新形势下大学生创新能力培养与实践

甄子洋，王新华，江 驹，龚华军

（南京航空航天大学自动化学院，江苏南京211106）

0 引言

中国正处在工业化和信息化的“两化”深度融合以及四化同步发展的新形势下，面临的高等教育改革和发展任务十分艰巨。创新创业型人才培养是当今工业和信息化社会发展对我国高等教育提出的必然要求。通过参与科研创新实践活动，培养大学生的创新意识和创新能力，对我国发展成为创新型科技强国具有重要的意义。

近些年，大学生科研创新实践能力的培养已经成为我国各大高校教育教学改革的重要内容［1～2］。文献［3］提出以制度为导向、课外创新团队为组织形式以及建立稳定校外实践基地的大学生科研创新实践能力培养多重举措。文献［4］提出以搭建实验平台的大学生科研创新实践能力培养模式。文献［5］从树立大学生的科教融合观念出发，进一步树立大学生科研创新意识和培养科研创新能力。文献［6］则提出建立本科生导师负责制、完善科研平台建设等措施。

本文以我校自动化专业和探测制导与控制专业的大学生为培养对象，提出了依托专业实验室建立以团队为组织形式的多层次创新能力培养方案。

1 培养方案设计

我校研究生教育已积累了许多创新实践能力的培养经验，无论从课程设置、课程设计、毕业课题选题等各个环节，都将创新实践能力培养作为重要的目标。然而，我校本科大学生教育在创新实践能力培养方面却存在许多不足之处，究其原因，主要在于：①本科生的课堂教学多数拘泥于书本知识，而教材往往不能反映最新最前沿的科学技术；②本科生的实践培养环节较少，实践内容较粗浅，这也是因为本科生自身掌握的知识和能力还难以解决实际的复杂理论和应用问题；③本科生重视基础知识的学习和实践，为此占据其大量的时间和精力，所以本科生创新创业实践环节花费的时间和精力的比重很小，从而影响了其创新实践能力的培养；④本科生以班级为单位，课程教学为主，一般不进入实验室学习，这也限制了其创新实践的场所和条件。为此，本文提出的大学生科研创新实践培养模式，实际上参考了我校研究生培养的思路和方案，引导本科生进入实验室，开展科研实践活动，提升本科生的创新能力培养。

1．1 培养方案的组织架构

本文的研究探索和实践依托我校自动化学院飞行控制实验室，以飞行控制实验室、国家重点学科（培育）—“导航、制导与控制学科”为依托，以学科实力、实验平台和科学仪器为条件保障，以实验室教师队伍为指导团队，以学科特色与科研项目为背景，采用团队管理模式，围绕本科生科研创新基金项目、科研创新竞赛、学术交流、专利申请、毕业设计与毕业论文等内容，指导他们积极申请项目、参加竞赛、开展课题研究，培养了大学生的科研创新意识与实践创新能力，增强了大学生的团队协作精神，提高了大学生的专业知识综合运用能力。

经过多年的探索和总结，设计如图1所示的本科生科研创新实践能力培养方案的组织架构图。

图1 本科生科研创新实践能力培养方案组织架构

1．2 科研创新实践能力培养方案内涵阐释

其内涵详细描述如下：

1）飞行控制实验室为科研创新基地提供条件

我校自动化学院飞行控制实验室隶属于教育部航空工程实验教学中心，是我校最早成立的专业实验室之一。实验室研究团队长期从事舰载机着舰引导与控制、光传飞行控制系统、直升机飞行控制、无人机飞行控制、空间飞行器返回制导与控制等研究，并取得了多项国防科学技术进步奖，在国防工业出版社已出版相关著作十余部；同时，教学成果也很丰硕，曾获得江苏省教学成果一等奖、江苏省优秀课程一等奖等荣誉。实验室开发了以舰载机着舰引导为背景的空分／波分／时分复用光传系统半物理仿真验证平台，以综合火力／飞行控制系统为背景的分布式三余度光传地面物理验证平台、模型直升机飞行控制验证平台、多旋翼无人直升机飞行控制验证平台等众多实验验证平台，为大学生的科研创新基地开展实践活动提供了很好的实验场地和条件。

2）教师团队指导科研创新实践活动

飞行控制实验室的教师团队由教授、副教授、讲师等近十名教师组成。团队成员长期从事各类飞行器飞行控制领域的相关研究，研究成果丰富，研究方向和特长各有不同，形成优势互补、相辅相成。教师团队目前主持承担了多项国家自然科学基金、863科研项目、国防预研项目、航空基金、教育部博士点基金等基金项目，给大学生科研创新实践提供了很好的研究背景和平台。教师团队既具有深厚扎实的理论功底，又具有丰富的工程实践经验，并且具有先进的指导学生方式与经验。实验室定期举行学术研讨会，为学生开展的研究活动进行交流，教师团队则给予充分的指导和帮助。此外，学生在科研过程中如遇到问题，也可以实时寻求教师团队的指导和帮助。

3）学生团队按任务合理分配

根据我校飞行控制实验室的主要研究方向，将学生团队按任务性质划分为：

（1）舰载机团队：主要研究舰载机起飞过程建模与控制技术、舰载机着舰引导与控制关键技术等问题。

（2）无人机团队：主要研究无人机自主起飞与着陆技术、无人机自主着舰引导与控制技术等问题。

（3）直升机团队：主要研究直升机不同模态的自动飞行控制技术、多旋翼无人直升机的自主飞行控制技术、模型直升机目标跟踪引导与控制技术以及计算机视觉导航与导引技术等问题。

（4）高超声速飞行器团队：主要研究高超声速飞行器的数学建模与自动控制技术，分析其机动性、操纵性和稳定性等关键特性。

（5）控制理论团队：主要研究适合上述被控对象的控制理论，比如最优控制理论、预见控制理论、自适应控制理论、智能控制理论等。

上述研究内容涉及与专业相关的控制理论与应用技术、各种飞行器相关技术、计算机仿真与计算机控制技术、导航、制导与控制技术等等。

4）科研创新实践活动

大学生科研创新实践活动具体内容包括如下：

（1）科创基金：主要包括大学生创新训练计划项目（分为国家级、省级、校级和院级），校本科生创新实践工程自由探索计划项目等等，研究周期一般为一年。

（2）科创竞赛：主要包括全国大学生电子设计竞赛、大学生挑战杯课外学术科技作品竞赛、中航工业杯国际无人飞行器大赛、国际空中机器人大赛等等。

（3）课程实验：主要包括控制系统仿真及CAD控制、直升机飞行控制、专业课程设计等内容，该类课程包含上机实验、专题讨论和实验教学［7］。

（4）毕业课题：实验室每年承担30名以上大学生的毕业设计研究与实践。

（5）科研项目：教师团队长期与中航工业各研究所保持着科研合作和人才培养的密切关系，也承担了一些纵向科研基金项目，鼓励大学生参与指导教师的科研项目，既能学习掌握专业知识和先进技术，又能熟悉国家、研究所、企业对科研、技术的需求。

5）科研创新成果

大学生科研创新实践成果的主要形式有：

（1）论文：包括学术期刊论文、学术会议论文、学位论文，既能满足毕业要求，又能满足各类基金项目结题要求。

（2）专利：包括国家发明专利和实用新型专利，主要申请飞行控制领域新颖的方法、技术以及设计和研制的各类飞行控制系统。

（3）报告：包括各类科研基金项目的申请书、工作报告、技术总结报告、年度进展报告、中期检查报告、结题报告等。

（4）实物：包括小型固定翼飞行器平台及其控制系统、小型直升机模型及其控制系统、飞行控制相关实验平台、机器人系统、飞行仿真转台系统、六自由度航母运动模拟平台等相关实物。

2 创新实践能力培养成果

经过多年的努力探索与实践，我校飞行控制实验室的大学生科研创新实践活动取得了丰硕的成果：

（1）荣获大学生主持的科研创新基金有：① 大学生创新训练计划项目：国家级3项（基于GPS／视觉组合引导的四旋翼无人直升机移动目标跟踪控制技术、基于计算机视觉的移动车辆识别与跟踪技术、基于地基的双视觉舰载无人机自动着陆引导系统），省级2项（模拟直升机着舰的旋翼飞行器视觉引导与控制系统、多旋翼无人直升机在运动平台上自主着陆控制技术研究），校级重点1项，普通项目3项，②校本科生创新实践工程自由探索计划项目2项（复杂环境下多无人机协同航路规划算法研究及三维视景仿真系统设计、无人机编队智能自主航路规划算法及三维视景仿真系统设计）。

（2）大学生参加各类竞赛获得的奖励包括：参与研发的“翔飞”系列无人机荣获中航工业杯国际无人飞行器大赛固定翼飞机竞技类三等奖（2013）、二等奖（2015）、一等奖（2016），参与研发的六旋翼无人直升机荣获国际空中机器人大赛最佳创新设计奖和最佳系统集成奖（2014）、最佳导航奖（2015）、最佳创新设计奖（2016），全国大学生电子设计竞赛江苏省赛区二等奖，大学生挑战杯课外学术科技作品竞赛校三等奖等等。

（3）大学生申请了3项国家发明专利（一种基于旋翼无人机平台的目标跟踪方法、异构多无人机协同察打任务的规划方法等），发表（含参与）5篇IEEE国际重要学术会议论文（Cooperative path planning for multiple UAVs formation、Three dimensions formation flight path planning under radar threatening environment、Carrier-based aircraft ski-jump take-off control system and visual simulation、Target tracking for rotor UAV based on multi-scale compressive sensing），参加了IEEE中国制导、导航与控制会议的论文宣读和学术交流，其中1篇荣获“Best Paper Finalist”奖（Information Fusion Distributed Navigation for UAVs Formation），并被EI收录，此外在国内知名核心期刊上发表了多篇学术论文。

（4）实验室每年承担自动化专业、探测制导与控制专业的大学生毕业设计（论文）近50名，近三年获得校级优秀毕业设计论文一等奖有2篇，江苏省普通高校本专科优秀毕业设计论文二等奖有1篇，自实验室开展该项工作以来，有近300名大学生受益，飞行控制实验室也因此被评为校大学生创新创业中心实验室和学院优秀文化实验室等。

3 结语

本文介绍的多层次大学生创新能力的培养方案以专业实验室为依托，以重点学科实力为保障，以实验室教师组成指导团队为后盾，以学科优势与科研基金项目为研究背景，采用团队分组管理模式，围绕大学生科研创新基金项目、大学生科研创新竞赛、大学生学术交流与专利申请、大学生毕业设计等内容，指导大学生积极申请项目、参加竞赛、开展课题研究，旨在培养大学生的创新能力、实践能力、交流能力和团队协作精神。具体收获如下：

（1）以学科特色、科研项目为背景，组建大学生科研创新队伍，积极申请大学生科研创新基金项目，开展科研实践训练，培养了大学生的科研实践能力；

（2）以学科实力和专业实验室为后盾，组建大学生竞赛小组，积极参加大学生科研创新竞赛活动，培养大学生的科研创新实践能力和团队协作能力；

（3）以科研创新成果为背景，鼓励大学生参加学术交流与申请专利，培养大学生的学术交流能力与科研创新意识；

（4）以科研项目为背景，以专业实验室条件为保障，指导大学生毕业设计与论文研究，培养大学生的学术活动和科研工作能力。

由此可见，本文提出的大学生科研创新实践能力培养方案，给其它高校深化工程教育改革提供了一种有效的参考思路。