前沿科學技術與課堂教學相融合的創新培養方法

彭瀚旻 朱攀丞

[摘 要] 目前我國高等院校課程主要以基礎理論和專業教學為主，選修課為輔，系統性地培養學生的專業知識水平。但是，由于現代科技日新月異，傳統培養模式下的學生缺乏對前沿科技的直觀認識，創新能力培養效果難以保障，無法滿足我國對創新型人才的培養需求。因此，提出一種前沿科學技術與課堂教學相融合的創新培養方法，結合專業前沿科學技術，與課堂教學、課堂討論以及課后自學相結合，創新大學課堂教學的培養模式，創建前沿科技引領的專業知識創新思想培養體系，為我國高端技術人才培養方法提供新的思路。

[關鍵詞] 創新型人才培養;高等教育;前沿科學;課堂教學

[基金項目] 2016年度南京航空航天大學研究生教育教學改革研究項目“前沿科學技術與研究生教學相融合的創新培養機制研究”（2016YJXGG01）;2017年度南京航空航天大學本科教育教學改革研究項目“創新創業教育與專業教育融合的教學培養模式”

[作者簡介] 彭瀚旻（1984—），男，江西南昌人，工學博士，南京航空航天大學航空學院副教授，碩士生導師，主要從事電致伸縮、壓電作動器和傳感器、柔性機器人的理論和應用研究;朱攀丞（1993—），男，四川內江人，工學碩士，南京航空航天大學航空學院2019級博士研究生，研究方向為高頻超聲和微型超聲設備技術及其應用。

[中圖分類號] G645 ? [文獻標識碼] A ? [文章編號] 1674-9324（2021）11-0137-04 ? ?[收稿日期] 2020-12-18

在《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》的《教育部 國家發展改革委 財政部關于深化研究生教育改革的意見》要求中，進一步明確了加強學生課程建設的重要意義和總體要求，立足學生能力培養和長遠發展并加強課程建設。其中，尊重和激發學生興趣、注重培育獨立思考能力和批判性思維、全面提升創新能力和發展能力，正是目前我國大學教育水平亟待大幅提高的關鍵方向，以滿足我國工業社會跨技術領域所面臨的全面發展的人才需求。但是，當今世界科學技術迅猛發展，科研論文數以百萬計，工程技術日新月異，在新時代的技術發展面前如何利用課堂教學全面培養學生的創新能力，為形成一批有效滿足大眾創新創業需求、具有較強專業化服務能力的眾創空間等新型創業服務平臺提供充足的創新性人才，仍然是高等教育亟待解決的難題[1]。傳統的應試教育，學生已經習慣于知識的傳授和被動地去接受知識。院校畢業生選擇就業為主流，重視專業知識學習，缺乏對自身創新思維與能力的培養。學生學習理念的缺失造成學校教育工作開展的困難。前沿科學與課堂教育相結合有利于學生在學習固定課程的基礎上參與創新項目，以實踐帶動學習，以學習指導實踐。面對日益嚴峻的就業形勢和國家對創新人才的需求，能更好地適應社會發展。

一、創新培養方法

目前，以傳統專業課為主的學術型課堂教學仍然以專業知識為主，雖然可以為社會各行業提供一定的專業技術人才，但并不能滿足社會所需創新人才的迫切需求。當今世界經濟、科技的高速發展要求執業者能夠運用更新更廣的前沿技術，從而進一步提高生產力，完成技術革新，打破國外技術壁壘，而這一切都需要激發并培養具有自主創新能力的人才[2]。將創新教育融入人才培養，簡單地在人才培養方案中增加創新課程，以理論知識介紹為主，列舉創新實例，屬于淺顯的引導教育。但是理論與舉例教學不能將理念帶入實際，對學生創新能力的提高無益，造成了邊緣教育現象。因此，在現有的教學模式中，把前沿科學技術與專業知識相融合，形成一種從專業知識到應用，再到創新的培養模式，在激發學生研究興趣的同時培養其勤聯想、勤動手、勤思考的學習模式，通過融入小組討論前沿科技的課堂教學模式，為我國大眾創新規劃藍圖打下堅實的人才基礎。本文將以“作動器原理及應用”等課程為例，以實例的形式分析前沿科學技術與課堂教學相融合的創新培養方法。

“作動器原理及應用”課程主要講授微型作動器在生物醫療、太空飛船以及微加工系統等領域的應用前景、基礎知識和運用技術，尤其強調科學前沿對學科領域的引導作用。課堂教學通過新型微型作動器與傳統的作動器的對比，從當代工業需求出發向學生闡述技術發展內在動力，教授學生科技發展離不開需求牽引的相關認知。例如，前者（新型微型作動器）發展出具有輕質量、小體積以及高機動性等優點，這是因為特殊的工作環境需求，特別是在狹小、高低溫以及有毒的環境中應用要求，才使新型微型作動器近年來在技術方面蓬勃發展，是前沿科技的引領方向之一;而后者（傳統作動器）主要解決傳統機械驅動與傳動領域問題，具有大的推力和效率。此外，基于不同的機械特性，向學生講授微型作動器的分類方法，包括壓電作動器、電磁作動器、形狀記憶合金作動器和人工肌肉等，吸引學生理解工業新技術的主要來源之一是新型智能材料的發展，通過課后布置學習文獻內容，鍛煉學生自主學習前沿科學文獻的能力。此外，課堂教學選取壓電作動器作為最具代表性的前沿技術成果為例進行重點講授，它具有高輸出力、優秀的控制性能以及穩定性的特點，并且與其他種類的作動器相比，壓電作動器還具有較高的精度、更緊湊的結構、更高的功率質量比和較低的電磁噪音的特點，這些特點使得壓電微型作動器具有了優異的性能和易于微型化的特點。這種前沿科技中重點領域關鍵知識和技術的詳細講授可以讓學生舉一反三，從課堂中感受并學習到科研的步驟與理論方法。除上述基礎理論和設計方法外，課堂上筆者還重視應用背景的全面闡述，以電磁電機100多年的發展歷史為例，吸引學生了解前沿科技的背景內涵與發展脈絡，通過縱向發展和橫向對比向學生揭示各類檢測、探測裝備以及人工智能執行機構中作動元器件需要更優異的操作性和更強環境適應能力，且已經難以滿足短、小、輕、薄、低噪聲、無電磁干擾等新要求。而隨著組分設計、成型技術的進步，壓電材料的功率密度和機電耦合效率大幅提升，促進了新型作動器——超聲電機的發展，使超聲電機的眾多優點被發掘，它不再是傳統意義上的電機，在許多領域的實際應用已經顯示出其具有的定制性屬性，與當代應用系統及其負載相結合進行整體設計，充分發揮超聲電機的優點，對于應用系統的性能提升和整體優化，具有重要意義[3]。通過上述背景闡述，筆者摒棄了傳統的教育課程的表面化以及傳統專業基礎課程的單方向灌輸教學模式的機械化，以前沿技術背景需求為脈絡，引導學生全面理解前沿科技的發展需求，發揮學生自主學習的思想活力，建立將專業教育與前沿科學相結合的課程，培養學生創新思維，最重要的是提高學生理解前沿創新需求動力來源。

在教學的后半部分，學生將學習如何報告他們的發現，包括書面報告和口頭報告。他們首先要寫一篇關于參觀實驗室的觀后感的文章，有時會讓他們互相打分，并根據同學的評論點評報告。自我評分有兩個目的：第一，給學生一個機會，讓他們知道在自己和別人的文章中應該尋找什么亮點;第二，確保每個學生準備一份報告且至少兩份草稿。筆者發現最難教的概念之一是“僅僅因為功率放大器讀數為100 V并不一定意味著實際輸出電壓是100 V”。筆者發現強調這一事實的最有效的方法之一是讓學生自己操作實驗，這樣他們就可以看到實驗設備輸出的不準確性。然后通過課堂上實驗小組成員的口頭陳述實驗結果，來反映學生在學習前沿科學技術及科研能力培養上的學習障礙。而有時口頭表述遇到的阻礙卻可能是如今的工科學生最常見的問題，盡管他們在學術研究方面可能非常能干，但他們往往缺乏溝通技巧把他們的成果推廣給那些沒有相關學術背景的人。我們通過多次口頭報告和一次書面報告訓練來解決這個問題，同時課堂討論讓學生們明白如何進行良好的溝通，以及團隊合作中口頭溝通的重要性，因此，期末專題的目標是提高他們研究和學習總結的能力。我們為項目定義一個共同的主題，學生可以討論主題的任何方面，由于這些項目是開放式的，往往會產生令人驚訝的結果。例如，有一年的主題是壓電作動器在生物醫療方面的應用，學生通過查閱相關文獻知道了生物醫學工程離不開對細胞的加工、傳遞、分離和融合，以及細胞內物質（細胞核、染色體、基因）的轉移、重組、拉伸、固定等操作。對只有幾個微米的細胞來說，關鍵動作是接近細胞時的精細微調，要求分辨率達幾十納米，要完成以上操作，需要很高定位精度和精細操作能力的驅動裝置。目前這些工作主要依靠受過專門訓練的技術人員手工完成，工作效率很低，成功率也很低。學生積極查找文獻發現位移分辨率高、響應快的超聲電機可以成功地解決這一難題，其中有的同學舉例日本研制的三維微操縱系統，其用于操作白細胞。人的白細胞直徑大約10 μm，該系統的定位精度可以達到0.1 μm，工作范圍可達到586 μm×586 μm×52 μm，部分證明了采用壓電驅動系統，可以提高效率，簡化操作，實現生物工程的自動化。學生通過把相關內容整理并分享匯報給了課堂上的其他同學，雖然達不到期刊發表的質量（少數情況下除外），但是這些報告清楚地表明了學生的所學所想、科研感受以及科研能力的培養效果。毫無例外，這些報告提供了前沿科技的背景知識，并讓學生對這個方向的發展進行了深入分析。所有小組都在外界幫助最小的情況下進行了充分的探究，并將獲得的知識信息進行了比較。學生很欣賞這種自由而熱烈的討論，他們傾向于花額外的時間在前沿新穎的事物中，以嘗試更多的新奇的科技知識學習及其應用方法。這對培養學生的創新能力有極大的助力。

二、前沿科技與課堂教育相融合

學生教育是國家創新體系中最重要的創新執行主體，是國家創新體系的原動力之一，而最前沿的科學技術則是這一動力的源泉，沒有國際的學術眼光與前沿課題的討論就沒有學生的開拓創新精神。美國科學研究與學生教育一體化的高等教育體制為大學發展科研和學生教育創造了優良環境，也逐漸成為美國學生教育的突出特點，這與德國教育家洪堡在19世紀初所倡導的教學與研究相統一的思想相一致。2013年，我國清華大學的袁本濤教授指出我國學生教育科類結構與經濟產業結構、科技發展之間存在著顯著的協調性特征，各產業和科技的發展會顯著促進各科類學生教育的發展，三者自發地產生糾偏機制對各科類學生教育和各產業的發展速度進行調控，同時因素間呈現顯著的兩兩互動作用。因此，為滿足我國經濟快速發展的要求，與產業結構密切相關的先進前沿科學技術務必添加到學生教學過程當中，使學生畢業后能迅速融入先進技術開發與研究工作當中，為相關產業發展提供可靠的人才保障。

在筆者所教授的“作動器原理及應用”課堂中，筆者以智能變體飛行器的研究為切入點，借用“智能變體飛行器”的應用背景使學生依次學習了新型智能材料、新型作動器、激勵器和傳感器的相關知識，并指導學生如何將每一部分相關知識綜合應用到微型飛行器的研究。例如，一款叫作“微星”號的微型無人機，其設計重量是100克，總電功耗是15瓦，機身自重為7克，處理/存儲電子組件重量6克，照相機/鏡頭總重4克。上課時，多角度引導學生思考，其重量設計依據是什么？利用何種力學知識、電子與控制系統知識可以優化結構尺寸參數并改良飛行特性？理論依據是什么？課后讓學生自行研讀相關文獻，并在課堂上積極討論，包括微型無人機中的微機電（MEMS）技術包含哪些范疇，智能蒙皮有哪幾種設計理論和方法、MEMS的控制導航系統原理如何，等等。極大地激發了學生對前沿科技的學習興趣，并把復雜知識化整為零，循循善誘，通過課堂講授與課后自學的方法逐步讓學生掌握牢固的相關基礎理論知識與方法。

國內外前沿科學技術對比的講授方式用以激發學生的學習興趣也是行之有效的方法之一。以仿生撲翼為例，筆者舉例美國AeroVironment公司的“Nano Hummingbird”，該機翅膀采用中空的碳纖桿材料作為骨架，表面是網孔纖維，翼面材料為聚氟乙烯薄膜。它能像真蜂鳥那樣拍打翅膀實現空中的盤旋運動，甚至還能表演后空翻飛行和某些高難度的特技動作。通過無線飛行遙控器，該蜂鳥飛行機器人可以按照指令進行精確飛行，并能通過機載計算機進行速度和角度修正。另外，機器人還配備了攝像機，音視頻數據實時回傳給操作員，可進行狹小空間的測量和監控。上述精彩且有趣的視頻，在課堂上牢牢吸引了學生的目光，激發了學生的好奇心理。課后，鼓勵學生利用網絡查找文獻資料，尋找對比國內外研究成果，有的同學舉例指出北京航空航天大學是國內較早展開撲翼飛行機器人研究的高校之一，在仿蜜蜂、蝴蝶等微型飛行器的仿生力學方面取得了一定突破，在機構設計和運動學分析上也取得了一定的成果，并成功研制了飛行樣機;還有的同學闡述了西北工業大學對撲翼飛行器的氣動特性和流場進行了較深入的研究，并建立了國內第一個微型飛行器專用風洞;以及有的同學利用自己專業研究方向的優勢，結合自己所學的專業知識，介紹了南京航空航天大學的撲翼飛行機器人研究團隊深入研究了仿鳥復合震動撲翼的氣動特性，并研制了了幾種不同尺寸和布局形式仿鳥撲翼機器人樣機，并試飛成功，其技術指標甚至已經部分達到美國“Microbat”的水平。通過精彩的視頻、自發地研究熱情以及課堂熱烈的討論，可以讓學生感受到我國前沿科學技術在科研人員的忘我努力下呈現出的突飛猛進的態勢，一舉改變中華人民共和國成立后的科技落后狀態，現在部分領域甚至已經達到了世界先進水平，這一點極大地激發了學生的自主學習和研究的熱忱，開拓了學生的科研視野。但是，不可否認的是，在很多前沿領域，我國的科學技術與有些國家相比，依然存在一定差距，讓學生直面科學困難，了解世界前沿科技的發展脈絡和趨勢，通過國內外對比啟發學生的科研思維是課堂教學的有效手段之一。同時，筆者通過課后作業，讓學生自己收集近年來作動器在工業、軍事、航天或者醫療領域的應用案例，直面我國技術的不足之處，了解前沿科技的瓶頸問題，激發學生在未來學習、科研和工作中的勇于挑戰、勇于擔當的開拓創新精神。

三、結語

綜上所述，學生的創新教育必須建立在專業課程基礎之上，以專業為基礎，將創新教育融入課程教學之中。因而在現有的教學模式中，把前沿科學技術與專業知識相融合，形成一種從學習專業知識到應用、再到創新的培養模式，在激發學生研究興趣的同時培養其勤聯想、勤動手、勤思考的學習模式。著重開展前沿科學技術的課堂講授與實驗教學相結合，從科普到精準，從交叉學科領域到學術專業范疇，將科研與教學相結合，構建以研究為基礎的學習模式，增進師生互動和研討，培養判斷運用思維，鼓勵學生參與科研創新活動，掌握創新必需的基本技能，最終把前沿科學技術應用于高等教育的學生培養當中去。

參考文獻

[1]宋華，張瑩，趙鳳偉.應用型本科院校產學研合作人才培養的研究與實踐[J].中外企業家，2019（9）：171.

[2]侯靜，賀軍濤.學科前沿與基礎教學相融合的研究生課程教學[J].高等教育研究學報，2006（1）：67-68.

[3]趙淳生.超聲電機技術與應用[J].壓電與聲光，2009，31（1）：148-148.

Innovative Training Method of Combining Frontier Science and Technology with Classroom Teaching

PENG Han-min， ZHU Pan-cheng

（College of Aerospace Engineering， Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Nanjing， Jiangsu 210016， China）

Abstract： At present， the courses of Chinese colleges and universities are mainly based on basic theoretical courses and professional teaching supplemented by elective courses， which can systematically cultivate students professional knowledge level. However， due to the rapid development of modern science and technology， the students under the traditional training model lack the intuitive understanding of the cutting-edge science and technology， and the training effect of innovation ability is difficult to guarantee， which can not meet the training needs for innovative talents in China. Therefore， this paper proposes an innovative training method which combines the advanced science and technology with classroom teaching and combines professional frontier science and technology， classroom teaching， classroom discussion， and after-school self-learning. It can innovate the university classroom teaching model and create an innovative training system of professional knowledge led by cutting-edge science and technology， which provides new ideas for the cultivation method of high-end technical talents in our country.

Key words： innovative talents training; higher education; frontier science; classroom teaching