科研助力大學創新型人才培養探索與實踐

徐振龍 盧科青 王文 周茂瑛

摘 要：圍繞建設創新型國家對人才的需求，探索創新型人才培養的有效途徑是一項重要課題。針對現行實踐教學現狀，以壓電振動俘能技術為背景，提出科研創新實踐方案。在講授壓電俘能器工作原理、研究現狀等基礎上，開展壓電俘能器結構創新設計、有限元仿真計算、實驗測試等實踐活動。實踐表明，科研有助于培養大學生創新思維和實踐能力，提高對專業知識的綜合應用能力。

關鍵詞：科研;教學;創新型人才;實踐

2017年，黨的十九大報告提出要“加快建設創新型國家”。創新型國家的建設離不開廣大教育工作者對創新型人才的培養。大學是人才培養的重要環節，兼有科學研究和服務社會的功能與使命。其中，人才培養與科學研究并非相互獨立、毫無關聯。早在1809年，德國教育家、思想家威廉·洪堡就首先提出了“教學與科研相統一”的原則，明確了大學教學和科研之間辯證統一、相輔相成、互相促進的關系[1]。2019年，教育部在教高（2019）6號文件中明確提出強化科研育人功能、推動科研反哺教學的本科教育教學改革實施意見。如何使科研與教學共融發展，助力大學創新型人才培養是當前的重要研究課題之一[2-4]。為此，以壓電振動俘能技術為背景，開辦科研創新實踐課，探索培養大學創新型人才的有效途徑。

1 科研對人才培養的意義

目前大學實踐教學內容側重專業基礎知識應用，與前沿科技脫節，難以激發大學生的個性和創新能動性;大學生創新創業項目資助面有限，有時缺乏合適的項目課題，部分學生提煉科研成果的能力不足。這些現狀在一定程度上限制了創新型人才培養的質量和水平。

人類社會的發展離不開能源，要想可持續發展就必須不斷開發新能源。壓電振動俘能是利用壓電材料將振動能轉換成電能，為低功耗微電子產品供電的一項技術。它被視為一項有潛力的新能源技術，具有廣闊的應用前景[5]。用于發電的裝置被稱為壓電俘能器，涉及材料力學、信號處理、電子學、機械設計等多門課程知識。目前我校機械類本科生教學大綱已覆蓋這些學科知識。因此，基于壓電振動俘能技術的科研創新實踐并非無源之水、無本之木。

本文提出的科研創新實踐方案對人才培養具有多方面的意義：（1）豐富實踐教學形式和內容，激發大學生專業學習熱情;（2）鞏固現有專業知識，提高解決復雜工程問題的能力;（3）培養大學生的創新思維和實踐能力;（4）拓寬學生的知識面，宣傳科技前沿動態，助力培養具備節能環保意識的跨學科復合型人才。

2 實施步驟

為了擴大受眾面，課程前期面向大二和大三年級的本科生發布教學內容和時間安排，廣泛吸納對課程感興趣的學生。為了便于學生理解壓電俘能技術、熟悉科研過程，深入淺出地講解相關理論知識，注重與專業基礎知識的關聯和提升，突出實踐過程的趣味性和可操作性，講授課件包含大量視頻、圖片材料，增加師生互動，避免枯燥地照本宣科。

（1）理論學習：講授壓電材料、機電系統動力學等基礎知識，分析壓電俘能器國內外研究現狀和研究熱點問題，使科研創新實踐有章可循。

（2）結構創新設計：根據學生專業知識背景，列舉可操作的研究課題，學生自行選題，開展文獻調研，針對課題提出結構設計方案，師生共同探討優化設計方案。

（3）工程軟件實操：使用三維建模軟件Solidworks繪制俘能器結構。講授有限元仿真軟件ANSYS的使用方法，建立壓電俘能器機-電耦合參數化模型，通過模態分析獲得俘能器的共振頻率、振型和應力分布圖，諧響應分析獲得輸出電壓頻域響應。

（4）器件制作：根據結構設計方案，學生動手制作壓電俘能器，包括裁剪基板、粘貼壓電片、焊接導線。

（5）實驗測試：講授實驗儀器工作原理、功能及操作方法，學生分批次開展實驗測試，獲得壓電俘能器在不同振動條件的輸出電壓有效值。使用的實驗儀器包括信號發生器、電磁激振器、壓電加速度傳感器、示波器。

（6）數據分析：根據實驗數據繪制輸出電壓頻率響應曲線，獲得壓電俘能器的共振頻率、開路電壓等，并與有限元仿真結果進行對比分析，驗證結構設計方案的達成度。

（7）總結報告：學生將結構設計方案、有限元仿真和實驗結果整理成書面報告，并總結參加科研創新實踐課的體會。

3 實踐成效

第一次開課共招收11名本科生，收到11份總結報告。學生全程表現出極高的熱情，提出并驗證了各自結構設計方案。通過講授壓電俘能技術的原理和應用，使其初步了解了相關前沿科研動態;體驗了科研過程，縮短了本科教育與研究生教育的距離;開拓了視野，激發了專業學習熱情;提升了使用工程軟件解決復雜工程問題的能力;器件制作與實驗測試提升了學生的實踐能力。

4 總結

本文立足現有科研平臺，以壓電俘能技術為背景，以培養大學創新型人才為目標，提出了面向本科生的科研創新實踐方案。通過講授壓電俘能器工作原理、研究現狀等，引導學生進行研究性學習，開展壓電俘能器結構創新設計、有限元仿真計算、實驗測試等實踐活動，培養了學生的創新思維和實踐能力，提高了對專業知識的綜合應用能力。方案的順利實施是對現行實踐教學的有效補充，踐行了教育部對科研反哺教學的號召。

參考文獻：

[1]朱宇波，謝安邦.洪堡的“教學與科研統一”原則及其在美國現代大學中的改造[J].教師教育研究，2012（02）：26-32.

[2]陳朝暉，李正良.“科研-工程-教學”深度融合的建筑力學教學模式創新與實踐[J].高等建筑教育，2020，29（01）：16-23.

[3]楊哲，亢利平，初蕾，耿曉棠.大學生創新實踐能力培養探索與實踐[J].科技風，2020（08）：252.

[4]蘇春建，王薛滔.基于高水平科研平臺機械類科研反哺教師教學理論與實踐探索[J].教育教學論壇，2015（11）：155-156.

[5]徐振龍，單小彪，謝濤.寬頻壓電振動俘能器的研究現狀綜述[J].振動與沖擊，2018，37（08）：190-199+205.

基金項目：杭州電子科技大學教育教學改革研究資助項目“科研創新實踐培養大學生創新人才探索”（YBJG201820）

作者簡介：徐振龍（1986-），男，博士，杭州電子科技大學機械工程學院講師。