前沿科学技术与课堂教学相融合的创新培养方法

彭瀚旻 朱攀丞

[摘 要] 目前我国高等院校课程主要以基础理论和专业教学为主，选修课为辅，系统性地培养学生的专业知识水平。但是，由于现代科技日新月异，传统培养模式下的学生缺乏对前沿科技的直观认识，创新能力培养效果难以保障，无法满足我国对创新型人才的培养需求。因此，提出一种前沿科学技术与课堂教学相融合的创新培养方法，结合专业前沿科学技术，与课堂教学、课堂讨论以及课后自学相结合，创新大学课堂教学的培养模式，创建前沿科技引领的专业知识创新思想培养体系，为我国高端技术人才培养方法提供新的思路。

[关键词] 创新型人才培养;高等教育;前沿科学;课堂教学

[基金项目] 2016年度南京航空航天大学研究生教育教学改革研究项目“前沿科学技术与研究生教学相融合的创新培养机制研究”（2016YJXGG01）;2017年度南京航空航天大学本科教育教学改革研究项目“创新创业教育与专业教育融合的教学培养模式”

[作者简介] 彭瀚旻（1984—），男，江西南昌人，工学博士，南京航空航天大学航空学院副教授，硕士生导师，主要从事电致伸缩、压电作动器和传感器、柔性机器人的理论和应用研究;朱攀丞（1993—），男，四川内江人，工学硕士，南京航空航天大学航空学院2019级博士研究生，研究方向为高频超声和微型超声设备技术及其应用。

[中图分类号] G645   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）11-0137-04    [收稿日期] 2020-12-18

在《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》的《教育部 国家发展改革委 财政部关于深化研究生教育改革的意见》要求中，进一步明确了加强学生课程建设的重要意义和总体要求，立足學生能力培养和长远发展并加强课程建设。其中，尊重和激发学生兴趣、注重培育独立思考能力和批判性思维、全面提升创新能力和发展能力，正是目前我国大学教育水平亟待大幅提高的关键方向，以满足我国工业社会跨技术领域所面临的全面发展的人才需求。但是，当今世界科学技术迅猛发展，科研论文数以百万计，工程技术日新月异，在新时代的技术发展面前如何利用课堂教学全面培养学生的创新能力，为形成一批有效满足大众创新创业需求、具有较强专业化服务能力的众创空间等新型创业服务平台提供充足的创新性人才，仍然是高等教育亟待解决的难题[1]。传统的应试教育，学生已经习惯于知识的传授和被动地去接受知识。院校毕业生选择就业为主流，重视专业知识学习，缺乏对自身创新思维与能力的培养。学生学习理念的缺失造成学校教育工作开展的困难。前沿科学与课堂教育相结合有利于学生在学习固定课程的基础上参与创新项目，以实践带动学习，以学习指导实践。面对日益严峻的就业形势和国家对创新人才的需求，能更好地适应社会发展。

一、创新培养方法

目前，以传统专业课为主的学术型课堂教学仍然以专业知识为主，虽然可以为社会各行业提供一定的专业技术人才，但并不能满足社会所需创新人才的迫切需求。当今世界经济、科技的高速发展要求执业者能够运用更新更广的前沿技术，从而进一步提高生产力，完成技术革新，打破国外技术壁垒，而这一切都需要激发并培养具有自主创新能力的人才[2]。将创新教育融入人才培养，简单地在人才培养方案中增加创新课程，以理论知识介绍为主，列举创新实例，属于浅显的引导教育。但是理论与举例教学不能将理念带入实际，对学生创新能力的提高无益，造成了边缘教育现象。因此，在现有的教学模式中，把前沿科学技术与专业知识相融合，形成一种从专业知识到应用，再到创新的培养模式，在激发学生研究兴趣的同时培养其勤联想、勤动手、勤思考的学习模式，通过融入小组讨论前沿科技的课堂教学模式，为我国大众创新规划蓝图打下坚实的人才基础。本文将以“作动器原理及应用”等课程为例，以实例的形式分析前沿科学技术与课堂教学相融合的创新培养方法。

“作动器原理及应用”课程主要讲授微型作动器在生物医疗、太空飞船以及微加工系统等领域的应用前景、基础知识和运用技术，尤其强调科学前沿对学科领域的引导作用。课堂教学通过新型微型作动器与传统的作动器的对比，从当代工业需求出发向学生阐述技术发展内在动力，教授学生科技发展离不开需求牵引的相关认知。例如，前者（新型微型作动器）发展出具有轻质量、小体积以及高机动性等优点，这是因为特殊的工作环境需求，特别是在狭小、高低温以及有毒的环境中应用要求，才使新型微型作动器近年来在技术方面蓬勃发展，是前沿科技的引领方向之一;而后者（传统作动器）主要解决传统机械驱动与传动领域问题，具有大的推力和效率。此外，基于不同的机械特性，向学生讲授微型作动器的分类方法，包括压电作动器、电磁作动器、形状记忆合金作动器和人工肌肉等，吸引学生理解工业新技术的主要来源之一是新型智能材料的发展，通过课后布置学习文献内容，锻炼学生自主学习前沿科学文献的能力。此外，课堂教学选取压电作动器作为最具代表性的前沿技术成果为例进行重点讲授，它具有高输出力、优秀的控制性能以及稳定性的特点，并且与其他种类的作动器相比，压电作动器还具有较高的精度、更紧凑的结构、更高的功率质量比和较低的电磁噪音的特点，这些特点使得压电微型作动器具有了优异的性能和易于微型化的特点。这种前沿科技中重点领域关键知识和技术的详细讲授可以让学生举一反三，从课堂中感受并学习到科研的步骤与理论方法。除上述基础理论和设计方法外，课堂上笔者还重视应用背景的全面阐述，以电磁电机100多年的发展历史为例，吸引学生了解前沿科技的背景内涵与发展脉络，通过纵向发展和横向对比向学生揭示各类检测、探测装备以及人工智能执行机构中作动元器件需要更优异的操作性和更强环境适应能力，且已经难以满足短、小、轻、薄、低噪声、无电磁干扰等新要求。而随着组分设计、成型技术的进步，压电材料的功率密度和机电耦合效率大幅提升，促进了新型作动器——超声电机的发展，使超声电机的众多优点被发掘，它不再是传统意义上的电机，在许多领域的实际应用已经显示出其具有的定制性属性，与当代应用系统及其负载相结合进行整体设计，充分发挥超声电机的优点，对于应用系统的性能提升和整体优化，具有重要意义[3]。通过上述背景阐述，笔者摒弃了传统的教育课程的表面化以及传统专业基础课程的单方向灌输教学模式的机械化，以前沿技术背景需求为脉络，引导学生全面理解前沿科技的发展需求，发挥学生自主学习的思想活力，建立将专业教育与前沿科学相结合的课程，培养学生创新思维，最重要的是提高学生理解前沿创新需求动力来源。

在教学的后半部分，学生将学习如何报告他们的发现，包括书面报告和口头报告。他们首先要写一篇关于参观实验室的观后感的文章，有时会让他们互相打分，并根据同学的评论点评报告。自我评分有两个目的：第一，给学生一个机会，让他们知道在自己和别人的文章中应该寻找什么亮点;第二，确保每个学生准备一份报告且至少两份草稿。笔者发现最难教的概念之一是“仅仅因为功率放大器读数为100 V并不一定意味着实际输出电压是100 V”。笔者发现强调这一事实的最有效的方法之一是让学生自己操作实验，这样他们就可以看到实验设备输出的不准确性。然后通过课堂上实验小组成员的口头陈述实验结果，来反映学生在学习前沿科学技术及科研能力培养上的学习障碍。而有时口头表述遇到的阻碍却可能是如今的工科学生最常见的问题，尽管他们在学术研究方面可能非常能干，但他们往往缺乏沟通技巧把他们的成果推广给那些没有相关学术背景的人。我们通过多次口头报告和一次书面报告训练来解决这个问题，同时课堂讨论让学生们明白如何进行良好的沟通，以及团队合作中口头沟通的重要性，因此，期末专题的目标是提高他们研究和学习总结的能力。我们为项目定义一个共同的主题，学生可以讨论主题的任何方面，由于这些项目是开放式的，往往会产生令人惊讶的结果。例如，有一年的主题是压电作动器在生物医疗方面的应用，学生通过查阅相关文献知道了生物医学工程离不开对细胞的加工、传递、分离和融合，以及细胞内物质（细胞核、染色体、基因）的转移、重组、拉伸、固定等操作。对只有几个微米的细胞来说，关键动作是接近细胞时的精细微调，要求分辨率达几十纳米，要完成以上操作，需要很高定位精度和精细操作能力的驱动装置。目前这些工作主要依靠受过专门训练的技术人员手工完成，工作效率很低，成功率也很低。学生积极查找文献发现位移分辨率高、响应快的超声电机可以成功地解决这一难题，其中有的同学举例日本研制的三维微操纵系统，其用于操作白细胞。人的白细胞直径大约10 μm，该系统的定位精度可以达到0.1 μm，工作范围可达到586 μm×586 μm×52 μm，部分证明了采用压电驱动系统，可以提高效率，简化操作，实现生物工程的自动化。学生通过把相关内容整理并分享汇报给了课堂上的其他同学，虽然达不到期刊发表的质量（少数情况下除外），但是这些报告清楚地表明了学生的所学所想、科研感受以及科研能力的培养效果。毫无例外，这些报告提供了前沿科技的背景知识，并让学生对这个方向的发展进行了深入分析。所有小组都在外界帮助最小的情况下进行了充分的探究，并将获得的知识信息进行了比较。学生很欣赏这种自由而热烈的讨论，他们倾向于花额外的时间在前沿新颖的事物中，以尝试更多的新奇的科技知识学习及其应用方法。这对培养学生的创新能力有极大的助力。

二、前沿科技与课堂教育相融合

学生教育是国家创新体系中最重要的创新执行主体，是国家创新体系的原动力之一，而最前沿的科学技术则是这一动力的源泉，没有国际的学术眼光与前沿课题的讨论就没有学生的开拓创新精神。美国科学研究与学生教育一体化的高等教育体制为大学发展科研和学生教育创造了优良环境，也逐渐成为美国学生教育的突出特点，这与德国教育家洪堡在19世纪初所倡导的教学与研究相统一的思想相一致。2013年，我国清华大学的袁本涛教授指出我国学生教育科类结构与经济产业结构、科技发展之间存在着显著的协调性特征，各产业和科技的发展会显著促进各科类学生教育的发展，三者自发地产生纠偏机制对各科类学生教育和各产业的发展速度进行调控，同时因素间呈现显著的两两互动作用。因此，为满足我国经济快速发展的要求，与产业结构密切相关的先进前沿科学技术务必添加到学生教学过程当中，使学生毕业后能迅速融入先进技术开发与研究工作当中，为相关产业发展提供可靠的人才保障。

在笔者所教授的“作动器原理及应用”课堂中，笔者以智能变体飞行器的研究为切入点，借用“智能变体飞行器”的应用背景使学生依次学习了新型智能材料、新型作动器、激励器和传感器的相关知识，并指导学生如何将每一部分相关知识综合应用到微型飞行器的研究。例如，一款叫作“微星”号的微型无人机，其设计重量是100克，总电功耗是15瓦，机身自重为7克，处理/存储电子组件重量6克，照相机/镜头总重4克。上课时，多角度引导学生思考，其重量设计依据是什么？利用何种力学知识、电子与控制系统知识可以优化结构尺寸参数并改良飞行特性？理论依据是什么？课后让学生自行研读相关文献，并在课堂上积极讨论，包括微型无人机中的微机电（MEMS）技术包含哪些范畴，智能蒙皮有哪几种设计理论和方法、MEMS的控制导航系统原理如何，等等。极大地激发了学生对前沿科技的学习兴趣，并把复杂知识化整为零，循循善诱，通过课堂讲授与课后自学的方法逐步让学生掌握牢固的相关基础理论知识与方法。

国内外前沿科学技术对比的讲授方式用以激发学生的学习兴趣也是行之有效的方法之一。以仿生扑翼为例，笔者举例美国AeroVironment公司的“Nano Hummingbird”，该机翅膀采用中空的碳纤杆材料作为骨架，表面是网孔纤维，翼面材料为聚氟乙烯薄膜。它能像真蜂鸟那样拍打翅膀实现空中的盘旋运动，甚至还能表演后空翻飞行和某些高难度的特技动作。通过无线飞行遥控器，该蜂鸟飞行机器人可以按照指令进行精确飞行，并能通过机载计算机进行速度和角度修正。另外，机器人还配备了摄像机，音视频数据实时回传给操作员，可进行狭小空间的测量和监控。上述精彩且有趣的视频，在课堂上牢牢吸引了学生的目光，激发了学生的好奇心理。课后，鼓励学生利用网络查找文献资料，寻找对比国内外研究成果，有的同学举例指出北京航空航天大学是国内较早展开扑翼飞行机器人研究的高校之一，在仿蜜蜂、蝴蝶等微型飞行器的仿生力学方面取得了一定突破，在机构设计和运动学分析上也取得了一定的成果，并成功研制了飞行样机;还有的同学阐述了西北工业大学对扑翼飞行器的气动特性和流场进行了较深入的研究，并建立了国内第一个微型飞行器专用风洞;以及有的同学利用自己专业研究方向的优势，结合自己所学的专业知识，介绍了南京航空航天大学的扑翼飞行机器人研究团队深入研究了仿鸟复合震动扑翼的气动特性，并研制了了几种不同尺寸和布局形式仿鸟扑翼机器人样机，并试飞成功，其技术指标甚至已经部分达到美国“Microbat”的水平。通过精彩的视频、自发地研究热情以及课堂热烈的讨论，可以让学生感受到我国前沿科学技术在科研人员的忘我努力下呈现出的突飞猛进的态势，一举改变中华人民共和国成立后的科技落后状态，现在部分领域甚至已经达到了世界先进水平，这一点极大地激发了学生的自主學习和研究的热忱，开拓了学生的科研视野。但是，不可否认的是，在很多前沿领域，我国的科学技术与有些国家相比，依然存在一定差距，让学生直面科学困难，了解世界前沿科技的发展脉络和趋势，通过国内外对比启发学生的科研思维是课堂教学的有效手段之一。同时，笔者通过课后作业，让学生自己收集近年来作动器在工业、军事、航天或者医疗领域的应用案例，直面我国技术的不足之处，了解前沿科技的瓶颈问题，激发学生在未来学习、科研和工作中的勇于挑战、勇于担当的开拓创新精神。

三、結语

综上所述，学生的创新教育必须建立在专业课程基础之上，以专业为基础，将创新教育融入课程教学之中。因而在现有的教学模式中，把前沿科学技术与专业知识相融合，形成一种从学习专业知识到应用、再到创新的培养模式，在激发学生研究兴趣的同时培养其勤联想、勤动手、勤思考的学习模式。着重开展前沿科学技术的课堂讲授与实验教学相结合，从科普到精准，从交叉学科领域到学术专业范畴，将科研与教学相结合，构建以研究为基础的学习模式，增进师生互动和研讨，培养判断运用思维，鼓励学生参与科研创新活动，掌握创新必需的基本技能，最终把前沿科学技术应用于高等教育的学生培养当中去。

参考文献

[1]宋华，张莹，赵凤伟.应用型本科院校产学研合作人才培养的研究与实践[J].中外企业家，2019（9）：171.

[2]侯静，贺军涛.学科前沿与基础教学相融合的研究生课程教学[J].高等教育研究学报，2006（1）：67-68.

[3]赵淳生.超声电机技术与应用[J].压电与声光，2009，31（1）：148-148.

Innovative Training Method of Combining Frontier Science and Technology with Classroom Teaching

PENG Han-min， ZHU Pan-cheng

（College of Aerospace Engineering， Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Nanjing， Jiangsu 210016， China）

Abstract： At present， the courses of Chinese colleges and universities are mainly based on basic theoretical courses and professional teaching supplemented by elective courses， which can systematically cultivate students professional knowledge level. However， due to the rapid development of modern science and technology， the students under the traditional training model lack the intuitive understanding of the cutting-edge science and technology， and the training effect of innovation ability is difficult to guarantee， which can not meet the training needs for innovative talents in China. Therefore， this paper proposes an innovative training method which combines the advanced science and technology with classroom teaching and combines professional frontier science and technology， classroom teaching， classroom discussion， and after-school self-learning. It can innovate the university classroom teaching model and create an innovative training system of professional knowledge led by cutting-edge science and technology， which provides new ideas for the cultivation method of high-end technical talents in our country.

Key words： innovative talents training; higher education; frontier science; classroom teaching