群體智能“深度團隊”的拔尖大學生創新科研能力培養模式研究與實踐

郝國成，　趙　娟，　王　巍，　王國洪

(1.中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院，武漢 430074;2.杜克大學 數學系，NC Durham 27708 美國)

0　引　言

國務院《關于深化教學改革，全面推進素質教育的決定》中指出：“高等教育要重視培養大學生的創新能力、實踐能力和創業精神，普遍提高大學生的人文素質和科學素質[1]。”創新素質已成為工科大學生品質的第一構成要件，是衡量高校教育質量和學科水平的關鍵指標[2]。以團隊模式開展大學生科研活動，是高校創新型人才培養的有效模式之一。其優點是集體智慧引領，分享并創造知識，縮短創新過程的時間成本，提高科研學術產出的效率[3-6]。但由于本科生存有課業學習、興趣愛好、社會兼職或社團活動等壓力，組內成員很難做到步調一致，導致大學生團隊申報項目時熱情高漲，中間執行時逐漸冷卻，團隊松散乏力，效果不佳，難繼初衷[7-8]。針對這些問題，本文提出基于 “群體智能”的“深度團隊”建設模式，即依托群體分布式智能、基于相對固定的物理空間、導師子群項目驅動、團隊深度協作、長效過程管理和多節點考核的“深度團隊”模式。通過該培養模式，鍛煉學生在群體智能理念的引導下，形成深度團隊，充分發揮團隊個體的最佳優勢，同時又互為補充，提高科研課題的效率，促進學生對某一興趣點的縱深挖掘，強化學生的技術厚度，提高他們的學術理解和協作意識，進而加快培養拔尖大學生的創新科研能力。

1　大學生創新實踐能力培養現狀

1.1　國外高校的培養舉措

西方國家高校重視以團隊模式來培養大學生的科研能力，推崇“興趣驅動”，提倡“小組合作”“團隊合作”“組織學習”和“頭腦風暴”等理念[9-10]。19世紀初，德國洪堡與柏林大學提出了“教學與研究的統一”原則，提倡科研是最好的教學，開啟了本科生參與科研的嘗試[11]。20世紀初，美國根據本國實用主義傳統發展了洪堡模式，康奈爾大學及后來的霍普金斯大學主張開展普通教育的同時，也進行專業教育，大學教學必然通過科學研究來喚醒和發展具有創造性和認知性的精神力量[12]。美國研究型大學經過一個多世紀的探索，本科生的培養模式從通才轉向實用人才和創新人才[9,13-14]。美國麻省理工(MIT)學院創立本科生研究機會計劃“The Undergraduate Research Opportunities Program”(UROP)，率先使本科生參與科研制度化。MIT每年有2 500多名學生參與該計劃，該校已畢業本科生在4年學習期間幾乎至少1次參加過這一計劃[15]。斯坦福大學推行“The Stanford Undergraduate ResearchOpportunities”(URO)計劃，強調本科生參與研究工作是培養創新人才的重要一環。這個計劃體現了斯坦福大學的教學精髓及本科生教育的核心：為科研機構培養未來的精英。URO鼓勵學生獨立完成研究項目，為學生直接參與研究機構的工作提供機會。學校專門設立基金，資助本科生進行學術研究和開展實踐以完成畢業論文。該計劃中每年有200名本科生被授予校長獎學金，并獲得3 000美元用于下一學年的學術研究[15]。杜克大學設立了本科生科研支持辦公室(Undergraduate Research Support Office)，負責本科生科研管理，包括制定政策、審批項目、發布科研需求信息及成果展覽等。同時推出暑期pSearch項目，旨在培養本科生的初步科研技能[16]。筆者訪學所在的杜克大學西校區Gross Hall，設立了IID(Information Initiative at Duke)中心，常年推出面向大學生的5 000美金項目資助計劃，用于本科生深度參與各項目的開發活動。美國高校對本科生參與科研，普遍持開放和支持的態度，并相應的出臺了各具特點的支撐計劃。

1.2　國內高校的培養現狀

清華大學于1996年開始在國內率先開展旨在培養本科生科研創新能力的SRT計劃，每年的SRT立項數已經超過1 000項，60%以上的本科生在讀期間參加了一項或以上的SRT項目，其核心理念為：通過循序漸進的實踐過程，激發創新志趣，提升創新勇氣，加強創新能力[17-19]。浙江大學于1998年實施大學生科研訓練計劃(SRTP)，參與該項目人數占同年級人數的2/3以上，其教育理念為“以人為本，整合培養、求是創新、追求卓越”[20-21]。桂林電子科技大學環境工程專業試行導師項目驅動組建學生團隊，為團隊提供物理空間場地，研究的課題分為教師提供的探索型、工程應用型和校內資助項目[22]。南京理工大學“虛擬現實與軍用仿真實驗室”將各類縱向和橫向項目，分解為難度系數不同的子課題，每年組建4～5支大學生創新團隊，該實驗室負責人認為培養效果較好[23]。

由以上分析可以看出，國內外高校在思想認識上，一致認為引導本科生積極參加科研活動是培養大學生創新能力和實踐能力的重要途徑。就我國多數高校目前現狀而言，自上而下或自下而上的組建大學生科研團隊，建立大學生參與科研的持續機制是培養創新人才的關鍵。

1.3　現實困境

美國一流大學在本科生創新能力培養方面最明顯的競爭優勢，是使其大學生有機會參與科學研究，不斷地站在新知識的前沿。高校本科生科研團隊的建設與管理是高等教育快速發展形勢下的新課題，需要引起我們思想上的高度重視。團隊的建設過程又是一個動態的發展過程，不同階段、不同時期可能需要做出適當的調整。但同時必須看到，相較于國外高等教育對大學生創新能力的培養舉措，國內高等教育體系，無論觀念意識還是教學方式都相對落后、發展較晚且執行過程有所欠缺[24-25]。我們對于大學生科研團隊建設還不夠科學，亟待完善，表現在以下幾個方面。

(1) 被動應試教育，缺少實踐磨練。在目前來看，高校課程應試模式有其存在的必要性，尤其對于一些專業基礎課程，強調學生構建扎實的專業知識體系。但對于理工科的專業課程，大部分專業仍采用課堂灌輸，配合較少學時的實驗和實習，強調知識點的死記硬背，缺乏實踐鍛煉機會，很大程度停留在紙上談兵。對于很多被動學習的大學生而言，高分就是導向，保研、就業、出國都靠學分績點，至于是否透徹的理解專業知識，變得不是那么重要。這種制度下培養的大學生，因缺少理論轉換實踐的訓練而弱化了“出廠賦值”，欠缺特色，眼高手低，不能滿足學術科研以及市場經濟發展對高層次人才的需求。

(2) 注重申報結題，疏于過程管理。基于各種壓力，高校更注重“學術卓越”，基金、論文、專利、獲獎等是管理者心中永恒的痛點，這些容易量化的指標可以迅速地提升學校發展的顯性地位。“教學卓越”“以學生為本”等口號，喊得越響，可能心里就越不重視，或僅僅是嘴上重視，抑或很重視，實際辦法不多，投入不夠。于是造成了與學生相關的各種實踐訓練項目，只是申報時熱熱鬧鬧，結題時拉拉橫幅，PPT走走過場。至于中間過程，無人去管。究其原因，除了管理者思想根源上的天然傾斜，也跟具體操作環節有關。由于缺少面向學生的平臺依托，缺少長效負責老師，進而導致只注重申報，忽略中間過程管理，虎頭蛇尾，潦草結題等流于形式的現象，難以將培養舉措落于實處，與提高大學生綜合素質的初衷相悖。

(3) 缺乏專業引領，團隊松散短暫。大學生組建科研團隊的時機多在大二和大三，此時已有了初步的專業認知和理解，有了更進一步提高自己和融入學科的愿望。但目前本科生大多僅憑個人興趣茫然求索，缺乏專業指導老師的引導，缺少研究生的傳幫帶。即使組成了臨時團隊，也多數較為松散，協作不充分，沒有固定研究場所，實驗條件和軟硬件環境不足，缺乏后勁，很難持續。

1.4　解決思路

如何通過構建穩定且持續的大學生團隊，進而培養拔尖大學生的創新意識和創新能力，是國內外高等教育共同關注的熱點問題，它直接關系到社會經濟的發展和創新型國家的建設[9]。針對上述存在的3個問題，本文提出一種基于“群體智能”思路的“深度團隊”建設模式：通過科研項目子群驅動，借鑒群體智能的團隊構建原則，招募并組建學生團隊。該模式實行項目群組驅動、固定物理空間、團隊靈活協作、長效過程管理和多節點考核的培養改革方案，充分利用團隊自身的平臺優勢，著力培養拔尖大學生的創新思維意識和實踐能力，通過團隊成員的深度合作與個性發展，達到或促進本科生科研能力的提高。

2　群體智能

2.1　群體智能的組織原則

群體智能是指個體的經驗知識通過局部環境或彼此的交互、匯聚并涌現出來的功能一致的集體行為[26]。群體智能的特點是最小智能但自治的個體利用個體與個體和個體與環境的交互作用實現分工協作、整體目標一致的分布式控制模式，并具有自組織、可擴展性、健壯性等特性[27]。群體智能的發揮在于其自身的5條基本原則。

(1) 鄰近原則(Proximity Principle)。群體能夠進行簡單的空間和時間計算，團隊個體可根據整體的進度，來估計個人負擔部分的完成時間和效率，并且需要固定的物理空間支撐鄰近原則。

(2) 品質原則(Quality Principle)。群體能夠響應環境中的品質因子，即優質個體的發展會帶動和促進其他后進個體的進步，具有明顯的群體示范作用，提高團隊的尋優效率。

(3) 多樣性反應原則(Principle of Diverse Response)。群體的行動范圍不應該太窄，個體的獨立思維會促進團隊的發散性觸角，幫助群體獲得更多更優解的可能性。

(4) 穩定性原則(Stability Principle)。群體不應在每次環境變化時都改變自身的行為，團隊意見具有民主集中的特點，群體執行路線取決于集體的意志，在一定程度上避免了個人認識的不足，集思廣益的團隊模式，輔以團隊老師和研究生的指導，減少團隊執行任務的彎路，具有較好的魯棒性特點。

(5) 適應性原則(Adaptability Principle)。在所需代價不太高的情況下，群體能夠在適當的時候改變自身的行為。可以根據任務的進展、關鍵技術問題的解決程度、團隊成員的臨時更迭等問題，隨時調整團隊執行計劃，保障團隊任務的順利進行。

2.2　群體智能的團隊特點

群體智能的5個基本原則與本科生科研團隊建設相結合，可使團隊具備4個方面的優勢。

(1) 強魯棒性。團隊合作具有良好的魯棒性，群體中的每個個體都能夠適應一定的“突發狀況”，不會由于某一個或幾個成員出現故障而影響群體對整個問題的求解。

(2) 低個體開銷。群體中每個個體的能力或遵循的行為規則非常簡單，因而群體智能的實現比較方便，具有簡單性的特點。基于群體智能可以降低個人的精力開銷、時間成本等。

(3) 易擴充性。由于群體智能可以通過非直接通信的方式進行信息的傳輸與合作，因而隨著個體數目的增加，通信開銷的增幅較小。因此，它具有較好的團隊擴充性，減少個體成員的增減對團隊整體的影響。

(4) 可自組織性。群體表現出來的復雜行為是通過簡單個體的交互過程突現出來的智能(Emergent Intelligence)，每個團隊成員的深度參與提升了整體的自我驅動，利于團隊及時調整，自動校正。

3　構建群體智能的“深度團隊”模式

3.1　深度團隊的構建思想

“深度團隊”培養模式的核心思想是如何在實踐中培養拔尖大學生的創新素養和科研能力。將“群體智能”屬性特點與團隊構建結合起來，形成有實際成效的“深度團隊”，該模式對本科生參與科研，培養他們的實踐能力和創新意識具有積極作用。基于群體智能的“深度團隊”模式包括：基于鄰近和品質原則的固定物理空間、基于穩定原則的項目子群驅動、基于多樣性反應原則的團隊深度協作，以及基于適應性原則的長效過程管理和多節點考核等4個主要方面。該培養模式具有長期性、延續性和師生緊密聯系等特點，屬于開放式的培養過程。該改革模式的特點在于科研項目的衍生分解、學生團隊的靈活組建以及節點考核措施的有機結合。實施要點包括：項目分解立題、宣傳招募學生、前期基礎技能培訓、項目實施過程、師生答疑、茶話討論、技術支撐、PPT節點考核展示、報告撰寫、創新性提煉、論文提綱起草等環節。在該模式的實踐培養過程中，對團隊大學生進行通用且專精的訓練，通過科研實施過程循序漸進地培養科研興趣、激發創新意識和鍛煉動手能力。

3.2　基于鄰近和品質原則的固定物理空間

“深度團隊”在于緊密的任務銜接、成員關聯、物理空間以及由此衍生的系列協同鏈條。本科生科研團隊的構建，大家關注較多的是軟環境的保障，如課題級別、創新大小、經費支撐、成員結構、實驗條件、精力投入等，往往忽略了成員的同時在線問題。團隊的成效更取決于泡在一起時間的長短，是否能更長時間的同時出現在一個桌子前，圍繞團隊課題和各自分解的任務，共同推動。這就非常需要有一個團隊共同使用的固定物理空間，俗稱團隊工作間或工作臺。全國大學生電子設計競賽是這種模式的體現，3人小組在4天3夜的通力合作下，完成良好功能性的作品，與圍繞在一個桌子前的深度合作是分不開的。很難想象團隊成員很難見面，或者沒有固定場所，儀器、資料、實驗板、元器件、筆記以及一些隨手記錄的想法都無法有效放置和保存，更談不上任務開展的延續性了。

群體智能的鄰近和品質原則可以促進關鍵信息共享和問題交流討論。團隊成員通過固定物理空間的長期集中，成員之間面對面的交流討論，及時通報各自負責的任務進度，再根據個人課業的必修情況，及時調整個體的精力分配，盡量與團隊整體協同一致。基于鄰近原則的固定物理空間提供了交流的順暢和及時性。群體智能的品質原則更是基于固定物理空間的體現，群體能夠響應環境中的品質因子，即優質個體的發展會帶動和促進其他后進個體的進步，具有明顯的群體示范作用，提高團隊的尋優效率。榜樣的力量是強大的，會給團隊注入強大的信心和堅持的力量，也會在技術路線上提供有意義的參考。“一張桌子”的需求放在“深度團隊”建設的首位，體現了它的重要性。然而在現實中也是有難度的，在研究生位置都是緊缺的條件下，本科生團隊還要空間，談何容易！但要想將本科生團隊打造成有效率的“深度”模式，要盡可能想辦法為其提高固定的物理空間，促進其鄰近和品質原則的發揮，這也是有成效團隊建設的前提。

3.3　基于穩定原則的項目子群驅動

群體智能的穩定原則是指群體不應在每次環境變化時都改變自身的行為。團隊意見具有民主集中的特點，群體執行路線取決于集體的意志，在一定程度上避免了個人認識的不足。集思廣益的團隊模式，輔以團隊老師和研究生的指導，減少團隊執行任務的彎路，具有較好的魯棒性特點。學生根據興趣自選或者突發奇想，往往由于缺乏調研和文獻梳理，多數不了了之。而教師的在研項目，具有良好的可持續性，且有一定的創新意義或實踐應用。這種帶著明確任務目標的項目驅動是本科生團隊建設的良好抓手，也是培養學生實踐能力的平臺載體。在實踐中，團隊教師將科研項目逐層分解，形成項目子群。將高難度的復合題目層層分解為低難度的子題目，將多目標降維到單目標，使學生能夠迅速地抓住題目關鍵點，盡早激發學生興趣，降低起步門檻，減少開始期的茫然階段。

穩定且可持續的項目衍生驅動，可解決本科生團隊的松散問題，也可以規范學生的科研行為。該模式可使學生細化目標，確立依托主軸，精力集中，提高效率，使團隊具有強魯棒性。

3.4　基于多樣性反應原則的團隊深度協作

群體智能的多樣性反應原則是指群體有非受限的行動范圍，可以在一定程度上充分發揮個體的行為軌跡，即團隊成員的獨立思維會促進團隊的發散性觸角，幫助群體獲得更多更優解的可能性。

實現團隊的深度協作，首先需要構建緊密的團隊。大學生“深度團隊”應由本科生、研究生和教師三部分組成，其中以本科生為核心，教師為主要指導，研究生為技術輔助，形成具有階梯性和互補性特點的高效團隊。深度團隊需要具備“靈活”協作的特點，團隊成員之間的人員更替、任務分配、內容互換、暫停后補、假期快進等方面的伺機變化，是基于時間、人員和任務的靈活協作。指導教師是整個團隊建設的關鍵，一般最好是項目負責人或骨干參與者，切忌團隊指導教師僅僅是掛名指導。研究生在團隊中起到“傳幫帶”的作用，除了提供強有力的技術支撐，還可以作為本科生與指導教師之間的橋梁，幫助營造開放的文化氛圍，促進團隊形成良好的人文關懷與互信。由于團隊成員構成的開放性和多樣性，各自從不同的認知視角分析問題，可以較好地激發群體智能的多樣性反應原則，促使團隊任務的順利開展。

3.5　基于適應性原則的長效管理和多節點考核

群體智能的適應性原則是指在所需代價不太高的情況下，群體能夠在適當的時候改變自身的行為以適應整體的環境變化。基于適應性原則的團隊建設則可以根據任務的進展、關鍵技術問題的解決程度、團隊成員的臨時更迭等問題，隨時調整團隊執行計劃，保障團隊任務的順利進行。通過建立穩定的長效管理機制和有目的的“多節點考核”，來評價團隊的有效進度。長效管理和多節點考核有機結合，設置分步考查，保障大學生團隊的穩定和有序。

節點考核的選擇具有多樣性，可以基于團隊成員個體的橫向考核，著眼于了解和評估大學生的各種平行能力，例如：基礎能力、文獻能力、實驗操作能力等；也可進行基于項目進展的縱向考核，重點考查項目的進度和執行情況。考核的形式可以多樣化，如采用周、月、季、學期相結合的定期匯報形式，也可根據課題需要隨時予以安排。每周由不同小組輪流主持報告，將前一階段的學習、研究內容、進展進行展示，既包括團隊總體的實施情況，也涉及每個成員的工作量和瓶頸問題，抑或提出自己的想法進行集體討論。通過師生組會，及時調整各階段的實施計劃，保證項目順利有效的開展。引入獎勵機制，對于考核優秀的團隊和個人，予以適當的獎勵，通過心理效應來增強學生的滿足感，進而激勵自我進步的內在要求。

4　深度團隊培養實踐

4.1　培養成效

作者依托國家自然科學基金、博士后基金、湖北省自然科學基金、武漢市科技攻關項目等建設項目子群，嘗試組織了5個拔尖學生的科研小團隊。將科研項目衍生為系列子群課題：背景綜述、機理研究、數據分析、算法實驗模擬、算法設計、傳感器仿真、硬件設計、系統設備集成、非平穩數據的時頻分析等。其特點是，研究目標明確單一，技術路線可行性強。截至目前，5個團隊都取得了較好的成績：保研5人、申請和授權國內發明專利6項、授權實用新型專利3項，已發表EI期刊文章3篇，團隊學生申請到的實驗開放基金4項、“國家級大學生創新創業訓練計劃”3項(1項重點資助，2項一般資助)。這些產出對于大學生而言，具有較好的鍛煉價值和指向意義。

4.2　深度團隊培養模式的優點

通過本模式的培養實踐，團隊成員在個人技能提高的同時，加深了對專業知識群的理解，豐滿了科研認識，也收獲了協作經驗、成就感和友誼。基于群體智能的深度團隊培養模式，符合專業大類教學的現狀且符合循序漸進的科學發展思路，為本科教學和科研作有益的探討。該培養模式的優點有:①培養學生團隊協作意識，崇尚科研的興趣，體驗探索未知帶來的成就感。②通過小組成員之間的平等交流和自由討論，促進學生加深對知識的理解，有利于大學生主動的豐滿知識結構。③通過團隊的凝聚來推動個體的前進，分工的精細化和彼此功能的銜接要求，驅使團隊成員必須不斷地完善個人所承擔的任務，有利于培養大學生獨立自主的創新能力，意識到有效協作與主動配合是團隊科研成功的關鍵。④有利于師生間的良性互動與激勵，營造良好的團隊氛圍。⑤促進教師教學與科研的延續和開展。⑥良好的榜樣示范作用，有助于帶動低年級同學參與科研。

5　結　語

《國家大學生創新性實驗計劃指南》和《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020)》提出了建設創新型國家的戰略決策，培養大學生的創新素養和提高拔尖大學生的創新科研能力愈加重要[28]。高校應充分發揮自身優勢，引入資源，挖掘資源，整合資源，充分調動更多的本科生參與科研，充分意識到參與科研是本科生提高自身創新能力與綜合素養的必由之路[24-25]。基于群體智能的“深度團隊”模式，是以教師科研項目和學生獨立科研立項為依托，通過項目子群驅動、團隊靈活協作、固定物理空間、長效過程管理和多節點考核，建立導師負責制的拔尖大學生科研團隊。完成課題的同時，提高學生的硬件開發、軟件編程、算法設計、文獻梳理、文檔歸納、論文寫作等素養，有所側重的提高拔尖大學生的獨立創新科研能力。

“深度團隊”培養模式的意義在于鼓勵拔尖大學生“深度”參與課題團隊，依靠集體的智慧促進學業和科研，對本科生創新能力、合作意識、綜合能力培養有積極作用。“深度團隊”培養模式，有利于學生開闊思路、掌握技能、增強信心，更快地適應社會需求。通過教師的積極參與，逐漸淡化純粹的教學與科研界線，促進教學與科研互惠相長。該模式是現行高校教學體制下的有益探索，能夠促進“課堂內外結合，興趣與專業相輔，學習與科研并舉，學生與教師互動”，利于建立良性的大學生學習與科研的良性生態系統，更好的促進拔尖大學生獨立學習能力和創新素養的提高。

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