創新大賽引領下大學生創新實踐教育研究

摘要：大學生創新實踐教育是國家人才培養的重要內容之一。文章在創新大賽目標任務引領下，以基于海上測風塔的風電環境監測系統設計為例，提出指導學生創新實踐的“探索選題背景意義-調研分析選題研究現狀-提出創新設計思路-完成創新設計實踐”四步關聯法，列舉取得的一些創新成果，并通過對學生查閱文獻、歸納總結、問題分析、綜合比較、抽象聯想等創新實踐全過程方法的教育培養，激發學生參與廣度和深度，提升綜合科學研究能力的創新實踐成效。

關鍵詞：創新大賽；創新實踐教育；系統設計

中圖分類號：G712；X84文獻標志碼：A

0 引言

科學技術是第一生產力，科技創新能力已經成為國家競爭戰略的重要組成部分，而提升科技創新能力最為關鍵的是創新人才的培養^［1］。高校作為人才培養的主要陣地，首要任務是培養創新實踐型人才，其重要手段是開展學科競賽活動^［2］。大學生學科競賽是培養學生創新精神和實踐能力的有效載體^［3］，不僅可以鍛煉大學生的創新思維、專業技能和團隊合作精神，而且能夠造就大學生知識、能力、素質三方面綜合發展。中國國際大學生創新大賽以“更中國、更國際、 更教育、更全面、更創新、更協同”的目標^［4］，通過比賽的形式激勵大學生參與創新創業活動，促進創新創業項目的落地和發展，旨在激發大學生的創造力、創新精神和創業能力，推動產學研用緊密結合，促進科技成果轉化^［5］。大賽自2015年開始，每年舉辦一次，須適應市場的快速發展及多學科的交叉融合，加強對參賽隊員實踐能力的培養及合理選擇團隊，建立一支目標明確、分工協作、持續發展的競賽團隊，從而確保競賽作品具有創新性的突破^［5］。這不僅能夠為高校創造多元化的人才培養渠道，還能使大學生自身具備優秀的創新能力^［7］。本文以創新大賽為引領，依托國家雙碳及海洋強國戰略規劃，結合筆者在學生創新創業工作中的經驗和海洋信息技術方面的專業知識，以基于海上測風塔的風電環境監測系統設計為例，從探索選題背景意義、調研分析選題研究現狀、提出創新設計思路、完成創新設計實踐等方面，開展大學生創新實踐教育研究。

1 探索選題背景意義

創新大賽旨在以專業或學科背景為前提資源，培養學生選擇當前經濟社會發展熱點問題或國內外前沿方向課題，挖掘其重要研究意義和實踐意義。基于此，引領大學生創新實踐的首要因素就是確定選題方向，必須切合國家發展戰略，對社會發展、民生經濟或環境保護等方面具有促進意義。如何探索選題背景意義是大學生創新實踐的第一步。以海上風電環境監測技術為選題，探索其研究背景意義應結合背景調查、文獻查閱、歸納總結等研究方法。

一是指導學生通過學校圖書館資源，閱讀國家政策文件及國內外文獻資料，了解選題所屬行業（海洋風電）發展為社會能夠解決的問題、背景和對國家發展的意義等。調查發現“雙碳”經濟背景下，清潔能源的開發利用成為當前解決化石能源短缺、環境污染嚴重和實現多元化能源供給的重要方式。風力發電作為主要清潔能源在全球迅速發展，尤其是海上風力資源相較于陸地更為豐富，開發利用潛能和價值更高。全球海上風電開始于丹麥建設的第一個海上風力渦輪機，后經過研究、測試及商業化等階段，在歐美、亞及北美洲迅速發展和高效利用。同樣，我國把海上風電作為實施能源安全新戰略的重要環節，憑借豐富的海洋風力資源和開發技術優勢， 近年來海上風電場裝機建設規模迅速增長，并形成了海上風電近海規模化、遠海示范化，近海-遠海協同發展新局面。

二是指導學生知悉海洋風電發展意義后，在文獻閱讀、資料收集的基礎上，歸納總結選題發展重點難點，并能夠列舉處目前所存在的問題。有研究^［8-10］表明，海上風電建設樁基打樁及設備安裝造成海底水體濁度增大、溶解氧降低等，對海洋環境有一定的破壞；海上風電運營過程中產生的噪聲會導致海洋生物產生應激行為，削弱其感受環境能力和集群捕食等行為；海上風運行還會產生電磁輻射現象，對海底棲息生物的運動遷移和生殖發育產生不良影響。因此，海上風電場建設及開發過程中需要對所在海域進行風速、風向、降雨量、能見度、氣溫、氣壓等氣象，水深、流速、流向、浪高等水文，水溫、濁度、溶解氧等水質和經緯度位置等生態環境參數進行長期測量勘探，以保證海上風電區域海洋生態環境正常。目前，獲取海上風電區域環境參數數據方式，有采用監測船只載人前往目標區域進行現場采樣測量，距離海岸較近區域效果還好，一旦離岸距離較遠（大于20 km）時，監測船受時間和天氣影響較大，導致測量數據不連續、實時性差等缺點；或在海上風電場規劃建設前相關海域建設測風塔，用于風速、風向、濕度等參數，但該方法測量指標局限于單一氣象參數，未能綜合測量水質、水文等指標，且當海上風電場規劃離岸較遠時，利用現有衛星通信和移動通信方式，數據遠距離傳輸帶寬將受到限制，不能有效進行監測數據的流轉。

三是明確選題方向存在的問題后，指導學生通過所閱讀的資料發散思維，針對所存在問題點，大膽嘗試提出相應的創新想法和舉措，并分析所提創新的意義所在，進而提出建立海上風電區域多維度多層次環境監測系統，研究遠距離協同通信技術，獲取海洋多環境參數、水下生物動態等基礎數據，對促進海洋風電場區域生態安全，海上資源有效開發利用，加速海洋能源經濟可持續發展和海洋科學進步等方面具有重大意義。

2 調研分析選題研究現狀

創新大賽的主要任務是激勵廣大青年扎根中國大地，了解國情民情，培養自身創新創業能力。而大學生的創業能力需要利用自身知識和經驗，運用相對新穎獨特的方式解決問題，產生出價值或從中贏利。這就使得在大學生創新實踐過程中，引導其明確選題方向后，通過調研選題研究來了解國內外研究現狀和分析項目市場前景。以海上風電區域環境監測系統研究為例，在調研選題研究現狀過程中，指導學生主要通過采用文獻查閱、專家咨詢交流、分類研究等方法開展研究。通過查閱資料發現，目前解決風電區域環境監測數據獲取問題的主要方式是應用海洋環境監測技術，故學生在對該選題方向進行研究現狀調研時，針對海洋環境監測技術按照先國外后國內思路開展。

2.1 國外研究現狀調研分析

國外關于海洋環境監測技術研究始于20世紀初期，70年代開始逐步完善海洋監測警戒體系，到80年代初進入高技術發展階段，著手建立區域性網絡監測體系，獲取海洋實時的基礎信息^［11］。

美國在海洋環境監測技術方面一直處在國際領先地位。20世紀80年代初，建設了海岸海洋自動觀測網（CMAN），并相繼規劃發展緬因灣、卡羅萊納近海、蒙特利灣等區域性的監測系統，涵蓋多個岸基站、浮標潛標系統組成；1994年，提出了US Coastal GOOS，旨在建設基于現場快速采樣方法的岸基水域監測系統，并于2001年建成GOMOOS監測系統；2004年，提出海洋研究交互觀測網絡（ORION），實現海面到海底的綜合立體監測。

日本長期受海洋災害影響，對海洋環境監測極為重視。20世紀30年代，已經開展海洋環境監測系統的研究。70年代前后，隨著西方國家資金的支持，日本投入了大量人力和物力參與浮標監測網建設，如TAO/TRTON系統，形成大洋和近海海洋環境監測體系。隨著海底光電通信技術的發展，日本正在研究建設新型實時海洋觀測系統ARENA，從日本東部海域沿日本海溝延伸至我國東海海域，主要用于地震帶、海洋動力環境、海洋生物等科學觀測研究。

此外，為爭奪海洋資源和擴大勢力范圍，歐盟及其它國家地區也規劃和建設了相應的海洋環境監測體系。20世紀70年代中期，加拿大開始建設海洋環境浮標觀測網，并積極引進美國技術，發展較為迅速。1985年，歐盟在歐共體尤里卡海洋計劃（EUROMAR）的支持下，分別發展了SEAWATCH系統和MERMAID系統。英、德、法計劃擁有與美國類似的海洋觀測技術，2004年提出了ESONET歐洲海洋觀測網計劃，應用海底光電纜組網對地球物理、化學、生物等提供長期戰略性監測能力。

為進一步更好地利用和保護海洋資源，20世紀末，聯合國政府海洋、氣象、環境等組織，聯合發起全球海洋觀測系統（GOOS），初步形成由浮標、岸基臺站等組成的全球業務化海洋學系統。之后，美國、日本、法國等國家聯合也推出了全球性海洋觀測計劃——ARGO計劃，旨在全球大洋中放置3000個剖面浮標，組成一個全球海洋觀測網，借助衛星定位和通信系統，快速大范圍獲取海洋資料數據。

2.2 國內研究現狀調研分析

相較于國外海洋環境監測技術研究，國內起步較晚，從80年代中期才開始，經過幾十年不斷發展努力，逐漸縮小了與國外的差距，目前形成了從監測、傳輸、分析到發布的業務化系統。尤其是21世紀以來，我國海洋技術和裝備發展取得了快速進步^［12］，發展建設了一批長期實時監測的裝備和系統，主要體現在定點及移動監測兩大方面。浮標、潛標是最主要的定點監測方式。我國浮標研究從引進英國MAREX公司圓盤浮標開始，經消化吸收國外先進技術，自行研制了多種類大小浮標，并取得了技術上的關鍵性突破。潛標技術自20世紀80年代開始研究，2006年創新研制出的“九頭鳥”型實時傳輸潛標獲得成功應用，后也產出了一些自主收放功能潛標，但目前尚處在仿制階段，關鍵技術尚未取得突破。定點監測還包含海床基或有纜觀測系統，但研究起步更晚，在國際上相對落后。國家相關科研單位如浙江大學、同濟大學、中國科學院等近年來就系統拓撲和樣機展開了相應研究。2013年，國家海洋局分別在東海、南海投入建設。2017年，科技部投入建設海洋科學監測網。截至目前，中國大大小小建設了數個系統性實驗網絡。移動監測方面包含漂浮式浮標、水下滑翔機等技術。漂浮式浮標技術以全球性ARGO計劃最為著名，我國結合國外相關產品，應用和技術取得了較快發展。以國家海洋技術中心為主的科研單位經過多個五年計劃重點項目的支持，先后研究了C-Argo、COPEX Argo等型號浮標。我國水下滑翔機研究與國際研究相差10多年，其中中國科學院研制的SEA-WING和中船集團研制的C-Glider等型號產品等完成海試。

綜上所述，海洋環境監測技術目前國內外都在大力發展，我國海洋環境監測技術近年來發展迅速，與國際水平差距逐漸縮小。從長遠目標來看，海洋環境監測技術必將朝著集成化、智能化、具有遠距離信息傳輸和處理能力的方向發展。

3 提出創新設計思路

想要在創新創業大賽中脫穎而出，關鍵在于項目要新，工藝要新，理論要新，產品要新，結構要新^［13］。因此，引領大學生基于選題的研究背景和現狀進行深入分析，進而發現問題和提出問題，再到提出創新設計思路和解決方案是創新實踐教育過程的關鍵步驟。創新思路的提出必須滿足既能夠從理論上解決現有問題，又能夠適應研究發展趨勢的要求。如何提出好的創新設計，本文以海上風電區域環境監測系統為例，指導學生采用問題分析、綜合比較、理論研究和抽象聯想等方法，確定研究思路的要點和內容。

（1）指導學生通過選題意義和現狀的研究，并針對海上風電區域環境監測技術存在獲取參數指標單一、不連續、實時性差和數據傳輸距離近、帶寬小的問題，明確設計思路中集成多參、智能連續、遠距離實時傳輸等是關鍵。（2）利用海上風電區域的已有平臺資源條件，可以提出研究集成一體化多參數監測系統的創新設計思路：一是基于環境監測中多氣象、水質、水文等種不同特征參數需同時且連續獲取的需求，從信道采集、信息融合、數據處理等方面，研究多信道并行連續采集及多源信息智能融合交互技術；二是針對遠距離海域數據傳輸容量小、速度慢等問題，調研海域信道環境特征，應用海上超遠距離無線寬帶覆蓋技術，研究海域信道模型和協同通信系統架構技術。（3）指導學生結合自身知識和風電場測風塔固定樁基平臺資源條件，根據研究關鍵點，形成最終設計思路，即依托海上風電區域已有建設測風塔，采用海洋信息集成、廣域海洋通信組網、智能環境監測等先進技術，設計基于海上測風塔的風電環境監測系統，包含多種環境參數數據采集及遠距離數據流轉方法，以實現海上風電環境多種監測數據采集和傳輸的實時、連續、綜合、遠距離和大帶寬。

4 完成創新設計實踐

創新大賽不僅需要創新想法，還需要付諸實施，形成較為成型的產品原型或樣品。在此基礎上，創新設計思路提出后，引領大學生完成具有可實現性創新設計實踐，是創新實踐教育的最后一步。以基于海上測風塔的風電環境監測系統設計為例，筆者帶領學生前往現場勘察、測量分析，指導學生發現海上目標區域可利用的測風塔等已有資源，并利用創新設計思路開展具體實踐，采用先整體后部分的設計方法，從整體拓撲架構到分系統設計實施。

4.1 拓撲架構設計實踐

基于海上測風塔設計的風電環境監測系統旨在充分利用海上風電建設目標海域已有的測風塔樁基平臺資源，設計建設“現場智能監測、數據自組流轉、遠端接收處理”的綜合集成一體化風電環境監測數字技術手段方法，共包含現場生態環境智能監測分系統、遠距離數據自組流轉分系統和遠端數據接收處理中心分系統3部分，拓撲架構組成如圖1所示。

其中，現場生態環境智能監測分系統全部依托海上測風塔，完成目標海域氣象、水文、水質和位置等參數信息的測量；遠距離數據自組流轉分系統包含現場通信端和岸基通信端，通過海岸通信傳輸自組網設計，完成現場和岸基端數據的雙向流傳；遠端接收處理中心分系統為用戶端，完成監測數據的實時接收和后端處理。

4.2 分系統設計實踐

4.2.1 現場生態環境智能監測分系統

現場生態環境智能監測分系統為物理層設計，依據海上測風塔樁基平臺結構設計而建設，實現現場能量轉換與供給、環境信息的測量與采集、數據智能采集與控制等功能，并完成為遠距離數據自組流轉系統中的現場通信端提供電能輸入和信號輸入。該系統主要包括電能自供給轉換單元、數據智能采集及控制單元和環境基礎信息測量單元3部分，各單元之間結構和功能相互連接輔助，系統架構如圖2所示。

（1）電能自供給轉換單元：因海上測風塔距離海岸通常大于20 km，相對較遠，無可用電源使用，故系統設計電能自供給轉換單元，通過現場風力、光照度等自然條件完成電能的轉換和所需能量供給，并根據現場設備總功耗和使用天數設置足夠數量的蓄電池用于能量儲存。通過風光儲轉換獲取的能量通過穩壓、變換、濾波及繼電保護后，分別向環境基礎信息測量單元中氣象、水質、水文等測量儀器，數據智能采集及控制單元中各模塊及遠距離數據自組流轉系統中現場通信端提供穩定電能，保障各系統正常運行。

（2）數據智能采集及控制單元：該單元設計獨立空間進行放置，為系統處理核心部分，負責氣象、水質、水文等環境基礎信息的多路同步智能采集、融合和初步處理，并將數據統一打包傳輸至遠距離數據自組流轉系統后到達用戶端或遠端數據接收處理中心。另外，該單元對設計總體功能模塊良好運行起到控制作用，通過對電壓、電流及溫濕度等狀態信息的實時監測，自動控制各部分功能啟用和關閉。

（3）環境基礎信息測量單元：該單元用于集成環境測量傳感儀器，通過光學、電極、水聲等原理直接測量所需環境信息，設計包含氣象、水質、水文信息，包含風速、風向、降雨量、能見度、氣溫、氣壓，水深、流速、流向、浪高，水溫、濁度、溶解氧等風電場海域關鍵生態環境參數。

4.2.2 遠距離數據自組流轉分系統

海上測風塔距離海岸通常在20 km以上，基本無移動信號覆蓋，數據傳輸通常采用衛星通信實現，存在帶寬有限且時延大等缺點。而海上風電場區域環境監測數據量較大、實時性強，數據傳輸過程中對帶寬和時延性要求較高，故根據海上測風塔及風電場海域特點，設計遠距離數據自組流轉系統。該系統由岸基通信端和現場通信端組成，系統架構如圖3所示。

（1）岸基通信端：岸基通信端設計建設岸基廣域基站，基站設置在陸地，進行架高設計，通常綜合利用高地或信號塔資源，根據實際條件架設高度30～100m，以減低建設成本。岸基廣域基站由陸地側市電（220V AC）實現電能供給，利用廣域寬帶信號覆蓋技術實現信號區域的覆蓋，以使得信號覆蓋區域拓展至依托海上測風塔搭建的現場通信端。

（2）現場通信端：現場通信端通過建設在海上測風塔頂部實現架高設計，建設高度約70 m，由現場生態環境智能監測系統電能單元提供能源，保證持續運行。現場通信端一是與現場生態環境智能監測系統中數據智能采集及控制單元通信，留有RJ45接口用于接收打包后的環境信息參數；二是內部安裝有用戶接入設備（CPE）及動中通定向天線，實時定向搜索岸基廣域基站發出的信號覆蓋，完成與岸基基站的通信連接，實現現場監測系統與岸基基站通信數據傳輸組網及雙向流轉。

4.2.3 遠端數據接收處理中心分系統

遠端數據接收處理中心通過陸上移動信號與岸基基站實現通信連接，完成目標環境數據的接收。數據接收到后終端用戶可根據實際需求利用Web、SQL等數據處理分析工具進行顯示界面、數據庫及相關處理算法設計。

5 創新實踐成效

一是激發了學生參與學科競賽的深度和廣度，初步產生創新成果。創新大賽從最初只有3人參與到培養鍛煉創新實踐學生20余人，從單一的海洋類專業擴展至信息工程、工業設計、航海技術等多學科交叉專業，現已組成大學生創新大賽團隊3個，獲得江蘇省職業院校創新創業培育項目1項、校級創新創業培育項目2項，申請專利3件，撰寫論文2篇，獲校級以上獎勵2項。

二是形成了學生創新實踐教育新模式，提升了學生綜合科學研究能力。創新實踐教育不是填鴨式的速成教育，在培養學生專業知識和本領的同時，應該重視方法和意義教育，讓學生從意識了解逐漸深入到創新實踐生態體系中去。由于創新大賽內容大多是行業前沿技術研究，學生通過參賽可以將多學科和不同專業知識聯系起來，以此為引領，提出“探索背景目標-調研發展現狀-提出設計思路-完成創新實踐”4步教育模式，讓學生明確創新實踐為什么做、做什么和怎樣做，而且通過查閱文獻、總結分析、抽象聯想等方面鍛煉，培養學生積極思考、刻苦鉆研、自主學習等綜合素質，提升科學研究能力，為未來進一步的就業或創業提供有力基礎保障。

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（編輯 李春燕）

Research on the innovation practice education of college students under the guidance of innovation competition：taking the environmental monitoring system’s design based on the wind tower in the offshore wind power region as an example

DU Zongyin¹， QING Shanshan²， LU Hu²

（1.School of Nautical Technology， Jiangsu Shipping College， Nantong 226010， China; 2.School of Marine Engineering， Jiangsu Shipping College， Nantong 226010， China）

Abstract：The innovative practice education of college students is one of the important contents in national talent training. Under as the guidance of goals and tasks of innovation competition， taking the environmental monitoring system’s design based on the wind tower in the offshore wind power region as an example， elaborated the whole process of innovation practice in guiding students from the four steps of “exploring the background significance of the topic selection， researching the research status quo of the topic selection， proposing innovative design ideas， and completing the innovative design practice process”. Through the training of students’ literature review， summary， problem analysis， comprehensive comparison， abstract association and other methods， we can obtain certain innovative results， stimulate the breadth and depth of students’ participation， and improve the comprehensive scientific research ability.

Key words：innovation competition; innovative practice education; system’s design