大学生创新实践启蒙课程“一体化”体系建设

吕淑平，孙 蓉，于 鑫，管凤旭，韩云涛

(哈尔滨工程大学 自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

大力开展课外科技创新活动是高校实施教学改革，培养高素质创新人才的重要举措之一[1]。近年来哈尔滨工程大学在“创新推动，打造品牌”人才培养战略指导下，大力推进以大学生科研训练和学科竞赛为主要形式的本科生科研训练和创新活动，积极构建研究型大学本科生参与科研和创新活动的平台，建立了多位一体的学生科技创新支持体系，包括学生科技创新基金、创新学分、创新奖学金、大学生创业基金、个性化保送研究生、实验室开放等，以“一学院一个品牌”为标志的学生科技创新活动普及开展[2-4]。

笔者在从事实验教学和科技创新工作中发现一个普遍存在的问题，由于引导和启蒙不够，好多学生在开始从事科技创新时比较打怵，尤其是低年级本科生不知如何迈进科技创新大门，导致好多有潜力的学生被埋没，创新能力没有被挖掘。因此如何降低创新门槛，通过加强引导和启蒙把学生领入科技创新大门是“创新普及”要解决的一个关键问题。

在美国，许多高等学校为了培养高素质的人才，从学生一入校起，就让他们在教师指导下从事一些科研活动，有目的、有计划地对他们进行系统的科研训练，使他们尽早熟悉科学研究的程序和方法，在科研活动中培养学生的科研能力[5-6]。

为此，我院从2011年开始面向二年级本科生开设了“创新认知与实践”必修课程。该课程共32学时，前4学时统一授课，主要介绍示波器、波形发生器、频率特性测试仪、车床等常用测试及加工设备的使用，后28学时是实验，要求学生利用课堂时间在教师引导下完成一件科技作品的制作。本文就“创新认知与实践”课程的开展与“一体化”体系建设作介绍。

1 课程建设的核心要素

“创新认知与实践”课程旨在增强学生创新意识、培养学生创新能力、树立团队协作精神和提升学生创新水平。学生通过亲身实践，利用课堂时间在教师引导下逐步掌握一项作品的软硬件组成原理、设计方法、调试方法及一个创新作品完整开发过程，进而使学生尽早熟悉科学研究和科技创新的程序和方法，为今后参加科研和各类科技创新活动打下基础。所以本课程定位重在引导性和实践性。

国外大学普遍认为，大学教学最好的方式是基于项目的研究型教学，在“做”项目的过程中，学生驱动学习过程[7-8]。由此确定课程建设的核心三要素：

(1) 要素一：以科研、工程实践典型小范例设计与制作为主线，利用项目教学法，将教学内容与工程实际相结合，基于项目把课程内容关联起来，构建“基于项目的学习”的教学内容和实验环境。

(2) 要素二：以“做中学”为指导方法, 更新教学观念，实施以工程教学模式为基础的整体化的能力培养，循序渐进、由浅入深，把学生领入创新实践和科学研究的大门。

(3) 要素三：以小组合作式的学习方式，实施课内集中指导，课外完全开放的管理模式。培养学生团队合作意识、沟通协调能力和主动学习能力。

2 “一体化”课程体系建设

围绕“三要素”，将理论与实践有机结合起来，把课程关联成一个有机的整体，基于项目实施“一体化”课程体系建设。“一体化”课程体系包括：教学内容、实验环境、师资队伍、配套教材、教育方法和教学评价等。

2.1 构建“四平台”教学内容及实验环境

2.1.1构建“四平台”实验

本课程是面向自动化类专业学生开设的，基于国家级实验教学示范中心和校企共建实验教学资源，由课内到课外共开出“四平台”实验项目，学生可以根据自身基础、能力、兴趣和专业方向自由选择实验项目。其中第一、二、三平台为学生必选内容，对应课内教学；第四平台为学生选做内容，对应课外科技创新。

(1) 第一平台实验：以电子线路、传感器、微特电机等设计及应用为主的创新项目。

(2) 第二平台实验：以单片机、PLC、FPGA等开发及应用为主的创新项目。

(3) 第三平台实验：以电力电子技术、新能源技术等自动化技术综合应用为主的创新项目。

(4) 第四平台实验：以参加各类创新项目、科研立项、大学生竞赛项目等为主的创新活动。

近3年课程组根据科研、工程实际项目分解成小的科研案例进行开发调试，针对第一、二、三平台开发建设70余项实验项目，现已全部用于课程中。课外开展全国大学生工业自动化挑战赛、全国电子创新设计竞赛、全国大学生飞思卡尔杯智能车竞赛等8项大赛，指导学生科研立项100余项。开出的典型实验项目如表1所示。

表1 典型实验项目

2.1.2 教学内容特点

本课程构建的教学内容和实验环境特点如下：

(1) 实验内容丰富。实验内容丰富且并且具有较强的工程性和综合性。学生可按专业或兴趣有针对性、有选择性地学习，满足各类学生的需求。

(2) 课内课外结合。课内以电子线路、传感器、单片机、PLC等开发及应用为普及教育，课外以开展竞赛、创新项目为实战，使课内教学有效延伸到课外，逐步提升学生的科技创新能力。

2.2 保障课程效果，组建强大教师队伍

本课程面向全院开设，每年有13～14个教学班，近500余人，学生量大。为保证课程的开出效果以及培养目标要求，按小组实施教学，2～3名学生为一组，每组一个课题，每位教师指导不超过10组，因此需要强大的指导教师队伍。课程组在我院青年教师中进行试讲，选拔科研经历丰富、动手能力强，并热心指导学生创新工作的教师共18人，按每位教师的专长分成传感器组、51单片机组、Freescale单片机组、英飞凌单片机组、凌阳单片机组、FPGA组、PLC组、新能源组、电力电子组等。每组指定负责人，负责本组实验项目的建设和指导工作。

2.3 基于项目进行教材建设

组织骨干任课教师，以近3年开发的70余实验项目为基础，编写了“科研训练范例”课程教材。

(1) 该教材面向自动化类专业本科生进行创新启蒙教学，定位为科研素质培养的基础教材。初学者通过书中的实例，逐步掌握实例的软硬件组成原理，设计方法、调试方法及一个创新作品完整开发过程。

(2) 该教材内容包括常用传感器、系列单片机、可编程控制器及FPGA等基本知识及具体应用范例开发设计过程。编写时侧重范例具体工程设计及实现，把对知识点的教学与案例相联系。

(3) 在阐述科研范例时，按着设计内容、硬件设计、软件设计及进一步扩展与提高的格式，从常用的功能出发，力争用通俗易懂的语言，由浅入深，系统介绍了各种处理器及控制器的结构、软硬件设计方法，功能逐步由简单到复杂，适合初学者循序渐进的学习方式。

2.4 实施团队形式的教育方法

研究性教学是国际上普遍认同和实施的一种新的教学模式，创新人才培养必须是以科学研究为根基的探究式学习[9-12]。课程实施团队形式的教育方法，努力做好3个环节。

(1) 第一个环节：探究式教学。在实验中，教师引导学生观察、发现问题，以点拨、提问和相互探讨等方式帮助学生解决问题。

(2) 第二个环节：课堂讨论。设置课堂讨论环节，由学生和教师共同探究问题、解决问题，提高学生学习的主动性，学生在与老师的探究中完成科技作品制作。

(3) 第三个环节：团队合作。通过项目的研究和小组合作方式，把个人学习与团队合作学习相结合, 促进团队沟通和合作, 使学生在提高知识和能力的同时, 培养团队意识，提高团队合作能力。

2.5 实施多元化成绩评价方式

课程以多种考核形式为手段，立足于学生整体素质发展，考核学生多方面能力，实施多元化的成绩评价方式。考核内容包括考勤、实验过程表现、设计报告撰写、作品观看、汇报与答辩。

(1) 考勤占5%：重点考核学生的学习态度、自我约束和自我管理能力，树立严谨守纪、蓬勃向上的学风。

(2) 实验过程表现占20%：重点考核学生理论联系实际能力、实践操作能力和实验方案设计能力，以及小组合作组织协调能力和团队协作能力。

(3) 设计报告撰写占30%：重点考核学生知识点归纳能力，科技实验总结能力和综合分析问题能力。

(4) 作品观看占20%：重点考核学生实践动手能力、创造创新能力，培养学生自主实践、主动创新的精神。

(5) 汇报与答辩占25%：重点考核学生交流表达及运用所学知识，讲述总结自己所做工作的能力，考核学生叙述的条理性及沟通应变能力。

3 后勤保障

本课程学生量大，耗材需要量大，要保证课程开出效果，达到教学培养目标，后勤保障是关键。

(1) 配备基本测试设备和工具。每个实验台必须配备万用表、示波器、焊接工具等基本测试仪器和工具，以备学生随时使用。

(2) 配备专门元器件储存室。制定元器件管理制度，由专人负责元器件购买、落账、发放、回收以及学生课堂作品的收集、整理等工作。

(3) 配备专门机械设备加工室。由专人进行操作、维护和管理，负责帮助和指导学生进行机械设备设计与加工。

(4) 配备课程专项使用经费。学校每年专项拨款1.5～2万元，平均70元/每组学生，支撑学生创新项目制作，用于购置元器件、耗材等用品，确保课程开出质量。

4 预期成效

一个作品相当于一个小型科研项目，完成一个作品整个过程就像完成一个科研项目一样，对科学研究起到很好的启蒙作用，对综合能力的锻炼不仅包括对知识的获取能力，同时还包括对学生合作协作能力、解决实际问题能力的培养；经过答辩、汇报、小组讨论、师生交流等过程，不仅仅提升学生的与人沟通能力、表达能力，而且还在这些过程中培养了学生勇于自我学习、自我表现。

基于第四实验平台，举办和指导校内外竞赛、支撑学生课外科研和创新立项，每年参与人数1 000余人次。据2013统计，科技创新作品获国家特等奖3项、国家一等奖2项、国家级二等奖5项、省级一等奖7项、省级二等奖12项。

5 结束语

有组织地开展本科生科研训练是培养大学生自主学习和创新精神的有效途径，在学校人才培养中发挥日益重要的作用。本文以“创新认知与实践”课程的开展和建设为突破口，启迪学生创新意识，营造创新的学术氛围与校园文化环境，培养学生实践能力和可持续发展能力。

[1] 刘志刚.三分天下有其一：加强实验教学工作, 培养高素质创新人才[J].实验室研究与探索，2009，28(2)：1-4.

[2] 刘志刚.协同化教学育英才[J].实验室研究与探索，2012，31(1)：1-3.

[3] 刘志刚.协同化教学育英才(续)[J].实验室研究与探索，2012，31(2)：1-3.

[4] 刘志刚.以培养创新型人才为目标构建高水平实验教学大平台[J].中国高等教育，2009(6)：20-22.

[5] 卢晓东.本科教育的重要组成部分：加州大学伯克利本科生科研[J].高等理科教育，2000(5)：67-73.

[6] 张爱桦.国内外研究型大学本科生科研训练计划的实施及启示[J].科技资讯，2007(24)：109.

[7] 邬家瑛，钱辉.论本科生科研训练存在的问题及解决思路[J].中国高教研究，2009(1)：63-64.

[8] 冯林，吴振宇，于丽英.大学生综合创新实验中心建设的探索与实验[J].实验技术与管理，2011，28(8)：110-113.

[9] 孙淑琴，郑凡.教学与科研互动模式的课程体系建设与实践[J].中国校外教育，2011(7)：122-123.

[10] 李正，林凤.论本科生科研的若干理论问题[J].清华大学教育研究，2009，30(4)：112-117.

[11] 唐铁军，成协设，徐跃进.构建研究型大学本科人才培养体系的探索与实践[J].中国大学教学，2010(7)：23-25.

[12] 王宝玺.关于实施“卓越工程师教育培养计划”的思考[J].高校教育管理，2012，6(1)：15-19.