以科创竞赛为载体的大学生创新能力培养探索与实践

朱权洁,刘晓云,梁 娟,欧阳振华,王 奕,赵启峰,盖德成

(1. 华北科技学院 应急技术与管理学院,北京 东燕郊 065201;2. 武汉科技大学 校团委,武汉 430081;3. 防灾科技学院 文化与传播学院,北京 东燕郊 065201;4. 华北科技学院 矿山安全学院,北京 东燕郊 065201;5. 华北科技学院 马克思主义学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

创新是推动经济社会发展的核心驱动力,创新驱动根本上取决于人才驱动。党的十八届三中全会明确提出“创新高校人才培养机制”,教育系统以实施“基础学科拔尖学生培养试验计划”等为抓手,积极探索创新人才培养的新机制、新办法,取得重要进展。针对创新型人才培养这一教育改革核心问题,高校作为人才培养的基地,既要为创新型人才搭建平台,又要为创新型人才提供理论指导。近年来,国内关于创新人才培养越来越受高校重视,逐步改善了以往“只注重理论知识,忽略学生创新能力培养”现状,纷纷开展各类科创活动,如互联网+、挑战杯等赛事。这些赛事活动的开展,在学生创新意识、创新能力等方面培养上起到了重要作用。

采矿工程专业是一门综合性很强的工程学科,对学生的要求不仅仅是专业本身基础知识,更是要求学生具备设计、监察、管理等综合能力。随着人工智能、虚拟现实、互联网、大数据等高新技术的快速发展,为矿山数字化构建带来发展机遇。采矿工程专业系地矿类专业,旨在培养能很好地适应采矿工作、有较宽知识面、对新技术和新知识适应能力较强的综合素质人才[1],在智能化矿山建设如火如荼的大背景之下,数字化矿山、智能化矿山在采矿专业教学中的提前引入势在必行,复合型创新人才培养迫在眉睫。但在高校创新型人才培养中存在重视阶段性培养、缺乏全过程培养理念等问题,概括而言,主要体现在以下四个关键问题上[2-3]:(1)工科专业人才培养普遍的“理论与实践脱节”“课堂学习内容单一化”等问题。(2)高校大学生创新创业氛围不浓、兴趣不高、热情难以持久等问题。(3)教师团队参与积极性不够、学校持续投入不足问题。(4)创新活动开展与实践教育教学资源无法满足学生需求,以及实践教育教学管理过程粗放、科学性缺乏、实效性不足等问题。因此,如何有效提升工科学生创意思维、创新精神、创业意识和创新创业能力,培养出多学科交叉融合的复合型创新型人才、有综合性知识和实践性技能的创新创业人才,将成为高校“双一流”建设的重中之重。

采矿工程专业需对焦矿业领域转型调整跨越式发展需求,帮助未来的采矿工程师们建构起符合新时代要求的思维方式和知识结构。相对于传统矿业领域无序扩张发展模式,未来矿业领域需要的是“采掘智能型、环境友好型、灾害救援科学型”的高素质复合型采矿新工科技术人才。因此,培养出多学科交叉融合的复合型创新型人才、有综合性知识和实践性技能的创新创业人才,将成为高校“双一流”建设的重中之重。基于上述背景,团队以大学生创新创业比赛为载体,依托学生创新社团,科学设计创新、创业人才培养思路,开展创新创业意识、知识、技能和精神的系统教育,开发和培养学生的创新、创造、创业潜能,为社会培养更多具有现代意识和时代精神的创新型人才。

1 新形势下创新人才培养定位与思考

1.1 采矿专业大学生科创方向

华北科技学院安全工程学院采矿专业是教育部特色专业、卓越工程师教育培养计划建设点,已通过国际工程教育专业认证,在国家煤炭工业、安全监察领域有广泛影响。采矿工程专业植根于煤炭行业,历经三十多年的发展,在矿山开采、围岩稳定性控制、矿山灾害监测监控与应急救援等领域拥有较为丰厚的积累,取得了行业瞩目的科研与教学成果。随着新时期采矿行业的转变、学校职能演变,采矿专业的服务特征也发生着变化,“因煤而生,因安而兴,因应急而变革”。现阶段学校对采矿工程专业的定位为聚焦智能矿山建设、对焦应急管理事业,充分考虑矿山领域智能化水平提升、矿山灾害防控与应急,为应急管理部和矿山行业转型升级提供人才支撑。基于此,团队将采矿工程专业创新人才培养实践的主要方向(科学研究内容)拟定为[4-5]:①矿山灾害大数据分析处理与预警研究;②矿井VR可视化模型快速自动构建;③基于WEB平台的矿井漫游与信息集成;④矿井灾害大数据分析与智能预警;⑤实现矿井灾害仿真与应急救援辅助。

1.2 创新人才定位

在确定采矿专业本科生所面临的采矿学科科学问题,以及完善的配套人才培养方案、实验室建设、实践基地建设之后,从教学手段、实践环节、团队培养、能力提升等角度,对采矿创新人才培养的过程进行总结。为了有针对性地开展采矿专业学生创新能力培养,课题组首先对当前采矿行业大背景进行了调研。基于上述理解,课题组考虑将采矿专业创新人才培养的目标定义为[6-7]:①提升学生的问题认识、发现和解决能力。②加强项目管理能力,让学生在整个项目过程(包括规划、申报、实施、完成和总结)中学习。③培养学生终身学习的能力,提高他们灵活运用各学科知识和创新能力的素质。④提高学生有效沟通和表达能力。⑤培养学生团队合作能力。

结合矿业领域背景,通过调研不同企业对采矿专业人才的需求,提炼出创新人才培养目标,以创新型人才产出为导向,培养集专业技能、个人能力、职业能力、人际交往等能力于一体的综合性人才,其培养模式如图1所示。总体而言,智能时代的工程教育应以“完整人才标准”为目标,其培养模式应遵循Gordon Brown所提出的观念。

图1 新时期工科类专业创新人才培养模式

1.3 总体思路与实践路径

近年来,采矿工程专业主动适应矿业转型调整跨越式发展新需求,积极探索采矿工程专业升级改造新路径。因此,在确立采矿专业创新人才培养核心研究内容的同时,还需从培养方案、试验中心建设、考核考评、实践基地建设等方向完善和发展。总体而言,从以下几个方面进行改进:①升级完善依托实验中心的人才培养方案;②建设矿山灾害虚拟仿真与应急响应校内实验中心;③建立体系化的学生实验项目及管理模块;④制定完备的实践教学考核评价体系;⑤构建新时期创新人才培养实践基地。基于此思路,在实践条件、创新活动、团队建设等方面开展了相关工作。

2 改善创新实践条件和内容

实践育人方面主要在实践教学条件、社会实践平台搭建、大学生创新创业实践等方面进行了尝试,取得了一定成效,培养了学生发现、解决问题的能力,提升了学生的综合素质和关键能力。

(1) 积极改善实践教学条件,丰富校内实践环节。

团队依托学校“双一流”建设契机,积极申请引进先进实验设备和模拟平台,如“现代化矿井主要系统模拟实验台”“瓦斯爆炸演示可采用智能瓦斯爆炸演示装置”等装置和系统。通过增加上述虚拟仿真实验教学环节,为学生提供了充足的实践场所,形成了“课堂教学-实验室实验教学-虚拟现实实验教学-实习实训”教学体系。同时,还充分发挥校外实践基地和校内“两化”“微型矿井”等实践教学资源,供学生开展实践课程和活动。通过这些改进,一方面使学生有了更加直观、形象的感受,对加深课程理论知识具有良好作用;其次,利用开放实验室的实地参与和动手操作,提高了教师和学生的学术水平,尤其对学生的实践能力提高较大。

(2) 积极拓展校外校企合作,搭建社会实践平台。

在课堂教学的基础之上,积极推动学校与企业联合培养人才,培养学生工程实践应用能力,搭建社会实践平台,培养学生创新创业能力[8]。联系了山东、内蒙古等省份多处矿山企业,让学生在实践中验证和巩固书本所学知识,熟悉矿井开拓开采系统和生产系统;通过实地参加采煤工作面劳动,熟悉各工种的进行方式和配合方式;运用所学知识,通过调查研究,提高自己分析和解决实际问题的能力。认真贯彻“以实践育人为载体,全面深化教育改革”理念,通过社会实践,将现场丰富的生活素材、专业素材引入课堂,用开放方式和发展思维引导学生参与教学活动,将知识学习融入生活之中,提高了学生综合实力,适应行业就业需求。

在持续加大实习经费投入的前提下,创造条件前往现代化采掘智能型一流煤炭企业实习实训,以提高学生的专业自信和行业自信。截至目前,采矿学生实习已前往现代化采掘智能型矿井包括:潞安集团高河煤矿、陕煤集团红柳林煤矿、安太堡露天矿、神华包头集团李家壕煤矿等。

(3) 紧贴矿业领域热点问题和实际需求,开展矿山智能化建设科创实践。

考虑到煤炭行业转型调整跨越式发展,结合学生当前就业形势,以实践教育为抓手,以丰富教育内容、增强教学效果为目的,向学生及时传递本专业的新技术、新工艺、新设备等专业前沿知识和信息。围绕新时期需求、在矿山智能化建设大背景之下,积极指导学生参加“全国高等学校采矿工程专业学生实践作品大赛”(连续参加第六到第十一届赛事),参赛作品及参赛学生数量保持稳中上升势头。通过“科研育人、团队育人”的育人模式,结合创新小组培育、大创赛事实践等环节,为学生创造了良好的实践环境。

(4) 响应学校转型升级要求,开展矿山应急创新创业实践。

学校生于煤、兴于安,目前正顺应应急管理体系和能力现代化建设需要,不断深化改革创新、转型发展,正在打造应急管理人才培养、科技创新、教育培训。近年来,共吸引采矿、地质、安全工程、防灾减灾等专业百余名学生参与科创活动。创新活动内容涉及矿山安全、数字矿山、灾害监测预警等领域,同时将人工智能、大数据技术等引入到项目之中,实现了多学科交叉、前沿领域融合等创新体验。校企合作、工程实践、创新创业等多种方式为学生提供了更多的学习和实践机会,使学生对专业知识有了更加深刻的理解,提高了学生的创新精神和实践能力,并且培养了学生的爱国情怀和服务社会责任感,使学生在职业规划、服务国家和人民等方面得到了全面发展。这有助于降低学生的重复率,并有利于他们获得更好的学习体验。

3 科创活动持续开展与实践

3.1 持续活动开展与良好氛围营造

为了构建一个完整的大学生科创团队,我们以“采矿年会-挑战杯-互联网+”等赛事为导向,探索构建“指导教师—硕士研究生—本科生(高年级)-本科生(低年级)”多级梯队式创新建设模式,形成基于创新基地建设与实践育人相结合的“基地育人、科研育人、团队育人”立体育人模式。目前,参与指导的教师团队成员包括教授4人、副教授4人、讲师3人。

自2017年以来,课题组通过学院内宣传、课堂引导等方式,积极引导学生参与创新人才培养计划。其中,通过大学生科创课题、大学生科创竞赛等指导的学生涵盖采矿工程、地质工程、安全工程、防灾减灾科学与工程等专业学生,合计约有100余人。学校在政策方面给予支持,在学校创新创业中心提供了办公环境,小组成员可根据需要在科创中心举行会议、研发制作等。实践小组将自己的团队命名为“华智科创”,以华科智(慧)创(造)为目标。

此外,团队为了营造更为浓厚的科创实践氛围,号召同学们积极参与大学生科创课题申报,并赴比赛现场观摩;通过参赛同学向其他同学讲述所见所闻,增强大家的荣誉感和兴趣。

3.2 开展学生创新活动、构建长效机制

为了保证学生科创活动的长期持续开展,需要将学生科创与行业需求、学校需求等吻合,保证学生培养质量的同时,与行业人才需求也保持一致。

首先,把脉行业脉搏,贴近时代需求。采矿行业面临着重大转变,采矿学生培养不能停留在传统模式,更应结合“双一流”建设中对创新型、应用型高端人才的跨学科培养提出了更高要求。尤其在当前智能化矿山大力推行之际,采矿专业人才培养不能只局限于本专业内部培养,应充分考虑适应于多学科交叉融合的复合型、创新型人才培养。这一难题解决的关键是,如何在满足采矿基础理论教学的同时,引导学生涉猎当前热门的大数据、人工智能等知识,利用多学科知识开展相关教学活动,培养出掌握有综合性知识和实践性技能的创新创业人才。

其次,“智慧矿山”是当前矿业院校改革的热点和未来的趋势,这也为采矿专业学生提前了解和掌握相关信息化知识提出了要求。随着采矿业信息化、机械化、智能化的不断发展,虚拟现实技术与仿真技术将在矿业领域扮演越来越重要的角色,如:地质构造的三维可视化研究、爆破工艺优化设计、矿山运输调度系统的实时优化、综采工作面虚拟现实研究、事故反演与预测、应急救援等。

此外,科创平台与团队的建设不仅满足了学校关于大学生创新能力培养的需求,为学生创造了更多的科技创新思路和方法。同时,所开展的创新研究内容符合校内基金项目申报重点方向,如“重特大事故防治基础理论研究”方向内的“矿山人-机-环信息感知增强现实理论研究、典型重大生产安全事故人员安全保护与区域一体化应急理论研究”等研究内容;同时,满足“应急救援领域”方向的“研发智能化应急预案及应急救援辅助决策技术、煤矿重特大事故灾情反演分析、研究基于虚拟现实的矿山应急救援演练技术”等内容。

未来,团队将继续贯彻执行“科教联动、产学研一体化”的思路,基于“基础理论+应用知识+实操技能”的全方位培养模式,积极引导学生参与科研项目及大创活动。

4 现阶段所取得的初步成效

4.1 创新能力培养成果

通过对学生的追踪分析,学生在读写说等能力上提升明显,综合能力和创新能力也有明显改善。近年来团队成员指导学生成功申报国家级大创课题7项、校级课题20余项(见表2),创新活动内容涉及矿山安全、数字矿山、灾害监测预警等领域,共吸引采矿、地质、安全、防灾减灾等专业百余名学生参与。学生参加的赛事包括“挑战杯”“采矿年会”“互联网+”“三创赛”“全国三维数字化创新设计大赛”等,获得奖励六十余项(特等奖3项、一等奖5项),发表科研论文二十余篇,申请软件著作权8项、专利多项。表3列出近年来参加“采矿年会”获奖的情况。

表2 近年来指导申报的相关大创项目(部分)

表3 近年来大创获奖作品(采矿年会部分)

此外,学校安全学院已组建了多个创新社团,以采矿专业为例,共组建“智慧矿山数据挖掘与三维可视化”“矿山减灾防灾与应急”“矿山爆破技术研发与安全控制”以及“智慧露天矿”四个大学生科创协会,并在积极开展“互联网+”“挑战杯”等创新创业赛事的准备工作。

4.2 教师培养与团队建设

(1) 构建了多学科背景师资队伍。以安全工程学院采矿工程系为主体,整合校内相关教学力量(与智能化矿山建设相关),在兼顾本专业教学需求的同时,以矿山智能化建设为契机,以新时期创新型采矿人才培养为目标,合力组建一支具备多学科专业背景的教学团队。

(2) 设置了跨学科领域课程体系。参考国内外采矿创新型人才培养模式,组建跨采矿、机电、计算机、自动化等多专业(学科)的专业课程体系,突出发展方向、就业导向、多学科交叉等特点,形成具有“创新型”特色的新时期采矿人才培养课程体系和教学内容。

(3) 开展了多样化跨学科教研活动。在教学团队的策划和指导下,积极引导和指导学生参与科教研活动,建立科教联动、产学研一体化机制,进而形成师生互动、科教融合新局面,最终形成“基础理论+应用知识+实操技能”的全方位培养模式。

经过近两年的实践,团队成员已获批完成科教研课题多项,包括教育部产学合作协同育人项目1项、河北省高等教育教学改革研究与实践项目2项、教育部新工科研究与实践项目2项;所在团队荣获河北省优秀教学团队(2021年)、全国高校黄大年式教学团队(2018年)等殊荣。

5 结论

(1) 结合学校现状及对采矿工程专业的定位,考虑矿山领域智能化水平提升、矿山灾害防控与应急实际需求,确立采矿工程专业创新人才培养实践的主要方向为:矿山灾害大数据分析处理与预警研究、矿井VR可视化模型快速自动构建、基于WEB平台的矿井漫游与信息集成、矿井灾害大数据分析与智能预警、实现矿井灾害仿真与应急救援辅助。

(2) 提出了新形势下采矿创新人才培养思路和改革实践路径。主要从教学大纲修订、课堂教学手段、实践环节、科创活动等方面进行了改革和实践,初步取得了良好效果。

(3) 探索大学生科技创新基地建设的长效机制与发展模式。切实增强大学生参与科技创新赛事的水平和能力,提高学生的动手能力、独立思考能力、科研能力和创新能力,推动了“课堂-科创基地-企业”常态化协同育人,以科创活动为引领,构建了实践育人协同新模式。