基于工學并舉思想的本科生導師制實踐與探索

段書用，陶友瑞，肖 森

（河北工業大學，天津 300401）

本科生導師制起源于研究生導師制，基本實施方式是為本科生配備導師，實現教書育人理念與教師教學實踐的融合，突破班級以單向傳授為主的授課模式，在學業規劃、學習過程、科研探索及品德素養等方面全方位輔導本科生的一種互動式培養制度[1]。早在2002 年，北京大學就實行了本科生導師制。2005 年，教育部《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》要求有條件的學校推行導師制，本科生導師制的實施成為提升本科教學質量，加快推進和實現“雙一流”建設目標的重要措施[2]。

二十年來，國內眾多學校實行了本科生導師制，取得了較好的教學效果[3-5]。然而，曾艷玲等[6]的調查表明：大多數本科生不了解本科生導師制，班主任和科研導師還沒有充分履行職責，存在導學斷層現象。李軍毅等[7]認為在本科生導師制的實施過程中存在認識不到位、導師和學生之間互動性較差、缺乏有效的規章制度和激勵機制等問題。王志遠等[8]認為，本科生導師制中存在“學院—導師—學生”閉環體系缺失、師資力量不夠、互選機制不完善、師生互動不足、缺乏激勵機制和缺少評估體系等急需解決的問題。可見，不斷完善本科生導師制，探索更為有效的導師制培養模式并進行教學實踐，仍然任重道遠。為此，河北工業大學結合學校的辦學特色和辦學歷史，基于“工學并舉”的辦學思想，依托學校主要的科研團隊和科研平臺，創新性地實施了“創新拔尖班”的本科生培養模式。基于此，本文提出了“工學融合和輪值組長”為特色的“拔尖班”本科生導師制教學模式，并在機械工程學院的車輛工程專業進行了教學實踐，取得了較好的教學效果，為高質量本科生的培養提供了新思路。

一、本科生“創新拔尖”學生培育計劃

為貫徹落實全國教育大會和新時代全國高等學校本科教育工作會議精神，根據《教育部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》[9]等相關文件精神，推進本科生專業培養與學科建設深度融合，探索新工科人才培養模式，加快學校本科生創新研究型人才培養步伐，河北工業大學自2019 年起實施創新拔尖學生培育計劃（以下簡稱拔尖計劃），如圖1 所示。該計劃依托學校元光學者高水平專家科研團隊和國家級、省部級重點實驗室、專業實驗室和實驗教學示范中心，搭建面向創新拔尖人才培養的科研創新平臺，將高水平科研團隊引入本科人才培養體系，引導優秀學生投身科學研究，實現培養具有創新精神和能力的拔尖人才之目標。

圖1 創新拔尖培養實施方案

本科生導師制采取項目式教學，學生可依據導師建議的或自主設計經導師認可的項目在全校范圍內（含研究生）自主選課。導師引導學生參與科研團隊各項活動，通過各環節鍛煉，激發其對科學研究的熱情，掌握科學研究方法，提高科研創新能力。學生通過學校搭建的跨學科平臺選擇有興趣或項目需要的課程進行學習，自主立項或參與導師科研項目，提前進入科研項目實踐階段。

實施“拔尖計劃”過程中，導師通過“創新”和“拔尖”兩個方面培養學生的能力。“創新”方面，依據學生進入拔尖培養的時間先后，進行創新引導、創新實踐和創新研究三個層次的培養，每個階段時間大概為1 個學期，循序漸進。“拔尖”培養方面，通過參與工程設計或者科研項目實施，主要包括拔尖專業實踐、拔尖科技實踐和拔尖技術攻關三個層次，與“創新”能力同時培養。在要求學生嚴格完成人才培養方案中思想政治理論課規定的課程和學分的同時，科學合理設計思想政治教育內容，通過課程學習、研討交流和講座活動等形式組織開展思想政治教育，全面加強學生思想政治素養，力求培養德才兼備的高素質人才。

2019 年經過層層選拔，252 名同學成為首屆“拔尖班”學生，這些學生融入學校的78 個教學團隊，在23 個科研平臺“一展身手”。經過培養，252 名同學中僅僅有少數幾名同學因個人原因沒有通過聯合考核，教學效果已經得到了充分展示。接下來，以車輛工程專業的學生為例，對“拔尖班”本科生導師制、培養過程和培養效果等方面進行詳細闡述。

二、“工學融合和輪值組長”為特色的培養模式

（一）基于“工學并舉”思想的工學融合培養模式

河北工業大學的前身是1903 年建立的北洋工藝學堂，學校創辦之初，學堂總辦、中國近代著名實業家、實業教育家周學熙先生提出了“學堂為人才根本，工藝為民生之計，二者固宜并重；工藝非學不興，學非工藝不顯”的辦學思想，強調學堂“以教育培植工藝上之人才，注重講授理法，繼以實驗；卒業后能勝任教習、工師之職，以發明工業為宗旨”，使學生“既習其理又習其器”[10]。“工學并舉”基本含義為理論教學與工程實踐相結合，對工科專業而言，本科生導師制的一個重要方面是本科生融入到導師的科研項目研究中，通過了解和參與項目研究，將課堂中的理論知識與工程實踐聯系起來，一方面加深對理論知識的理解，另一方面在工程實踐中發現新的問題，促進理論知識學習。可見，“工學并舉”的辦學思想與本科生導師制高度契合，二者都要求理論知識與工程實踐的高度融合。

通過以上分析，并結合“工程教育專業認證”的要求，提出了如圖2 所示的“工學融合”的拔尖班本科生導師制培養模式。其基本內涵為：以工程問題為導向，以提升分析復雜工程問題能力為培養目標。以工程問題導向的培養模式，其本質是區別于課堂理論教學，強調通過工程問題牽引，引導學生將所學的理論知識分析工程問題，與“工學并舉”中的“學非工藝不顯”一脈相承。提升分析復雜工程問題能力，是工程專業認證的要求，也是本科生導師制的培養目標，本科生通過參與科研項目和工程實踐，使其能夠應用數學、自然科學和工程科學的基本原理、識別和表達、并通過文獻研究分析復雜工程問題，以獲得有效結論，與“工學并舉”中的“工藝非學不興”高度一致。

圖2 “工學融合”本科生導師制

本文作者指導了車輛工程專業大二“拔尖班”本科生5 名，全部參與到風電塔筒爬壁機器人項目組中，安排一個博士生和三個碩士生共同進行指導，通過一個培養周期以后，取得了很明顯的培養成效。

在指導過程中，貫徹以工程問題導向的培養模式。例如，對于采用永磁吸附的爬壁機器人有大負載性能需求，在實驗過程中，發現當機器人爬行在傾斜壁面上時，其自身重力將會主要作用在上下兩個極限位置的吸附單元上，鉸鏈式連接的履帶吸附模塊極易于自上而下逐個從金屬壁面脫落。在實驗中發現該現象以后，便將如何提高機器人的負載水平這一工程問題作為“拔尖班”本科生的研究切入點。由于學生親自參與實驗，對該現象和問題理解比較深入，學生們綜合利用理論力學課程的力學分析計算、機械設計課程中的傳動方案設計、機械零件和工程圖學課程中的零部件設計，提出了一種新型的載荷分散機構實現了在不增加永磁吸附單元的吸附力的情況下，保證機器人能在壁面安全吸附。

學生在解決該工程問題中，“拔尖班”本科生綜合運用了多門課程的理論知識，很好地實現了工程問題牽引效果，也加深了對課堂理論知識的理解，凸顯了“學非工藝不顯”這一理念。基于以上成果，“拔尖班”本科生成功獲得了載荷分散機構的發明專利。更重要的是，在實施導師制過程中，由于導師與學生們就項目實施學生進行充分交流溝通，導師進行了全方位的指導，充分履行了導師職責，杜絕了導學斷層的現象，解決了文獻[6]提出的問題。

另外，專業方向綜合訓練是車輛工程專業的核心實踐類課程，對于機械的動力學而言，其動力學模型一般用于分析車輛的平順性和車輛操縱的穩定性。而在爬壁機器人轉向過程中，其轉向力學分析與常規的車輛轉向力學分析存在差異，主要表現在爬壁機器人利用左右驅動裝置差速運動實現機器人的壁面轉向動作，并且爬壁機器人在轉向過程中，在不同姿態下所需的驅動力是不同的。因此，“拔尖班”本科生進行爬壁機器人的轉向力學分析時，不僅要運用相關理論課程中學到的理論，同時需要考慮爬壁機器人的特殊工況，是一個復雜的工程問題，對學生的問題分析能力要求比較高。

“拔尖班”本科生通過對該問題進行分析，在模型中綜合考慮了機器人自身重力產生的阻力矩及磁吸附單元拉起阻力矩，也考慮了磁鐵吸附的摩擦力矩，提出了爬壁機器人水平轉向和垂直轉向兩個典型工況下的力學分析模型。可見，學生利用所學課程的基本原理，并通過文獻和實驗研究提升分析復雜工程問題的能力，為有效解決工程問題提供了方法支撐，充分展現了“工藝非學不興”的辦學思想，也充分體現了“工學融合”導師制的優勢。同時，在實施過程中，指導老師以“導”為主，以“教”為輔，這樣有利于充分調動學生的積極性，有力地解決了文獻[7]提出的導師和學生之間互動性較差的問題。

（二）基于“輪值組長”的本科生導師制培養模式

本文作者從2017 年以來連續5 年參加車輛工程專業的畢業生座談會和部分本科畢業生校友回母校座談會，學生們都提到在校期間應該增加溝通交流能力培養和團隊意識方面培養，增強科研方法的培養。因此，本文作者提出了“輪值組長”的本科生導師制培養模式，如圖3 所示。實施過程中，以工程問題導向，學生參與到工程設計或者科研項目中，明確目標。以此為牽引，充分利用其學到的基礎理論和專業知識分析和解決問題，以提升分析復雜工程問題能力，實現“工學并舉”。“輪值組長”培養方式包括，按照任務進行組長輪值、分層管理和定期進行匯報討論等內容。

圖3 “輪值組長”本科生導師制實施方案

首先，“拔尖班”本科生組長按照任務而不是定期進行輪值，組長的職責近似于項目經理，負責任務方案討論、全程跟蹤、協調和推進和定期匯報。例如，在本文作者指導的5 名“拔尖班”本科生中，依據任務分別安排了“數據分析與處理”“多自由度機器人結構”“載荷分散機構”“機器人三維建模”“機器人動力學仿真”“機器人安裝與調試”等輪值組長。教學實踐表明，雖然輪值組長的時間長短不一，任務的難易程度不一，輪值組長都能夠按照任務要求，自主協調其他同學共同推進任務完成。

其次，本科生導師制中實行“分層管理”，包括本科生內部基于輪值組長的管理、研究生對本科生的管理及指導老師對本科生的指導管理三個層級。第一個層級基于輪值組長的管理前面已經進行了討論；第二個層級，由于研究生已經具有一定專業知識和科研能力，對于課題研究所需的理論知識較為熟悉，能較好地對本科生進行日常的學業和研究上的指導；第三個層級，指導老師主要對本科生提出的任務實施方案、關鍵問題等方面進行把關。例如，載荷分散機構的實施方案中提醒學生特別關注機器人的曲面適應性問題。

最后，要求“拔尖班”本科生定期進行匯報討論，匯報材料由組員提供，輪值組長進行匯總和整理，并進行匯報。除了因任務需要安排的臨時討論以外，一般每個月至少采用PPT 集中匯報討論1 次。通過這種培養模式提升了本科生在工作中的團隊合作能力、溝通交流能力和組織管理能力，同時為培養從事工程項目管理、生產管理人才打下了堅實基礎。

更重要的是，在實施“輪值組長”的過程中，作者發現，這種模式更有利于本科生能夠充分利用其學到的基礎理論和專業知識進行分析和解決問題。作者認為主要原因在于：相比于導師直接指導，學生們更容易質疑“輪值組長”提出方案或者結論，從而會在學生們之間產生相互批判，進而引發激烈討論。在討論爭辯中，一方面有利于加深對于所學理論和專業知識的理解，另一方面有利于提出更好的解決方案，從而提升復雜工程問題分析能力，達到“工學并舉”和“工學融合”之目標。

通過一個培養周期的教學實踐，本文作者指導5 名本科生獲得了以下成果：全國大學生數學建模省獎、美國大學生數學競賽H 獎、全國大學生先進成圖技術與產品信息建模創新大賽中的三維比賽省獎和8 項發明專利。可見，要相信學生的智慧和能力，要敢于放手讓學生去管理學生，更要讓學生拿出智慧自己解決問題。另外，這種培養模式更有利于激發每個學生的精、氣、神，有利于調動他們的積極性，實現由“要我學”到“我要學”。

同時，學校制定了相關政策鼓勵學生積極參加各類創新及學科競賽、創業大賽和科技創新活動，鼓勵導師擔任各項競賽指導教師，并為學生參賽提供實驗與研究支持。更重要的是各學院不定期組織課程教師、專業負責人、科研團隊負責人等舉辦研討或沙龍活動，探討計劃實施過程中的經驗和不足，不斷完善培養計劃，為“拔尖創新”學生導師制的實施提供制度保障。有力地解決了本科生導師制實施過程中“學院—導師—學生”閉環體系缺失、師資力量不夠的關鍵問題，為拔尖班導師制的推廣實施提供了重要依據。

三、結束語

本文作者傳承河北工業大學“工學并舉”的辦學思想，在“拔尖班”本科生的培養模式基礎上，提出了“工學融合和輪值組長”為特色的本科生導師制培養模式，并在車輛工程專業進行了教學實踐，取得了很好的教學效果，主要表現在，有力地解決了本科生導師制實施過程中“學院—導師—學生”閉環體系缺失、師資力量不夠、導師不充分履行職責、導學斷層、學生參與積極性不高、導師和學生之間互動性較差等關鍵問題。教學效果表明本科生對復雜工程問題分析能力顯著提升，同時學生的思想政治水平也得到了提高。該培養模式為促進本科教學質量的提高，全面提高人才培養能力，加快建設高水平本科教育具有重要的現實意義，具有較強的實操性和推廣價值。