大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐啟蒙課程“一體化”體系建設(shè)

呂淑平，孫 蓉，于 鑫，管鳳旭，韓云濤

(哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

大力開展課外科技創(chuàng)新活動(dòng)是高校實(shí)施教學(xué)改革，培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的重要舉措之一[1]。近年來(lái)哈爾濱工程大學(xué)在“創(chuàng)新推動(dòng)，打造品牌”人才培養(yǎng)戰(zhàn)略指導(dǎo)下，大力推進(jìn)以大學(xué)生科研訓(xùn)練和學(xué)科競(jìng)賽為主要形式的本科生科研訓(xùn)練和創(chuàng)新活動(dòng)，積極構(gòu)建研究型大學(xué)本科生參與科研和創(chuàng)新活動(dòng)的平臺(tái)，建立了多位一體的學(xué)生科技創(chuàng)新支持體系，包括學(xué)生科技創(chuàng)新基金、創(chuàng)新學(xué)分、創(chuàng)新獎(jiǎng)學(xué)金、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)基金、個(gè)性化保送研究生、實(shí)驗(yàn)室開放等，以“一學(xué)院一個(gè)品牌”為標(biāo)志的學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)普及開展[2-4]。

筆者在從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科技創(chuàng)新工作中發(fā)現(xiàn)一個(gè)普遍存在的問題，由于引導(dǎo)和啟蒙不夠，好多學(xué)生在開始從事科技創(chuàng)新時(shí)比較打怵，尤其是低年級(jí)本科生不知如何邁進(jìn)科技創(chuàng)新大門，導(dǎo)致好多有潛力的學(xué)生被埋沒，創(chuàng)新能力沒有被挖掘。因此如何降低創(chuàng)新門檻，通過加強(qiáng)引導(dǎo)和啟蒙把學(xué)生領(lǐng)入科技創(chuàng)新大門是“創(chuàng)新普及”要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。

在美國(guó)，許多高等學(xué)校為了培養(yǎng)高素質(zhì)的人才，從學(xué)生一入校起，就讓他們?cè)诮處熤笇?dǎo)下從事一些科研活動(dòng)，有目的、有計(jì)劃地對(duì)他們進(jìn)行系統(tǒng)的科研訓(xùn)練，使他們盡早熟悉科學(xué)研究的程序和方法，在科研活動(dòng)中培養(yǎng)學(xué)生的科研能力[5-6]。

為此，我院從2011年開始面向二年級(jí)本科生開設(shè)了“創(chuàng)新認(rèn)知與實(shí)踐”必修課程。該課程共32學(xué)時(shí)，前4學(xué)時(shí)統(tǒng)一授課，主要介紹示波器、波形發(fā)生器、頻率特性測(cè)試儀、車床等常用測(cè)試及加工設(shè)備的使用，后28學(xué)時(shí)是實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生利用課堂時(shí)間在教師引導(dǎo)下完成一件科技作品的制作。本文就“創(chuàng)新認(rèn)知與實(shí)踐”課程的開展與“一體化”體系建設(shè)作介紹。

1 課程建設(shè)的核心要素

“創(chuàng)新認(rèn)知與實(shí)踐”課程旨在增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、樹立團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和提升學(xué)生創(chuàng)新水平。學(xué)生通過親身實(shí)踐，利用課堂時(shí)間在教師引導(dǎo)下逐步掌握一項(xiàng)作品的軟硬件組成原理、設(shè)計(jì)方法、調(diào)試方法及一個(gè)創(chuàng)新作品完整開發(fā)過程，進(jìn)而使學(xué)生盡早熟悉科學(xué)研究和科技創(chuàng)新的程序和方法，為今后參加科研和各類科技創(chuàng)新活動(dòng)打下基礎(chǔ)。所以本課程定位重在引導(dǎo)性和實(shí)踐性。

國(guó)外大學(xué)普遍認(rèn)為，大學(xué)教學(xué)最好的方式是基于項(xiàng)目的研究型教學(xué)，在“做”項(xiàng)目的過程中，學(xué)生驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)過程[7-8]。由此確定課程建設(shè)的核心三要素：

(1) 要素一：以科研、工程實(shí)踐典型小范例設(shè)計(jì)與制作為主線，利用項(xiàng)目教學(xué)法，將教學(xué)內(nèi)容與工程實(shí)際相結(jié)合，基于項(xiàng)目把課程內(nèi)容關(guān)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)建“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

(2) 要素二：以“做中學(xué)”為指導(dǎo)方法, 更新教學(xué)觀念，實(shí)施以工程教學(xué)模式為基礎(chǔ)的整體化的能力培養(yǎng)，循序漸進(jìn)、由淺入深，把學(xué)生領(lǐng)入創(chuàng)新實(shí)踐和科學(xué)研究的大門。

(3) 要素三：以小組合作式的學(xué)習(xí)方式，實(shí)施課內(nèi)集中指導(dǎo)，課外完全開放的管理模式。培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)、溝通協(xié)調(diào)能力和主動(dòng)學(xué)習(xí)能力。

2 “一體化”課程體系建設(shè)

圍繞“三要素”，將理論與實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來(lái)，把課程關(guān)聯(lián)成一個(gè)有機(jī)的整體，基于項(xiàng)目實(shí)施“一體化”課程體系建設(shè)。“一體化”課程體系包括：教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、師資隊(duì)伍、配套教材、教育方法和教學(xué)評(píng)價(jià)等。

2.1 構(gòu)建“四平臺(tái)”教學(xué)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.1.1構(gòu)建“四平臺(tái)”實(shí)驗(yàn)

本課程是面向自動(dòng)化類專業(yè)學(xué)生開設(shè)的，基于國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和校企共建實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，由課內(nèi)到課外共開出“四平臺(tái)”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可以根據(jù)自身基礎(chǔ)、能力、興趣和專業(yè)方向自由選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。其中第一、二、三平臺(tái)為學(xué)生必選內(nèi)容，對(duì)應(yīng)課內(nèi)教學(xué)；第四平臺(tái)為學(xué)生選做內(nèi)容，對(duì)應(yīng)課外科技創(chuàng)新。

(1) 第一平臺(tái)實(shí)驗(yàn)：以電子線路、傳感器、微特電機(jī)等設(shè)計(jì)及應(yīng)用為主的創(chuàng)新項(xiàng)目。

(2) 第二平臺(tái)實(shí)驗(yàn)：以單片機(jī)、PLC、FPGA等開發(fā)及應(yīng)用為主的創(chuàng)新項(xiàng)目。

(3) 第三平臺(tái)實(shí)驗(yàn)：以電力電子技術(shù)、新能源技術(shù)等自動(dòng)化技術(shù)綜合應(yīng)用為主的創(chuàng)新項(xiàng)目。

(4) 第四平臺(tái)實(shí)驗(yàn)：以參加各類創(chuàng)新項(xiàng)目、科研立項(xiàng)、大學(xué)生競(jìng)賽項(xiàng)目等為主的創(chuàng)新活動(dòng)。

近3年課程組根據(jù)科研、工程實(shí)際項(xiàng)目分解成小的科研案例進(jìn)行開發(fā)調(diào)試，針對(duì)第一、二、三平臺(tái)開發(fā)建設(shè)70余項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，現(xiàn)已全部用于課程中。課外開展全國(guó)大學(xué)生工業(yè)自動(dòng)化挑戰(zhàn)賽、全國(guó)電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競(jìng)賽等8項(xiàng)大賽，指導(dǎo)學(xué)生科研立項(xiàng)100余項(xiàng)。開出的典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示。

表1 典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

2.1.2 教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)

本課程構(gòu)建的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)環(huán)境特點(diǎn)如下：

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富且并且具有較強(qiáng)的工程性和綜合性。學(xué)生可按專業(yè)或興趣有針對(duì)性、有選擇性地學(xué)習(xí)，滿足各類學(xué)生的需求。

(2) 課內(nèi)課外結(jié)合。課內(nèi)以電子線路、傳感器、單片機(jī)、PLC等開發(fā)及應(yīng)用為普及教育，課外以開展競(jìng)賽、創(chuàng)新項(xiàng)目為實(shí)戰(zhàn)，使課內(nèi)教學(xué)有效延伸到課外，逐步提升學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。

2.2 保障課程效果，組建強(qiáng)大教師隊(duì)伍

本課程面向全院開設(shè)，每年有13～14個(gè)教學(xué)班，近500余人，學(xué)生量大。為保證課程的開出效果以及培養(yǎng)目標(biāo)要求，按小組實(shí)施教學(xué)，2～3名學(xué)生為一組，每組一個(gè)課題，每位教師指導(dǎo)不超過10組，因此需要強(qiáng)大的指導(dǎo)教師隊(duì)伍。課程組在我院青年教師中進(jìn)行試講，選拔科研經(jīng)歷豐富、動(dòng)手能力強(qiáng)，并熱心指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新工作的教師共18人，按每位教師的專長(zhǎng)分成傳感器組、51單片機(jī)組、Freescale單片機(jī)組、英飛凌單片機(jī)組、凌陽(yáng)單片機(jī)組、FPGA組、PLC組、新能源組、電力電子組等。每組指定負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)本組實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的建設(shè)和指導(dǎo)工作。

2.3 基于項(xiàng)目進(jìn)行教材建設(shè)

組織骨干任課教師，以近3年開發(fā)的70余實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，編寫了“科研訓(xùn)練范例”課程教材。

(1) 該教材面向自動(dòng)化類專業(yè)本科生進(jìn)行創(chuàng)新啟蒙教學(xué)，定位為科研素質(zhì)培養(yǎng)的基礎(chǔ)教材。初學(xué)者通過書中的實(shí)例，逐步掌握實(shí)例的軟硬件組成原理，設(shè)計(jì)方法、調(diào)試方法及一個(gè)創(chuàng)新作品完整開發(fā)過程。

(2) 該教材內(nèi)容包括常用傳感器、系列單片機(jī)、可編程控制器及FPGA等基本知識(shí)及具體應(yīng)用范例開發(fā)設(shè)計(jì)過程。編寫時(shí)側(cè)重范例具體工程設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，把對(duì)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)與案例相聯(lián)系。

(3) 在闡述科研范例時(shí)，按著設(shè)計(jì)內(nèi)容、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及進(jìn)一步擴(kuò)展與提高的格式，從常用的功能出發(fā)，力爭(zhēng)用通俗易懂的語(yǔ)言，由淺入深，系統(tǒng)介紹了各種處理器及控制器的結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)方法，功能逐步由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，適合初學(xué)者循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)方式。

2.4 實(shí)施團(tuán)隊(duì)形式的教育方法

研究性教學(xué)是國(guó)際上普遍認(rèn)同和實(shí)施的一種新的教學(xué)模式，創(chuàng)新人才培養(yǎng)必須是以科學(xué)研究為根基的探究式學(xué)習(xí)[9-12]。課程實(shí)施團(tuán)隊(duì)形式的教育方法，努力做好3個(gè)環(huán)節(jié)。

(1) 第一個(gè)環(huán)節(jié)：探究式教學(xué)。在實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)問題，以點(diǎn)撥、提問和相互探討等方式幫助學(xué)生解決問題。

(2) 第二個(gè)環(huán)節(jié)：課堂討論。設(shè)置課堂討論環(huán)節(jié)，由學(xué)生和教師共同探究問題、解決問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，學(xué)生在與老師的探究中完成科技作品制作。

(3) 第三個(gè)環(huán)節(jié)：團(tuán)隊(duì)合作。通過項(xiàng)目的研究和小組合作方式，把個(gè)人學(xué)習(xí)與團(tuán)隊(duì)合作學(xué)習(xí)相結(jié)合, 促進(jìn)團(tuán)隊(duì)溝通和合作, 使學(xué)生在提高知識(shí)和能力的同時(shí), 培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)，提高團(tuán)隊(duì)合作能力。

2.5 實(shí)施多元化成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式

課程以多種考核形式為手段，立足于學(xué)生整體素質(zhì)發(fā)展，考核學(xué)生多方面能力，實(shí)施多元化的成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)方式。考核內(nèi)容包括考勤、實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)、設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫、作品觀看、匯報(bào)與答辯。

(1) 考勤占5%：重點(diǎn)考核學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度、自我約束和自我管理能力，樹立嚴(yán)謹(jǐn)守紀(jì)、蓬勃向上的學(xué)風(fēng)。

(2) 實(shí)驗(yàn)過程表現(xiàn)占20%：重點(diǎn)考核學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力、實(shí)踐操作能力和實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)能力，以及小組合作組織協(xié)調(diào)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

(3) 設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫占30%：重點(diǎn)考核學(xué)生知識(shí)點(diǎn)歸納能力，科技實(shí)驗(yàn)總結(jié)能力和綜合分析問題能力。

(4) 作品觀看占20%：重點(diǎn)考核學(xué)生實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)造創(chuàng)新能力，培養(yǎng)學(xué)生自主實(shí)踐、主動(dòng)創(chuàng)新的精神。

(5) 匯報(bào)與答辯占25%：重點(diǎn)考核學(xué)生交流表達(dá)及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，講述總結(jié)自己所做工作的能力，考核學(xué)生敘述的條理性及溝通應(yīng)變能力。

3 后勤保障

本課程學(xué)生量大，耗材需要量大，要保證課程開出效果，達(dá)到教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，后勤保障是關(guān)鍵。

(1) 配備基本測(cè)試設(shè)備和工具。每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)必須配備萬(wàn)用表、示波器、焊接工具等基本測(cè)試儀器和工具，以備學(xué)生隨時(shí)使用。

(2) 配備專門元器件儲(chǔ)存室。制定元器件管理制度，由專人負(fù)責(zé)元器件購(gòu)買、落賬、發(fā)放、回收以及學(xué)生課堂作品的收集、整理等工作。

(3) 配備專門機(jī)械設(shè)備加工室。由專人進(jìn)行操作、維護(hù)和管理，負(fù)責(zé)幫助和指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與加工。

(4) 配備課程專項(xiàng)使用經(jīng)費(fèi)。學(xué)校每年專項(xiàng)撥款1.5～2萬(wàn)元，平均70元/每組學(xué)生，支撐學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目制作，用于購(gòu)置元器件、耗材等用品，確保課程開出質(zhì)量。

4 預(yù)期成效

一個(gè)作品相當(dāng)于一個(gè)小型科研項(xiàng)目，完成一個(gè)作品整個(gè)過程就像完成一個(gè)科研項(xiàng)目一樣，對(duì)科學(xué)研究起到很好的啟蒙作用，對(duì)綜合能力的鍛煉不僅包括對(duì)知識(shí)的獲取能力，同時(shí)還包括對(duì)學(xué)生合作協(xié)作能力、解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)；經(jīng)過答辯、匯報(bào)、小組討論、師生交流等過程，不僅僅提升學(xué)生的與人溝通能力、表達(dá)能力，而且還在這些過程中培養(yǎng)了學(xué)生勇于自我學(xué)習(xí)、自我表現(xiàn)。

基于第四實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，舉辦和指導(dǎo)校內(nèi)外競(jìng)賽、支撐學(xué)生課外科研和創(chuàng)新立項(xiàng)，每年參與人數(shù)1 000余人次。據(jù)2013統(tǒng)計(jì)，科技創(chuàng)新作品獲國(guó)家特等獎(jiǎng)3項(xiàng)、國(guó)家一等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國(guó)家級(jí)二等獎(jiǎng)5項(xiàng)、省級(jí)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)、省級(jí)二等獎(jiǎng)12項(xiàng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

有組織地開展本科生科研訓(xùn)練是培養(yǎng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新精神的有效途徑，在學(xué)校人才培養(yǎng)中發(fā)揮日益重要的作用。本文以“創(chuàng)新認(rèn)知與實(shí)踐”課程的開展和建設(shè)為突破口，啟迪學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，營(yíng)造創(chuàng)新的學(xué)術(shù)氛圍與校園文化環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和可持續(xù)發(fā)展能力。

[1] 劉志剛.三分天下有其一：加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作, 培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2009，28(2)：1-4.

[2] 劉志剛.協(xié)同化教學(xué)育英才[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(1)：1-3.

[3] 劉志剛.協(xié)同化教學(xué)育英才(續(xù))[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012，31(2)：1-3.

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