构建“三位一体”实验教学体系培养本科生创新型人才

王革思, 周　天, 高明生, 李　杨, 宋瑞琳

(1. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨　150001；2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨　150001)



构建“三位一体”实验教学体系培养本科生创新型人才

王革思1, 周天2, 高明生2, 李杨2, 宋瑞琳2

(1. 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院, 黑龙江 哈尔滨150001；2. 哈尔滨工程大学 水声工程学院, 黑龙江 哈尔滨150001)

以我国“三海一核”领域一流人才培养基地为依托,按照“一个中心,三个结合”人才培养方案,构建了顶层、进阶层、创新层交互的“三位一体”实验教学体系。研究、分析了虚拟仿真、网络、项目等多种实验教学模式。对于如何更有效地发挥实验教学在创新型人才培养中的作用,提供了有益的探索和有效的实践经验。

创新型人才； 实验教学体系； 实验教学模式； 水声工程学科

习近平总书记指出：“提高中华民族创新能力,把我国建设成为创新型国家,关键在人才。”培养高素质的创新人才,既是增强我国综合国力和国际竞争力的需要,更是我国国家创新体系的核心部分。

近些年来,我校水声工程学院始终坚持“培养具有坚定信念与创新精神,视野宽、基础厚、能力强、素质优的可靠顶用人才”的教学理念,将学院建设成为我国“三海一核”(船舶工业、海军装备、海洋工程、核能应用)行业领军人物、一流工程师和企业家的摇篮、国防工业和国民经济建设高层次科技人才的重要基地作为奋斗目标,依托建设创新型国家背景,培养既具有扎实的基础知识,又具有系统观念和全局意识,既具有创新能力,又具有团队协作能力和社会实践能力的水声工程创新型人才,以满足国防工业、国民经济建设以及中国制造2025需求。

1　创新型人才培养思路

1.1“大声学”实验教学平台架构

学院目前承担着水声、电声、超声、环境声等多个声学方向专业实验内容的教学任务。水声工程专业人才培养需要依托行业特色,“三海一核”是我校明显的特色,为了满足学校在输送高质量、创新型水声工程专业人才的同时,还能培养其他声学方向专业人才,特别是电声专业方向人才,在学校的支持下,打破教学实验室与科研实验室的壁垒,充分利用水声技术国防科技重点实验室优质基础资源,坚持科学规划、资源整合、开放共享、高效管理原则,面向多学科、多专业构建了“大声学”框架下的实验教学平台,其下辖声学实验教学基地、电学实验教学基地和水声工程创新实验教学基地,其中包括振动与声基础实验室、电声专业实验室以及DSP创新实验室等12个实验室。

1.2校企协同人才培养模式设计

学院目前是国家“优势学科创新平台”建设项目核心单位,先后与山东共达电声股份有限公司联合建立了电声实验室,与美国德州仪器公司建立了HEU-TI DSP数字信号处理实验室,与美国赛灵思公司建立了HEU-XILINX信号处理创新实验室。还与中船重工集团715研究所、大连测控技术研究所、中国电子科技集团第49研究所、北京长城无线电厂、宜昌海声科技有限公司等国内9家研究所和企业建立了校外实践教学基地,联合成立“水声基金”。根据国防和社会对水声工程专业人才培养的新要求[1],在学校的安排下,学院组织学校、企业、科研院所一线教授级专家团队主导“顶层设计”,通过必要的把关和审查,共同制定“以学生为中心,课内与课外相结合、教学与研究相结合、个性与创新相结合”的水声工程创新型人才培养方案。

1.3科研融合成果导向

学院目前在水下定位、水声换能器、声隐身、水声探测、水声传播、水声通信等多个领域和方向上的研究成果代表了我国基础研究和应用基础研究的最高水平。曾多次获得国家级和省部级科技成果奖。充分利用一线科研经验丰富的骨干教师在科研和实验教学上天然的有机联系,建立科研和实验教学之间双轨交互运行机制,实现科研成果向高质量实验教学成果转化。为了让实验教学更接近实际工程环境[2],利用阶段性科研成果自主研发具有先进技术性能的实验教学仪器设备。通过科研成果的二次开发增加新型实验项目。采用信息技术创编具有学科特色的数字化、立体化实验教材(课件)。借助虚拟仿真技术开展研究型实验教学。这些经过转化后的实验教学成果在培养水声工程专业人才的实验能力、工程能力和创新能力方面能够发挥出不可替代的重要作用

2　“三位一体”实验教学体系构建

2.1依据培养方案的顶层实验教学体系

实验教学既是知识传授的手段,也是将理论知识提升到指导实践的过程,更是基本素质、实践能力和创新能力培养的有效途径。水声工程学科是集多学科为一体的综合交叉性学科,具有内涵丰富、外延宽广、综合交叉性等特点,这就意味着培养出来的学生应当具有基础厚、知识广、视野宽、能力强、创新欲望高等特点。因此,构建适合水声工程专业人才培养的实验教学体系既是现行体系改革创新的需要,更是教育质量工程的重要保障。校企一线教授级专家团队制订的“一个中心、三个结合”人才培养方案,突出学科特色,侧重专业领域工程实践能力,强化科研创新能力,将人才培养与企业需求无缝对接[3]。结合培养方案,设计了“工程素质培养、工程实践能力培养、创新能力培养、科研能力培养”的顶层实验教学体系,推进、完善实验教学与工程实践、创新活动、科学研究以及企业协作的交互融合。

2.2依据教学内容的进阶层实验教学体系

实验教学能够促进知识传授、能力培养、素质教育全面协调发展[4]。实验教学内容是影响实验教学质量的重要因素之一[5]。因此,实验教学要结合学科自身特点及其科技发展趋势,注重教学内容的整体优化和学科之间的相互交叉渗透,要淡化单一课程,强化课程群融合。遵循“认识、理解、消化、实践、提升”的循序渐进认知过程,创设开放的、多样的、自主的实验教学环境,让学生以自己的方法去思考、拓展,提出目的性知识需求,将被动式学习变为自觉学习、主动成长。依据实验教学内容,采用了具有操作性的进阶式实验教学体系。

(1) 基本技能实训。着重培养学生规范化实验技能和科学的思维方式,让学生初步掌握科学实验的方法和设计思想[6]。

(2) 理论知识应用能力提升。注重启发式教学的灵活运用,提高学生独立分析问题、解决问题的能力,培养学生实事求是的科学作风和认真严谨的科学态度。

(3) 综合与创新能力培养。既要体现知识的综合性与创新性,又要体现创新精神与工程实践能力培养,让学生熟悉和掌握科学研究的基本过程及方法,实现自我超越。

2.3依据个性化培养的创新层实验教学体系

课内实验教学往往受到教学大纲、教学内容以及学时等诸多因素限制,加之缺少个性化,使学生无法完善实践知识体系构建。创新是人的天性,创新教育不能仅服务于少数学生,重要的是激发学生的创新欲望、激活学生的创新潜能[7]。为了促进学生实践知识全面发展以及创新精神、创新能力培养,依托课外科技创新实践活动,构建了课内外相结合的个性化培养实验教学体系。课外科技创新实践活动主要是由教师指导学生参与科技制作、学科竞赛、大学生创新创业项目、教师科研项目、发表专利、撰写科技论文等。指导教师负责制定学生的个性化学习计划,促进学生知识结构相互渗透、理论实践结合、多学科交叉复合[8]。学生则享有很大的自主权、主动权。此外,还开设了电子线路设计与制作、嵌入式系统设计与实践等课外选修课程,将学分制与选课制相结合,各取所需,各得其所。将学生参与科技创新实践活动贯穿于课外实践教学的整个过程,形成了从普及、提升到高端引领的个性化培养创新型人才的特色。

3　多元化实验教学模式创设

3.1虚拟仿真实验教学

学院目前配备了数量众多、性能先进的实验仪器、设备,实验环境也十分优越,这些硬件条件为学生创新精神与实践能力培养发挥了重要的支撑作用。但是,在水声学实验教学过程中会遇到诸多无法亲临的实验环境,如深海、复杂海况等。对存在高危险、高成本、高消耗、大型设备操控等实验更是无法进行。

虚拟仿真教学能够再现自然现象或事物变化过程,为学生提供生动、逼真的实验教学环境,使实验教学空间从物理空间延伸到虚拟空间。学院近年来持续建设虚拟仿真实验环境,例如虚拟声场环境设置、声学传感器仿真设计等,很好地解决了实验环境及设备操控等方面的实际问题,同时使抽象的声学专业理论知识实现了可视化、形象化、认知化,起到了独特的助推器作用。在电子线路类实验课程中普遍采用了虚拟仿真教学,借助国外公司大学赞助计划和购买等途径,配置全套正版的EDA软件,利用Multisim、Quartus、Labview等EDA软件进行电子线路设计、仿真、分析、验证。由于采取“课外虚仿、课内实做”“先仿后做,虚实结合”方法,更好地配合了从基本单元实验直至综合创新实验的硬件实验教学。

3.2网络实验教学

传统的依附于理论的实验教学是以课堂教学为主,内容单一、实验数量少、更新缓慢,不利于自主学习、自主实验和自主创新能力培养。网络教学具有无时空限制、教学资源共享、教师多元化、教学过程非线性化、学习个性化的特点,因此,在时间、空间、内容、设备上可以实现实验教学的全面开放。

近年来,学院以全面提高学生创新精神和实践能力为核心,以信息化实验教学资源建设为重点,持续开展网络实验教学研究工作。实验教学中心建设了一个由107台微机组成的网络环境,搭建了“我的实验我做主”的平台,营造创新型人才培养的良好文化氛围。实验室管理如同图书馆模式,全天候开放,只要学生没课都可以进实验室做实验。基于校园网环境,自主研发了模拟电子线路网上虚拟实验室,提供大量虚拟仿真实验教学资源[9],内容丰富、形式多样化。这些优质资源以学生自学为主、教师启发指导为辅。学生可以根据自身的基础、兴趣来选择最适合自己的学习与实验内容,调整不同的进度。还建立了水声工程实验教学中心网站,成为联系外界、学校、学院、实验教学中心、教师和学生的公共平台通道。网站具备数字化教学资源、实验教学团队、科创活动、实验室开放运行管理等多种功能。实现了“课程管理、师生交流、教学评价”的信息化。目前,开设的实验课程全部实行了网上选课、预约、评价、答疑等全流程的信息化运行与管理,规范了教学、方便了学习,有效提高了实验教学效果。

3.3项目式实验教学

项目式教学是一种让学生在教师的指导下通过完成一个完整的项目而进行学习的教学模式。将项目式教学引入实验教学中,主要是灌输科研项目的整体思路,建立工程观念,促进理论与实践的结合、课内与课外结合以及知识体系与工程的结合。同时还将传统的以教师为中心、以课堂为中心、以理论教学为中心,转变成以学生为中心、以实践为中心、以培养能力为中心[10]。因此,要结合学生特点、优势和差异,精心设计题目和实验内容,强化实验内容工程背景,激发学习兴趣,让学生能够做到学以致用[11],学到真本领。

(1) 选择合适题目,激发学生探究兴趣；

(2) 明确任务要求,引导学生思维；

(3) 开放优质教学资源,自主设计实验方案；

(4) 开放实验环境,力求探究性成果。

目前已经在水声实验、信号分析实验等课程采用了项目式实验教学。学生根据已有的经验、知识、水平和兴趣来选取适合的项目,他们以“做”带“学”“学”促“做”[12],充分发挥自身的特长,创造性地解决问题,并以培养自己的创新意识和各种能力为目的。教师在整个项目教学过程中起组织和指导的作用,他们关注的重点是学生在完成整个项目过程中综合素质达到的程度,考核学生的实践创新能力。

4　取得的成效

(1) 实验教学成果斐然。近几年来学院在管理体制、教学体系、教学方法、教学资源和实验室建设等方面都取得了长足进步和发展，获得多项殊荣和奖励,其中:国家级精品资源共享课1门、国家级精品视频公开课1门；教育部创新团队1个、省级教学研究团队1个；国家级教学成果奖二等奖1项、省级教学成果奖一等奖2项、二等奖1项。

(2) 科技创新活动成果丰硕。“三位一体”实验教学体系为学生科技创新活动搭建了平台,使有创新欲望的学生有地方可去、有事可做,也为实验室开放注入了新的内容。学生每年参加学校举办的“五四杯”“启航杯”及国内各种顶级大赛等品牌活动10余项,广大学生参与创新实践活动的氛围日渐浓厚,整体创新能力得到了显著提高。近5年来,学生获得各类省部级科技创新竞赛奖励120余项,通过科技创新活动申请专利200余项、发表学术论文600余篇,还有240余名学生通过科技创新被保送读研究生。

(3) 人才培养质量显著提高。近5年来,学院毕业生每年一次性就业率超过98%,其中在我国船舶工业、海军装备、海洋工程领域就业率超过50%。经用人单位反馈,我院的毕业生具有声学基本概念清晰、实践技能全面、工程观念强、创新能力突出特点。学院凭借就业率高、就业质量高、升学率高、就业满意度高、违约率低,人才培养符合社会需求,获得了良好的社会口碑和用人单位的好评。

References)

[1] 郑志明,冯文全,陈强,等.全面提升本科拔尖创新人才培养能力的十年改革探索与实践[J].北京教育,2013(11):49-50.

[2] 邓春花,李军.电力电子技术实验教学模式探索与实践[J].实验科学与技术,2015,13(5):93-95.

[3] 张星臣,董俊,魏旺强.轨道交通行业特色大学拔尖创新人才的培养[J].中国大学教学,2015(1):23-26.

[4] 梁丽.构建分层次实验教学体系培养创新型人才[J].实验室研究与探索,2014,33(1):217-219.

[5] 许家瑞,周勤,陈步云,等.构建创新实验教学体系的探索与实践[J].实验技术与管理,2009,26(5):8-11.

[6] 王革思.“模拟电子技术”课程开放式实验教学平台的研究与实践[J].实验技术与管理,2014,31(8):170-173.

[7] 吴康宁.创新人才培养究竟需要什么样的大学[J].高等教育研究,2013,34(1):11-15.

[8] 刘艳,闫国栋,孟威,等.创新创业教育与专业教育的深度融合[J].中国大学教学,2014(11):35-37.

[9] 周福才,张彪,潘志明,等.整合实验资源,促进学生创新能力的培养[J].实验科学与技术,2015,13(5):179-181.

[10] 余国江,姜海,徐滟.卓越工程师培养的德国经验借鉴研究[J]. 高教探索,2015(2):66-69.

[11] 堵国樑,胡仁杰,黄慧春.以项目为导向的电子电路实验研究与改革[J].电气电子教学学报,2015,37(3):98-100.

[12] 朱泓,李志义,刘志军.高等工程教育改革与卓越工程师培养的探索与实践[J].高等工程教育研究,2013(6):68-71.

Constructing “Trinity” experimental teaching system and cultivating innovative talents of undergraduate students

Wang Gesi1, Zhou Tian2, Gao Mingsheng2, Li Yang2, Song Runlin2

(1. College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Relying on the first-class talent training base of Shipping Industry,Naval Equipment,Ocean Exploration and Nuclear Application of the country,in accordance with “One Center,Three Combinations” talent training plan, this article develops the reform of experimental teaching and innovation research, taking research and analysis on the virtual simulation,network,project and other experimental teaching mode. For how to play the role of experimental teaching in the cultivation of innovative talents more effectively, this article provides a useful exploration and effective practical experience.

innovative talents； experimental teaching system； experimental teaching mode； discipline of underwater acoustic engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.006

2016-05-16

王革思(1960—)，男，黑龙江哈尔滨，本科，高级工程师，研究方向为实验教学与实验室管理

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

周天(1980—)，男，黑龙江哈尔滨，博士，教授，研究方向为水声目标探测及实验教学与实验室管理.

E-mail：zhoutian@hrbeu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0018-04