大学生创新训练项目在线培养模式探索

岳雨霏 唐欣 王文 汤赐

[摘 要]针对高校开展线上授课与指导的特殊性，以大学生创新训练电气工程类项目为例，结合线上交流平台和网络教学资源，对创新人才培养模式及其实施方法进行探索和研究。首先，以关键技术问题为导向，研究双馈型创新人才培养模式，分别对反馈模式和前馈模式进行详细说明;其次，基于该培养模式建立以创新思维培养为目标的开放型综合实验平台，实现了基于线上交流的开放型平台和数据测试分析平台的构建;最后，通过建立在线“云沙龙”活动平台，提升了大学生创新能力和实践能力，为高校大学生的线上教育提供参考与借鉴。

[关键词]大学生创新训练项目;双馈型培养模式;创新能力;实践能力

[基金项目]2020年6月湖南省大学生创新创业训练计划省级项目“基于負载功率前馈补偿的单相波形发生器装置研制”;2020年7月湖南省普通高等学校教学改革研究项目“电力电子技术线上线下混合金课建设”

[作者简介]岳雨霏（1991—），女，河南兰考人，博士，长沙理工大学电气与信息工程学院讲师，主要从事模块化多电平特种电源装备研制及关键技术研究。

[中图分类号] G642[文献标识码] A[文章编号] 1674-9324（2020）47-0-04[收稿日期] 2020-09-10

创新是民族进步的灵魂，大学生是最具活力和创造力的群体，是国家和民族开拓创新的时代先锋。大学生的创新能力与民族未来的发展密切相关，如何拓展大学生的创新思维、挖掘其创新潜能，提高学生自学水平和实践能力，已成为高等学校本科生教育中亟待解决的难题[1-3]。2015年5月13日，国务院在《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》中强调“高校要调整专业课程设置，挖掘和充实各类专业课程的创新创业教育资源，在传授专业知识过程中加强创新创业教育”[4-5]。大学生创新创业训练计划项目是高等学校转变教育思想观念的重要举措，对于高校大学生创新能力和实践能力的培养具有积极作用。

随着网络技术在教育领域的不断渗透，教育方式和教学模式也在不断发生转变，高校教育顺应时代潮流，积极采用“线上+线下”相结合的混合式教学，在传统线下课堂正常运行的前提下，积极开展线上教育教学，使学生足不出户便可掌握最前沿的科学知识，显著提高了高校教师的教学效率和学生的自学能力。高等院校依托各类线上课程平台和网络交流平台，充分利用校园网数据库等教学资源，鼓励学院教师积极组织和开展线上授课及线上创新创业训练项目指导等在线教学活动。

大学生创新训练项目的开展是对高校大学生创新能力、实践能力和团队协作能力的培养，对于电气工程专业的学生来讲，具备这些能力是决定未来能否在行业内快速立足的关键因素。随着创新训练项目立项数量逐年递增，在项目实施过程中出现了一些不可避免的问题和科研“怪象”。例如，项目从申请至结题过程中，出现申请积极、结题敷衍的“头重脚轻”现象;由于项目涉及的专业知识具有一定难度和深度，学生对项目的理解和把握程度存在差异，若分工不明确，会影响团队协作意识，导致项目在实施过程中出现中断、难以进行等问题[6-8]。线上教学虽然能够方便学生，但学生线上学习效率和学习积极性有可能会低于课堂上的学习效果，学生的学习效果难以保证;同时，学生对文献的搜索能力和对调研数据的管理能力也存在一定局限性，教师进行线上文献指导时存在“瓶颈”问题[9];此外，由于电气工程类创新训练项目不仅需要仿真验证，还需要进行实验测试和数据分析，如何实现指导教师通过线上平台与学生共同完成实验测试，也对项目在线上的开展提出挑战。因此，亟待探索出一种适用于电气工程专业学生的创新训练项目的创新人才培养模式，提高学生的学习积极性和探索、解决问题的能力。

一、关键技术问题为导向，构建双馈型创新人才培养模式

双馈型创新人才培养模式是指从申请项目至项目结题过程中，具备发现问题和解决问题的创新能力、专业深入的仿真操作技能、举一反三的实践素养和严谨细致的实验态度的创新人才类型。这种人才培养模式要求学生具有独立自主的学习意识和积极上进的实践操作热情。

适用于电气工程专业的双馈型人才培养模式包括前馈模式和反馈模式，如图1所示。首先，学生通过查阅文献和实践调研，掌握项目所涉及拓扑结构的基本运行原理，利用Matlab/Simulink、PSCAD等仿真软件对所研究电路基本运行过程进行复现，根据仿真现象对存在的难题进行分析，提炼出项目中的关键技术问题;然后，学生针对具体技术问题，结合自身理论学习，提出相应的解决思路和控制方法，利用仿真软件对所研究方法进行初步验证，并根据仿真结果对所研究方法涉及的控制参数进行一次修正，此过程为前馈模式;其次，对引入所研究方法前后的实验结果进行对比，判断该方法是否有效解决了项目中存在的技术难题，此过程为反馈模式中的方法与问题闭环部分，若所研究方法未能有效解决该问题或与理想指标参数不一致，则需要对所研究方法进行改进和完善，从仿真层面获得适用于解决具体问题的控制方法。最后，基于仿真验证结果，学生通过学习编程和电路设计等知识，搭建实验平台，根据实验测试结果得到的数据对所研究方法中的控制参数进行二次修正，从实验层面获得最终的控制方法，利用实验结果验证了所研究方法的正确性和合理性。

指导教师在实施双馈型创新人才培养模式时，应以项目中存在的关键技术问题作为项目申请导向，引导学生从项目研究对象入手，例如以某电力电子变换电路作为研究对象，根据该研究对象的拓扑结构及其基本工作原理和运行特性，通过初步仿真测试，探索研究对象在仿真运行过程中出现的瓶颈问题以及遇到的关键难点问题，从问题和难点中提炼出项目拟解决的关键技术问题，并在项目申请书中重点体现。在双馈型人才培养模式中，前馈模式的主要功能是对所研究方法控制参数的一次修正，该模式本质上提高了最终控制方法的产出速率。反馈模式主要用于对所研究方法的仿真结果与所研究问题的技术指标进行对比，通过参数修正和方法改进，最终从仿真层面获得能够解决所研究问题的控制方法。

二、创新思维培养为目标，建立开放型综合实验平台

作为培养具有扎实理论基础、较强实践能力、较高技术竞争力的创新型人才的重要手段，开放型综合实验平台建设是双馈型创新人才培养模式中的必备环节，也是创新训练项目的重要研究成果。项目相关实验平台建设需要指导教师和学生共同完成，保证平台建设有条不紊地进行。

平台建设由指导教师和学生通过网络交流形式，对实验电路的软件和硬件设计进行云交流，并对实验装置在调试过程中出现的实验现象进行分析和讨论，开放型综合实验平台建设思路如图2所示。开放型综合实验平台建设以培养学生创新思维为目标，该平台主要包括开放型实验平台和数据分析与测试平台，该平台充分利用学院提供的实验设备和项目组已具备的实验配件条件，依托学院实验中心统一管理体系，实现实验资源的优化配置。

（一）开放型实验平台

指导教师和学生通过网络平台进行线上交流时，双方应分工明确。首先，学生进行自主学习，利用开发板等辅助设备，完成实验装置主电路和控制电路设计、PCB板设计、功率器件等元件选型、数字控制器程序编写以及在线调试等任务;指导教师则配合完成PCB电路板印刷、实验平台搭建及现场调试等工作。

开放型实验平台主要由控制器程序和系统硬件构成，如图2所示。在保证实验平台主电路拓扑结构固定的前提下，所编写的平台应用程序设置为开源程序，主程序采用模块化编写方式，各模块程序均对用户开放。在实验平台调试过程中，用户可根据所研究出的控制方法修改模块程序，而无须改变主程序，实现实验平台对不同控制策略正确性与合理性的验证，操作简单，提高了开放型实验平台软件系统的兼容性。在构建平台硬件方面，硬件多样化主要针对控制器系统进行开放性设置。学生在设计控制电路时，应配置至少两个数字控制器芯片的安装位置，满足用户选取多核控制器的需求，同时应为数字控制器芯片配置一定裕量的管脚数及外围芯片，便于系统模拟信号采集和程序处理，提高了開放型实验平台硬件系统的兼容性。

（二）数据分析与测试平台

数据分析与测试平台作为开放型实验平台的辅助平台设施，其主要功能包括：①信号采样。对实验平台主电路电压、电流等电气量和PWM方波、调制波、载波等控制变量进行实时采样;②数据处理。对不同运行工况下获得的多组实验数据进行分析和处理，实现对所研究方法的参数修正和获取实验结论，如图2所示。其中，测试平台包括万用表、多通道示波器、FLUKE表、电压钳、电流钳、红外测温仪等测量仪器，用于实时采集主电路电气信号以及控制电路模拟信号。指导教师通过网络平台将实验测试波形与学生进行实时在线共享，学生根据实验现象，结合理论分析，判断实验波形的正确性，以此作为电路设计与方法研究合理性和可行性的评估标准。数据分析平台的主要功能是在电路设计和方法研究正确合理的前提下，对测试平台获取的信号进行数据分析和对比研究，在分析过程中，对数据的处理可采用横、纵向对比方式。纵向对比是对不同运行工况下的实验数据进行处理，横向对比则是对同一运行工况下，不同控制器参数的实验数据进行处理。通过对实验数据进行合理分析，探究不同工况和不同控制器参数对系统稳定性和可靠性的影响机制，对所研究方法进行参数修正，最终获得正确的实验数据和实验结论。

三、促进基于“云沙龙”交流理念的创新能力与实践能力深度融合

“云沙龙”是指项目组指导教师与学生充分利用腾讯会议、微信群聊组、QQ讨论组等在线交流云平台，定期进行在线讨论交流和网络资源共享，通过在线头脑风暴的形式实现师生之间思维的碰撞，促进创新思维和创新能力的提升。“云沙龙”平台的开展主要以创新成果“云沙龙”和实践拓展“云沙龙”形式进行。通过云沙龙会议形式为学生提供创新思想和研究成果交流平台，使学生能够互相学习、激发灵感。同时，要充分利用创新创业教育，以项目驱动方式推动校内创新训练项目和校外实践活动的有机结合。指导教师将主持或参与的科研课题、横向项目，与创新训练项目相结合，提取研究课题中的共性问题，启发学生的思考方向和研究理念，同时可将项目中的部分问题作为学生毕业设计研究课题，实现创新训练项目成果共享。学生通过实践拓展“云沙龙”平台获得的实践能力和创新能力进一步推动项目组成员提高研究成果的创新能力和共享水平，从而有效促进学生创新能力与实践能力的深度融合。

（一）创新成果“云沙龙”

由于学生的文献阅读量和知识积累具有局限性，而任何创新思维的开拓需要建立在对国内外研究现状和发展趋势具有一定了解程度的基础之上，因此，指导教师应将查阅文献和实践调研作为项目开展的首要任务。指导教师应指导学生开展大量的文献阅读工作并进行相关文献综述，充分利用在线交流云平台，定期考查学生文献阅读情况，以及对现有研究的理解能力。师生之间以科研沙龙的形式讨论现有研究成果中所涉及的控制方法和解决问题的思路，能够激发学生的创新思维，提高学生的创新能力。此外，指导教师应建立网络资源云共享平台，学生可利用云共享分享文献调研报告、仿真模型、公式推导、电路设计原理图等资源。

创新成果“云沙龙”活动在实施过程中要时刻以学生为中心，突出学生在科研中的主导地位，指导教师通过与学生在线互动，实时有效跟踪和把握学生的科研进度，对学生每个阶段的创新理念提出修正意见。同时，指导教师应根据自身科研经验，构建创新训练项目成果“云库”，“云库”的建设充分吸收每次创新成果“云沙龙”的研究思路和经验，以与项目相关的电气工程专业知识块为基础，提取项目研究过程中的关键技术难题，以成果交流驱动方式逐渐形成“思维碰撞-成果交流-合理性验证-综合讨论-创新方法”的“云库”构建模式。

（二）实践拓展“云沙龙”

根据电气工程专业特点，在实践拓展过程中，开展以培养大学生创新实践能力和开拓工程应用视野为核心的实践拓展“云沙龙”活动，通过师生所参与的专业实践活动激发学生的创新理念和创新潜能，培养学生对专业知识的兴趣。实践拓展“云沙龙”活动主要包括：①创建创新训练项目专题知识“云讲座”。指导教师邀请电气工程领域专家、科研院所研究员，针对本项目相关研究领域、应用技术、行业发展前景等方面，借助网络平台开展专题知识“云讲座”活动，引导学生善于利用创新训练项目中的新方法和新思路解决实际工程应用中的问题，在讲座过程中，学生可直接与专家进行线上技术交流和探讨，以获取最新的专业前沿理论。②开辟创新训练“云课堂”。依托学院现有国家级、省级实践教学平台资源，为学生在线展示实验过程，使学生能够准确、直观地观测到实验现象，掌握如何在实验中解决问题的方法;同时能够使学生触类旁通，从“云课堂”的实验操作过程中提炼出创新实验思路，将共性创新思路合理运用到创新训练项目的综合实验平台上，有效培养学生对实践技能归纳、总结、提高的能力。

（三）实验课程“云沙龙”

结合电气类专业需求，高校在鼓励学生积极开展研究成果线上分享和专题讲座线上参与的同时，还应开设适用于本科教学的专业类实验课程“云沙龙”活动。实验课程“云沙龙”的教学主体为院系教师和本科生，教师在开展课堂教学的同时，可将实验教学搬到“云”平台上，每周选择一个合适的时间，在线上与学生交流，为学生展示本周理论教学内容所对应的实验操作过程，让学生可以在线观看详细的操作过程，如果在教师操作时，学生希望重复某个步骤或者某个现象，可通过在线举手或提问的形式提出自己的听课需求，教师可及时对学生的实验听课要求做出反馈，提高了实验课程教学的效率和质量，为大学生创新训练项目的日常培训活动夯实基础。实验课程“云沙龙”活动主要包括：①创建实验室操作规范知识“云讲座”。指导教师将创新训练项目中涉及实验操作规范的部分融入平时实验教学活动中，利用在线交流平台和网站，为学生开设实验室操作规范“云讲座”专题活动，指导教师以实验室作为在线背景，在不上电的情况下，为学生讲解每一个装置、开关、器件的使用原理和操作过程;同时，教师应制作操作规范案例实物板或辅助在线演示PPT，在为学生演示实验操作流程的时候，让学生从语言表述和视觉上加深对实验室操作规范的理解。最后，在指导教师演示完成实验操作过程后，预留一定的时间给学生，通过学生提问、思考以及教师解答的形式，对操作规范及实验室管理制度进行复习，加深学生对操作规范的印象。②开辟实验平台互动教学“云课堂”。“云课堂”建设的主要目的是使学生完全掌握具体实验的操作过程，包括如何上电和开机、如何修改实验参数、如何调试实验波形、如何观测、分析和处理实验结果等。“云课堂”的主要实现方式是指导教师和学生互动交流，指导教师首先演示某个具体实验的操作过程，由于学生在听取实验操作规范后并不能完全了解实际的实验过程，因此只讲授了操作规范，对于学生直接上手实验还存在一定困难，难以保证学生的实验风险。采用“云课堂”的实验教学方式，可提高实验的安全性和可操作性，学生在实际操作之前，先通过“云课堂”熟悉和掌握具体实驗的操作流程，课下进行记录和学习，提前为实际的实验课程做准备，如此，指导教师在进行实际的实验课程教学时可保障学生的实验操作安全性，降低了指导教师的培训负担。

四、结束语

通过大学生参加电气工程类创新训练项目提升能力为主线，以关键技术问题为导向，构建双馈型创新人才培养模式。建立以创新思维培养为目标的开放型综合实验平台，积极开展创新成果“云沙龙”和实践拓展“云沙龙”活动，促进学生创新能力和实践能力的深度融合，使学生从创新训练项目中获得基础理论知识、创新能力、实践能力等方面的显著提升，满足本专业对学生专业技能的培养要求，提高了院校对本科生科研培养的教学质量。

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[9]唐菁荟，邓三鸿.大学生创新训练中的数据管理探索[J].实验科学与技术，2019，17（6）：120-125.

Abstract： In view of the particularity of the online education and guidance in universities， taking the innovation training project for college students in electrical engineering， combined with online communication platform and education resources， the innovative talents training model and its implementation methods are explored and researched. Firstly， guided by the key technical problem， the dual-feed type innovative talent training model is researched， and the feedback model and feed-forward model are described in detail. Then， based on the training model， the comprehensive experimental platform is established with the goal of training innovative thinking， realizing the construction of the open platform and the data testing and analysis platform based on online communication. Finally， the establishment of the online "cloud salon" activity platform could improve the innovative ability and practical ability of students， providing the reference for the online education of college students.

Key words： innovation training project for college students; dual-feed type training model; innovation ability; practical ability