基于科研成果的大学生综合创新能力培养模式

王生怀,Li Tukun,徐风华,陈育荣,邓小雯

(1. 湖北汽车工业学院 机械工程学院, 湖北 十堰 442002；2. University of Huddersfield, Centre for Precision Technologies, Huddersfield, HD1 3DH, UK)

基于科研成果的大学生综合创新能力培养模式

王生怀1,Li Tukun2,徐风华1,陈育荣1,邓小雯1

(1. 湖北汽车工业学院 机械工程学院, 湖北 十堰 442002；2. University of Huddersfield, Centre for Precision Technologies, Huddersfield, HD1 3DH, UK)

为了培养适应时代需要,具有创新意识、创新思维及创新能力和工程实践能力的高素质工程技术人才,结合精密测量科研成果,提出了基于精密测量科研成果的大学生综合创新能力培养模式,并进行了初步实施。结果表明,这种模式可充分利用科研成果培养在校大学生的综合创新能力,使科学研究和教书育人结合起来,相互促进。

综合创新能力； 培养模式; 精密测量

当今世界,人才是一个国家和社会发展的最重要资源,人才教育培养模式的探索一直是一个热点话题。专业素养教育倡导学生的再学习与创新能力培养,从而适应时代对人才的“宽口径、厚基础、复合型”要求[1]。如何培养大学生的创新意识与创新能力,已经成为当前作为高级人才培养基地的高等学校推进素质教育的核心课题。尤其对于机械类工科专业,尽管近年来大学毕业生数量急剧增加,但其素质距离企业的要求似乎还很远。如何培养适应时代需要,具有创新意识、创新思维及创新能力和工程实践能力的高素质工程技术人才就显得更为迫切。

为了提高学生的综合创新能力,不仅需要在第一线工作的教师积极探索传统课堂的教学模式,提高教学效果,做好第一课堂的教学工作；而且,还需要学校、学院等各方面大力组织和引导学生主动参加第二课堂活动,如本科生提前进入专业实验室学习、参加学术活动以及科技竞赛、构建特色实践教学平台等[2-8]。这些综合创新能力培养模式的成功实施,无不得益于立足自身条件、因地制宜、量体裁衣。因此,制定综合创新能力培养模式,必须立足自身,体现在特色之上,这也切合了我国加快发展现代职业教育、引导普通本科高校向应用技术型高校转型的发展大趋势。

1 创新能力培养模式设计

湖北汽车工业学院机械工程学院精密测量技术创新团队长期从事精密测量技术及仪器、精密机械、测试理论、仪器计算机接口技术、虚拟仪器等的研究,一直把精密测量仪器及其智能化、精密机械设计与制造、光电检测、测控技术等作为重点研究方向,已经在这些方面构筑了一定的基础。团队近几年承担了与表面精密测量相关的4项国家自然科学基金项目和10多项省部级、市厅级科研项目,并联合外单位承担了国家重大科学仪器设备开发专项和国家自然科学基金科学仪器专项的研究工作,开发出了相应的测量仪器装置,这些仪器装置包含了光学、机械、电路、控制、标准、软件和算法等多学科的专业知识。如何将这些项目的研究成果和我校机械工程类大学生综合创新能力的培养结合起来,制定出具有自身特色的创新能力培养模式,一直是我们近几年来思考的问题。

1.1 设计思路

考虑了我们的创新团队在表面形貌精密测量研究方面所做的前期研究工作,以及在理论研究和技术开发方面积累的经验,制定了符合自身特色的大学生综合创新能力培养模式,其思路和特点主要体现在以下方面:

(1) 本创新培养模式基于课题组的特色科研成果,强调团队协作和综合知识运用,以及参与课题组科研工作,从而不同于传统的某一门课程的综合设计,也不同于大四的综合考察学生个体4年学习情况的毕业设计。

(2) 表面形貌精密测量研究中的技术开发成果包含了光学、机械、电路、控制、标准、软件和算法等多学科的专业知识,并形成了实物仪器装置,便于学生比较、模仿和参与新仪器的开发,更利于培养大学生的综合创新能力。

(3) 把科研成果的转化与大学生综合创新能力结合起来,做到“研”为“学”用。同时,本科生参与科研项目,将促进课题组更好地完善科研成果,推进科研成果的市场化,有利于促进产、学、研协同发展。

(4) 创新团队导师作为双肩挑的教学科研与管理人员,既有一线的科研、教学与技术开发经历,又有参与制定、调整、实施和管理学生培养方案的经历,因此有利于从宏观层面把握和从微观层面细化学生综合创新能力培养模式。

1.2 设计方案

1.2.1 培养目标

大学生创新能力培养模式的目标是充分利用创新团队在表面形貌精密测量研究领域的科研成果,以仪器开发的形式,使大学生将在校期间所学的“大学物理”、“机械设计”、“机械制造”、“模电与数电”、“信号分析”、“测试技术”和“计算机编程”等基础课和专业课综合运用,以及培养大学生文献查阅、论文撰写和团队协作能力,从而培养大学生的综合创新能力。

1.2.2 培养内容

(1) 表面形貌精密测量科研成果与大学生综合创新能力培养的结合。表面形貌精密测量涉及到多个学科的知识,目前已经形成了一个新的学科——表面计量学[9-12],其研究对象远不止是机械零部件的表面,其内涵和外延发生了深刻的变化,有些需要研究生层次的基础理论知识学习之后,才能从事相关的研究工作。因此,需要对表面计量学科作专题导论教学,使学生对该学科有基本的了解和认识,明确表面形貌精密测量技术的意义所在,从而使之与大学生综合创新能力培养过程进行恰当的衔接。

(2) 现有课程体系与表面形貌精密测量科研成果的衔接。由于现有课程体系以基础教学为主,各门课程相对比较独立,与表面形貌精密测量科研成果以项目为导向存在差别,需要高度综合各门专业课程。从现有的课程中选取与课题研究相关的部分进行深入学习和综合应用,是综合创新能力培养的一个重要内容。因此,需要对表面精密测量科研成果作专题导论教学,使学生对相关科研成果有基本的认识和了解,明确学生所学专业知识与精密测量技术中所用到的专业知识的关系,有选择性地加强和细化所学专业知识,从而为参与创新能力培养作好相应的专业知识准备工作。

(3) 大学生综合知识的创新应用与团队协作能力的培养。由于表面形貌精密测量技术涉及到了多门学科的综合应用,其中涉及到光学、机械、电路、控制、标准、软件和算法等多学科的专业知识。作为机电类的本科生,相关方面的知识可能均有所接触,但是把这些知识综合运用起来,并进行技术开发,同时还要完成日常的理论与实践课的学习,无论从能力上还是从精力上,已经不是学生可以独立完成的。因此,需要将技术开发任务进行分解,并按分解任务组建合作开发团队,团队成员共同协作,综合运用所学专业知识,完成、显现和完善现有科研项目的成果,撰写学术论文,促进产学研方面的转化。

(4) 大学生综合创新能力培养过程与现有理论实践教学的衔接。在现行教学方式下,大学生必须有足够的时间完成教学大纲规定的理论课程和实践课程的学习之后,才能拿到相应的毕业证和学位证,并且每一门课程的学习时间比较集中,每一门课程的培养目标都很具体,考核方式一般也很明了。相比之下,大学生综合创新能力培养的目标比较宽泛,暂时没有办法制定具体的学期和学时,学习时间相对比较零散。因此,需要充分利用大学生的课余时间和假期时间,将综合创新能力培养过程贯穿于教学大纲规定的教育任务之中,使二者相互衔接、相互补充、互为促进。

2 创新能力培养模式实施

2.1 培养模式分解说明

结合课题组所承担的教学科研项目,充分考虑自身及课题组综合条件,以及现有的教学环境和教学条件,制定出大学生综合创新能力培养模式,总共120学时,具体如下:

2.1.1 表面计量学科认知学习环节

该环节以教师作专题导论教学为主,安排6学时。主要介绍表面计量学科的产生、发展、现状和趋势,结合机械工程领域的表面粗糙度、表面形貌等应用,介绍微机电系统领域的微器件表面形貌、生物工程领域细胞表面形貌、光学工程中的微镜阵列表面、航空工程领域的飞机蒙皮表面、医疗领域的人工关节表面形貌等与表面形貌计量密切相关的一系列当今科学与工程领域的前沿研究问题,让学生了解表面计量学的重要意义[9-12]。

另外还介绍英国NPL、德国PTB、美国NIST、中国计量学院研究院NIMC以及英国哈德斯菲尔德大学精密技术中心等世界各国科研机构在此领域所做的工作,特别是英国哈德斯菲尔德大学精密技术中心蒋向前首席教授,由于在此领域所做的杰出工作而被评为英国皇家工程院首位华裔女院士,让学生对本领域的前沿研究动态有一定的认识和了解,激发学生投身科研的热情和信心。

2.1.2 表面精密测量技术认知学习环节

该环节以教师作专题导论教学为主,安排6学时。表面精密测量技术涉及到“光学工程”、“精密机械”、“模电与数电”、“精密测量控制”、“表面几何规范GPS”、“科学计算方法”、“软件工程”和“数据结构”等多门课程的综合应用。

本环节介绍课题组在精密测量技术方面所做的工作,包括研究过程中的项目申报、论文撰写、发明专利撰写申请等,让学生了解我国科研资助体系的基本情况,了解一般科学研究的基本流程,使之对科学研究过程有初步的认知。重点介绍所开发的仪器,包括基于电感的表面形貌测量仪、基于迈克尔逊的激光干涉表面形貌测量仪、基于白光干涉的垂直扫描干涉仪、基于双光栅的激光干涉表面形貌测量仪、基于单光栅的激光干涉表面形貌测量仪、基于白光干涉的纳米探针表面测量仪等,介绍这些仪器的基本原理、光路设计、机械设计、电路设计和软件设计开发过程,让学生对科学研究有直接感性的认知和可参与的落脚点,从而从认知阶段向动手能力培养阶段转化。

2.1.3 专业知识复习巩固与学习环节

该环节以学生自学为主,安排32学时。学生根据上述环节中所涉及到的光学、机械、电路、控制、标准、软件和算法等多学科的专业知识,重点针对课题组研发仪器中所用到的专业知识和开发工具,对于已学过的专业知识加以复习巩固,对于新涉及到的专业知识,则自己查找资料自学,培养自学能力。

在该环节中,给学生提供相关的光路设计图、电路设计图、软件算法等资料,让学生的自学有针对性。要求学生能掌握所提供图纸中涉及到的相关基础原理知识,能用相关的开发软件阅读浏览资料以及初步尝试做一些基本的开发工作。同时,结合研究生助研、助管岗位,安排研究生参与本科生综合创新能力的培养过程,锻炼研究生的指导能力,使本科生综合创新能力的培养和研究生的培养进行适度衔接。

2.1.4 综合知识运用与创新能力培养环节

该环节以学生自己动手为主,教师和研究生辅导为辅,安排76个学时。根据测量仪器的特点,划分为传感器设计开发模块、工作台机械设计开发模块、测控电路设计开发模块和测量评定软件设计开发模块等4个模块。

学生按上述模块进行分组,每4个人成立1个小组,小组中每个成员负责1个模块,小组团队之间相互协作,培养独立开发与团队合作能力。小组分组和成员负责模块确定后,各成员要求进一步深入学习和理解承担开发模块所涉及的专业知识以及相关开发软件的熟练使用,此时学生的学习更有针对性。小组成员既要熟练掌握自己所承担的模块,又能在一定程度上了解本组员所做的工作,一定程度上可以协助解决小组成员承担的工作。在此基础上,小组成员各司其职,参考课题组提供资料,着手设计传感器、机械零部件、测控电路和测量评定软件。最后,进行安装和调试,并测试标准样板,撰写模块开发技术报告和系统综合技术报告,完成整个仪器的开发。

2.2 案例实施与简要分析

2.2.1 案例实施与反馈

2012年,我们将课题组研究成果与我校机械学院本科试点班4位三年级学生的培养结合,指导学生申报了我校大学生创新性实验项目——电感表面粗糙度测量仪的研制,并按上述模式进行分解实施。在随后一年半的时间内,指导学生完成了1台电感表面粗糙度测量仪的研制,4位学生综合应用机械零件设计、电路设计、软件开发、标准运用、信号采集、数据分析和控制算法等多方面专业知识,成功地开发了1台电感表面粗糙度测量仪,熟练掌握了个人所负责模块的开发,基本掌握了整台仪器的综合设计开发流程,并公开发表学术论文1篇,实践动手能力得到了很大提高。学生在参考现有科研成果进行开发的过程中,提出了很多问题和建议,有一些建议对整个团队科研项目的进一步研究有着直接的促进作用。

从4位学生的反馈来看,他们在科学研究的认知、专业知识的综合运用、文献检索、论文和技术报告撰写、团队协作等方面均有明显提高。辅导员教师认为这4位学生比以前更加自信,毕业设计指导教师也认为他们容易指导,学生自主学习能力明显提高。

2.2.2 简要分析与思考

从上述实施效果来看,整体上基本达到综合创新能力培养的目标和要求,同时也暴露出一些问题,值得思考与进一步改进。由于学生的现有培养计划中理论和实践学习任务比较重,没有固定的比较长的时间来开展基于表面形貌精密测量科研成果的综合创新能力培养。因此,对学生综合创新能力培养的实施,需要进一步解决如下问题:

(1) 加强和调整学生学期内的理论教学和实践教学内容,优化学生学期内的课程安排,充分利用课外时间,对学生在综合创新能力培养培养过程中所需要的理论知识进行补充和强化,使学生综合创新能力培养与学期内的理论教学和实践教学内容进行衔接；

(2) 优化创新项目的模块与任务分解,合理安排学生的假期,集中部分假期时间,让学生逐段完成,并对完成情况进行综合考核；

(3) 综合评估综合创新培养模式的作用,使学生综合创新能力培养与各种奖励申报、课程替代和加学分等环节进行有效衔接,从而更利于学生综合创新能力培养的推进；

(4) 结合研究生助研、助管岗位,安排研究生参与本科生综合创新能力的培养过程,锻炼研究生的指导能力,使本科生综合创新能力的培养和研究生的培养进行适度衔接；

(5) 结合科研成果与学生综合创新能力培养,提升科研成果中试验装置的稳定性和可靠性,对试验装置进行产品化包装,使科研成果向产业化方向转化,让学生参与到具有市场竞争力的产品开发过程之中。

3 结束语

我们将课题组科研成果与大学生综合创新能力培养结合起来,意在探索如何充分利用科研成果培养在校大学生的综合创新能力,使“研”为“学”用，“学”促“研”发展。同时,本科生参与科研项目,研究生参与指导本科生,将促进课题组进一步完善科研成果,推进科研成果的市场化,做到产、学、研协同发展。

我们在英国哈德斯菲尔德大学精密技术中心访问留学期间,也见识了该中心接收机电类本科生从事科研活动、培养综合创新能力的实践环节,并详细了解了其运行模式,这无疑也增强了在我校进一步推广基于精密测量科研成果的大学生综合创新能力培养模式的动力和信心,今后将进一步解决在大学生综合创新能力培养模式推进过程中所遇到的问题。此外,随着国家对高校科研工作的进一步支持,将会有更多的教师参与科研工作。相关高校教师结合自身特色的科研工作,开展基于其科研成果的大学生综合创新能力培养模式研究,把科学研究与教书育人结合起来,更利于二者的共同发展。

References)

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Cultivating mode of comprehensive innovation ability for undergraduates based on scientific research outcomes

Wang Shenghuai1, Li Tukun2, Xu Fenghua1, Chen Yurong1, Deng Xiaowen1

(1. School of Mechanical Engineering, Hubei Institute of Automotive Technology, Shiyan 442002, China; 2. Centre for Precision Technologies, University of Huddersfield, Huddersfield, HD1 3DH, UK)

For the purpose of cultivating high quality engineering technology talents with the abilities of innovation awareness, innovation thinking, innovation ability and engineering practice according to the need of the modern era, a cultivating mode of comprehensive innovation ability for undergraduates based on the scientific research outcomes of precision measurement was presented. The mode has been practiced and the results show that the undergraduates’ comprehensive innovation ability has been cultivated by utilizing fully the scientific research outcomes. The scientific research and cultivating undergraduates can be incorporated and promoted mutually.

comprehensive innovation ability; cultivating mode； precision measurement

2015- 05- 20 修改日期:2015- 06- 19

国家留学基金项目(201308420014);湖北省自然科学基金项目(2013CFB045);湖北省高等学校省级教研项目(2014329);湖北省教育科学“十二五”规划项目(2014B188)；湖北汽车工业学院教研项目(JY201401)

王生怀(1979—),男,湖北赤壁,博士,副教授,机械工程学院副院长,研究方向为精密测量技术、实践教学与管理.

E-mail:shwangkb@163.com

G642.0

A

1002-4956(2015)12- 0009- 04