科研反哺教学的理念贯穿和实施方法

秦海鸿 陈杰 王世山 王宇 陈文明

摘要：为了加强电气工程及其自动化专业本科教学工作的工程实践，培养学生自主创新能力，加速推进科研反哺教学，创建了主题创新区，将科研成果固化形成教学资源，显著提高了本科生的知识面和解决实际问题的能力。

关键词：科研反哺教学;主题创新区;自主创新;本科教学

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）10-0233-03

目前世界处于第三次工业革命/第六次科技革命的拂晓。美国提出“再工业化”、“制造业复兴”、“先进制造业伙伴计划”等振兴计划;德国提出“工业4.0计划”;日本提出“再兴战略”;法国提出“新工业法国”概念。我国也提出“2025计划”。这些振兴计划的实现迫切需要高等工程教育培养大批具有创新能力的高层次、应用型、多样化专门人才。

我国高等工程教育规模位居世界第一，是高等工程教育大国。开设工科专业的学校数占我国高校总数的90%，工科专业数占总专业数的1/3，工科学生人数占本科以上在校生的32%。然而教育部相关调查结果表明我国工程教育仍存在如下问题：（1）工程教育与工业界脱节，工程设计与实践教育教学不足;（2）工科专业课程体系相对陈旧，与我国产业结构调整不相适应;（3）工科教师队伍工程经历不足，影响工程教育质量。

科研反哺教学的思路和研究近20年来一直有较多的关注，对理论和实践教学内容产生了较为深入的影响。在理论教学层面，一些科研成果及时更新、反映在课程教学中;在实践教学层面，在常规的课程认知实验的基础上，提出探究性实验和开放实验室，形成有利于创新能力培养的理念。

一、思路

目前，很多高等院校虽然开设了实践性课程以及相关课程实验，但主导实验实践的实验教师一般以硕士及以下学历为主，没有受过系统的研究性工作训练。在安排实验实践工作时，习惯于安排学生做验证性实验，未能有效安排设计型实验和综合型实验，让学生主动去思考、设计，做实验并完成实验分析，未能有效训练学生针对遇到的实验问题去探讨原因，寻找解决办法。尽管各院校都在呼吁广大教师要充分发挥科研对教学的支撑，反哺教学，但在具体实施上除了少部分教师把其科研成果在所讲解的课程中进行了适当增补，或提出相关探究性实验和设立开放实验室外，全校的科研資源没有能够让本科生受益。针对目前存在的问题，采取以下的基本思路。

1.构建“系列研讨课”与“多层次实践教学体系”相融合的科研反哺教学总体思路。根据各年级学生的特点和知识结构，设立系列化研讨课。大一研讨课以认知研讨为主;大二研讨课以简单装置为对象设立认知及制作研讨课，让学生对学科研究建立起感性认识，部分学有余力的同学可进一步输送到电子竞赛等省级、国家级竞赛;大三、大四以专业研讨课、专题研讨课为主，深入研讨专业问题，启发学生创新思维。

与课程配套进行的“多层次实验实践教学新体系”中，在第一层次基本型实验中就引入专业教师的参与，根据学生在实验中发现的问题启发学生思维，思考实验与理论上的差距，从而在基本型实验阶段就养成积极开动脑筋的习惯;在第二层次提高性实验阶段，专业教师参与到课程设计与实习、综合设计中去，与实验教师相配合，进一步训练学生的思维习惯和动手能力。在第三层次研究创新型能力培养阶段，学生可进入相关的开放实验室、创新实验室、学生科研实践基地，研究自己拟定的课题和学生创新基金项目，或参加教师的科研。

2.以本科生导师所在的科研课题组（4—8人）为试点。探索自然班学术指导全覆盖的思路及其具体实施方案。以由多位本科生导师组成的科研课题组（4—8人）为试点，从大一开始，团队教师分工合作，全覆盖某自然班的学术指导。依托高水平科研项目，分解科研项目中的知识基础、技术类别与复杂工程问题，建立创新科学研究与本科课程教学内容的有机关联，开设专业认知研讨课、暑期专业基础技能训练课、专业研讨课，探索科研实训、本科实践教学融入课题组科研等方式对学生能力培养、班级学风建设等方面的影响，在此基础上，总结形成包括学习团队组建、学术指导实施、科教相处等方面的科研反哺教学机制经验。

3.探索科研反哺教学的学分认定和保障机制，丰富本科生导师制度内涵。本项目提出的科研反哺教学并无学校统一规定的教学计划，具有因教师、因团队而异的个性化特征。如何认定这些指导活动的学生学分和教师工作量，也是需要考虑的问题。这些教学活动的记录、核实由什么单位来具体负责、协调，效果通过什么渠道来评价和反馈，都有待于进一步实践探索。专业教师通过科研反哺教学的具体教学活动，进一步丰富大学本科生导师工作内涵，使得高水平教师和其高水平科研工作能够真正促进本科人才培养。

二、创新中心概况

新能源主题创新区是南京航空航天大学自动化学院电气工程系为进一步促进科研反哺教学，加强大学生的创新教育的培养，依托自身的学科优势与条件，整合现有的师资和实验室资源，构建的以“新能源发电”为主的大学生科技创新综合实践平台。作为电气实践类人才培养科技创新体系的重要组成部分，创新基地建设旨在深化科研反哺教学改革，促进大学生科研创新能力，以“新能源发电”为载体，重点着眼于促进一些科研成果及时更新、反映在课程教学中，在常规课程认知实验的基础上，通过探究性实验激发本科生的创新思维，拓宽学生思维方式，培养学生运用所学知识发现问题、分析问题和解决问题的能力。以此为基础提升教师科研反哺教学、学生科研创新的能力，建立起培养“高水平科研支撑拔尖人才培养”的平台。

通过平台建设，已经吸引了一批学术水平高、具有工程实践经验的高水平教师参与基地建设和学生指导，目前教师团队分为专职教师、“航空电能变换与能量管理研究团队”协助教师和外聘企业导师，其中专职教师5名，协助指导教师6名，外聘企业导师5名，形成了一支层次分明、相互配合、科研能力强的校企联合指导团队。通过探索与研究形成了以主题研讨课、专业研讨课、学科研讨课和认知研讨课为主的理论研讨课程与导师科研项目、创新创业竞赛和科创项目为主的实践项目结合，提供多层次、宽范围的理论和实践教学，组织本科生申报创新实验计划、互联网+创新创业大赛等实训项目，研究生和本科生参与实际科研项目，参加学科创新竞赛，发表高水平学术论文，取得了较为优异的成绩和一批代表性成果。图1是主题创新区形成的“系列研讨课”与“多层次实践教学体系”相融合的科研反哺教学体系总体思路。

三、科研成果转化为教学资源

创新基地教师承担了大量科学研究和技术研发任务，包括国家自然科学基金、省部级科学基金和企业委托开发项目在内的科研项目涉及了变换器建模与控制、高频与高温变换器、高功率密度电能变换、变换器可靠性提升与寿命预测和变换器电磁兼容性等，覆盖面广、理论与实践结合，产生的科研成果为丰富教学内容提供了大量素材。经过不懈努力，一批科研成果经过转化、固化，形成了实践教学内容。下面以“三管Buck-Boost变换器原理设计与调试”实训培训课程为例阐述思路和成果。

开关变换器是现代电能变换技术的核心组成部分，也是各类开关电源、变频器、UPS、光伏发电、风能发电、LED照明等系统的基本组成单元，广泛应用于电力、通信、家电、铁路交通、汽车电子、工业控制、仪器仪表、航空、航天、航海等领域。“三管Buck-Boost的原理设计与调试”实训培训教程是从创新区与企业合作的项目中反哺而成的。对于电气工程及其自动化专业的本科生而言，在经过一些认知与研讨课程学习后，十分必要经历基础工程实践的训练。然后目前的本科实验大多数是验证型实验，对学生实践能力训练不够。

本培训课程分为开关变换器的一般设计与调试流程、三管Buck-Boost变换器的基本原理与应用、三管Buck-Boost变换器功能电路与组成元件、三管Buck-Boost变换器的设计、制作与调试、三管Buck-Boost变换器复杂工程问题分析与讨论和三管Buck-Boost变换器的创新研究思路拓展共计6个章节。针对大二优秀生、大三及大四学生，通过前四个章节的学习配合实际项目训练，让学生掌握一个典型变换器设计的一般流程，如何分析变换器工作原理，根据技术要求设计电路参数，绘制PCB和进行调试与测试。通过第五章节的学习，让学生结合实际调试过程中遇到的问题对开关变换器实际设计过程中的关键问题进行分析与讨论，提高学生分析问题和解决问题的能力。最后通过最后一节的学习，在现有的三管Buck-Boost变换器的基础上提出创新研究思路，拓展学生的思路，加深创新意识。

学生通过教程学习和项目训练，可以对变换器的功能电路和组成元件、闭环设计、PCB设计和整机调试有直观认识，从而为进一步针对各专题内容进行深入研究打下重要的技术，起到承上启下的作用。

四、对专业课程教学的促进作用

创新基地教师始终站在本学科领域的前沿，更善于向学生讲授本学科发展的最新方向，根据教师在科研过程中的心得体会，指导学生如何发现问题、分析问题、解决问题，有意识地培养学生的创新能力和思维能力。

1.专业教学课程改革。在科研反哺教学的过程中，除了通过科研项目反哺实训培训课程之外，主题创新区教师还积极地将科研过程中的最新内容融入已有的专业课程之中，将已有的专业课程进行改革，使得课程内容在专业、严谨的基础上与业界现阶段的研究方向、研究成果贴近。

表1是创新区承担的校、院专业课程科研反哺教学的教学改革项目，目前这些教学改革项目已经形成从大一到研一、涵盖我校电气专业电力电子和电机两大方向、由浅入深、层层递进、理论与实践相结合的专业课程体系。导论与研讨课让新生了解所学内容和业界最新动态，激发其对于电气方面的学习兴趣，围绕电力电子与电机两大方向，通过大二、大三的学习，完成理论部分学习，并逐步向设计与制造转移，最后通过综合设计和下厂实习完成对所学知识的系统认识和运用。

2.创新区特色化、系列化教材。为了配合专业课程教学改革，创新区教师积极对现有的专业教材进行修订，并且还结合我校的航空航天特色形成了创新区特色化、系列化教材。表2为创新区目前形成的特色化、系列化教材，包含器件、电路和系统3个部分，由认识功率器件开始，到对单一变换器的设计，最后上升到整个电力电子变换系统，由小到大、由浅入深、层层递进，帮助学生全方位、深层次地了解、学习专业知识。

3.教学实践效果。学生在专业课程的学习中，态度认真，主动积極，遇到问题能够积极思考。学生通过结合理论知识与实践，加强理论学习与显示问题的联系，提高学习兴趣，培养动手能力与创新能力。

通过专业课程的教学，尤其是突出实践和实验教学的方式，极大地培养了学生在电气专业研究方向上的兴趣和实践创新能力。

五、总结

新能源主题创新区在科研反哺教学，将科研成果转化为教学资源方面做出了积极、有益的尝试，为学生自主学习、在科研中学习提供了思想观念上的引导、制度化的保障和教学条件上的有力支持，学生得以近距离接触本专业前沿科学研究和技术研发，知识面和运用所学解决实际问题、进行创新的能力得到显著提高。

参考文献：

[1]胡海兵，肖岚，杨善水.“航空航天器供电系统”精品课程建设[J].南京：电气电子教学学报，2009，31（4）：31-33.

[2]杨善水，王莉，张卓然.“航空航天供电系统”的课程改革研究[J].南京：电气电子教学学报，2012，34（1）：19-20.

[3]魏佳丹，秦海鸿，刘闯.航空电源系统研究型教学实验平台的建设[J].南京：电气电子教学学报，2015，37（4）：89-92.

[4]陈杰，秦海鸿，龚春英，刘闯.“新能源发电技术”课程建设与教学改革[J].南京：电气电子教学学报，2015，37（2）：28-31.

Ideas Through and Implementation Methods of Scientific Research Back Feeding

QIN Hai-hong，CHEN Jie，WANG Shi-shan，WANG Yu，CHEN Wen-ming

（College of Automation Engineering of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics，Nanjing，Jiangsu 211100，China）

Abstract：In order to strengthen the engineering practice of the undergraduate teaching of the electrical engineering and automation specialty，cultivate the students' independent innovation ability and accelerate the teaching of scientific research back feeding，a theme innovation zone has been created.This move translates scientific research into teaching resources，and greatly improve the knowledge of the undergraduates and the ability to solve the practical problems.

Key words：scientific research back feeding;theme innovation zone;independent innovation;undergraduate teaching