“双轮驱动”培养研究生自主学习和创新能力——以地磁探测与定位技术课程为例

黄 玉，武立华，张 羽

（哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

我国正处于实现两个“一百年”奋斗目标的第二阶段，国家对高层次人才需求旺盛。而研究生教育是培养高级人才重要途径，随着我国研究生招生规模的不断扩大，研究生的培养质量及创新能力不容乐观。造成目前我国研究生培养质量“差强人意”的原因是多方面的，所以从事研究生教育的一线教学工作者不断探索通过课程教学改革促进研究生创新能力的培养。

在新工科建设背景下，工科类研究生科学研究和实践创新能力培养很重要。以科研项目为载体开展科研训练是培养研究生科研创新能力的重要支撑。但在实践中常常出现“轻课程学习，重科学研究”的现象，究其原因是设置的研究生课程与他们科研训练内容关联度不大，不能有效激发他们的学习兴趣。其中课程学习与课题密切度对博士生科研能力的12项指标影响最大，与论文选题的密切度对博士生学术研究兴趣具有较大影响，而与论文发表的密切度对博士生学术思想和学术规范以及研究方法的影响不显著。由此可认为课程学习与科研训练差异化融合可提高研究生课程学习和开展科学研究的动力，有利于研究生创新能力培养。因此将自主学习融进研究生课程教学既是顺应时代变迁、培养研究生自主学习能力必然要求，也是由研究生教育地位以及课程教学不可替代作用决定的。张琦等为提高电磁检测技术课程的建设水平，从建设思路、教学内容、教学模式等方面进行了教学研究与探讨。

当前培养创新能力强、工程实践能力强、具备在高精尖工程领域拥有核心竞争力高素质创新人才是高校教育教学的基本任务。为此团队以《地磁探测与定位》研究生课程为载体，以科研训练和课程教学为驱动力来培养研究生自主学习能力和创新能力。

1 地磁探测与定位技术课程建设意义

新一代信息技术推动了探测与定位技术在军事和民用上的应用，近年来兴起的地磁探测与定位技术是一种被动工作的无源探测与定位方式，因具有连续侦测、效率高、使用简单可靠、反应迅速、不受水文气象影响等特点而凸显其应用价值。

已逐渐成为电子信息领域的重要研究方向，但这一技术的基础理论和专门知识零散地分布于包括书籍、期刊和学位论文等各类文献中。由于没有专门的研究生教材系统而较深入地阐述地磁探测与定位技术，给本课程的教与学造成了一定的障碍。学生及工程技术人员为全方位地学习这门研究生课程，需要花费较长时间收集、整理并消化各类文献，不利于研究生掌握从事这一领域的科学研究所必备的专有知识。

1.1 自学资源建设促进自主学习能力的养成

地磁探测与定位技术是我校光学工程与电子信息专业的研究生选修课程，本课程内容主要包含地磁场基本理论与数学建模、地磁传感器及其阵列构型、地磁传感器及其阵列标定、地磁异常场正演方法以及地磁定位理论方法与应用系统等，共六个章节，部分内容渗透了地磁探测与定位技术前沿问题。由于《地磁探测与定位技术》研究生课程只有16学时，因此授课教师无法将课程所有内容都在课堂上讲，授课教师在课堂上只需讲解课程的重难点知识片段。如在“最佳时域”运用讲授法传授学科知识，学生注意力不集中时，运用提问、讨论等方法组织教学；将课程的部分非重点内容选为研究生自主学习对象，将自主学习定为常规教学环节，通过课前自学和课堂重点讲授以加强对课程重难点知识的理解和运用。

本课程的部分内容需要研究生进行自主学习，这对研究生学习能力的养成有重要作用。利用图书馆资源、各专业相关学科网站和论坛、MOOC以及网络课程、教学资源库等等资料来源途径检索、搜集学习资料，进行学习资源分类、归纳和总结，编制本研究生课程的教材和自学课件，通过雨课堂平台推送给学生，为研究生自主学习提供必要的学习资料。利用微信、学习论坛等工具或平台解决研究生在自学过程遇到的问题和疑问等。

1.2 科研训练与课程内容深度融合

轻学习、重科研是研究生培养环节突出问题，很多研究生认为课程学习对科研工作作用不大，尤其是当课程学习内容和实际科研内容有所差距时，这种负面学习情绪更为明显。在研究生课程学习中引入基于问题学习（PBL）教学方法，通过研究生自我激励、学习目标设置、独立研究与自我引导式学习，培养研究生主动探究精神。因此有必要将课程内容与科研训练深度融合，发挥研究生主观能动性，促进研究生创新能力培养。此外研究生课程与科学研究紧密相连，既有学科知识，又有科学研究方法、科研伦理道德规范的教育，更有科学研究思维训练。所以结合课程团队学术方向和有关科技文献，设计本研究生课程科研实训项目，利用科研条件搭建科研实训项目平台。让学生对实训项目系统功能和实践应用有所了解，并在教师引导下自主完成实验内容。

在科研平台建设上，团队积极整合资源购置中等磁源、高功率驱动放大器、三轴无磁转台、多套多类型磁强计以及电子测试测量设备等，为本研究方向研究生搭建相对良好的科研实践环境，保障地磁探测与定位技术研究生课程改革顺利实施。

例如研究生利用科研平台提供的三轴无磁转台和磁强计等科研仪器学习了《地磁探测与定位技术》课程中地磁传感器与阵列标定方法。分别是矢量标定法和标量标定法。矢量标定法原理为：使用已知精确矢量磁场为标准对三轴磁通门磁强计进行标定。通常用于磁强计校准的矢量环境是地球磁场环境。

图1 矢量标定法科研训练场

标量标定法需要屏蔽外磁场，磁屏蔽室环境由哈尔滨工业大学提供。

图2 标量标定法磁屏蔽环境

通过实验测量学生真正理解和掌握地磁传感器与阵列的标定方法实现知识内化，在数据梳理过程中发现磁场信号准确度对标定效果有很大影响。在真实环境中进行实验时，磁强计所处环境中存在诸多不确定因素，会导致得到的信号受不同程度的噪声污染。需通过一些信号处理方法尽可能去掉这些噪声干扰。导师建议利用信号滤波来提高磁场信号信噪比，而提升磁强计标定效果。所以在此过程中研究生要自学信号滤波等相关知识，培养了自学学习习惯，同时也激发他们研究问题的兴趣。

《地磁探测与定位技术》课程中磁梯度张量测距线性定位法对应的科研训练仪器资源由两大部分组成，分别是磁场信号发生系统和磁场信号接收系统。磁场信号发生系统由定制的通电线圈、有信号发生器和信号放大器组成。磁场信号接收与处理系统主要包括：三轴磁通门磁强计、电源箱、采集卡和电脑等仪器组成。

《地磁探测与定位技术》课程中磁梯度张量不变量定位法对应的科研训练仪器资源由磁传感器阵列、磁偶极子及信号发生器等组成。实验过程中学生们同样发现实验数据与理想情况下有一定误差，并分析总结出可能引起实验误差的六方面原因，也通过查阅文献和小组讨论建议可能减少实验误差方案。

《地磁探测与定位技术》课程中欧拉定位法对应的科研训练仪器资源由传感器阵列和传感器中端转接箱组成，如图3所示。在获得完整实测数据记录后，学生们讨论最后选择了Matlab程序执行对目标位置解算工作。过程中学生们掌握了Matlab的使用功能编程技术，为后续进行科研工作奠定基础。

图3 欧拉定位法对应的科研训练仪器资源

《地磁探测与定位技术》课程中计算磁性体磁场一般积分公式通过仿真软件进行科研训练。图4（P146）是该部分科研训练流程图。图5是学生训练过程中部分仿真结果图。

图4

图5

2 结语

通过实际的科研经历和体会，利用文献比较和同行咨询等途径与方法，借鉴相近研究生课程教学改革范例，对《地磁探测与定位技术》课程内容进行剖析与分类，确定本研究生课程主要章节安排和结构体系，细化各个部分知识点和学习目标，整理各类文献，编制了本研究生课程讲义。

利用图书馆资源、各专业相关学科网站和论坛、MOOC以及网络课程、教学资源库等等资料来源途径检索、搜集学习资料，进行学习资源分类、归纳和总结，为研究生自主学习提供必要的学习资料。利用学生座谈、课程反馈等途径与方法，结合多年来的授课经验与体会，思考本课程的研究生自主学习与相对应的教法。

根据课程团队成员多年来在地磁探测与定位技术领域的研究成果和有关科技文献，结合实验的科学性、综合性、系统性、创新性、可操作性和安全性，设计本研究生课程科研实训项目，确定实验目标，重点考虑实验项目内容所关联课程知识点以及实训的实验技能。利用地磁探测与定位技术研究方向所具备的科研条件搭建科研实训项目平台。探讨了自主学习与科研实训双轮驱动方法，为培养创新能力强的高素质研究生提供了重要支撑。希望本文工作可以为相关专业的研究生教学改革提供有益参考。