑞琳

(1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱　150001；2. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱　150001)

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構建“三位一體”實驗教學體系培養本科生創新型人才

王革思1, 周天2, 高明生2, 李楊2, 宋瑞琳2

(1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱150001；2. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱150001)

以我國“三海一核”領域一流人才培養基地為依托,按照“一個中心,三個結合”人才培養方案,構建了頂層、進階層、創新層交互的“三位一體”實驗教學體系。研究、分析了虛擬仿真、網絡、項目等多種實驗教學模式。對于如何更有效地發揮實驗教學在創新型人才培養中的作用,提供了有益的探索和有效的實踐經驗。

創新型人才； 實驗教學體系； 實驗教學模式； 水聲工程學科

習近平總書記指出：“提高中華民族創新能力,把我國建設成為創新型國家,關鍵在人才。”培養高素質的創新人才,既是增強我國綜合國力和國際競爭力的需要,更是我國國家創新體系的核心部分。

近些年來,我校水聲工程學院始終堅持“培養具有堅定信念與創新精神,視野寬、基礎厚、能力強、素質優的可靠頂用人才”的教學理念,將學院建設成為我國“三海一核”(船舶工業、海軍裝備、海洋工程、核能應用)行業領軍人物、一流工程師和企業家的搖籃、國防工業和國民經濟建設高層次科技人才的重要基地作為奮斗目標,依托建設創新型國家背景,培養既具有扎實的基礎知識,又具有系統觀念和全局意識,既具有創新能力,又具有團隊協作能力和社會實踐能力的水聲工程創新型人才,以滿足國防工業、國民經濟建設以及中國制造2025需求。

1　創新型人才培養思路

1.1“大聲學”實驗教學平臺架構

學院目前承擔著水聲、電聲、超聲、環境聲等多個聲學方向專業實驗內容的教學任務。水聲工程專業人才培養需要依托行業特色,“三海一核”是我校明顯的特色,為了滿足學校在輸送高質量、創新型水聲工程專業人才的同時,還能培養其他聲學方向專業人才,特別是電聲專業方向人才,在學校的支持下,打破教學實驗室與科研實驗室的壁壘,充分利用水聲技術國防科技重點實驗室優質基礎資源,堅持科學規劃、資源整合、開放共享、高效管理原則,面向多學科、多專業構建了“大聲學”框架下的實驗教學平臺,其下轄聲學實驗教學基地、電學實驗教學基地和水聲工程創新實驗教學基地,其中包括振動與聲基礎實驗室、電聲專業實驗室以及DSP創新實驗室等12個實驗室。

1.2校企協同人才培養模式設計

學院目前是國家“優勢學科創新平臺”建設項目核心單位,先后與山東共達電聲股份有限公司聯合建立了電聲實驗室,與美國德州儀器公司建立了HEU-TI DSP數字信號處理實驗室,與美國賽靈思公司建立了HEU-XILINX信號處理創新實驗室。還與中船重工集團715研究所、大連測控技術研究所、中國電子科技集團第49研究所、北京長城無線電廠、宜昌海聲科技有限公司等國內9家研究所和企業建立了校外實踐教學基地,聯合成立“水聲基金”。根據國防和社會對水聲工程專業人才培養的新要求[1],在學校的安排下,學院組織學校、企業、科研院所一線教授級專家團隊主導“頂層設計”,通過必要的把關和審查,共同制定“以學生為中心,課內與課外相結合、教學與研究相結合、個性與創新相結合”的水聲工程創新型人才培養方案。

1.3科研融合成果導向

學院目前在水下定位、水聲換能器、聲隱身、水聲探測、水聲傳播、水聲通信等多個領域和方向上的研究成果代表了我國基礎研究和應用基礎研究的最高水平。曾多次獲得國家級和省部級科技成果獎。充分利用一線科研經驗豐富的骨干教師在科研和實驗教學上天然的有機聯系,建立科研和實驗教學之間雙軌交互運行機制,實現科研成果向高質量實驗教學成果轉化。為了讓實驗教學更接近實際工程環境[2],利用階段性科研成果自主研發具有先進技術性能的實驗教學儀器設備。通過科研成果的二次開發增加新型實驗項目。采用信息技術創編具有學科特色的數字化、立體化實驗教材(課件)。借助虛擬仿真技術開展研究型實驗教學。這些經過轉化后的實驗教學成果在培養水聲工程專業人才的實驗能力、工程能力和創新能力方面能夠發揮出不可替代的重要作用

2　“三位一體”實驗教學體系構建

2.1依據培養方案的頂層實驗教學體系

實驗教學既是知識傳授的手段,也是將理論知識提升到指導實踐的過程,更是基本素質、實踐能力和創新能力培養的有效途徑。水聲工程學科是集多學科為一體的綜合交叉性學科,具有內涵豐富、外延寬廣、綜合交叉性等特點,這就意味著培養出來的學生應當具有基礎厚、知識廣、視野寬、能力強、創新欲望高等特點。因此,構建適合水聲工程專業人才培養的實驗教學體系既是現行體系改革創新的需要,更是教育質量工程的重要保障。校企一線教授級專家團隊制訂的“一個中心、三個結合”人才培養方案,突出學科特色,側重專業領域工程實踐能力,強化科研創新能力,將人才培養與企業需求無縫對接[3]。結合培養方案,設計了“工程素質培養、工程實踐能力培養、創新能力培養、科研能力培養”的頂層實驗教學體系,推進、完善實驗教學與工程實踐、創新活動、科學研究以及企業協作的交互融合。

2.2依據教學內容的進階層實驗教學體系

實驗教學能夠促進知識傳授、能力培養、素質教育全面協調發展[4]。實驗教學內容是影響實驗教學質量的重要因素之一[5]。因此,實驗教學要結合學科自身特點及其科技發展趨勢,注重教學內容的整體優化和學科之間的相互交叉滲透,要淡化單一課程,強化課程群融合。遵循“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程,創設開放的、多樣的、自主的實驗教學環境,讓學生以自己的方法去思考、拓展,提出目的性知識需求,將被動式學習變為自覺學習、主動成長。依據實驗教學內容,采用了具有操作性的進階式實驗教學體系。

(1) 基本技能實訓。著重培養學生規范化實驗技能和科學的思維方式,讓學生初步掌握科學實驗的方法和設計思想[6]。

(2) 理論知識應用能力提升。注重啟發式教學的靈活運用,提高學生獨立分析問題、解決問題的能力,培養學生實事求是的科學作風和認真嚴謹的科學態度。

(3) 綜合與創新能力培養。既要體現知識的綜合性與創新性,又要體現創新精神與工程實踐能力培養,讓學生熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法,實現自我超越。

2.3依據個性化培養的創新層實驗教學體系

課內實驗教學往往受到教學大綱、教學內容以及學時等諸多因素限制,加之缺少個性化,使學生無法完善實踐知識體系構建。創新是人的天性,創新教育不能僅服務于少數學生,重要的是激發學生的創新欲望、激活學生的創新潛能[7]。為了促進學生實踐知識全面發展以及創新精神、創新能力培養,依托課外科技創新實踐活動,構建了課內外相結合的個性化培養實驗教學體系。課外科技創新實踐活動主要是由教師指導學生參與科技制作、學科競賽、大學生創新創業項目、教師科研項目、發表專利、撰寫科技論文等。指導教師負責制定學生的個性化學習計劃,促進學生知識結構相互滲透、理論實踐結合、多學科交叉復合[8]。學生則享有很大的自主權、主動權。此外,還開設了電子線路設計與制作、嵌入式系統設計與實踐等課外選修課程,將學分制與選課制相結合,各取所需,各得其所。將學生參與科技創新實踐活動貫穿于課外實踐教學的整個過程,形成了從普及、提升到高端引領的個性化培養創新型人才的特色。

3　多元化實驗教學模式創設

3.1虛擬仿真實驗教學

學院目前配備了數量眾多、性能先進的實驗儀器、設備,實驗環境也十分優越,這些硬件條件為學生創新精神與實踐能力培養發揮了重要的支撐作用。但是,在水聲學實驗教學過程中會遇到諸多無法親臨的實驗環境,如深海、復雜海況等。對存在高危險、高成本、高消耗、大型設備操控等實驗更是無法進行。

虛擬仿真教學能夠再現自然現象或事物變化過程,為學生提供生動、逼真的實驗教學環境,使實驗教學空間從物理空間延伸到虛擬空間。學院近年來持續建設虛擬仿真實驗環境,例如虛擬聲場環境設置、聲學傳感器仿真設計等,很好地解決了實驗環境及設備操控等方面的實際問題,同時使抽象的聲學專業理論知識實現了可視化、形象化、認知化,起到了獨特的助推器作用。在電子線路類實驗課程中普遍采用了虛擬仿真教學,借助國外公司大學贊助計劃和購買等途徑,配置全套正版的EDA軟件,利用Multisim、Quartus、Labview等EDA軟件進行電子線路設計、仿真、分析、驗證。由于采取“課外虛仿、課內實做”“先仿后做,虛實結合”方法,更好地配合了從基本單元實驗直至綜合創新實驗的硬件實驗教學。

3.2網絡實驗教學

傳統的依附于理論的實驗教學是以課堂教學為主,內容單一、實驗數量少、更新緩慢,不利于自主學習、自主實驗和自主創新能力培養。網絡教學具有無時空限制、教學資源共享、教師多元化、教學過程非線性化、學習個性化的特點,因此,在時間、空間、內容、設備上可以實現實驗教學的全面開放。

近年來,學院以全面提高學生創新精神和實踐能力為核心,以信息化實驗教學資源建設為重點,持續開展網絡實驗教學研究工作。實驗教學中心建設了一個由107臺微機組成的網絡環境,搭建了“我的實驗我做主”的平臺,營造創新型人才培養的良好文化氛圍。實驗室管理如同圖書館模式,全天候開放,只要學生沒課都可以進實驗室做實驗。基于校園網環境,自主研發了模擬電子線路網上虛擬實驗室,提供大量虛擬仿真實驗教學資源[9],內容豐富、形式多樣化。這些優質資源以學生自學為主、教師啟發指導為輔。學生可以根據自身的基礎、興趣來選擇最適合自己的學習與實驗內容,調整不同的進度。還建立了水聲工程實驗教學中心網站,成為聯系外界、學校、學院、實驗教學中心、教師和學生的公共平臺通道。網站具備數字化教學資源、實驗教學團隊、科創活動、實驗室開放運行管理等多種功能。實現了“課程管理、師生交流、教學評價”的信息化。目前,開設的實驗課程全部實行了網上選課、預約、評價、答疑等全流程的信息化運行與管理,規范了教學、方便了學習,有效提高了實驗教學效果。

3.3項目式實驗教學

項目式教學是一種讓學生在教師的指導下通過完成一個完整的項目而進行學習的教學模式。將項目式教學引入實驗教學中,主要是灌輸科研項目的整體思路,建立工程觀念,促進理論與實踐的結合、課內與課外結合以及知識體系與工程的結合。同時還將傳統的以教師為中心、以課堂為中心、以理論教學為中心,轉變成以學生為中心、以實踐為中心、以培養能力為中心[10]。因此,要結合學生特點、優勢和差異,精心設計題目和實驗內容,強化實驗內容工程背景,激發學習興趣,讓學生能夠做到學以致用[11],學到真本領。

(1) 選擇合適題目,激發學生探究興趣；

(2) 明確任務要求,引導學生思維；

(3) 開放優質教學資源,自主設計實驗方案；

(4) 開放實驗環境,力求探究性成果。

目前已經在水聲實驗、信號分析實驗等課程采用了項目式實驗教學。學生根據已有的經驗、知識、水平和興趣來選取適合的項目,他們以“做”帶“學”“學”促“做”[12],充分發揮自身的特長,創造性地解決問題,并以培養自己的創新意識和各種能力為目的。教師在整個項目教學過程中起組織和指導的作用,他們關注的重點是學生在完成整個項目過程中綜合素質達到的程度,考核學生的實踐創新能力。

4　取得的成效

(1) 實驗教學成果斐然。近幾年來學院在管理體制、教學體系、教學方法、教學資源和實驗室建設等方面都取得了長足進步和發展，獲得多項殊榮和獎勵,其中:國家級精品資源共享課1門、國家級精品視頻公開課1門；教育部創新團隊1個、省級教學研究團隊1個；國家級教學成果獎二等獎1項、省級教學成果獎一等獎2項、二等獎1項。

(2) 科技創新活動成果豐碩。“三位一體”實驗教學體系為學生科技創新活動搭建了平臺,使有創新欲望的學生有地方可去、有事可做,也為實驗室開放注入了新的內容。學生每年參加學校舉辦的“五四杯”“啟航杯”及國內各種頂級大賽等品牌活動10余項,廣大學生參與創新實踐活動的氛圍日漸濃厚,整體創新能力得到了顯著提高。近5年來,學生獲得各類省部級科技創新競賽獎勵120余項,通過科技創新活動申請專利200余項、發表學術論文600余篇,還有240余名學生通過科技創新被保送讀研究生。

(3) 人才培養質量顯著提高。近5年來,學院畢業生每年一次性就業率超過98%,其中在我國船舶工業、海軍裝備、海洋工程領域就業率超過50%。經用人單位反饋,我院的畢業生具有聲學基本概念清晰、實踐技能全面、工程觀念強、創新能力突出特點。學院憑借就業率高、就業質量高、升學率高、就業滿意度高、違約率低,人才培養符合社會需求,獲得了良好的社會口碑和用人單位的好評。

References)

[1] 鄭志明,馮文全,陳強,等.全面提升本科拔尖創新人才培養能力的十年改革探索與實踐[J].北京教育,2013(11):49-50.

[2] 鄧春花,李軍.電力電子技術實驗教學模式探索與實踐[J].實驗科學與技術,2015,13(5):93-95.

[3] 張星臣,董俊,魏旺強.軌道交通行業特色大學拔尖創新人才的培養[J].中國大學教學,2015(1):23-26.

[4] 梁麗.構建分層次實驗教學體系培養創新型人才[J].實驗室研究與探索,2014,33(1):217-219.

[5] 許家瑞,周勤,陳步云,等.構建創新實驗教學體系的探索與實踐[J].實驗技術與管理,2009,26(5):8-11.

[6] 王革思.“模擬電子技術”課程開放式實驗教學平臺的研究與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(8):170-173.

[7] 吳康寧.創新人才培養究竟需要什么樣的大學[J].高等教育研究,2013,34(1):11-15.

[8] 劉艷,閆國棟,孟威,等.創新創業教育與專業教育的深度融合[J].中國大學教學,2014(11):35-37.

[9] 周福才,張彪,潘志明,等.整合實驗資源,促進學生創新能力的培養[J].實驗科學與技術,2015,13(5):179-181.

[10] 余國江,姜海,徐滟.卓越工程師培養的德國經驗借鑒研究[J]. 高教探索,2015(2):66-69.

[11] 堵國樑,胡仁杰,黃慧春.以項目為導向的電子電路實驗研究與改革[J].電氣電子教學學報,2015,37(3):98-100.

[12] 朱泓,李志義,劉志軍.高等工程教育改革與卓越工程師培養的探索與實踐[J].高等工程教育研究,2013(6):68-71.

Constructing “Trinity” experimental teaching system and cultivating innovative talents of undergraduate students

Wang Gesi1, Zhou Tian2, Gao Mingsheng2, Li Yang2, Song Runlin2

(1. College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Relying on the first-class talent training base of Shipping Industry,Naval Equipment,Ocean Exploration and Nuclear Application of the country,in accordance with “One Center,Three Combinations” talent training plan, this article develops the reform of experimental teaching and innovation research, taking research and analysis on the virtual simulation,network,project and other experimental teaching mode. For how to play the role of experimental teaching in the cultivation of innovative talents more effectively, this article provides a useful exploration and effective practical experience.

innovative talents； experimental teaching system； experimental teaching mode； discipline of underwater acoustic engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.006

2016-05-16

王革思(1960—)，男，黑龍江哈爾濱，本科，高級工程師，研究方向為實驗教學與實驗室管理

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

周天(1980—)，男，黑龍江哈爾濱，博士，教授，研究方向為水聲目標探測及實驗教學與實驗室管理.

E-mail：zhoutian@hrbeu.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)9-0018-04