大學生創新訓練計劃的實踐與思考

覃明明，李建閩，李馬杰，李雙龍，劉義林

(湖南師范大學工程與設計學院，湖南長沙 410081)

大學生創新訓練計劃項目（“大創”項目）作為高等學校本科教學的重要內容，是國家深化高等學校創新創業教育改革的重要載體，旨在為高等教育的高質量發展奠定堅實基礎。大學創新訓練項目秉承“探索和發現問題、思考并解決問題”的宗旨，倡導以大學生為主體，通過“興趣驅動、自主實踐”的項目制教學模式，激發學生主動運用所學知識解決新問題的積極性和創造性，加深學生對所學專業理論知識的理解，達到提高學生實踐能力、提升學生綜合能力、挖掘學生創新能力的目標，以培養具有高度綜合性、高度靈活性、高度實用性、高度延續性的創新型人才[1,2]。 因此，高校學生應該積極參與大學生創新訓練計劃，以提高自身的創新和實踐能力。 本文結合筆者參與的國家級大學生創新訓練計劃項目，論述了運用該項目——多功能電能質量分析儀的試制對大學生創新實踐技能的培養。

1 大學生創新訓練計劃的實踐

筆者與項目組學生根據自身興趣愛好參與了2020年國家級大學生創新訓練項目——多功能電能質量分析儀的立項申請、設計、調試和測試工作。 我們于大一下學期（2020年3月）申報了湖南師范大學大學生創新訓練計劃，在成功立項之后，被進一步推薦并獲批為國家級大學生創新訓練計劃。 整個項目組在指導教師的帶領下，分工合作，項目穩步推進，目前項目研究已接近尾聲。在整個項目的實施過程中，我們既了解了電能質量分析儀的具體工作原理，又熟悉了相關儀器的使用和測試方法，還學會了將所學理論知識用于解決實際工程問題，極大地提高了自身的創新實踐能力。

1.1 自學能力與解決問題的能力得到鍛煉

在項目執行初期，囿于所學知識的局限性，大部分參賽學生會對所參與課題產生一定的畏懼心理。 以筆者為例，盡管電能質量與人們日常生活息息相關，但電能質量有哪些相關標準？ 電能質量分析儀軟硬件如何設計？電能質量相關參數如何測量？種種類似的問題會讓只學習了相關理論基礎知識的學生感覺比較迷茫。此時，需要學生與指導教師進行經常性的互動交流，尋求教師對相關問題進行引導以及思維火花的碰撞。 筆者所在項目組指導教師在充分了解組員各自情況后，建議我們把項目細化并合理分工，每個人依據自身特長去完成相應工作。 因為只有在自己熟悉和擅長的領域，每個參賽學生才能夠明確學習目標、 激發學習興趣，進而加快項目執行效率。 此外，“大創”項目均會涉及一些之前沒有學過的知識點，需要學生不斷查閱文獻資料、自行進行軟硬件整體設計、熟悉相關測量儀器使用方法以及團隊協作精神的培養。

在多功能電能質量分析儀的研制過程中，項目組遭遇了許多挫折。 例如：轉PCB 板的過程中網絡表莫名其妙地出現錯誤； 信號調理電路的電阻和電容封裝選錯，導致買來的器件安裝不上；晶振的起振電容選錯了容值，使得芯片無法正常工作；在進行諧波仿真分析時，信號模型不知在MATLAB 中該如何構建。 在與指導教師持續地互動學習和思維碰撞過程中，我們經歷了基礎知識、基本技能、設計能力、綜合技能以及創新實踐能力的逐步升華。通過項目的歷練，項目組成員的主動性和創造性被不斷調動，創新思維以及創新意識被持續激發，自身探索問題、發現問題、思考問題和解決問題的能力得到極大提升。

1.2 實踐能力與創新意識得到提升

“大創”項目大都具有一定的工程背景且與生產實踐密不可分。只有親自動手實踐，才能夠更好地理解和掌握課本所授理論知識，整個參賽過程也是把學生所學的各個學科知識點融合在一起的過程。 在整個項目實施過程中，許多事情可能都是參賽學生第一次經歷。比如：第一次寫項目申請書；第一次寫專利申請書；第一次設計完整電路；第一次選購元器件；第一次焊接電路板；第一次編寫項目代碼等。相較于平時專業理論知識和實驗課的學習而言，“大創” 項目正是通過這許許多多的“第一次”，讓學生明白自己能夠學以致用，真正體驗到理論結合實際所帶來的樂趣，使得個人的實踐能力和創新意識得到穩步提升。

“大創”項目的整體過程均由項目組成員自行獨立完成，主動權由學生掌握，進而能夠最大程度地發揮學生的主觀能動性。此外，“大創”項目對參賽學生的要求并不只是簡單地根據數據進行驗證以及演示，而是讓學生能運用所學知識對項目涉及的具體實際問題進行方案設計、數據分析、實驗驗證和具體實現。 通過對項目的原理分析、電路設計、硬件實現、軟件編寫、算法移植、系統調試、測試和改進以及項目報告的撰寫等實踐過程，不僅能夠讓學生將課堂上所學知識加以利用，還能夠使其對科技前沿動態有一定涉獵，接觸本專業一些先進理念，這些對學生實踐能力的訓練大有裨益，同時也在潛移默化中鍛煉學生的創新思維。

1.3 團隊意識和合作精神得到培養

大創項目往往難以由個人獨自完成，需要團隊的通力協作。在項目實施過程中，團隊合作精神顯得尤為重要。以筆者所在團隊為例，每個人都有自己擅長的方向，每個人也都有自己做事的方法和節奏，如何協調組員合作方式、 如何分配項目任務是整個團隊需要首先解決的問題。 此時需要揚長避短、集體協作，團隊合作才能變得順暢，團隊工作才會變得高效，最終發揮出團隊的最大優勢。

項目組的每個成員在整個項目的研發過程都是不可或缺的一部分。驅動程序沒有數據輸入，需要做硬件的學生協助排查問題；參數檢測輸出結果不對，需要研究算法的學生合力解決問題。整個項目下來，組員之間的相互協作必不可少。 如果有組員因為其他事情導致時間協調不過來，則應有其他組員暫時接手其任務，以確保項目的實施進度。 只有充分發揮團隊意識和團隊精神，遇到問題集體攻關、聯合攻堅，“大創”項目才能得以最終順利完成。

1.4 科研精神與科研意識得到提高

作為未來國家科技創新的主力軍，大學生創新精神和科研意識的提高迫在眉睫。 創新創業教育不但要重視提升學生的創新創業能力，也要培育學生的創新創業意識[3]。 通過參與多功能電能質量分析儀這一“大創”項目，讓我們深刻了解科研項目的實施過程，切身認識到科研項目的艱難曲折，著實提高了自身的科研創新意識。

在項目開展初期，正好遭遇新冠肺炎疫情，學校暫未開學，因此項目被擱置了一段時間。待第二個學期開學后，為了彌補疫情期間學校的各種課程、實驗，項目組成員的學習任務都非常繁重。 但組員們對“大創”項目依舊保持著飽滿的熱情，都心甘情愿地犧牲自己的休息時間，利用一切可以利用的空閑時間來進行項目設計和調試。每到周末，大家會為了解決相關問題而自覺地待在實驗室，項目也常常會因為一個問題所困擾而遲遲沒有進展，組員們的內心難免孤獨、 單調和乏味。而這帶來的不僅是身體上的不適，更多的是心理上的考驗。 如今項目接近尾聲，我們愈加深刻地體會到，這份孤獨、單調和乏味，恰恰是做科研必需的，只有耐得住寂寞，才可以在科研這條道路上越走越遠而不至于半途而廢。“大創”項目不僅鍛煉了我們的毅力，更打磨了我們的心智，培養了我們持之以恒、不畏艱難的科研態度，為我們今后進入更為深入的高層次研究打下了堅實的基礎。

2 大學生創新訓練計劃的思考

2.1 項目難度要適中

大學生是否參與創新創業項目往往不是隨機行為，而是學生對個人情況進行評價后做出的選擇[4]。 在項目選題階段，我們充分考慮了項目成員各自的特點，并結合大家的共同興趣愛好，選擇了和人們日常生活息息相關的多功能電能質量分析儀作為我們本次研究的課題。 一些學生選擇超過本科生實際能力的高端和前沿課題。在該類課題的實踐過程中，由于學生自身能力水平和知識儲備不足，使得這些學生始終停留在大量新概念和新知識的入門學習階段，以至于他們一直在課題外圍徘徊而難以快速找到適合鍛煉自己創新和實踐能力的突破口。如此反復，在耗費了大量時間和精力的情況下，這些學生往往表現出畏難和沮喪情緒而使得項目難以結題。 極大地挫敗感讓這些學生的自信心備受打擊，甚至讓他們一度認為科研工作高不可攀。

在本項目的實施過程中，通過與指導教師的積極互動和交流，我們將項目整體細分為多個子任務，而后根據項目組成員擅長的方向對子任務進行層次劃分，最后逐個擊破。事實證明，這樣的任務安排使得每個項目組成員都有施展自己能力的空間，擅長硬件的學生繪制硬件電路原理圖和設計印刷電路板，焊接電路并進行初步調試；擅長軟件的學生則查閱芯片數據手冊，編寫模塊驅動程序并進行操作系統的移植。 每個子任務都是自己能夠完成且感興趣的內容，大家參與的積極性和主動性得到了最大限度的激發，從根本上保證了項目的順利實施。 當然，不管項目最終結果如何，參賽者都應該擺好心態并清楚地認識到參加大學生創新項目的根本目的是為了鍛煉自己的創新和實踐能力，只要我們在項目過程中得到鍛煉、能力得到提升，經歷項目過程本身就是一種成功。

此外，大學生創新項目的相關審核部門也應該嚴把審題關，要依據申報項目是以大學生“自主實踐”這一特點，確保大學生自身對項目的可操作性，把能夠真正鍛煉大學生創新實踐能力的可行性項目放在優先位置，而不是一味地把熱門性和前沿性作為項目評判標準。只有學生能夠真正參與到項目中，才能讓學生深切感受到自己所學知識能夠運用到項目開發的各個具體環節，確保他們在項目實踐過程中得到創新能力的提升，讓大學生創新訓練項目宗旨真正回歸本質。

2.2 理論與實踐要協同

以筆者項目組所選課題為例，電能質量分析儀的設計和實現是一個實踐性很強的項目。 在項目初始階段，組員們只有前修課程基礎，并沒有實際參與過軟硬件開發，而這些在整個項目開發過程卻都需要自己獨立完成。 于是，大家慢慢學會了檢索相關文獻、看懂芯片數據手冊、繪制電路原理圖和PCB 以及算法的仿真和嵌入式移植等新知識，還具備了一定的軟硬件調試和解決實際問題的能力。 在使用10M 以太網控制器CS8900A 時，我們發現通過ARM 處理器讀取該芯片的ID 始終不正確。 我們首先懷疑是芯片引腳太密而出現虛焊現象，為此我們對兩個芯片的相關引腳進行加焊處理，然而令人失望的是故障現象并未消除。項目組成員在接下來的幾天被這個問題折磨得寢食難安。 最后還是在請教教師后的一句話點醒了我們“硬件沒有問題，會不會是軟件出了問題？”之后，我們開始排查軟件故障，經過項目組成員仔細閱讀芯片手冊、核對芯片時序邏輯，終于發現是網上下載的參考代碼關于CS8900A 地址空間的Bank3 總線配置沒有設置正確，修改完成后芯片ID 讀取正常，問題得以順利解決。

以上僅僅是我們整個項目過程中解決問題的一個縮影。 在整個項目實施過程中，由于實際操作經驗匱乏，我們碰到的問題總是千奇百怪，在解決后才發現問題并不是很難。整個項目過程讓我們深刻地體會到“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。 而正是得益于這一個個問題的磨礪，讓我們的創新實踐能力得到了極大提升。從項目開始時的無從下手，到現在項目結題時的得心應手。通過大學生創新項目的歷練，我們完成了從“萌新小白”到同學們口中“高手大牛”的完美蛻變。

大學生在學習了課程相關理論知識后，一定要積極參與大學生創新訓練項目之類具有實踐環節的科研課題，培養自己軟硬件以及相關應用方面的設計和動手能力，進一步深化理論知識的理解、激發自我創新潛能，做到理論和實踐相得益彰、 創新實踐能力逐步提升，達到學以致用的目的。

2.3 支持機制要完善

大學生創新訓練項目的有效實施需要學校提供有力的軟硬件平臺和教師的科學指導作為保障。 缺乏學校和教師的支持，讓學生獨自完成一個大學生創新訓練項目是十分困難的[5,6]。

創新訓練項目的順利開展與學校的積極支持密不可分。 本項目的順利開展即得益于筆者所在學校對創新訓練計劃的大力支持。 筆者所在湖南師范大學工程與設計學院有專門的嵌入式系統和電路實驗室，實驗室具備高精度可調電壓（流）源、六位半高精度數字萬用表、數字存儲示波器、函數發生器、計算機、嵌入式系統開發裝置等實驗設備、相關開發軟件和仿真平臺，并長期面向本科生免費開放。 學校還將項目經費全權交由項目組組員自行管理，方便我們自主購買項目相關書籍、開發板和元器件等資源。

指導教師對整個項目的順利完成起著舉足輕重的作用，是培養學生創新實踐能力的引路人。我們的指導教師在整個項目過程中都對我們進行了細致的指導，給我們講解電能質量分析儀的相關概念、 整體工作流程和技術指標以及各個功能模塊之間的分工協作關系，幫我們理清項目的整體脈絡，讓我們能夠從紛雜的內容中快速上手。 指導教師還會定期通過QQ 群、微信群和組會的方式與項目組學生進行互動式與跟進式交流，讓我們能夠快速進入項目角色、主動思考，破除畏難情緒，激發我們做項目的興趣，給我們營造了一個積極、活躍和寬松的科研氛圍。 此外，教師還會不定期檢查項目進展情況，并根據項目進度完成情況進行針對性輔導。在項目遇到技術性問題時，教師不會直接給出答案，而是積極指導我們查閱相關的技術文檔、手冊，努力引導讓我們自己去找出問題的答案，授我們以“漁”；在遇到方向性問題時，指導教師則會給予我們正確引導，避免我們走太多彎路。 在整個項目實踐過程中，指導教師讓我們把所遇到的問題記錄成冊，培養了我們積累知識和經驗的好習慣，使我們的創新實踐能力得到快速提升。

3 結語

通過這次大學生創新訓練計劃項目的鍛煉，我們學會了如何運用所學知識去解決實際遇到的問題，不僅提高了自身的自學能力、創新能力等各項技能，也培養了大家的團隊意識及科研意識。 “大創”項目的切實有效實施，能夠讓我們切身感受到科研的無窮魅力和團隊協作的積極優勢，更讓我們深刻體會到“堅持不懈、善于思考、積極總結”的“大創”精神。 實踐表明，國家級大學生創新訓練計劃能夠有效提升學生參與科研項目的主動性、積極性和創造性，高校也應總結該計劃實施以來的各種經驗和教訓，以進一步完善相關的政策和制度，加大對該計劃的支持力度，激發學生的創新意識和思維，以實現培養創新型國家建設需要的高水平創新人才的目標。