新工科背景下科教融合培養創新型人才的探索與實踐*
——以華北電力大學科技學院自動化專業人才培養為例

2021-12-02 09:34:47李冰張妍賈俊菊

教書育人 2021年27期

李冰張妍賈俊菊

（1.華北電力大學科技學院；2.華北電力大學自動化系）

以人工智能等新技術為代表的新一輪科技革命和產業變革正在改變國際產業格局，為了應對新工業革命帶來的挑戰，我國在2015 年部署實施了“中國制造2025”戰略計劃，并明確提出要發展新工科。2017 年2月的“復旦共識”明確了新工科建設與發展的路徑選擇；2017 年4 月的“天大行動”探討了我國新工科發展的目標和工科發展新范式；2017 年6 月的“北京指南”提出了新工科建設的指導意見。新工科教育“三部曲”奠定了新工科教育的基本格局。《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020 年）》指出，高等教育要“牢固確立人才培養在高校工作中的中心地位，支持學生參與科學研究，強化實踐教學環節，促進科研與教學互動、與創新人才培養相結合，著力提高學生服務國家服務人民的社會責任感、勇于探索的創新精神和善于解決問題的實踐能力”。國務院《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》中指出：“加快推進人才培養模式改革，推進科教協同育人，完善高水平科研支撐拔尖創新人才培養機制。”《綱要》和《方案》都明確提出了將科研與教學相結合，充分發揮科學研究在高等教育育人中的重要功能。教師通過將科研項目與教學內容相結合，將科學研究服務于教學，將學科和專業發展前沿貫穿至日常教學，將企業在發展過程遇到的科技難題及解決方案融入教學內容中，激發學生思考問題、解決問題的興趣，提高學生的創新能力。

新工科建設背景下創新人才的培養對應用型創新人才培養提出了新的挑戰，筆者所在的華北電力大學科技學院是一所具有電力行業特色的應用型本科院校，學院畢業生主要在電力行業及與電力行業緊密相關的企業就業。從電力行業及相關企業對人才的需求來看，對具有創新思維和創新能力的應用型畢業生尤為看重。按照我院培養“實基礎、重實踐、強能力、創新創業型人才”的總體要求和“培養基礎理論扎實、專業知識系統、實踐能力與創新能力強、綜合素質高的復合應用創新型人才”的培養目標，筆者所在的自動化專業在科教融合協同育人和創新人才培養中也進行了相應的探索和實踐，不斷探索具有較強創新創業能力的人才培養模式。

一、修訂人才培養方案，構建科教融合的育人機制

根據學院辦學定位和電力行業對自動化專業人才需求特點，按照《自動化類教學質量國家標準》，修訂并形成了2018 版人才培養方案。在人才培養方案修訂過程中，先后走訪了五大發電集團下屬的多個電廠，向電廠的技術專工咨詢電廠對自動化專業人才在專業技能、創新能力等方面的需求；向在電力行業就業的畢業生征詢學校在人才培養方面尚存在的薄弱環節；邀請相關企業專家對自動化人才培養方案提出建議。在2018 版人才培養方案修訂過程中，一方面根據“科教融合協同育人”的人才培養理念，加大實踐教學環節比重，著重培養學生的創新實踐能力；另一方面通過增設創新創業教育課程，著重培養學生的創新意識和創新精神。

在人才培養方案中，確定了自動化專業人才專業培養的基本要求：具備較好的工程知識、具備一定的問題分析能力、具有一定的科學研究能力、能夠基于工程相關背景知識進行合理分析，能夠將數學、自然科學、工程基礎和專業知識用于解決自動化領域的復雜工程問題。確定了以自動控制原理、微機原理與嵌入式系統、檢測技術與儀表、過程控制系統為核心的專業核心課程，基于專業核心課程以及相關課程的關聯程度，構建了以不同核心課程為中心的“專業課程群”，并根據課程群設置綜合實踐環節，如控制系統綜合實踐、微機原理與嵌入式系統綜合實踐等。每個實踐環節的實踐周數3 周，采用“類工程項目管理方法”管理，以工程項目的管理方法，對需求分析、整體項目設計、項目分解、硬件軟件設計、開發、調試、資料管理、文檔建立等一系列環節按工程項目訓練。學生通過對一個小型項目的實現過程，能夠了解項目研究的流程，有助于促進科教融合理念在理論教學和實踐教學過程中的探索，滿足了對學生專業能力培養的要求，實現了培養目標。

（一）科研項目融入課程教學，激發學生學習興趣

擔任專業課的教師大部分都參與或承擔科研項目，所承擔的科研項目既有國家自然科學基金、河北省自然科學基金、北京市自然科學基金等縱向項目，也有與國家電網、各大發電集團發電廠簽訂的解決電廠運行過程中實際問題的科技服務項目，每位老師在授課過程中將自己的優秀科研成果和學科前沿、企業所遇到的實際問題及解決方案進行梳理后，融入課堂教學。一方面可以對教學內容進行更新和補充，拓展學生的知識面，開闊學生的專業視野，另一方面通過對電力企業實際問題進行分析，使學生了解所學專業內容在實際生產中的應用，培養學生分析問題和解決問題的能力。教師將科研過程中的方法、思路以及所采用的新技術、新算法和新模型融入課堂教學，培養學生的科研思維和運用新技術、新方法的能力，提高學生從不同角度思考問題、提出解決問題方法的能力，提升學生的科研自信、保持對新事物、新方法的好奇心。教師將科研項目中與所授課程緊密相關的內容進行拆分后，設計成課程內容實驗和課程設計題目，將其轉化為課程教學內容，豐富和優化了課程實驗和實踐環節，實現對學生創新實踐能力的培養。

目前我院自動化專業開設有“火電廠自動化專題”“單片機與嵌入式系統”“傳感器原理”“機器人工程”等與電廠運行、電網巡檢及實際工程應用相關的專業課程，如“火電廠自動化專題”課程由8 位資深教師授課，其中3 位教師為博士生導師，其余5 位為碩士生導師，各位教師在授課過程中結合自己的科研項目和科研成果，通過實際的企業案例來介紹目前火力發電領域發展現狀和發展趨勢，在豐富教學內容的同時也提高了學生的聽課興趣和聽課效率。在筆者擔任的“單片機與嵌入式系統”課程教學過程中，通過與學生分享筆者在不同科研項目中承擔的科研任務和取得的成果圖片及視頻，向學生介紹與嵌入式系統相關的技術部分在解決實際問題時的具體應用，將該課程的教學過程與在實際生產中“到底有什么用”相結合，提升了學生的學習效果。2019 年，自動化專業5 名同學參加了藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽（單片機設計與開發），其中2名同學獲得省級一等獎。

（二）成立興趣小組，基于科教融合打造第二課堂

學生根據不同教師的研究方向和個人興趣，組成興趣學習小組，并由不同指導教師根據項目內容對小組同學進行指導，通過將課堂所學理論知識與科研項目實際應用結合，真正實現科教融合，激發學生參與科研的熱情。指導教師將正在進行和預研的項目、課題拆分成若干子課題，每個小組根據各自興趣針對某一子課題參與研究工作，指導教師根據子課題內容布置研究內容，并指導學生需要采用的研究方法和策略，小組同學根據教師指導逐步實現；課題組進行例會時，邀請興趣小組同學參加并匯報小組研究進展情況和學習心得，對興趣小組的工作進行評價、指導和鼓勵，培養學生的科研興趣；指導學生參與各種與專業相關的競賽（如中國機器人大賽暨國際公開賽、藍橋杯全國軟件和信息技術專業人才大賽、“西門子杯”中國智能制造挑戰賽等）、進行實用新型/發明專利申請、撰寫發表學術論文等，通過多種形式的科研成果提升學生的科研自信。

以教師團隊在2019 年承擔的某公司“自動焊接控制系統”項目為例，在項目研究過程中，主要涉及系統硬件設計、圖像處理、自動焊接控制三方面的內容，因此成立了三個興趣小組，每個興趣小組3-5 人，工作主要包括：硬件設計、圖像處理算法、PLC 自動控制系統設計，根據成員興趣自由結組并選擇一個方向開展研究工作。通過定期指導、匯報、實驗等，每個小組對所研究內容進行文獻檢索、國內外技術現狀分析、確定應采取的技術策略、對實驗過程中出現的問題及原因進行分析等，通過大量的實驗，對研究方法和研究方案不斷進行改進，在項目結題時都取得了一定的進展和結果。并在此基礎上進行了專利申請、學術論文投稿和科技競賽等，其中PLC 自動控制系統設計小組參加了2019 年“西門子杯”中國智能制造挑戰賽，并取得了河北省三等獎的優異成績。

（三）進行課程教學方法改革，強化科教融合育人效果

為了進一步加強科教融合在專業課程教學過程中的運用，提高教學質量，近年來各專業教師在課堂教學過程中不斷進行改革，將優質的科研資源轉化為教學資源，針對不同課程提出了不同的教學改革方案。如在“單片機與嵌入式系統”課程中提出了“項目化教學改革方案”，以模擬電廠“汽包水位控制”項目為載體，以不同控制任務為驅動，將理論學習與實踐操作相結合，使學生在項目任務進行過程中逐漸掌握該課程的理論知識和技術技能。同時在項目化教學過程中，參照項目工程管理方法，使學生在學習過程中同時得到工程鍛煉。在項目化教學改革過程中，還根據不同科研項目設計了相關的工程任務，將科研過程與教學過程融合，豐富課程教學資源，提高學生的創新能力。“自動控制原理”和“計算機控制與系統”課程理論性較強，理論推導和公式較多，學生學習效果較差，因此將MATLAB 仿真系統引入到教學中，教師在教學過程中，通過設計與實際項目應用相結合的教學內容、實驗內容以及課程設計內容，將項目應用中的理論問題通過仿真系統圖像進行展示，激發了學生的學習興趣，提高了課程的教學質量。

二、基于科教融合理念的考核評價機制

科教融合模式既要注重對學生基礎理論知識的傳授，又要注重學生“分析問題、解決問題”能力和創新能力的培養，因此在對學生進行考核應改變傳統考核方式中“一考定結果”的考核方式。

科教融合模式下，對學生的考核包括學生基礎理論知識考核、學生學習過程考核、學生能力考核等多個方面，通過對多個方面的成績進行綜合后作為學生考核成績。對于學生基礎理論知識考核，主要采用閉卷、開卷、大作業等形式進行；過程考核主要通過學生出勤、提交作業、課堂參與互動表現等形式實現；能力考核主要通過課堂討論時學生能否提出問題、提出解決問題的思路和方法、從不同角度對問題進行解讀等以及在興趣小組中的貢獻等進行；同時對學生在進行課程實驗、課程設計等環節中提出的具有創新性的思路和方法也作為能力考核的重要參考，激發學生參與科研活動的興趣和信心。