拔尖大學生深度創新能力的培養模式探索與實踐

郝國成, 朱勤文

(1.中國地質大學(武漢) a. 機械與電子信息學院，b. 高等教育研究所，武漢 430074；2. 美國杜克大學 數學系，NC Durham 27708 USA)

0 引 言

培養拔尖大學生的創新能力是我國新時代發展的必然要求，在當前創新創業浪潮驅動下，有效提高大學生的整體培養質量，尤其有針對性的提高拔尖大學生的深度創新能力，是保持國家核心競爭力的關鍵[1]。關于如何培養深度創新能力，如何促進拔尖大學生的迅速成長，并使其具有可持續性、穩定性和先進性，值得高等教育工作者們認真思考與探索。國外知名高校對于大學生的實踐培養和創新拓展給予了充分的重視和支持，通過多種途徑和方法不斷地去完善其培養體系，有些較有成效的方法值得借鑒[2]。國內高校針對拔尖大學生的創新能力培養也逐漸重視起來，但往往存在形式化和浮于表面等問題，難以真正地將學有余力的拔尖大學生進行“深度”培養[3]。基于此，本文探討美國頂尖高校的創新培養舉措，通過筆者訪學的親身參與和國內的培養體會，對比國內高校培養模式存在的問題，提出面向拔尖大學生的“深度創新能力”培養模式，即基于“項目子群驅動”“團隊靈活協作”“長效過程管理”和“多節點考核”的模式結構框架。該模式強調團隊整體進步咬合需求，著眼于集體協作和創新，通過項目的子群驅動，促進團隊成員對于新知識的深入學習與思考。通過團隊的靈活分工協作，互相補充，不斷挖掘新的技術鏈接點，有效拓展創新外延，形成可持續的“深度創新”推動力。該模式可較好地建立長周期穩定的大學生團隊，調動個體的積極主動性，激發興趣和求知欲，促進培養學生的深度科研素養。

1 大學生創新能力培養中存在的問題

1.1 大學生的創新能力決定核心競爭力

隨著我國近年來多領域新技術的噴薄涌現，科技創新能力已成為國家21世紀核心競爭力的代名詞，深遠地影響著整個社會的發展速度和進步歷程。大學生作為當代知識分子群體的主要成長根基，勢必成為未來現代化建設的主力軍，大學生的創新意識和創新能力決定著國家未來發展的核心競爭力[4]。因此，培養和提高大學生的創新意識和創新能力已是目前高等教育的首要任務[5]。

1.2 美國高校的大學生創新能力培養舉措

美國高等教育體系非常重視大學生創新能力的培養，1998年美國博耶教育委員會發表了題為《重建本科生教育：美國研究型大學發展藍圖》的報告，強調高等教育中傳統知識傳遞教學方式的不足和缺陷，提出了以探究為基礎的研究型學習，并提倡對本科生進行科研培訓，培養具有創新能力的高素質人才[6]。美國高校推出各種有效的政策來引導學生從事科研活動，如麻省理工學院(MIT)為學生提供的UROP計劃(Undergraduate Rehash Opportunities Program)，資助學生開展深度科研活動，跟進學生團隊的成果發表、專利申請及后續的補充資助，促進了學生團體科研活動的展開、成果轉化及其獨立科研能力的培養[7]。

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事宜，包括制定政策、審批項目、發布科研需求信息及成果展示等。同時推出暑期PSearch項目，旨在培養本科生的初步科研技能[8]。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，每年暑假都會以項目資助方式招募大學生，組建技術攻關Team，配備充分的物理空間和軟環境。IID中心每周組織2～3次主題匯報，提供免費午餐。從結題時展示的成果來看，大部分都達到了項目設立方與學生的雙贏效果。這種針對大學生的科研訓練模式富有實效，課題負責人、指導老師和團隊成員在整個暑假期間全程參與，朝夕相處，隨時討論，內容保質保量，且呈廣域輻射面的影響著其他學生。此模式充分體現著項目驅動，團隊緊密協作，良好的過程管理及多節點優化考核。

1.3 國內高校存在的問題

相較國外高等教育對大學生創新能力的重視與培養，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，表現在以下幾個方面[9]。

(1) 應試教育，缺少實踐。目前我國高等教育的培養模式，仍較多的采用封閉環境的課堂灌輸，配合較少學時的實驗和實習，實踐鍛煉不足，很大程度停留在紙上談兵階段，考過就忘，限制了大學生的獨立思考和動手能力。這種體系下培養的大學生，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，不能滿足市場經濟發展對高層次人才的需求。

(2) 重量輕質，疏于管理。各層級組織單位針對本科生的訓練項目和學科競賽不在少數，但由于缺少面向學生的平臺依托，往往只注重申報，忽略中間過程管理，虎頭蛇尾，潦草結題，流于形式，難以真正將培養舉措落于實處，與提高大學生綜合素質的初衷相距甚遠[6]。

(3) 缺乏引領，單兵無助。大學生的科研嘗試缺少有效的指導，僅憑個人興趣茫然求索，缺乏專業指導老師的帶領，也很難有研究生給予幫助。即使組成了團隊的形式，也多數較為松散，協作不充分，實驗條件和軟硬件環境不足，缺乏后勁，很難持續。本科生在大學階段所獲得的實踐和創新能力在很大程度上決定了畢業后的工作甚至影響一生的發展軌跡。但在實際高校教學環節中，絕大部分學生缺少真正意義的實踐機會。從而導致大學生邁出校門，走上工作崗位，會因為缺少實踐訓練和創新意識而倍感壓力，對大學生的自信心、工作熱情和社會定位產生負面影響。

如何加強大學生創新意識和創新能力的培養，是國內外高等教學管理者共同探索的熱點研究內容，它直接關系到社會經濟的發展和創新型國家的建設[10]。針對上述弊端，提出一種基于項目子群衍生驅動、團隊靈活協作、長效過程管理和多節點考核的大學生創新能力培養方案，通過分解科研子群衍生項目，招募并組建學生團隊進行系統培訓，充分利用研究性大學的平臺優勢，使團隊成員的專業技術能力、創新思維能力、創新設計能力、團隊合作能力等能夠在完成項目的過程中得到有效的訓練和切實的提高。

2 項目子群衍生驅動、團隊靈活協作、長效過程管理和多節點考核模式

大學生創新意識和創新能力是指大學生在科學思想的指導下，運用科學的理論和方法，在科學發現和技術發明等領域進行的開拓性勞動，并能取得一定的新的科技成果的能力。大學生可以在本專業人才培養方案之外，根據自己的特長及研究興趣，參與實際課題，進行學習和研究，以達到培養和提高創新能力的目的[11]。項目子群衍生驅動、團隊靈活協作、長效過程管理和多節點考核培養模式，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、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。通過開展具體有針對性的科研分解項目，對組建的大學生團隊進行通用且專精的訓練，通過科研實踐培養科研興趣、激發創新意識和鍛煉動手能力。

2.1 項目子群衍生驅動

項目子群衍生驅動是指將團隊教師的科研項目逐層分解，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，盡早地激發學生興趣，降低起步門檻，減少開始期的茫然階段。衍生項目的確定需要指導教師反復斟酌，既要考慮到項目本身的需求，又要充分顧及學生的層次、年級、課業負擔、個體興趣及團隊特長。其實施思想為：衍生分解、適當轉化、明確精小、有的放矢、階段可行、成果可現。

筆者依據國家博士后基金面上項目“甚低頻ENPEMF時序數據磁脈沖異常地震前兆信號時頻分析”，將其分解為下列子群題目：①甚低頻地磁場信號研究；②地球天然脈沖電磁場(ENPEMF)場源研究；③ENPEMF時序數據特點；④ENPEMF信號采集傳感器研制；⑤ENPEMF信號程控放大器；⑥ENPEMF時序數據降噪方法對比研究；⑦非平穩時序數據的時頻分析方法對比研究；⑧非平穩時序數據的經驗模態分解(EMD)及其改進研究；⑨非平穩時序數據的WVD及其改進研究；⑩非平穩時序數據的S變換及其改進研究；基于同步壓縮小波的非平穩信號時頻分析，諸如此類。這些衍生分解的題目類型多樣：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，技術路線不復雜。團隊成員通過刻苦鉆研，在個人技能提高的同時，也收獲了協作經驗、成就感、熱情和友誼。

作為科研訓練項目的補充，各類型的訓練計劃和學科競賽也是很好的課題來源，例如國家級、省級和校級的大學生創新計劃訓練項目和全國大學生電子設計大賽等高級別學科競賽。教育部和財政部于2007年共同啟動了“高等學校本科教學質量與教學改革工程”，并設立了國家大學生創新性實驗項目，通過該計劃，支持優秀學生組成課題團隊進行創新性科研實驗，促進大學生自主創新興趣和能力的培養[12]。

2.2 團隊深度協作

大學生組團開展基礎科研課題是行之有效的協作形式。本模式的團隊由本科生、研究生和導師三部分組成，其中以本科生為核心，導師為主要指導，研究生為技術輔助，構建具有階梯性和互補性特點的高效團隊[13]。而“靈活”協作是指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。

本科生作為團隊的核心成員，可在二、三年級中選擇那些具有強烈專一的好奇心、學有余力且意志堅定的同學。大部分工科專業，從二年級開始學習專業基礎知識，面對一些基礎性的小科研題目，他們可以較為迅速地上手，容易培養興趣，一定程度上避免因專業知識儲備過少而引起茫然無措，減少中途放棄的幾率。團隊負責人則可以從高年級中選擇有較強能力和責任心的成員，負責整個團隊的統籌協調。

指導教師作為團隊的引領者，須具有強烈的責任心、敏銳的學術嗅覺和甘于奉獻的精神，善于交流分享，具備熟練的項目開發經驗，如計劃制定、任務分配、過程管理和論文撰寫等。指導教師在培養過程中，需要有意識地引導學生熟悉科研項目執行的一般規律，潛移默化地啟發學生的創新思維，挖掘他們的創新潛質。高效的團隊離不開一個孜孜不倦的“經營者”。

研究生是團隊中不可或缺的實踐輔導，可以提供強有力的技術支撐，“傳幫帶”作用發揮的大小往往決定團隊任務進展的成效，榜樣的力量是無窮的。研究生作為本科生與指導教師之間的橋梁，不僅貢獻技術力量，還可以幫助營造開放的文化氛圍，促進內部形成良好的人文關懷與互信。

2.3 長效過程管理及多節點考核

項目的順利進行，離不開有效的管理。通過設置分步考查，推行多節點考核，可促進團隊有序且有效的完成任務。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，著眼于了解和評估學生的各種平行能力，例如：基礎能力考核、文獻能力考核、實驗技能考核等；也可進行基于項目進展的縱向考核，重點考查項目的執行情況。

(1) 基礎能力考核。基礎能力考核定位于團隊組建初期的成員篩選，手段包括基礎技術知識筆試、Matlab小程序測試、電路實驗測試、各學期課業成績單分析等方式。考核的重點并非在于成績的高低，而是從側面了解學生是否能夠集中精力學習，其志趣是否在此。通過面對面的交流，盡量發現那些喜歡思考且能堅毅追求的同學。

(2) 文獻能力考核。文獻的追蹤與梳理會一直伴隨著項目開展的全程，也是課題成敗的關鍵之一。文獻能力需要不斷地學習、總結和提高，對這部分的考核實際上更像是督促與強化。考核方式可以是提交報告、PPT匯報、程序驗證仿真和小組討論等。其目的是促使學生持續地提高文獻能力，有意識地重復學習重要文獻、經典文獻和最新文獻，避免無從查起、查而不看、看而不記、記過就扔等低效方式。通過研讀文獻，使團隊成員逐步學會如何消化吸收和拿來借鑒，學會提出技術問題，進而觸及科學問題，領會如何設計合理的實驗。這不僅可以鍛煉學生收集、整理文獻以及快速獲取特定知識的能力，還可以拓寬大學生的學術視野[14]。

(3) 實驗技能考核。嫻熟的實驗操作技能是項目實施的保障，實驗能力的高低決定著課題的進展速度。在項目開展過程中，有必要對負責儀器硬件使用和軟件模擬仿真的同學，進行實驗技能考核，若考核不過關，則需要有針對性地培訓指導，促其熟練掌握儀器或應用軟件的使用。優秀的硬件和軟件實驗技能會使科研創新項目的開展提供強有力的技術支持，達到事半功倍的效果。

(4) 形式進度考核。進度考核形式多樣，可以采用周、月、季、學期定期匯報形式，也可根據課題需要隨時調整時間予以安排。如每周由不同小組輪流主持會議，將前一階段的學習、研究內容、進展進行匯報，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，以尋找最佳的解決方案。通過師生團隊的組會，及時調整下一階段的實施計劃，保證項目順利有效開展。

(5) 報告、論文能力考核。目前，大學生廣泛存在著文字功底差的問題，提高學生的論文撰寫能力非常重要。學術論文或報告也是項目創新成果的一種體現形式，是項目開展的重要環節，論文或報告質量的好壞直接影響到項目的完整性和結題。一篇合格的論文應該將項目的創新思想及成果清晰、通順且有說服力地展示出來。在項目的節點考核中，增加對報告或論文的審查。這部分可以引入獎勵機制，對于高質量的論文或報告，根據有可能的發表級別，予以適當的物質獎勵。通過心理效應來增強學生的滿足感，進而激勵學生持續提高其論文寫作能力。

3 培養實踐與反思

依托學校省級電工電子實驗技術中心，筆者將個人的縱向課題予以分解，根據項目內容及難易程度，衍生出多個小課題和子任務，再根據團隊成員的興趣和特長，實行題目和團隊之間的雙向選擇。在本模式的培養實踐中，考慮學生升學畢業等正常更替，常規組織了4～5個本科生學術科研小團隊。每個小組都取得了一定的進步和成績，如表1所示。這些產出雖然是細微的，但是對于本科生來說，具有較好的鍛煉價值和參考意義。

基于該模式對大學生進行深度科研培養，經過兩年多的探索和不斷改進，基本達到了預期目標，團隊成員在畢業時都獲得了個人理想的發展預期，無論保研或參加工作，對這段經歷都給予了積極和正面的評價。同時，在該模式的實施過程中，也有一些問題需要注意。

表1 團隊構成及其成果

(1) 斟酌題目，兼顧能力與課題需要。衍生分解的子群項目需要由指導教師仔細斟酌，根據自己的研究領域和方向，切實地著眼于大學生創新意識和創新能力的培養，兼顧學生的基礎情況，由學生根據興趣進行自主選擇。這樣既保證導師能提供專業的指導，也可以促使學生在研究過程中，培養和發掘個體及團隊的科研興趣，通過團隊成員協作，相互學習，激勵發散思維，促其獨立思考，培養主觀能動性，培植創新意識。

(2) 明確任務，強調方案和進度可行。指導教師與團隊確定項目任務后，需要制定出明確、嚴謹的實施方案和進度安排。團隊成員要理清研究目標、研究背景、應用價值和技術路線等內容，提出可行的實驗方案，并與指導教師討論，直至實驗方案基本完整可行。指導教師有義務提醒團隊成員提高其自學和獨立分析能力，做到對方案進度心中有數。

(3) 指導到位，注重技術和心理干預。由于大學生的專業理論和實踐能力尚未成熟，在項目實施過程中難免會出現各種困難，指導教師和團隊的研究生要起到良好的指導作用。團隊內部要做好充分地交流和溝通，積極探討，共同尋找問題的解決方案。要在思想上鼓勵大學生，正視項目開展中遇到的問題，引導大學生堅持正確的技術方向和科研態度，及時糾正功利思想，磨練學生的毅力，培養學生嚴謹求實的創新態度和崇尚真理的科學精神[15]。

(4) 柔性管理，引入退出和間補機制。本科生有較繁重的學習任務，部分同學還身兼社團工作，所以團隊成員存在一定的流動性。由于學生自身發展目標的調整等原因而中途退出現象并非個例，需要做好預案，以免因團隊成員的離開造成集體工作的終止。針對此問題，準備了4個預案：①關鍵技術點的初始備份，即關鍵技術點需要兩個人執行，既可以增加討論，相互促進，引入競爭，還可以降低一人退出后的位置缺失；②間補策略，即項目執行的間歇期注意及時補充新同學進入小組，跟蹤關鍵技術點的進展，逐步地學習實驗手段和方法，以待隨時跟進補充；③研究生臨時替代，組內的研究生可以提供臨時緊密的技術支撐，保證項目不中斷；④指導教師及時干預，提醒學生做好精力分配，穩定軍心，調整組內氛圍，視情況適時修改計劃和進度，保證課題的延續性，盡量減少本科生的臨時退出帶來的影響。

4 結 語

高等教育一項十分重要的任務是培養學生的創新意識、創新思維和扎實的動手能力，為祖國建設源源不斷地輸送基礎厚實、立體發展和獨立人格的創新型人才，為全面提升我國的核心競爭力做出貢獻[16]。基于項目衍生驅動、團隊靈活協作和多節點考核的創新型人才培養模式，可以引導大學生積極主動地參與科研活動，幫助大學生了解相關專業領域的發展前沿，激發大學生的科研興趣，提升大學生的創新思維和創新能力，促進大學生綜合素質的全面提高，快速成長為創新型的復合人才。本模式可讓學生體會整體進步源于個體創新，學習分工與協作，培養學生獨立鉆研的習慣，提高同學們的動手能力、科研思維、論文寫作、專利申請書撰寫等素質。基于靈活協作的小團隊建設模式，符合目前專業大類教學的現狀，也符合循序漸進的科學發展思路，為大學生參與科研和培養創新型人才做了有益的探討。

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