“雙輪驅動”培養研究生自主學習和創新能力
——以地磁探測與定位技術課程為例

黃 玉，武立華，張 羽

（哈爾濱工程大學物理與光電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

我國正處于實現兩個“一百年”奮斗目標的第二階段，國家對高層次人才需求旺盛。而研究生教育是培養高級人才重要途徑，隨著我國研究生招生規模的不斷擴大，研究生的培養質量及創新能力不容樂觀。造成目前我國研究生培養質量“差強人意”的原因是多方面的，所以從事研究生教育的一線教學工作者不斷探索通過課程教學改革促進研究生創新能力的培養。

在新工科建設背景下，工科類研究生科學研究和實踐創新能力培養很重要。以科研項目為載體開展科研訓練是培養研究生科研創新能力的重要支撐。但在實踐中常常出現“輕課程學習，重科學研究”的現象，究其原因是設置的研究生課程與他們科研訓練內容關聯度不大，不能有效激發他們的學習興趣。其中課程學習與課題密切度對博士生科研能力的12項指標影響最大，與論文選題的密切度對博士生學術研究興趣具有較大影響，而與論文發表的密切度對博士生學術思想和學術規范以及研究方法的影響不顯著。由此可認為課程學習與科研訓練差異化融合可提高研究生課程學習和開展科學研究的動力，有利于研究生創新能力培養。因此將自主學習融進研究生課程教學既是順應時代變遷、培養研究生自主學習能力必然要求，也是由研究生教育地位以及課程教學不可替代作用決定的。張琦等為提高電磁檢測技術課程的建設水平，從建設思路、教學內容、教學模式等方面進行了教學研究與探討。

當前培養創新能力強、工程實踐能力強、具備在高精尖工程領域擁有核心競爭力高素質創新人才是高校教育教學的基本任務。為此團隊以《地磁探測與定位》研究生課程為載體，以科研訓練和課程教學為驅動力來培養研究生自主學習能力和創新能力。

1 地磁探測與定位技術課程建設意義

新一代信息技術推動了探測與定位技術在軍事和民用上的應用，近年來興起的地磁探測與定位技術是一種被動工作的無源探測與定位方式，因具有連續偵測、效率高、使用簡單可靠、反應迅速、不受水文氣象影響等特點而凸顯其應用價值。

已逐漸成為電子信息領域的重要研究方向，但這一技術的基礎理論和專門知識零散地分布于包括書籍、期刊和學位論文等各類文獻中。由于沒有專門的研究生教材系統而較深入地闡述地磁探測與定位技術，給本課程的教與學造成了一定的障礙。學生及工程技術人員為全方位地學習這門研究生課程，需要花費較長時間收集、整理并消化各類文獻，不利于研究生掌握從事這一領域的科學研究所必備的專有知識。

1.1 自學資源建設促進自主學習能力的養成

地磁探測與定位技術是我校光學工程與電子信息專業的研究生選修課程，本課程內容主要包含地磁場基本理論與數學建模、地磁傳感器及其陣列構型、地磁傳感器及其陣列標定、地磁異常場正演方法以及地磁定位理論方法與應用系統等，共六個章節，部分內容滲透了地磁探測與定位技術前沿問題。由于《地磁探測與定位技術》研究生課程只有16學時，因此授課教師無法將課程所有內容都在課堂上講，授課教師在課堂上只需講解課程的重難點知識片段。如在“最佳時域”運用講授法傳授學科知識，學生注意力不集中時，運用提問、討論等方法組織教學；將課程的部分非重點內容選為研究生自主學習對象，將自主學習定為常規教學環節，通過課前自學和課堂重點講授以加強對課程重難點知識的理解和運用。

本課程的部分內容需要研究生進行自主學習，這對研究生學習能力的養成有重要作用。利用圖書館資源、各專業相關學科網站和論壇、MOOC以及網絡課程、教學資源庫等等資料來源途徑檢索、搜集學習資料，進行學習資源分類、歸納和總結，編制本研究生課程的教材和自學課件，通過雨課堂平臺推送給學生，為研究生自主學習提供必要的學習資料。利用微信、學習論壇等工具或平臺解決研究生在自學過程遇到的問題和疑問等。

1.2 科研訓練與課程內容深度融合

輕學習、重科研是研究生培養環節突出問題，很多研究生認為課程學習對科研工作作用不大，尤其是當課程學習內容和實際科研內容有所差距時，這種負面學習情緒更為明顯。在研究生課程學習中引入基于問題學習（PBL）教學方法，通過研究生自我激勵、學習目標設置、獨立研究與自我引導式學習，培養研究生主動探究精神。因此有必要將課程內容與科研訓練深度融合，發揮研究生主觀能動性，促進研究生創新能力培養。此外研究生課程與科學研究緊密相連，既有學科知識，又有科學研究方法、科研倫理道德規范的教育，更有科學研究思維訓練。所以結合課程團隊學術方向和有關科技文獻，設計本研究生課程科研實訓項目，利用科研條件搭建科研實訓項目平臺。讓學生對實訓項目系統功能和實踐應用有所了解，并在教師引導下自主完成實驗內容。

在科研平臺建設上，團隊積極整合資源購置中等磁源、高功率驅動放大器、三軸無磁轉臺、多套多類型磁強計以及電子測試測量設備等，為本研究方向研究生搭建相對良好的科研實踐環境，保障地磁探測與定位技術研究生課程改革順利實施。

例如研究生利用科研平臺提供的三軸無磁轉臺和磁強計等科研儀器學習了《地磁探測與定位技術》課程中地磁傳感器與陣列標定方法。分別是矢量標定法和標量標定法。矢量標定法原理為：使用已知精確矢量磁場為標準對三軸磁通門磁強計進行標定。通常用于磁強計校準的矢量環境是地球磁場環境。

圖1 矢量標定法科研訓練場

標量標定法需要屏蔽外磁場，磁屏蔽室環境由哈爾濱工業大學提供。

圖2 標量標定法磁屏蔽環境

通過實驗測量學生真正理解和掌握地磁傳感器與陣列的標定方法實現知識內化，在數據梳理過程中發現磁場信號準確度對標定效果有很大影響。在真實環境中進行實驗時，磁強計所處環境中存在諸多不確定因素，會導致得到的信號受不同程度的噪聲污染。需通過一些信號處理方法盡可能去掉這些噪聲干擾。導師建議利用信號濾波來提高磁場信號信噪比，而提升磁強計標定效果。所以在此過程中研究生要自學信號濾波等相關知識，培養了自學學習習慣，同時也激發他們研究問題的興趣。

《地磁探測與定位技術》課程中磁梯度張量測距線性定位法對應的科研訓練儀器資源由兩大部分組成，分別是磁場信號發生系統和磁場信號接收系統。磁場信號發生系統由定制的通電線圈、有信號發生器和信號放大器組成。磁場信號接收與處理系統主要包括：三軸磁通門磁強計、電源箱、采集卡和電腦等儀器組成。

《地磁探測與定位技術》課程中磁梯度張量不變量定位法對應的科研訓練儀器資源由磁傳感器陣列、磁偶極子及信號發生器等組成。實驗過程中學生們同樣發現實驗數據與理想情況下有一定誤差，并分析總結出可能引起實驗誤差的六方面原因，也通過查閱文獻和小組討論建議可能減少實驗誤差方案。

《地磁探測與定位技術》課程中歐拉定位法對應的科研訓練儀器資源由傳感器陣列和傳感器中端轉接箱組成，如圖3所示。在獲得完整實測數據記錄后，學生們討論最后選擇了Matlab程序執行對目標位置解算工作。過程中學生們掌握了Matlab的使用功能編程技術，為后續進行科研工作奠定基礎。

圖3 歐拉定位法對應的科研訓練儀器資源

《地磁探測與定位技術》課程中計算磁性體磁場一般積分公式通過仿真軟件進行科研訓練。圖4（P146）是該部分科研訓練流程圖。圖5是學生訓練過程中部分仿真結果圖。

圖4

圖5

2 結語

通過實際的科研經歷和體會，利用文獻比較和同行咨詢等途徑與方法，借鑒相近研究生課程教學改革范例，對《地磁探測與定位技術》課程內容進行剖析與分類，確定本研究生課程主要章節安排和結構體系，細化各個部分知識點和學習目標，整理各類文獻，編制了本研究生課程講義。

利用圖書館資源、各專業相關學科網站和論壇、MOOC以及網絡課程、教學資源庫等等資料來源途徑檢索、搜集學習資料，進行學習資源分類、歸納和總結，為研究生自主學習提供必要的學習資料。利用學生座談、課程反饋等途徑與方法，結合多年來的授課經驗與體會，思考本課程的研究生自主學習與相對應的教法。

根據課程團隊成員多年來在地磁探測與定位技術領域的研究成果和有關科技文獻，結合實驗的科學性、綜合性、系統性、創新性、可操作性和安全性，設計本研究生課程科研實訓項目，確定實驗目標，重點考慮實驗項目內容所關聯課程知識點以及實訓的實驗技能。利用地磁探測與定位技術研究方向所具備的科研條件搭建科研實訓項目平臺。探討了自主學習與科研實訓雙輪驅動方法，為培養創新能力強的高素質研究生提供了重要支撐。希望本文工作可以為相關專業的研究生教學改革提供有益參考。