新工科背景下跨学科创新教育模式探索与实践

温泉河，黄文恺，吴羽，伍冯洁

（1.广州大学实验中心，广州510006；2.广州大学机械与电气工程学院，广州510006）

1 新工科的提出与内涵

2015 年李克强总理在政府工作报告提出“大众创业、万众创新”、“中国制造2025”，掀起了创新创业的热潮。信息技术，特别是AI 技术的快速发展迅速推动着现代工业的发展，我们已经步入人工智能与“互联网+”的“工业4.0”时代。过去劳动密集型的制造业需要转型升级，为了服务科技与经济的发展，培养新时期创新人才，高等教育需要做出相应的改革与创新。

随着2016 年新工科概念的提出，先后形成了“复旦共识”、“天大行动”、“北京指南”等指导性文件[1]。有学者指出，新工科代表的是最新的产业或行业发展方向，指的是正在形成的或将要形成的新的工程学科，在新工科建设时要注重一批具有跨行业界限、跨学科界限的跨界特征的新学科[2]。新工科具有“跨学科”的特点。钟登华院士指出，新工科的内涵是，以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才[3]。新工科包含交叉与融合。李华教授等认为，简而言之，“新工科”是指新的工科形态，即对工科注入新的内涵以适应新经济发展需要而产生的工科新形态，可表述为“工科+”，即工科+新理念、工科+新专业、工科+新结构、工科+新模式、工科[4]。

新工科是在原有工科、原有专业的基础上，注入新的元素以适应经济社会的发展，适应人力资源需求培养新人才。总结起来，新工科有“跨学科”、“共享”、“融合”、“创新”等特点。以新内涵、新模式揉合原有工科，是新工科实施的一个理念。新兴产业需要的是基础理论扎实、实践能力强、具备创新意识的复合型人才，新工科同时注重动手能力和创新能力。

2 大学生新工科背景下跨学科创新教育模式探索

长期以来，大学生实践偏少，动手不足，缺乏实际经验。表现在几个方面：

（1）查阅文献不足。很多大学有开设文献检索课，但是课程结束之后，能主动再查阅文献的学生比较少。针对某一个研究方向进行相关的检索总结就更少了。

（2）写作水平有待提高。查看学生写的创新训练、创业训练项目的申报书，普遍存在是口语化严重、错别字的问题，甚至比不上当年的高考作文。原因是多方面的，一方面是动手写作的机会少了，离学术论文的要求还有一定距离。最近讨论的大学生开设大学语文课程，也是有原因的。如果能够针对不同专业开设，相信效果会更好。另一方面的原因是阅读文献的不足。

（3）表达能力欠缺。大学除了师范生，其他专业的学生甚少有语言表达的训练。而创业、创新训练项目、挑战杯等项目往往需要路演、答辩，这时表达能力欠缺就凸显出来。而表达能力的提高需要长期的训练积累。

（4）缺乏项目开发经验。例如计算机专业的学生，大一已经学过程序设计语言，到大二已经可以进行实际开发实践，大多缺乏的是感兴趣的项目。对理工科学生来说，除了学业成绩，项目开发经验是招聘单位看重的另一个方面，也是学生能力的集中表现。

新工科背景下，提高学生实践与创新能力，需要一套行之有效的机制。我们从学生感兴趣的课题出发，以项目开发为主线，进行跨学科的项目开发实践尝试。

（1）开展目的

通过项目实践激发大学生主动学习的积极性，培养实践能力和创新能力，提升大学生就业竞争力，以及为将来进一步深造打好基础。

（2）项目选题

项目来源有多种，如教师的科研项目、某些领域的研究热点、发明专利，等等。就目前我们开展的项目来看，基本是软件和硬件结合的项目。项目开发的目标是参加各种竞赛及形成科研成果，如发表学术论文、申请专利。

（3）组织方式

通过宣讲会、参观活动组织学生预报名，通过面试、考核进行筛选，然后学生根据导师公布的选题，以项目为单位组成小组。以机械类、电气类、计算机和应用数学类专业为组合。人数多为4 至6 人。

3 以项目开发为主线的跨学科创新教育模式实践

新工科的其中一个特点是“加入新元素”，就项目开发而言，很多项目涉及当前的研究热点和前沿课题，大学二年级的学生并不具备这方面的知识。例如我们的无人车项目，需要使用图像处理技术。而大部分学生并没有开设这类课程，或者这类课程设置在高年级。因此我们首先进行了相关课程的补充。通过基础

课程的补充再进行项目开发实践，分为四个阶段。（1）基础知识补充阶段

根据研究方向的不同，补充进行项目开发的必要知识。导师团队根据当年主题，面对不同专业的学生设立几类课程，利用暑假或寒假集中教学，或者布置学生通过网络课程进行自学。我们曾经开设的课程有元件焊接基础、Arduino、STM32、C++与面向对象开发、OpenCV、Python 等。课程结束会安排一个作业作为考核。通过课程的学习，让学生快速进入可以动手开发的状态。另外，部分学生还会自学其它的软件，例如学习ANSYS 用于仿真，学习ROS 系统用于机器人架构，等等。

例如我们开发的“洗车机器人”项目，需要使用图像处理、机器学习以及仿真等技术，还融合了超声波、激光雷达等各种传感器。首先需要对整个项目技术路线的整理，以及了解并掌握必要的知识。对有程序设计基础的同学，布置OpenCV 课程的学习任务。由导师提供课程资料以及答疑。导师通过查看课程作业检查学习情况。经过6 到8 周的学习，学生掌握了一定的基础知识，能够尝试运用图像处理解决相关问题。而水平随着项目开发的进行将不断提高。

（2）项目开发阶段

通过补充必要的基础知识之后，开始进入分组项目开发阶段。导师先根据选题，布置学生进行文献检索。让学生充分了解项目的研究背景以及当前研究的进展。文献检索要求学生查阅一定数量的文献，整理要点，提交相关文档。这样一来，学生增加了阅读量，同时提高写作水平和表达能力，为后面阶段撰写论文和专利打下基础。

进入项目开发阶段是按照项目开发流程进行的。即要经过需求分析、总体设计、详细设计等阶段。这个阶段最重要的是定期的开会讨论和检查进度。检查的方式是每周举行例会，项目组成员将有关内容整理成文档要点，轮流向其他人分享。项目开发的周期较长，也不同于单个科目的课程学习，导师除了检查进度，在学生遇到困难时需要引导他们解决问题。这个阶段要避免学生的畏难心理。通过组员间相互讨论，和在导师的指导下解决难题，学生的研究得以进一步深入，从而逐步提高。项目也能够按计划持续开发下去，直到完成。

这个阶段开展的顺利与否有两个关键因素。一个是导师的作用。导师除了熟悉项目掌握进度，遇到难题指明方向之外，坚持定期开展项目讨论少不了。通过项目讨论交流，还便于掌握组员的参与情况。第二，组员的考核方式。项目组内有不同的分工，如何有效对每个组员进行管理，我们采用文档提交及分享的方式。不同阶段提交相关文档，并在组内分享讨论。提交文档的另一个好处是项目资料得以保存，当组员发生变化时能根据文档快速了解项目进展。

（3）总结转化阶段

学生通过前期课程补充学习、检索文献、整理开发文档，项目开发进行过程中材料就得到了积累。项目开发完成，接着申报各种创新训练、创业训练项目及参加比赛和发表科研论文、撰写专利。项目开发的积累转化成了一系列的成果，水到渠成。目前已经完成课题几十项，在研课题十多项，学生获省级以上奖励达几十项，通过课题申请专利二十多件。

4 结语

大学生进行项目开发实践，先通过一系列课程的补充，基础知识得到进一步梳理和重新构建；通过项目实践解决问题，实践能力得到提高；撰写论文和专利，得到最终的成果。实践证明，以项目开发为主线的跨学科培养模式，有利于建立跨学科的学生科研团队，有利于学生实践能力、创新能力的培养。