大學生創新能力提升的實現路徑研究

劉戰合，田秋麗，王 菁，苗 楠

（1.鄭州航空工業管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046;2.鄭州航空工業管理學院經濟學院，河南 鄭州 450046)

習近平總書記在縱觀世界主要國家的創新發展實踐以及國內外創新理論研究的基礎上，旗幟鮮明地提出“創新是引領發展的第一動力”的命題，同時，在2018年全國教育大會上強調，要“加快一流大學和一流學科建設，推進產學研協同創新，積極投身實施創新驅動發展戰略，著重培養創新型、復合型、應用型人才”，李克強總理強調，“要增強教育服務創新發展能力，培養更多適應高質量發展的各類人才。優化高校區域布局、學科結構、專業設置，堅持以教學為中心，突出創新意識和實踐能力，培養更多創新人才、高素質人才。更加重視、充分發揮高校在強化基礎研究和原始創新、突破關鍵核心技術中的重要作用”[1,2]。教育部在《關于加快建設高水平本科教育 全面提高人才培養能力的意見》（簡稱“新時代高教40條”）文件中，重點關注本科教學模式和培養方式的改革，并將“深化創新創業教育改革，提升學生綜合素質”作為本科教學主要任務和目標之一。

近年來從宏觀布局和具體實施上，創新能力已是當前本科教育教學的重要能力之一，也是教育教學改革實施的重要目標。大學是人才培養的前沿陣地，也是創新意識及能力培養基地，對我國創新創業人才的培養有重要影響意義。基于以上考慮，從實際教學過程出發[3]，結合創新能力培養需求，以理論教學、實踐教學、科研項目、科技競賽、創新創業大賽等為平臺[4,5]，開展面向大學生創新能力提升的實現路徑研究，初步探索新時代形勢下教育教學方法的改革與實踐。

一、大學生創新能力的內涵

一般的，創新可以理解為三個層次：一是為適應新應用方向、新使用環境等，在現有思維、技術、方法、工藝等基礎條件下，進行適應性改進或較小升級的行為，定義為基礎性創新；二是為適應社會或產業發展新需求，對原有技術、方法、工藝等進行較大層次的提升，或開發出新方法、新技術、新工藝等，定義為需求性創新；三是面向未來科學發展需要，開展具有前瞻性的自然、社會科學研究，建立相關領域內重要理論、方法、工藝等的社會行為，定義為開創性創新。創新能力即具有與上述創新形式對應的研究能力或潛在研究能力。

當前本科教育機制、培養方法和培養模式以大眾化知識儲備和專業化知識為主，大一和大二階段主要構建理論知識、數學等基礎學科，大三、大四階段以專業知識為主，培養學生在某一方向上的專業知識和技能，各階段培養過程中，根據學生學習能力，結合理論課程、實踐課程，使學生具備初步的創新意識和實踐能力。但總體來看，現有培養模式重在知識的累積、大眾化高等教育，而如何將創新能力培養有效融于實際教學過程中，已成為本科教育教學方法、教學模式、教學改革的重要內容。

基于創新與創新能力分層次的概念，對本科教學來說，在理論基礎知識和基本學習技能教授的大一、大二階段上，結合理論基礎課程、專業基礎課程教學情況，重點搭建知識基礎體系，同時，在教學方法、講課策略、教學內容上采用啟發式、討論式、開放式、引導式等，以提高學生興趣，改善學習生態，使學生具備初始的思考和動手能力，建立完備的知識體系，這一階段上，多為屬基礎創新，且創新能力的提高對各專業來說區別不大。在大二、大三階段，主要以課程面向為主，即專業、學科、應用背景、就業需求等，重在專科基礎課、學科專業課為主，對工科來說，一般采用階梯式或循序漸進式培養方法，課程相互聯系緊密，環環相扣，但均有較為明確的應用方向或工程背景，因此，可根據學科專業具體情況、學習教學實際基礎、專業實驗室情況、師資力量等，結合具體課程，合理規劃教學方案，有效將理論知識和創新能力相結合，提高本科階段學生的需求性創新能力。在一些優勢學科或優勢高校，根據學生學習特點，基于學校、實驗室、教師等科研項目平臺，可重點培養優秀學生的科研創新能力，引導學生早進實驗室，早加入教師科研、教學團隊，逐步通過科研方向、項目的系統化鍛煉，為學生以后的開創性創新研究建立研究基礎和科研習慣。

二、實現路徑及關鍵問題

創新能力的培養是個綜合過程，其主體為學生，教師及導師起牽引性作用，高校提供教學、科研、試驗、應用等平臺，共同組成大學生創新能力提升的培養系統，對本科教學來說，其實現途徑可以從課程及教學方法、科學研究、平臺支撐的角度來詳細研究。

（一）課程及教學方法

如前所述，就當前本科（尤其是二本高校）教育來說，盡管在教學改革和方法研究上有較大的人力物力投入，有較大的研究成果，但依然是有其規律性，大多高校課程體系大致分為理論基礎課、專業課、實踐課，各類課程相輔相成，共同支撐本科四年培養目標體系。為提高大學生創新意識和創新力，需根據各校實際、各專業特點有序推進。

理論基礎課是大學教育的基礎，是專業基礎課、專業必修課、專業選修課的學習基礎，就理工類專業來說，可為后續的學習和研究提供系統的數學基礎、分析手段和工具，并形成初步的科研分析和專業知識學習能力。一般的，教學中主要考慮通識性技能培養，從創新能力培養角度來看，需要結合實際專業分布情況，按大類教學思想，形成創新意識培養思路。如高等數學、線性代數、數值分析、矩陣論等工程數學課程，可結合專業未來需求，重點培養學生解決問題能力，在學生提前進入教室科研課題組、科研平臺、試驗平臺前提下，使學生反向帶著需要解決的實際問題、實際工程需求學習數學，同時，工程數學教室也可設置響應的議題，有學生自發自主探索、發現解決問題的方法，即采用需求主導方式，有效提高改善學生學習動力，提高工程數學知識掌握和使用能力。

與理論基礎課不同，專業課可大致分為專業基礎課、專業必修課、專業選修課等，以培養學生在該專業上的專業技能，使學生掌握響應的設計、分析及處理能力。就理工專業來說，一般有較為清晰的應用方向，更適合探索創新能力提升的培養策略，從專業特點出發，以專業需求為動力，對專業課程內容進行總結分類，與應用技能相適應，適時開展學術問題、技術需求、應用方向等的問題解決方法和技巧，相融于課程教學當中，借助新型教學方法，如翻轉課堂設計、慕課技巧、分組討論等，綜合提高學生解決專業性問題的分析能力。就飛行器設計專業來看，從專業角度來看，一般包含空氣動力學、飛機結構、總體設計等專業課，實際教學中，根據學生實際能力，將內容分為通識型和能力提升型兩種，通識型主要使學生建立基本的學科知識體系，能力提升型為學有余力、部分優秀學生掌握專業的分析技巧，以應用驅動提升學生創新設計能力，如新概念飛行器布局設計、新概念動力驅動裝置設計、新型升力產生機制等，由設計經驗豐富的教師協同指導，專業課程結束后，學生初步具備飛行器總體設計能力、專業技術分析能力等。

在以上理論課基礎上，為提高學生實踐能力，實踐課成為課程體系的重要組成部分，也是未來教學改革的重要內容，實踐課是學生掌握理論課程的驗證和知識體系應用化的重要過程。一般培養方案中，將實踐課融在各階段，一般包含認識實習、專業實習、課程設計、畢業實習、畢業設計等，旨在培養學生解決實際科學問題的能力。以課程設計為例，與相關專業課密切相關，議題設置開放，由教師或學生提出設計目標、設計任務等，基于專業課程體系，由學生獨立完成，團隊合作，模擬實際工程問題處理過程，通過創新性設置問題，提高目標和設計要求。如對飛行器設計專業學生，通過分組合作、目標定位等，圍繞新型飛行器設計，使學生掌握飛機設計流程及新型飛行器探索能力，如環形翼飛機、水陸兩用無人機、動力直驅型單旋翼無人機、低空高速偵察無人機、低速飛行器的氣動參數動態采集器等；對航空經濟方向學生，結合鄭州航空港建設，適時開展飛行器貿易基本理論、實際交易過程模擬、飛機租賃、航空物流等知識體驗，鼓勵學生實際現場調研、參與、實踐，獲取第一手飛行器貿易資料，提高專業知識學習興趣和信心，豐富學習經驗。

（二）科研途徑

與課程教育體系相輔，一部分學生適當參與科學研究是本科創新能力培養的主要實現途徑之一，可從以下幾方面開展研究：科技制作、學術研究、二者融合、創新創業等。

首先，科技制作是本科教育階段中頻次較高的科研活動，一般根據產業或學科發展需求，構思或創建新概念科技制作產品，包含電子產品、機器人、無人機等，以驗證某種新應用方案、新技術、新產品。未探索科技制作創新性能力培養方法，以新概念飛行器的設計制作為例開展了初步探索，依據學生在航空飛行器設計、制作、CAD等軟件掌握水平，按其技術基礎、興趣性格、研究方案等組建學生科研團隊。通過合理規劃，形成多個特色鮮明的研究團隊：（A）低空高速單兵作戰/救援無人機（下稱“低空高速無人機”）研究團隊，（B）新概念環形翼高穩定性航測無人機（下稱“環形翼無人機”）研究團隊，（C）低速飛行器的氣動參數動態采集器（下稱“動態采集器”），（D）面向水上任務設計的水陸兩棲無人機（下稱“水上無人機”）研究團隊[4]2，（E）動力直驅型單旋翼無人機（下稱“單旋翼無人機”）研究團隊[4]3，及其他無人機研究方向。

團隊研究方向各有特色，結合無人機不同應用方向和總體設計概念，以救援、運輸、作戰、航測、航拍等應用為主要目標，分別提出并設計了新穎的連翼式布局、環形翼結構、船身式匹配設計、球形結構等無人機，并陸續成功開展了陸上、水上多次飛行試驗，驗證了以上無人機結構的有效性。同時，針對不同新概念飛行器，提出了“主+輔”式三發推進系統、“垂尾+腹鰭”高速飛行器控制結構、船身連翼式結構、連翼雙機身結構等新概念，并以此為基礎，制作了相應無人機完成了飛行測試，說明研究團隊已初步掌握了相關飛行器設計、分析、飛行試驗等專業技能。為解決低成本無人機氣動參數實驗數據獲取難度高的問題，開發了動態采集器并開展了初步試驗驗證。低空高速無人機、環形翼無人機、動態采集器分別如圖1所示。同時，每種布局無人機均處于不斷優化和迭代中，從而衍生系列化無人機設計理念和思路，為學生提供鍛煉創新思維和創新意識的機會，形成優良的航空創新精神，培養愛國愛航空情懷。

圖1 幾種新概念無人機及氣動參數動態采集器

其次，學術研究是本科、研究生階段的重要內容之一，也是碩士、博士研究生階段的主要培養任務，對本科教學，由于理論學習、專業學習等均占用了較大時間，學術研究一般較難實施。教學團隊結合課程學習、實踐任務，低年級采用全面培養方式，以個人優勢和興趣為先導，大二階段重點培養部分學有余力學生，有意識、有計劃、有步驟的建立具有創新潛在能力的科研團隊，有初步的學術研究意識，大三在專業課程學習的基礎條件下，逐漸形成穩定的學術研究方向，大四階段因地制宜，與學生就業、考研、創業相配合，將學術研究融于學業、就業規劃中。教學團隊就以上研究做了長期嘗試，目前首批學術團隊已有一定研究成果，共分為兩個研究方向：一是飛行器目標氣動性能分析及優化，二是目標雷達散射特性數值研究。以氣動性能分析為例，學生科研團隊分別面向民用客機、單旋翼無人機氣動性能進行了詳細研究。對民用客機，重點關注了發動機短艙對飛機氣動參數如升力系數、阻力系數的影響規律，并得到了發動機短艙最佳位置，為民機氣動布局設計提供技術參考；單旋翼無人機氣動性能結合上述單旋翼無人機科技制作，是科技制作的部分工作升華和提煉，重點研究了螺旋槳動力和旋翼升力等氣動性能之間的匹配設計關系。發動機短艙位于機翼前緣位置的壓力云圖、推力螺旋槳的流線圖分別如下圖2。

圖2 學術研究團隊氣動性能分析結果

通過與相關參考文獻研究結果、試飛及設計過程進行對比研究，證明了研究方案的正確性，已分別發表于長沙航空職業技術學院學報、成都航空職業技術學院學報，后續將在創新思維、創新意識上著力培養，進一步提高學生的學術研究能力，為創新能力培養探索新模式。

由上述分析也可以看出，學術研究和科技制作分別是科學研究的兩個重要組成部分，學術研究重在科學問題的解決與規律的研究，科技制作重在需求應用驅動的前提下的實踐動手能力。事實上，兩者實施過程中，相互融合，學術研究常常分為計算和實驗兩個方向，其實施過程本身也是科技制作的體現，尤其是科學實驗，具有創新性的實驗一般需經歷實驗方案和實驗件設計制作、實驗過程設計、參數采集等過程，也是科技制作的重要特征。而對科技制作來說，一個新的飛行器布局方案，其實現過程必先經過方案設計及性能參數的初步預估與分析，為作品的成功試驗提供數據基礎，方案驗證成功后的演化也是學術研究的再次動力。

（三）平臺支撐

高校創新能力的培養離不開平臺的支持，尤其是雙一流院校和重點院校，具備國家、省部重點實驗室，可對科技作品制作、學術研究、科學研究等科技活動的順利開展有較大影響，對高校來說，科研平臺是從事科技活動的主體，也是知識傳播和實踐的媒介，對大多二本院校來說，以教學為主的實驗室居多，也有部分以培養學生實踐能力和創新能力的實驗平臺。科研平臺大多以國家重點實驗室、國家工程研究中心、教育部重點實驗室及其它省部級實驗室等，該類平臺一般經過長期發展，有較為雄厚的科研習慣和實力，其主要職能也是開展科學研究，對創新能力提升和培養尤為重要，但對普通二本院校來說，科研平臺較為缺乏，無法保證大多數學生參與科研項目，減少了參與科技活動積極性。

鑒于以上情況，應著重研究當前基礎條件下二本高校的創新能力培養措施，以鄭州航空工業管理學院為例，教學實驗室可為簡單的科學研究提供一定的基礎條件，用于初步的方案驗證，實踐實驗室可為學生的一些創新想法提供實踐的空間，鄭州航空工業管理學院有多個以創新實踐為主要目的的實驗室，如飛行器創新實驗室，在指導老師帶領下，形成了高效的管理模式，以探索新型飛行器設計方案、制作、試飛為主要內容，不斷提高學生承擔、參與創新活動的能動性，也在側面推動了學生掌握專業知識、設計技能的積極性，下圖3為該實驗室激光雕刻機和學生參與科技活動的情況。

圖3 飛行器創新實驗室

與科研平臺相適應，科技競賽也是提高創新能力的重要途徑與平臺，當前大學生競賽種類繁多，以“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、中國“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生電子設計競賽等為代表的具有較廣泛影響力的大學生科技競賽，尤其是“挑戰杯”和“互聯網+”已成為高校創新創業培養的標桿性競賽，也是高校創性能力培養方法的新型交流方式。通過積極策劃、參賽，顯著提高了學生創新能力和創業思維，為學校大學生創新能力培養提供了重要經驗和參考。

三、結束語

創新能力是大學生能力培養的重要組成部分，結合我國高等院校本科培養實際情況，詳細研究了高等院校大學創新能力的體系內涵，基于創新的三個層次，分析了本科教育機制下的三個層次內涵的具體實現方法；根據高等院校教學、科研現有條件，從課程及教學方法、科研途徑、平臺支撐三方面對創新能力提升的實現路徑及關鍵問題進行了詳細研究，并分析了其內在影響關系。教學上結合理論基礎課、專業課、實踐課等分析了創新能力的融合問題，科研途徑上主要從科技制作、學術研究及二者融合角度進行了系統研究，平臺支撐主要從科研、教學實驗室及競賽平臺研究了相互關系。