大學生創新訓練項目在線培養模式探索

岳雨霏 唐欣 王文 湯賜

[摘 要]針對高校開展線上授課與指導的特殊性，以大學生創新訓練電氣工程類項目為例，結合線上交流平臺和網絡教學資源，對創新人才培養模式及其實施方法進行探索和研究。首先，以關鍵技術問題為導向，研究雙饋型創新人才培養模式，分別對反饋模式和前饋模式進行詳細說明;其次，基于該培養模式建立以創新思維培養為目標的開放型綜合實驗平臺，實現了基于線上交流的開放型平臺和數據測試分析平臺的構建;最后，通過建立在線“云沙龍”活動平臺，提升了大學生創新能力和實踐能力，為高校大學生的線上教育提供參考與借鑒。

[關鍵詞]大學生創新訓練項目;雙饋型培養模式;創新能力;實踐能力

[基金項目]2020年6月湖南省大學生創新創業訓練計劃省級項目“基于負載功率前饋補償的單相波形發生器裝置研制”;2020年7月湖南省普通高等學校教學改革研究項目“電力電子技術線上線下混合金課建設”

[作者簡介]岳雨霏（1991—），女，河南蘭考人，博士，長沙理工大學電氣與信息工程學院講師，主要從事模塊化多電平特種電源裝備研制及關鍵技術研究。

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）47-0-04[收稿日期] 2020-09-10

創新是民族進步的靈魂，大學生是最具活力和創造力的群體，是國家和民族開拓創新的時代先鋒。大學生的創新能力與民族未來的發展密切相關，如何拓展大學生的創新思維、挖掘其創新潛能，提高學生自學水平和實踐能力，已成為高等學校本科生教育中亟待解決的難題[1-3]。2015年5月13日，國務院在《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》中強調“高校要調整專業課程設置，挖掘和充實各類專業課程的創新創業教育資源，在傳授專業知識過程中加強創新創業教育”[4-5]。大學生創新創業訓練計劃項目是高等學校轉變教育思想觀念的重要舉措，對于高校大學生創新能力和實踐能力的培養具有積極作用。

隨著網絡技術在教育領域的不斷滲透，教育方式和教學模式也在不斷發生轉變，高校教育順應時代潮流，積極采用“線上+線下”相結合的混合式教學，在傳統線下課堂正常運行的前提下，積極開展線上教育教學，使學生足不出戶便可掌握最前沿的科學知識，顯著提高了高校教師的教學效率和學生的自學能力。高等院校依托各類線上課程平臺和網絡交流平臺，充分利用校園網數據庫等教學資源，鼓勵學院教師積極組織和開展線上授課及線上創新創業訓練項目指導等在線教學活動。

大學生創新訓練項目的開展是對高校大學生創新能力、實踐能力和團隊協作能力的培養，對于電氣工程專業的學生來講，具備這些能力是決定未來能否在行業內快速立足的關鍵因素。隨著創新訓練項目立項數量逐年遞增，在項目實施過程中出現了一些不可避免的問題和科研“怪象”。例如，項目從申請至結題過程中，出現申請積極、結題敷衍的“頭重腳輕”現象;由于項目涉及的專業知識具有一定難度和深度，學生對項目的理解和把握程度存在差異，若分工不明確，會影響團隊協作意識，導致項目在實施過程中出現中斷、難以進行等問題[6-8]。線上教學雖然能夠方便學生，但學生線上學習效率和學習積極性有可能會低于課堂上的學習效果，學生的學習效果難以保證;同時，學生對文獻的搜索能力和對調研數據的管理能力也存在一定局限性，教師進行線上文獻指導時存在“瓶頸”問題[9];此外，由于電氣工程類創新訓練項目不僅需要仿真驗證，還需要進行實驗測試和數據分析，如何實現指導教師通過線上平臺與學生共同完成實驗測試，也對項目在線上的開展提出挑戰。因此，亟待探索出一種適用于電氣工程專業學生的創新訓練項目的創新人才培養模式，提高學生的學習積極性和探索、解決問題的能力。

一、關鍵技術問題為導向，構建雙饋型創新人才培養模式

雙饋型創新人才培養模式是指從申請項目至項目結題過程中，具備發現問題和解決問題的創新能力、專業深入的仿真操作技能、舉一反三的實踐素養和嚴謹細致的實驗態度的創新人才類型。這種人才培養模式要求學生具有獨立自主的學習意識和積極上進的實踐操作熱情。

適用于電氣工程專業的雙饋型人才培養模式包括前饋模式和反饋模式，如圖1所示。首先，學生通過查閱文獻和實踐調研，掌握項目所涉及拓撲結構的基本運行原理，利用Matlab/Simulink、PSCAD等仿真軟件對所研究電路基本運行過程進行復現，根據仿真現象對存在的難題進行分析，提煉出項目中的關鍵技術問題;然后，學生針對具體技術問題，結合自身理論學習，提出相應的解決思路和控制方法，利用仿真軟件對所研究方法進行初步驗證，并根據仿真結果對所研究方法涉及的控制參數進行一次修正，此過程為前饋模式;其次，對引入所研究方法前后的實驗結果進行對比，判斷該方法是否有效解決了項目中存在的技術難題，此過程為反饋模式中的方法與問題閉環部分，若所研究方法未能有效解決該問題或與理想指標參數不一致，則需要對所研究方法進行改進和完善，從仿真層面獲得適用于解決具體問題的控制方法。最后，基于仿真驗證結果，學生通過學習編程和電路設計等知識，搭建實驗平臺，根據實驗測試結果得到的數據對所研究方法中的控制參數進行二次修正，從實驗層面獲得最終的控制方法，利用實驗結果驗證了所研究方法的正確性和合理性。

指導教師在實施雙饋型創新人才培養模式時，應以項目中存在的關鍵技術問題作為項目申請導向，引導學生從項目研究對象入手，例如以某電力電子變換電路作為研究對象，根據該研究對象的拓撲結構及其基本工作原理和運行特性，通過初步仿真測試，探索研究對象在仿真運行過程中出現的瓶頸問題以及遇到的關鍵難點問題，從問題和難點中提煉出項目擬解決的關鍵技術問題，并在項目申請書中重點體現。在雙饋型人才培養模式中，前饋模式的主要功能是對所研究方法控制參數的一次修正，該模式本質上提高了最終控制方法的產出速率。反饋模式主要用于對所研究方法的仿真結果與所研究問題的技術指標進行對比，通過參數修正和方法改進，最終從仿真層面獲得能夠解決所研究問題的控制方法。

二、創新思維培養為目標，建立開放型綜合實驗平臺

作為培養具有扎實理論基礎、較強實踐能力、較高技術競爭力的創新型人才的重要手段，開放型綜合實驗平臺建設是雙饋型創新人才培養模式中的必備環節，也是創新訓練項目的重要研究成果。項目相關實驗平臺建設需要指導教師和學生共同完成，保證平臺建設有條不紊地進行。

平臺建設由指導教師和學生通過網絡交流形式，對實驗電路的軟件和硬件設計進行云交流，并對實驗裝置在調試過程中出現的實驗現象進行分析和討論，開放型綜合實驗平臺建設思路如圖2所示。開放型綜合實驗平臺建設以培養學生創新思維為目標，該平臺主要包括開放型實驗平臺和數據分析與測試平臺，該平臺充分利用學院提供的實驗設備和項目組已具備的實驗配件條件，依托學院實驗中心統一管理體系，實現實驗資源的優化配置。

（一）開放型實驗平臺

指導教師和學生通過網絡平臺進行線上交流時，雙方應分工明確。首先，學生進行自主學習，利用開發板等輔助設備，完成實驗裝置主電路和控制電路設計、PCB板設計、功率器件等元件選型、數字控制器程序編寫以及在線調試等任務;指導教師則配合完成PCB電路板印刷、實驗平臺搭建及現場調試等工作。

開放型實驗平臺主要由控制器程序和系統硬件構成，如圖2所示。在保證實驗平臺主電路拓撲結構固定的前提下，所編寫的平臺應用程序設置為開源程序，主程序采用模塊化編寫方式，各模塊程序均對用戶開放。在實驗平臺調試過程中，用戶可根據所研究出的控制方法修改模塊程序，而無須改變主程序，實現實驗平臺對不同控制策略正確性與合理性的驗證，操作簡單，提高了開放型實驗平臺軟件系統的兼容性。在構建平臺硬件方面，硬件多樣化主要針對控制器系統進行開放性設置。學生在設計控制電路時，應配置至少兩個數字控制器芯片的安裝位置，滿足用戶選取多核控制器的需求，同時應為數字控制器芯片配置一定裕量的管腳數及外圍芯片，便于系統模擬信號采集和程序處理，提高了開放型實驗平臺硬件系統的兼容性。

（二）數據分析與測試平臺

數據分析與測試平臺作為開放型實驗平臺的輔助平臺設施，其主要功能包括：①信號采樣。對實驗平臺主電路電壓、電流等電氣量和PWM方波、調制波、載波等控制變量進行實時采樣;②數據處理。對不同運行工況下獲得的多組實驗數據進行分析和處理，實現對所研究方法的參數修正和獲取實驗結論，如圖2所示。其中，測試平臺包括萬用表、多通道示波器、FLUKE表、電壓鉗、電流鉗、紅外測溫儀等測量儀器，用于實時采集主電路電氣信號以及控制電路模擬信號。指導教師通過網絡平臺將實驗測試波形與學生進行實時在線共享，學生根據實驗現象，結合理論分析，判斷實驗波形的正確性，以此作為電路設計與方法研究合理性和可行性的評估標準。數據分析平臺的主要功能是在電路設計和方法研究正確合理的前提下，對測試平臺獲取的信號進行數據分析和對比研究，在分析過程中，對數據的處理可采用橫、縱向對比方式。縱向對比是對不同運行工況下的實驗數據進行處理，橫向對比則是對同一運行工況下，不同控制器參數的實驗數據進行處理。通過對實驗數據進行合理分析，探究不同工況和不同控制器參數對系統穩定性和可靠性的影響機制，對所研究方法進行參數修正，最終獲得正確的實驗數據和實驗結論。

三、促進基于“云沙龍”交流理念的創新能力與實踐能力深度融合

“云沙龍”是指項目組指導教師與學生充分利用騰訊會議、微信群聊組、QQ討論組等在線交流云平臺，定期進行在線討論交流和網絡資源共享，通過在線頭腦風暴的形式實現師生之間思維的碰撞，促進創新思維和創新能力的提升?！霸粕除垺逼脚_的開展主要以創新成果“云沙龍”和實踐拓展“云沙龍”形式進行。通過云沙龍會議形式為學生提供創新思想和研究成果交流平臺，使學生能夠互相學習、激發靈感。同時，要充分利用創新創業教育，以項目驅動方式推動校內創新訓練項目和校外實踐活動的有機結合。指導教師將主持或參與的科研課題、橫向項目，與創新訓練項目相結合，提取研究課題中的共性問題，啟發學生的思考方向和研究理念，同時可將項目中的部分問題作為學生畢業設計研究課題，實現創新訓練項目成果共享。學生通過實踐拓展“云沙龍”平臺獲得的實踐能力和創新能力進一步推動項目組成員提高研究成果的創新能力和共享水平，從而有效促進學生創新能力與實踐能力的深度融合。

（一）創新成果“云沙龍”

由于學生的文獻閱讀量和知識積累具有局限性，而任何創新思維的開拓需要建立在對國內外研究現狀和發展趨勢具有一定了解程度的基礎之上，因此，指導教師應將查閱文獻和實踐調研作為項目開展的首要任務。指導教師應指導學生開展大量的文獻閱讀工作并進行相關文獻綜述，充分利用在線交流云平臺，定期考查學生文獻閱讀情況，以及對現有研究的理解能力。師生之間以科研沙龍的形式討論現有研究成果中所涉及的控制方法和解決問題的思路，能夠激發學生的創新思維，提高學生的創新能力。此外，指導教師應建立網絡資源云共享平臺，學生可利用云共享分享文獻調研報告、仿真模型、公式推導、電路設計原理圖等資源。

創新成果“云沙龍”活動在實施過程中要時刻以學生為中心，突出學生在科研中的主導地位，指導教師通過與學生在線互動，實時有效跟蹤和把握學生的科研進度，對學生每個階段的創新理念提出修正意見。同時，指導教師應根據自身科研經驗，構建創新訓練項目成果“云庫”，“云庫”的建設充分吸收每次創新成果“云沙龍”的研究思路和經驗，以與項目相關的電氣工程專業知識塊為基礎，提取項目研究過程中的關鍵技術難題，以成果交流驅動方式逐漸形成“思維碰撞-成果交流-合理性驗證-綜合討論-創新方法”的“云庫”構建模式。

（二）實踐拓展“云沙龍”

根據電氣工程專業特點，在實踐拓展過程中，開展以培養大學生創新實踐能力和開拓工程應用視野為核心的實踐拓展“云沙龍”活動，通過師生所參與的專業實踐活動激發學生的創新理念和創新潛能，培養學生對專業知識的興趣。實踐拓展“云沙龍”活動主要包括：①創建創新訓練項目專題知識“云講座”。指導教師邀請電氣工程領域專家、科研院所研究員，針對本項目相關研究領域、應用技術、行業發展前景等方面，借助網絡平臺開展專題知識“云講座”活動，引導學生善于利用創新訓練項目中的新方法和新思路解決實際工程應用中的問題，在講座過程中，學生可直接與專家進行線上技術交流和探討，以獲取最新的專業前沿理論。②開辟創新訓練“云課堂”。依托學院現有國家級、省級實踐教學平臺資源，為學生在線展示實驗過程，使學生能夠準確、直觀地觀測到實驗現象，掌握如何在實驗中解決問題的方法;同時能夠使學生觸類旁通，從“云課堂”的實驗操作過程中提煉出創新實驗思路，將共性創新思路合理運用到創新訓練項目的綜合實驗平臺上，有效培養學生對實踐技能歸納、總結、提高的能力。

（三）實驗課程“云沙龍”

結合電氣類專業需求，高校在鼓勵學生積極開展研究成果線上分享和專題講座線上參與的同時，還應開設適用于本科教學的專業類實驗課程“云沙龍”活動。實驗課程“云沙龍”的教學主體為院系教師和本科生，教師在開展課堂教學的同時，可將實驗教學搬到“云”平臺上，每周選擇一個合適的時間，在線上與學生交流，為學生展示本周理論教學內容所對應的實驗操作過程，讓學生可以在線觀看詳細的操作過程，如果在教師操作時，學生希望重復某個步驟或者某個現象，可通過在線舉手或提問的形式提出自己的聽課需求，教師可及時對學生的實驗聽課要求做出反饋，提高了實驗課程教學的效率和質量，為大學生創新訓練項目的日常培訓活動夯實基礎。實驗課程“云沙龍”活動主要包括：①創建實驗室操作規范知識“云講座”。指導教師將創新訓練項目中涉及實驗操作規范的部分融入平時實驗教學活動中，利用在線交流平臺和網站，為學生開設實驗室操作規范“云講座”專題活動，指導教師以實驗室作為在線背景，在不上電的情況下，為學生講解每一個裝置、開關、器件的使用原理和操作過程;同時，教師應制作操作規范案例實物板或輔助在線演示PPT，在為學生演示實驗操作流程的時候，讓學生從語言表述和視覺上加深對實驗室操作規范的理解。最后，在指導教師演示完成實驗操作過程后，預留一定的時間給學生，通過學生提問、思考以及教師解答的形式，對操作規范及實驗室管理制度進行復習，加深學生對操作規范的印象。②開辟實驗平臺互動教學“云課堂”?！霸普n堂”建設的主要目的是使學生完全掌握具體實驗的操作過程，包括如何上電和開機、如何修改實驗參數、如何調試實驗波形、如何觀測、分析和處理實驗結果等。“云課堂”的主要實現方式是指導教師和學生互動交流，指導教師首先演示某個具體實驗的操作過程，由于學生在聽取實驗操作規范后并不能完全了解實際的實驗過程，因此只講授了操作規范，對于學生直接上手實驗還存在一定困難，難以保證學生的實驗風險。采用“云課堂”的實驗教學方式，可提高實驗的安全性和可操作性，學生在實際操作之前，先通過“云課堂”熟悉和掌握具體實驗的操作流程，課下進行記錄和學習，提前為實際的實驗課程做準備，如此，指導教師在進行實際的實驗課程教學時可保障學生的實驗操作安全性，降低了指導教師的培訓負擔。

四、結束語

通過大學生參加電氣工程類創新訓練項目提升能力為主線，以關鍵技術問題為導向，構建雙饋型創新人才培養模式。建立以創新思維培養為目標的開放型綜合實驗平臺，積極開展創新成果“云沙龍”和實踐拓展“云沙龍”活動，促進學生創新能力和實踐能力的深度融合，使學生從創新訓練項目中獲得基礎理論知識、創新能力、實踐能力等方面的顯著提升，滿足本專業對學生專業技能的培養要求，提高了院校對本科生科研培養的教學質量。

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Abstract： In view of the particularity of the online education and guidance in universities， taking the innovation training project for college students in electrical engineering， combined with online communication platform and education resources， the innovative talents training model and its implementation methods are explored and researched. Firstly， guided by the key technical problem， the dual-feed type innovative talent training model is researched， and the feedback model and feed-forward model are described in detail. Then， based on the training model， the comprehensive experimental platform is established with the goal of training innovative thinking， realizing the construction of the open platform and the data testing and analysis platform based on online communication. Finally， the establishment of the online "cloud salon" activity platform could improve the innovative ability and practical ability of students， providing the reference for the online education of college students.

Key words： innovation training project for college students; dual-feed type training model; innovation ability; practical ability