基于科技竞赛的大学生工程实践创新能力提升路径的探索——以材料类学科“专创”融合人才培养为例

何 珺，徐庆坤，李世杰，陈学广，付彬国，陈翠欣，刘 哲，范永哲，李 全

(1.河北工业大学 材料科学与工程学院，天津300401；2.河北工业大学 创新创业教育学院，天津300401;3.天津中德应用技术大学 能源工程学院，天津300350；4.天津市理化分析中心，天津 300051)

进入21世纪后，我国的高等教育发展规模庞大，但教学的理论深度和实践教学能力还存在不足；学习方法“常规”与“相似”，忽视学生个性差异；师资队伍“重科研”与“轻实践”，缺乏实践经验；评价方式“片面”与“封闭”，欠缺行业认定,造成学生的知识应用深度和创新性满足不了建设一流大学和一流学科的预期效果[1-4]。专业教育是本科生培养的基本途径，创新创业教育是本科人才培养的延伸途径和专业教育的重要补充[5]。因此，将创新创业教育与专业教育有机融合，将有利于知识传播、知识应用及知识创新、家国情怀的无缝连接，形成知识链“知识-能力-素养-责任”四个层次的提升的无限循环与价值创造良性过程[6-8]。

国务院办公厅《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》(国办发〔2015〕36号)文件当中明确表示，国内的各个高校都要合理调整专业课程设置，积极挖掘和充实各类专业课程所具有的创新创业教育资源。在传授专业知识的同时，加强创新创业教育，推动创新创业教育与专业教育紧密结合，让学生在创新创业中巩固专业知识，在专业教育中提高创新创业能力，为经济社会高质量发展培养大批敢闯会创的高素质人才[9]。

科技竞赛最早源于20世纪60年代美国的开放实验，却是一种有别于传统实验的新模式，其宽松自由的开放式教学环境，强调的是学生的兴趣和需要，突出的是学生的自由和充分发展，是应用型人才培养目标的有效途径。国内大学生科技竞赛起步较晚，但对培养学生的创新能力已经起到非常显著的作用，在社会引起了巨大的反响。路甬祥院士评价全国大学生“挑战杯在鼓励青年发明创造、培育创新思维和创造能力方面发挥了积极的作用”。王汝言提到学生亲身实践参加科技竞赛活动是培养和提高学生创新能力和实践能力的重要途径。大连理工大学冯林教授认为大学生科技竞赛打破了以往的过分侧重理论知识的传授而忽视对学生创造性能力培养的传统教学模式，是推动大学生从事科技创新活动的重要途径，同时也是培养学生科技创新能力的重要手段和有效载体[10-23]。

因此，寻求恰当的科技竞赛为途径，巧妙地将大学生创新创业教育与专业实训课程融合，即将科技竞赛贯穿于“专创”融合特色示范课(第一课堂)、学生科技社团(第二课堂)、质量教育社会实践基地(第三课堂)以及课程思政(第四课堂)四个课堂，对专创融合实践教学对大学生工程实践创新能力提升路径进行探索。

一、工程实践创新能力提升途径的设计与课堂建设

(一)工程实践创新能力提升路径的四大课堂建设

大学生工程实践创新能力路径探索，主要是将一二三四4个课堂联动贯穿于整个科技竞赛活动中，不断提高学生综合素质和科研素养，培养创新能力，从而使学生从知识、能力、素养、责任四个方面得到提高，见图1。

图1 工程创新实践路径实施

首先，提高大学生素质的路径先展开在以第一课堂为主的专业创新示范课教学内容和课程上。2020年材料科学与工程学院19级近500名学生在参加专业课程的同时参加了《创业基础》课程，学生需完成专业知识、财务管理、营销等方面的自主学习，后期通过沙龙辅导完成完整的关于专业相关的产品设计商业策划书。专业课程和示范课程交错辅助，将所学书本知识和基本理论立体化，夯实专业基础，并且可以引导学生创新，并且综合运用到实践之中，让学生的“根基强起来”，不断培养学生的创新意识和能力，这也是学生参加科技竞赛知识储备的基础。

然后，紧密结合第一课堂，利用学生社团、学术科研活动为主题的第二课堂，开展大学生科技竞赛，学生大创项目和“轻本计划”等活动，培养学生的科研兴趣，“活力热起来”。2018年，材料教学实验中心指导并成立两个学生社团实验实践协会和TQM云技术创新社。两个社团主要负责金相大赛和模具的赛前培训和赛事组织，还有一些科研讲座活动。学生自主的活动激发了学生参加竞赛的热情，这也是本项目的能动性。

此外，材料科学与工程学院教学实验中心与天津市理化分析中心建立材料测试分析实训基地，获批2018年河北省大学生质量教育社会实践基地。该基地以培养材料检测专业人才为导向，着力实现提升学生创新精神、实践能力、社会责任感、就业能力，提升学生的职业发展素养。该基地目前每年为在校生进行职业能力培训达1 000余人次，在学校和社会上有一定的口碑；赛前培训和联合举办3次校内金相大赛，具有一定的学生基础；联合培养的学生在大赛上屡获佳绩，在同行业和学校具有一定的认可度。作为第三课堂的基地建设也是本项目的特色之处。

最后，在“工程创新”的科技竞赛中课程思政(第四课堂)显得尤为重要。学生在竞赛的设计和培训中巧妙融入课程思政，着眼个人价值和社会价值的统一，更加注重个人成才的全面发展，强调培养担当民族复兴大任的时代新人，这也是教育所要实现的根本目标。

(二)工程实践创新能力提升路径的教学设计

在教学过程中，重视教师、学生、教学过程3个方面反馈、评价和提升。材料专业有别于其他的专业，更加注重工程应用和经验的交流，因此实现“专创”融合，就该在方法设计上进行更为巧妙的设计，具体见图2。本次教学设计主要是基于行动学习，项目式学习和分析体验式教学方法，促使学生在教学或是比赛过程中，自主完成项目选择，团队组建，项目实践和项目辅导沙龙等活动，结合四个课堂的特点和优势，最终达到学生完成知识储备、知识迁移、内化知识、民族责任的四重提升，教学过程中完成夯实基础、培养科研兴趣、职业素养提升和家国情怀培养的4个方面要求。从点到面，层层完成学生创新能力的培养和提升。

图2 教学过程设计

(三)工程实践创新能力提升路径的竞赛选择

李培根院士指出：在主动实践过程中，学生的质疑力、观察力、协同力、领导力等多种素质都能得到很大提高，会大大增加学生今后取得创新成果的几率。实践教学与科技竞赛相结合，为学生提供多样化的学习和发展途径，充分满足学生创新学习、自主学习的需要，更好地培养学生的工程实践能力与科技创新能力。因此，科技竞赛选择和设计上尤为重要。

经过4年的探索，河北工业大学材料教学实验中心组织参与科技竞赛及获奖情况如图3所示。材料学科可参与科技竞赛的种类分为3种：专业基础类赛事，材料综合类赛事，科技创新型赛事。专业基础赛事门槛比较低，更加强调受众范围，使更多的学生加入到竞赛中；材料综合赛事更看重学生专业知识的应用，对于学生专业应用有要求；而科技创新类赛事则更看重学生学科交叉的应用，对于学生有更高的工程创新要求。三类竞赛依次对学生提出更高的要求，对于培养学生徐徐渐进，起到对学生工程实践创新能力的提升的作用。

首先，专业基础赛事主要考虑是学生的受众度。为了激发学生的积极性，避免学生“望而生畏”“知难而退”，设置多级基础类竞赛，注重学生的参与度，助力学生多维发展。河北工业大学金相大赛自2016年以来举办了4届，涉及的学生多达近百人。该项赛事在学生口中“代代相传”，建立了一定的口碑，建立了赛事品牌效应。开设综合创新类实践教学课程和大创项目，并与院、校、省、全国各级大学生专业竞赛挂钩，增强学生参加竞赛的意愿，强化学生的实践和应用能力。

其次，材料综合类赛事是在基础赛事的基础上扩展综合赛事，更注重学生综合知识的理解和应用。结合校外河北省大学生质量教育社会实践基地-材料测试分析实训基地定期培训，校内“轻本计划”一线科研教师指导学生了解最前沿科学技术，各类企业的讲座和培训带学生领略最先进的技术，不断提升学生工程实践能力和职业素养。

最后，科技创新类赛事主要目的是创新拔尖类学生的选拔和培养。为了更好地激发学生的潜能，组建团队考虑跨学院的组合，多学科学生的融合；实行长期有效的指导机制，即每项大赛配有经验丰富的指导教师全程指导；完善竞赛激励机制，即对于成绩优异的学生适当发放助赛金、科研奖励等。

图3 科技竞赛类型选择及获奖情况

值得一提的事，大学生工程实践能力的培养不仅体现在技术、知识等方面的与时俱进，还体现在家国情怀、使命担当、价值规范等诸方面。另外，“工程创新”突出强调“新”，应该体现以往的人才所不具有的全新特点，这主要体现在强烈的时代使命、突出的价值关怀以及强烈的时代担当。可以说，工程创新是一个综合性、包容性的概念，而这恰恰是“课程思政”(第四课堂)所致力于工程实践创新能力着力的关键点和难点。

总之，根据学生的个体和成长特点，选择不同的科技竞赛路径和科技社团，依托社会实践基地，辅以课程思政，不仅仅为学生提供平时的学习、实验和实习机会，同时还为学生综合工程能力应用和家国情怀的培养提高创造了良好的环境。这是深入开展科技竞赛的重要支撑条件，同时也为科技竞赛平台的构建铺设灵活的课堂。在研究科技竞赛中出现的问题和发展趋势，根据“四个课堂”相互作用和提升的教学改革模式，并结合实践教学环节，为科技竞赛平台构建起核心的载体，这是对科技竞赛的变革和延伸，使科技竞赛为创新型人才培养服务的导向作用更加明确，从而科技竞赛和教学改革实现双赢。

二、本项目的特色和创新

把第一二三四课堂有机结合，实行多维度评价，具体见图4。对于学生学业的评价不仅仅停留在第一课堂上，而更重视对学生过程的评价，学生也可自主评价考核。同时第二三四课堂联动评价学生，学生的评价系统更加立体、科学、多元。

图4 课程评价体系

打破学科界限，把原本割裂开来的大学生科技竞赛与教学实践结合起来，找到最佳的契合点，建立多元化激励机制，最大限度发挥每个学生的潜能，实现个性化培养。

课程思政引入科技竞赛的任务和目标，不仅提高大学生的实践创新能力，而且实现了科技竞赛的最终目标，提高大学生的国家使命和民族自豪感。

三、基于科技竞赛路径设计实施效果

基于科技竞赛的大学生工程实践创新能力提升路径目前取得了初步效果。

由我教学实验中心实验教师和实验技术人员主编的《金属材料基础实验指导书》《金相分析技术及应用教材》已被实验课程体系采纳，并且广泛应用在工程技术人员。校级教改课题3项，省级教改课题2项，教改论文若干篇，申请了多项专利和软件著作权，获得多项各级竞赛奖励。

对2016―2019年参与竞赛的材料类专业学生近100人反馈统计，发现学生金相大赛的参与度逐年提高，如图5所示，这也说明该项赛事的知名度在学生中建立起来，其对于学生的影响作用也越来越大。我中心连续3年指导学生参加全国大学生金相大赛、全国大学生材料综合技能大赛和河北省、天津金相大赛，累计获得特等奖5项，一等奖7项，二等奖6项，三等奖6项，并且多次获得优秀指导教师的称号。课题组成员多次指导节能减排社会实践与科技竞赛、“互联网+”大学生创业大赛、“挑战杯”、iCAN国际创新创业大赛，中国TRIZ杯大学生创新方法大赛， “互联网+”大学生创新创业大奖赛，全国大学生电子商务“创新、创意及创业”赛，取得校内奖项十余次，省级奖项数次，国赛两次。

图5 历年参加校级金相大赛的人数统计

图6为材料类基础赛事2016—2019年调查统计。学生通过基础赛事对于学科兴趣、动手能力、主动性、表达能力和团队沟通意识有显著的提高。在2016年金相大赛举办的第一年，材料类学生参加竞赛人数较少，学生参与度很低。但是到了2019年，随着参赛学生人数的增多，学生的诉求也发生了明显的变化：单一的赛事对于学生的影响越来越小，学生更看重综合应用型和科技拔尖类的大赛。

图6 材料类基础赛事2016—2019年调查统计

图7为材料类综合赛事2016—2019年调查统计。学生通过基础赛事对于学科兴趣、动手能力、主动性、表达能力和团队沟通意识有显著的提高。2016—2019年的提高程度几乎相同。这是由于综合类赛事一般选拔的为优等生，对于其专业拔尖的能力的提升具有持续的需求。

图7 材料类综合赛事2016—2019年调查统计

2019年我中心开始在科技拔尖类赛事崭露头角，但是还存在一些课程和专业衔接的问题，目前我中心跟创新创业教育学院达成意向，继续改善“专创”融合的教育模式。

四、结语

将科技竞赛与“专创融合”教育巧妙融合，不仅为学生提供科研学习展示平台，也弥补了现有“专创融合”的不足，而且显著提高了学生的工程创新能力，努力实现中国教育现代化2035的目标。在科技竞赛中，协同“四个课堂”的功效，改善“专创”融合的教学改革模式，注重实践教学环节，变革和延伸“课堂”作用，使科技竞赛为创新创业型人才培养服务的导向作用更加明确，实现创新创业教学的四个提升，即：“知识-能力-素养-责任”的提升。总之，基于科技竞赛的大学生工程实践创新能力路径，是提高工程型创新创业类人才培养质量的有效之法。