群体智能“深度团队”的拔尖大学生创新科研能力培养模式研究与实践

郝国成，　赵　娟，　王　巍，　王国洪

(1.中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院，武汉 430074;2.杜克大学 数学系，NC Durham 27708 美国)

0　引　言

国务院《关于深化教学改革，全面推进素质教育的决定》中指出：“高等教育要重视培养大学生的创新能力、实践能力和创业精神，普遍提高大学生的人文素质和科学素质[1]。”创新素质已成为工科大学生品质的第一构成要件，是衡量高校教育质量和学科水平的关键指标[2]。以团队模式开展大学生科研活动，是高校创新型人才培养的有效模式之一。其优点是集体智慧引领，分享并创造知识，缩短创新过程的时间成本，提高科研学术产出的效率[3-6]。但由于本科生存有课业学习、兴趣爱好、社会兼职或社团活动等压力，组内成员很难做到步调一致，导致大学生团队申报项目时热情高涨，中间执行时逐渐冷却，团队松散乏力，效果不佳，难继初衷[7-8]。针对这些问题，本文提出基于 “群体智能”的“深度团队”建设模式，即依托群体分布式智能、基于相对固定的物理空间、导师子群项目驱动、团队深度协作、长效过程管理和多节点考核的“深度团队”模式。通过该培养模式，锻炼学生在群体智能理念的引导下，形成深度团队，充分发挥团队个体的最佳优势，同时又互为补充，提高科研课题的效率，促进学生对某一兴趣点的纵深挖掘，强化学生的技术厚度，提高他们的学术理解和协作意识，进而加快培养拔尖大学生的创新科研能力。

1　大学生创新实践能力培养现状

1.1　国外高校的培养举措

西方国家高校重视以团队模式来培养大学生的科研能力，推崇“兴趣驱动”，提倡“小组合作”“团队合作”“组织学习”和“头脑风暴”等理念[9-10]。19世纪初，德国洪堡与柏林大学提出了“教学与研究的统一”原则，提倡科研是最好的教学，开启了本科生参与科研的尝试[11]。20世纪初，美国根据本国实用主义传统发展了洪堡模式，康奈尔大学及后来的霍普金斯大学主张开展普通教育的同时，也进行专业教育，大学教学必然通过科学研究来唤醒和发展具有创造性和认知性的精神力量[12]。美国研究型大学经过一个多世纪的探索，本科生的培养模式从通才转向实用人才和创新人才[9,13-14]。美国麻省理工(MIT)学院创立本科生研究机会计划“The Undergraduate Research Opportunities Program”(UROP)，率先使本科生参与科研制度化。MIT每年有2 500多名学生参与该计划，该校已毕业本科生在4年学习期间几乎至少1次参加过这一计划[15]。斯坦福大学推行“The Stanford Undergraduate ResearchOpportunities”(URO)计划，强调本科生参与研究工作是培养创新人才的重要一环。这个计划体现了斯坦福大学的教学精髓及本科生教育的核心：为科研机构培养未来的精英。URO鼓励学生独立完成研究项目，为学生直接参与研究机构的工作提供机会。学校专门设立基金，资助本科生进行学术研究和开展实践以完成毕业论文。该计划中每年有200名本科生被授予校长奖学金，并获得3 000美元用于下一学年的学术研究[15]。杜克大学设立了本科生科研支持办公室(Undergraduate Research Support Office)，负责本科生科研管理，包括制定政策、审批项目、发布科研需求信息及成果展览等。同时推出暑期pSearch项目，旨在培养本科生的初步科研技能[16]。笔者访学所在的杜克大学西校区Gross Hall，设立了IID(Information Initiative at Duke)中心，常年推出面向大学生的5 000美金项目资助计划，用于本科生深度参与各项目的开发活动。美国高校对本科生参与科研，普遍持开放和支持的态度，并相应的出台了各具特点的支撑计划。

1.2　国内高校的培养现状

清华大学于1996年开始在国内率先开展旨在培养本科生科研创新能力的SRT计划，每年的SRT立项数已经超过1 000项，60%以上的本科生在读期间参加了一项或以上的SRT项目，其核心理念为：通过循序渐进的实践过程，激发创新志趣，提升创新勇气，加强创新能力[17-19]。浙江大学于1998年实施大学生科研训练计划(SRTP)，参与该项目人数占同年级人数的2/3以上，其教育理念为“以人为本，整合培养、求是创新、追求卓越”[20-21]。桂林电子科技大学环境工程专业试行导师项目驱动组建学生团队，为团队提供物理空间场地，研究的课题分为教师提供的探索型、工程应用型和校内资助项目[22]。南京理工大学“虚拟现实与军用仿真实验室”将各类纵向和横向项目，分解为难度系数不同的子课题，每年组建4～5支大学生创新团队，该实验室负责人认为培养效果较好[23]。

由以上分析可以看出，国内外高校在思想认识上，一致认为引导本科生积极参加科研活动是培养大学生创新能力和实践能力的重要途径。就我国多数高校目前现状而言，自上而下或自下而上的组建大学生科研团队，建立大学生参与科研的持续机制是培养创新人才的关键。

1.3　现实困境

美国一流大学在本科生创新能力培养方面最明显的竞争优势，是使其大学生有机会参与科学研究，不断地站在新知识的前沿。高校本科生科研团队的建设与管理是高等教育快速发展形势下的新课题，需要引起我们思想上的高度重视。团队的建设过程又是一个动态的发展过程，不同阶段、不同时期可能需要做出适当的调整。但同时必须看到，相较于国外高等教育对大学生创新能力的培养举措，国内高等教育体系，无论观念意识还是教学方式都相对落后、发展较晚且执行过程有所欠缺[24-25]。我们对于大学生科研团队建设还不够科学，亟待完善，表现在以下几个方面。

(1) 被动应试教育，缺少实践磨练。在目前来看，高校课程应试模式有其存在的必要性，尤其对于一些专业基础课程，强调学生构建扎实的专业知识体系。但对于理工科的专业课程，大部分专业仍采用课堂灌输，配合较少学时的实验和实习，强调知识点的死记硬背，缺乏实践锻炼机会，很大程度停留在纸上谈兵。对于很多被动学习的大学生而言，高分就是导向，保研、就业、出国都靠学分绩点，至于是否透彻的理解专业知识，变得不是那么重要。这种制度下培养的大学生，因缺少理论转换实践的训练而弱化了“出厂赋值”，欠缺特色，眼高手低，不能满足学术科研以及市场经济发展对高层次人才的需求。

(2) 注重申报结题，疏于过程管理。基于各种压力，高校更注重“学术卓越”，基金、论文、专利、获奖等是管理者心中永恒的痛点，这些容易量化的指标可以迅速地提升学校发展的显性地位。“教学卓越”“以学生为本”等口号，喊得越响，可能心里就越不重视，或仅仅是嘴上重视，抑或很重视，实际办法不多，投入不够。于是造成了与学生相关的各种实践训练项目，只是申报时热热闹闹，结题时拉拉横幅，PPT走走过场。至于中间过程，无人去管。究其原因，除了管理者思想根源上的天然倾斜，也跟具体操作环节有关。由于缺少面向学生的平台依托，缺少长效负责老师，进而导致只注重申报，忽略中间过程管理，虎头蛇尾，潦草结题等流于形式的现象，难以将培养举措落于实处，与提高大学生综合素质的初衷相悖。

(3) 缺乏专业引领，团队松散短暂。大学生组建科研团队的时机多在大二和大三，此时已有了初步的专业认知和理解，有了更进一步提高自己和融入学科的愿望。但目前本科生大多仅凭个人兴趣茫然求索，缺乏专业指导老师的引导，缺少研究生的传帮带。即使组成了临时团队，也多数较为松散，协作不充分，没有固定研究场所，实验条件和软硬件环境不足，缺乏后劲，很难持续。

1.4　解决思路

如何通过构建稳定且持续的大学生团队，进而培养拔尖大学生的创新意识和创新能力，是国内外高等教育共同关注的热点问题，它直接关系到社会经济的发展和创新型国家的建设[9]。针对上述存在的3个问题，本文提出一种基于“群体智能”思路的“深度团队”建设模式：通过科研项目子群驱动，借鉴群体智能的团队构建原则，招募并组建学生团队。该模式实行项目群组驱动、固定物理空间、团队灵活协作、长效过程管理和多节点考核的培养改革方案，充分利用团队自身的平台优势，着力培养拔尖大学生的创新思维意识和实践能力，通过团队成员的深度合作与个性发展，达到或促进本科生科研能力的提高。

2　群体智能

2.1　群体智能的组织原则

群体智能是指个体的经验知识通过局部环境或彼此的交互、汇聚并涌现出来的功能一致的集体行为[26]。群体智能的特点是最小智能但自治的个体利用个体与个体和个体与环境的交互作用实现分工协作、整体目标一致的分布式控制模式，并具有自组织、可扩展性、健壮性等特性[27]。群体智能的发挥在于其自身的5条基本原则。

(1) 邻近原则(Proximity Principle)。群体能够进行简单的空间和时间计算，团队个体可根据整体的进度，来估计个人负担部分的完成时间和效率，并且需要固定的物理空间支撑邻近原则。

(2) 品质原则(Quality Principle)。群体能够响应环境中的品质因子，即优质个体的发展会带动和促进其他后进个体的进步，具有明显的群体示范作用，提高团队的寻优效率。

(3) 多样性反应原则(Principle of Diverse Response)。群体的行动范围不应该太窄，个体的独立思维会促进团队的发散性触角，帮助群体获得更多更优解的可能性。

(4) 稳定性原则(Stability Principle)。群体不应在每次环境变化时都改变自身的行为，团队意见具有民主集中的特点，群体执行路线取决于集体的意志，在一定程度上避免了个人认识的不足，集思广益的团队模式，辅以团队老师和研究生的指导，减少团队执行任务的弯路，具有较好的鲁棒性特点。

(5) 适应性原则(Adaptability Principle)。在所需代价不太高的情况下，群体能够在适当的时候改变自身的行为。可以根据任务的进展、关键技术问题的解决程度、团队成员的临时更迭等问题，随时调整团队执行计划，保障团队任务的顺利进行。

2.2　群体智能的团队特点

群体智能的5个基本原则与本科生科研团队建设相结合，可使团队具备4个方面的优势。

(1) 强鲁棒性。团队合作具有良好的鲁棒性，群体中的每个个体都能够适应一定的“突发状况”，不会由于某一个或几个成员出现故障而影响群体对整个问题的求解。

(2) 低个体开销。群体中每个个体的能力或遵循的行为规则非常简单，因而群体智能的实现比较方便，具有简单性的特点。基于群体智能可以降低个人的精力开销、时间成本等。

(3) 易扩充性。由于群体智能可以通过非直接通信的方式进行信息的传输与合作，因而随着个体数目的增加，通信开销的增幅较小。因此，它具有较好的团队扩充性，减少个体成员的增减对团队整体的影响。

(4) 可自组织性。群体表现出来的复杂行为是通过简单个体的交互过程突现出来的智能(Emergent Intelligence)，每个团队成员的深度参与提升了整体的自我驱动，利于团队及时调整，自动校正。

3　构建群体智能的“深度团队”模式

3.1　深度团队的构建思想

“深度团队”培养模式的核心思想是如何在实践中培养拔尖大学生的创新素养和科研能力。将“群体智能”属性特点与团队构建结合起来，形成有实际成效的“深度团队”，该模式对本科生参与科研，培养他们的实践能力和创新意识具有积极作用。基于群体智能的“深度团队”模式包括：基于邻近和品质原则的固定物理空间、基于稳定原则的项目子群驱动、基于多样性反应原则的团队深度协作，以及基于适应性原则的长效过程管理和多节点考核等4个主要方面。该培养模式具有长期性、延续性和师生紧密联系等特点，属于开放式的培养过程。该改革模式的特点在于科研项目的衍生分解、学生团队的灵活组建以及节点考核措施的有机结合。实施要点包括：项目分解立题、宣传招募学生、前期基础技能培训、项目实施过程、师生答疑、茶话讨论、技术支撑、PPT节点考核展示、报告撰写、创新性提炼、论文提纲起草等环节。在该模式的实践培养过程中，对团队大学生进行通用且专精的训练，通过科研实施过程循序渐进地培养科研兴趣、激发创新意识和锻炼动手能力。

3.2　基于邻近和品质原则的固定物理空间

“深度团队”在于紧密的任务衔接、成员关联、物理空间以及由此衍生的系列协同链条。本科生科研团队的构建，大家关注较多的是软环境的保障，如课题级别、创新大小、经费支撑、成员结构、实验条件、精力投入等，往往忽略了成员的同时在线问题。团队的成效更取决于泡在一起时间的长短，是否能更长时间的同时出现在一个桌子前，围绕团队课题和各自分解的任务，共同推动。这就非常需要有一个团队共同使用的固定物理空间，俗称团队工作间或工作台。全国大学生电子设计竞赛是这种模式的体现，3人小组在4天3夜的通力合作下，完成良好功能性的作品，与围绕在一个桌子前的深度合作是分不开的。很难想象团队成员很难见面，或者没有固定场所，仪器、资料、实验板、元器件、笔记以及一些随手记录的想法都无法有效放置和保存，更谈不上任务开展的延续性了。

群体智能的邻近和品质原则可以促进关键信息共享和问题交流讨论。团队成员通过固定物理空间的长期集中，成员之间面对面的交流讨论，及时通报各自负责的任务进度，再根据个人课业的必修情况，及时调整个体的精力分配，尽量与团队整体协同一致。基于邻近原则的固定物理空间提供了交流的顺畅和及时性。群体智能的品质原则更是基于固定物理空间的体现，群体能够响应环境中的品质因子，即优质个体的发展会带动和促进其他后进个体的进步，具有明显的群体示范作用，提高团队的寻优效率。榜样的力量是强大的，会给团队注入强大的信心和坚持的力量，也会在技术路线上提供有意义的参考。“一张桌子”的需求放在“深度团队”建设的首位，体现了它的重要性。然而在现实中也是有难度的，在研究生位置都是紧缺的条件下，本科生团队还要空间，谈何容易！但要想将本科生团队打造成有效率的“深度”模式，要尽可能想办法为其提高固定的物理空间，促进其邻近和品质原则的发挥，这也是有成效团队建设的前提。

3.3　基于稳定原则的项目子群驱动

群体智能的稳定原则是指群体不应在每次环境变化时都改变自身的行为。团队意见具有民主集中的特点，群体执行路线取决于集体的意志，在一定程度上避免了个人认识的不足。集思广益的团队模式，辅以团队老师和研究生的指导，减少团队执行任务的弯路，具有较好的鲁棒性特点。学生根据兴趣自选或者突发奇想，往往由于缺乏调研和文献梳理，多数不了了之。而教师的在研项目，具有良好的可持续性，且有一定的创新意义或实践应用。这种带着明确任务目标的项目驱动是本科生团队建设的良好抓手，也是培养学生实践能力的平台载体。在实践中，团队教师将科研项目逐层分解，形成项目子群。将高难度的复合题目层层分解为低难度的子题目，将多目标降维到单目标，使学生能够迅速地抓住题目关键点，尽早激发学生兴趣，降低起步门槛，减少开始期的茫然阶段。

稳定且可持续的项目衍生驱动，可解决本科生团队的松散问题，也可以规范学生的科研行为。该模式可使学生细化目标，确立依托主轴，精力集中，提高效率，使团队具有强鲁棒性。

3.4　基于多样性反应原则的团队深度协作

群体智能的多样性反应原则是指群体有非受限的行动范围，可以在一定程度上充分发挥个体的行为轨迹，即团队成员的独立思维会促进团队的发散性触角，帮助群体获得更多更优解的可能性。

实现团队的深度协作，首先需要构建紧密的团队。大学生“深度团队”应由本科生、研究生和教师三部分组成，其中以本科生为核心，教师为主要指导，研究生为技术辅助，形成具有阶梯性和互补性特点的高效团队。深度团队需要具备“灵活”协作的特点，团队成员之间的人员更替、任务分配、内容互换、暂停后补、假期快进等方面的伺机变化，是基于时间、人员和任务的灵活协作。指导教师是整个团队建设的关键，一般最好是项目负责人或骨干参与者，切忌团队指导教师仅仅是挂名指导。研究生在团队中起到“传帮带”的作用，除了提供强有力的技术支撑，还可以作为本科生与指导教师之间的桥梁，帮助营造开放的文化氛围，促进团队形成良好的人文关怀与互信。由于团队成员构成的开放性和多样性，各自从不同的认知视角分析问题，可以较好地激发群体智能的多样性反应原则，促使团队任务的顺利开展。

3.5　基于适应性原则的长效管理和多节点考核

群体智能的适应性原则是指在所需代价不太高的情况下，群体能够在适当的时候改变自身的行为以适应整体的环境变化。基于适应性原则的团队建设则可以根据任务的进展、关键技术问题的解决程度、团队成员的临时更迭等问题，随时调整团队执行计划，保障团队任务的顺利进行。通过建立稳定的长效管理机制和有目的的“多节点考核”，来评价团队的有效进度。长效管理和多节点考核有机结合，设置分步考查，保障大学生团队的稳定和有序。

节点考核的选择具有多样性，可以基于团队成员个体的横向考核，着眼于了解和评估大学生的各种平行能力，例如：基础能力、文献能力、实验操作能力等；也可进行基于项目进展的纵向考核，重点考查项目的进度和执行情况。考核的形式可以多样化，如采用周、月、季、学期相结合的定期汇报形式，也可根据课题需要随时予以安排。每周由不同小组轮流主持报告，将前一阶段的学习、研究内容、进展进行展示，既包括团队总体的实施情况，也涉及每个成员的工作量和瓶颈问题，抑或提出自己的想法进行集体讨论。通过师生组会，及时调整各阶段的实施计划，保证项目顺利有效的开展。引入奖励机制，对于考核优秀的团队和个人，予以适当的奖励，通过心理效应来增强学生的满足感，进而激励自我进步的内在要求。

4　深度团队培养实践

4.1　培养成效

作者依托国家自然科学基金、博士后基金、湖北省自然科学基金、武汉市科技攻关项目等建设项目子群，尝试组织了5个拔尖学生的科研小团队。将科研项目衍生为系列子群课题：背景综述、机理研究、数据分析、算法实验模拟、算法设计、传感器仿真、硬件设计、系统设备集成、非平稳数据的时频分析等。其特点是，研究目标明确单一，技术路线可行性强。截至目前，5个团队都取得了较好的成绩：保研5人、申请和授权国内发明专利6项、授权实用新型专利3项，已发表EI期刊文章3篇，团队学生申请到的实验开放基金4项、“国家级大学生创新创业训练计划”3项(1项重点资助，2项一般资助)。这些产出对于大学生而言，具有较好的锻炼价值和指向意义。

4.2　深度团队培养模式的优点

通过本模式的培养实践，团队成员在个人技能提高的同时，加深了对专业知识群的理解，丰满了科研认识，也收获了协作经验、成就感和友谊。基于群体智能的深度团队培养模式，符合专业大类教学的现状且符合循序渐进的科学发展思路，为本科教学和科研作有益的探讨。该培养模式的优点有:①培养学生团队协作意识，崇尚科研的兴趣，体验探索未知带来的成就感。②通过小组成员之间的平等交流和自由讨论，促进学生加深对知识的理解，有利于大学生主动的丰满知识结构。③通过团队的凝聚来推动个体的前进，分工的精细化和彼此功能的衔接要求，驱使团队成员必须不断地完善个人所承担的任务，有利于培养大学生独立自主的创新能力，意识到有效协作与主动配合是团队科研成功的关键。④有利于师生间的良性互动与激励，营造良好的团队氛围。⑤促进教师教学与科研的延续和开展。⑥良好的榜样示范作用，有助于带动低年级同学参与科研。

5　结　语

《国家大学生创新性实验计划指南》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》提出了建设创新型国家的战略决策，培养大学生的创新素养和提高拔尖大学生的创新科研能力愈加重要[28]。高校应充分发挥自身优势，引入资源，挖掘资源，整合资源，充分调动更多的本科生参与科研，充分意识到参与科研是本科生提高自身创新能力与综合素养的必由之路[24-25]。基于群体智能的“深度团队”模式，是以教师科研项目和学生独立科研立项为依托，通过项目子群驱动、团队灵活协作、固定物理空间、长效过程管理和多节点考核，建立导师负责制的拔尖大学生科研团队。完成课题的同时，提高学生的硬件开发、软件编程、算法设计、文献梳理、文档归纳、论文写作等素养，有所侧重的提高拔尖大学生的独立创新科研能力。

“深度团队”培养模式的意义在于鼓励拔尖大学生“深度”参与课题团队，依靠集体的智慧促进学业和科研，对本科生创新能力、合作意识、综合能力培养有积极作用。“深度团队”培养模式，有利于学生开阔思路、掌握技能、增强信心，更快地适应社会需求。通过教师的积极参与，逐渐淡化纯粹的教学与科研界线，促进教学与科研互惠相长。该模式是现行高校教学体制下的有益探索，能够促进“课堂内外结合，兴趣与专业相辅，学习与科研并举，学生与教师互动”，利于建立良性的大学生学习与科研的良性生态系统，更好的促进拔尖大学生独立学习能力和创新素养的提高。

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