基于工学并举思想的本科生导师制实践与探索

段书用，陶友瑞，肖 森

（河北工业大学，天津 300401）

本科生导师制起源于研究生导师制，基本实施方式是为本科生配备导师，实现教书育人理念与教师教学实践的融合，突破班级以单向传授为主的授课模式，在学业规划、学习过程、科研探索及品德素养等方面全方位辅导本科生的一种互动式培养制度[1]。早在2002 年，北京大学就实行了本科生导师制。2005 年，教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》要求有条件的学校推行导师制，本科生导师制的实施成为提升本科教学质量，加快推进和实现“双一流”建设目标的重要措施[2]。

二十年来，国内众多学校实行了本科生导师制，取得了较好的教学效果[3-5]。然而，曾艳玲等[6]的调查表明：大多数本科生不了解本科生导师制，班主任和科研导师还没有充分履行职责，存在导学断层现象。李军毅等[7]认为在本科生导师制的实施过程中存在认识不到位、导师和学生之间互动性较差、缺乏有效的规章制度和激励机制等问题。王志远等[8]认为，本科生导师制中存在“学院—导师—学生”闭环体系缺失、师资力量不够、互选机制不完善、师生互动不足、缺乏激励机制和缺少评估体系等急需解决的问题。可见，不断完善本科生导师制，探索更为有效的导师制培养模式并进行教学实践，仍然任重道远。为此，河北工业大学结合学校的办学特色和办学历史，基于“工学并举”的办学思想，依托学校主要的科研团队和科研平台，创新性地实施了“创新拔尖班”的本科生培养模式。基于此，本文提出了“工学融合和轮值组长”为特色的“拔尖班”本科生导师制教学模式，并在机械工程学院的车辆工程专业进行了教学实践，取得了较好的教学效果，为高质量本科生的培养提供了新思路。

一、本科生“创新拔尖”学生培育计划

为贯彻落实全国教育大会和新时代全国高等学校本科教育工作会议精神，根据《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》[9]等相关文件精神，推进本科生专业培养与学科建设深度融合，探索新工科人才培养模式，加快学校本科生创新研究型人才培养步伐，河北工业大学自2019 年起实施创新拔尖学生培育计划（以下简称拔尖计划），如图1 所示。该计划依托学校元光学者高水平专家科研团队和国家级、省部级重点实验室、专业实验室和实验教学示范中心，搭建面向创新拔尖人才培养的科研创新平台，将高水平科研团队引入本科人才培养体系，引导优秀学生投身科学研究，实现培养具有创新精神和能力的拔尖人才之目标。

图1 创新拔尖培养实施方案

本科生导师制采取项目式教学，学生可依据导师建议的或自主设计经导师认可的项目在全校范围内（含研究生）自主选课。导师引导学生参与科研团队各项活动，通过各环节锻炼，激发其对科学研究的热情，掌握科学研究方法，提高科研创新能力。学生通过学校搭建的跨学科平台选择有兴趣或项目需要的课程进行学习，自主立项或参与导师科研项目，提前进入科研项目实践阶段。

实施“拔尖计划”过程中，导师通过“创新”和“拔尖”两个方面培养学生的能力。“创新”方面，依据学生进入拔尖培养的时间先后，进行创新引导、创新实践和创新研究三个层次的培养，每个阶段时间大概为1 个学期，循序渐进。“拔尖”培养方面，通过参与工程设计或者科研项目实施，主要包括拔尖专业实践、拔尖科技实践和拔尖技术攻关三个层次，与“创新”能力同时培养。在要求学生严格完成人才培养方案中思想政治理论课规定的课程和学分的同时，科学合理设计思想政治教育内容，通过课程学习、研讨交流和讲座活动等形式组织开展思想政治教育，全面加强学生思想政治素养，力求培养德才兼备的高素质人才。

2019 年经过层层选拔，252 名同学成为首届“拔尖班”学生，这些学生融入学校的78 个教学团队，在23 个科研平台“一展身手”。经过培养，252 名同学中仅仅有少数几名同学因个人原因没有通过联合考核，教学效果已经得到了充分展示。接下来，以车辆工程专业的学生为例，对“拔尖班”本科生导师制、培养过程和培养效果等方面进行详细阐述。

二、“工学融合和轮值组长”为特色的培养模式

（一）基于“工学并举”思想的工学融合培养模式

河北工业大学的前身是1903 年建立的北洋工艺学堂，学校创办之初，学堂总办、中国近代著名实业家、实业教育家周学熙先生提出了“学堂为人才根本，工艺为民生之计，二者固宜并重；工艺非学不兴，学非工艺不显”的办学思想，强调学堂“以教育培植工艺上之人才，注重讲授理法，继以实验；卒业后能胜任教习、工师之职，以发明工业为宗旨”，使学生“既习其理又习其器”[10]。“工学并举”基本含义为理论教学与工程实践相结合，对工科专业而言，本科生导师制的一个重要方面是本科生融入到导师的科研项目研究中，通过了解和参与项目研究，将课堂中的理论知识与工程实践联系起来，一方面加深对理论知识的理解，另一方面在工程实践中发现新的问题，促进理论知识学习。可见，“工学并举”的办学思想与本科生导师制高度契合，二者都要求理论知识与工程实践的高度融合。

通过以上分析，并结合“工程教育专业认证”的要求，提出了如图2 所示的“工学融合”的拔尖班本科生导师制培养模式。其基本内涵为：以工程问题为导向，以提升分析复杂工程问题能力为培养目标。以工程问题导向的培养模式，其本质是区别于课堂理论教学，强调通过工程问题牵引，引导学生将所学的理论知识分析工程问题，与“工学并举”中的“学非工艺不显”一脉相承。提升分析复杂工程问题能力，是工程专业认证的要求，也是本科生导师制的培养目标，本科生通过参与科研项目和工程实践，使其能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理、识别和表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论，与“工学并举”中的“工艺非学不兴”高度一致。

图2 “工学融合”本科生导师制

本文作者指导了车辆工程专业大二“拔尖班”本科生5 名，全部参与到风电塔筒爬壁机器人项目组中，安排一个博士生和三个硕士生共同进行指导，通过一个培养周期以后，取得了很明显的培养成效。

在指导过程中，贯彻以工程问题导向的培养模式。例如，对于采用永磁吸附的爬壁机器人有大负载性能需求，在实验过程中，发现当机器人爬行在倾斜壁面上时，其自身重力将会主要作用在上下两个极限位置的吸附单元上，铰链式连接的履带吸附模块极易于自上而下逐个从金属壁面脱落。在实验中发现该现象以后，便将如何提高机器人的负载水平这一工程问题作为“拔尖班”本科生的研究切入点。由于学生亲自参与实验，对该现象和问题理解比较深入，学生们综合利用理论力学课程的力学分析计算、机械设计课程中的传动方案设计、机械零件和工程图学课程中的零部件设计，提出了一种新型的载荷分散机构实现了在不增加永磁吸附单元的吸附力的情况下，保证机器人能在壁面安全吸附。

学生在解决该工程问题中，“拔尖班”本科生综合运用了多门课程的理论知识，很好地实现了工程问题牵引效果，也加深了对课堂理论知识的理解，凸显了“学非工艺不显”这一理念。基于以上成果，“拔尖班”本科生成功获得了载荷分散机构的发明专利。更重要的是，在实施导师制过程中，由于导师与学生们就项目实施学生进行充分交流沟通，导师进行了全方位的指导，充分履行了导师职责，杜绝了导学断层的现象，解决了文献[6]提出的问题。

另外，专业方向综合训练是车辆工程专业的核心实践类课程，对于机械的动力学而言，其动力学模型一般用于分析车辆的平顺性和车辆操纵的稳定性。而在爬壁机器人转向过程中，其转向力学分析与常规的车辆转向力学分析存在差异，主要表现在爬壁机器人利用左右驱动装置差速运动实现机器人的壁面转向动作，并且爬壁机器人在转向过程中，在不同姿态下所需的驱动力是不同的。因此，“拔尖班”本科生进行爬壁机器人的转向力学分析时，不仅要运用相关理论课程中学到的理论，同时需要考虑爬壁机器人的特殊工况，是一个复杂的工程问题，对学生的问题分析能力要求比较高。

“拔尖班”本科生通过对该问题进行分析，在模型中综合考虑了机器人自身重力产生的阻力矩及磁吸附单元拉起阻力矩，也考虑了磁铁吸附的摩擦力矩，提出了爬壁机器人水平转向和垂直转向两个典型工况下的力学分析模型。可见，学生利用所学课程的基本原理，并通过文献和实验研究提升分析复杂工程问题的能力，为有效解决工程问题提供了方法支撑，充分展现了“工艺非学不兴”的办学思想，也充分体现了“工学融合”导师制的优势。同时，在实施过程中，指导老师以“导”为主，以“教”为辅，这样有利于充分调动学生的积极性，有力地解决了文献[7]提出的导师和学生之间互动性较差的问题。

（二）基于“轮值组长”的本科生导师制培养模式

本文作者从2017 年以来连续5 年参加车辆工程专业的毕业生座谈会和部分本科毕业生校友回母校座谈会，学生们都提到在校期间应该增加沟通交流能力培养和团队意识方面培养，增强科研方法的培养。因此，本文作者提出了“轮值组长”的本科生导师制培养模式，如图3 所示。实施过程中，以工程问题导向，学生参与到工程设计或者科研项目中，明确目标。以此为牵引，充分利用其学到的基础理论和专业知识分析和解决问题，以提升分析复杂工程问题能力，实现“工学并举”。“轮值组长”培养方式包括，按照任务进行组长轮值、分层管理和定期进行汇报讨论等内容。

图3 “轮值组长”本科生导师制实施方案

首先，“拔尖班”本科生组长按照任务而不是定期进行轮值，组长的职责近似于项目经理，负责任务方案讨论、全程跟踪、协调和推进和定期汇报。例如，在本文作者指导的5 名“拔尖班”本科生中，依据任务分别安排了“数据分析与处理”“多自由度机器人结构”“载荷分散机构”“机器人三维建模”“机器人动力学仿真”“机器人安装与调试”等轮值组长。教学实践表明，虽然轮值组长的时间长短不一，任务的难易程度不一，轮值组长都能够按照任务要求，自主协调其他同学共同推进任务完成。

其次，本科生导师制中实行“分层管理”，包括本科生内部基于轮值组长的管理、研究生对本科生的管理及指导老师对本科生的指导管理三个层级。第一个层级基于轮值组长的管理前面已经进行了讨论；第二个层级，由于研究生已经具有一定专业知识和科研能力，对于课题研究所需的理论知识较为熟悉，能较好地对本科生进行日常的学业和研究上的指导；第三个层级，指导老师主要对本科生提出的任务实施方案、关键问题等方面进行把关。例如，载荷分散机构的实施方案中提醒学生特别关注机器人的曲面适应性问题。

最后，要求“拔尖班”本科生定期进行汇报讨论，汇报材料由组员提供，轮值组长进行汇总和整理，并进行汇报。除了因任务需要安排的临时讨论以外，一般每个月至少采用PPT 集中汇报讨论1 次。通过这种培养模式提升了本科生在工作中的团队合作能力、沟通交流能力和组织管理能力，同时为培养从事工程项目管理、生产管理人才打下了坚实基础。

更重要的是，在实施“轮值组长”的过程中，作者发现，这种模式更有利于本科生能够充分利用其学到的基础理论和专业知识进行分析和解决问题。作者认为主要原因在于：相比于导师直接指导，学生们更容易质疑“轮值组长”提出方案或者结论，从而会在学生们之间产生相互批判，进而引发激烈讨论。在讨论争辩中，一方面有利于加深对于所学理论和专业知识的理解，另一方面有利于提出更好的解决方案，从而提升复杂工程问题分析能力，达到“工学并举”和“工学融合”之目标。

通过一个培养周期的教学实践，本文作者指导5 名本科生获得了以下成果：全国大学生数学建模省奖、美国大学生数学竞赛H 奖、全国大学生先进成图技术与产品信息建模创新大赛中的三维比赛省奖和8 项发明专利。可见，要相信学生的智慧和能力，要敢于放手让学生去管理学生，更要让学生拿出智慧自己解决问题。另外，这种培养模式更有利于激发每个学生的精、气、神，有利于调动他们的积极性，实现由“要我学”到“我要学”。

同时，学校制定了相关政策鼓励学生积极参加各类创新及学科竞赛、创业大赛和科技创新活动，鼓励导师担任各项竞赛指导教师，并为学生参赛提供实验与研究支持。更重要的是各学院不定期组织课程教师、专业负责人、科研团队负责人等举办研讨或沙龙活动，探讨计划实施过程中的经验和不足，不断完善培养计划，为“拔尖创新”学生导师制的实施提供制度保障。有力地解决了本科生导师制实施过程中“学院—导师—学生”闭环体系缺失、师资力量不够的关键问题，为拔尖班导师制的推广实施提供了重要依据。

三、结束语

本文作者传承河北工业大学“工学并举”的办学思想，在“拔尖班”本科生的培养模式基础上，提出了“工学融合和轮值组长”为特色的本科生导师制培养模式，并在车辆工程专业进行了教学实践，取得了很好的教学效果，主要表现在，有力地解决了本科生导师制实施过程中“学院—导师—学生”闭环体系缺失、师资力量不够、导师不充分履行职责、导学断层、学生参与积极性不高、导师和学生之间互动性较差等关键问题。教学效果表明本科生对复杂工程问题分析能力显著提升，同时学生的思想政治水平也得到了提高。该培养模式为促进本科教学质量的提高，全面提高人才培养能力，加快建设高水平本科教育具有重要的现实意义，具有较强的实操性和推广价值。