面向復(fù)雜工程問題的本科生科研訓(xùn)練實(shí)踐

摘 要：本科生科研訓(xùn)練對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力、創(chuàng)新意識(shí)和綜合素質(zhì)具有重要意義。本文為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，依托教師承擔(dān)的橫向科研課題，凝練出若干微課題，將其作為高年級(jí)本科生科研訓(xùn)練選題。針對(duì)微課題內(nèi)含的多學(xué)科交叉特征和多任務(wù)模塊研究，通過碎片化時(shí)間管理、知識(shí)和能力指導(dǎo)及情感激勵(lì)等措施，積極引導(dǎo)本科生基于工程背景開展自主性學(xué)習(xí)和探究，培養(yǎng)學(xué)生分析工程問題的能力、制訂解決方案的能力、使用現(xiàn)代工具的能力和溝通交流的能力，以及勇于探索的精神；本科生科研訓(xùn)練也有助于科教融合和立德樹人，培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的創(chuàng)新型高素質(zhì)人才。

關(guān)鍵詞：研究性學(xué)習(xí)；復(fù)雜工程問題；時(shí)間管理；過程指導(dǎo)；情感激勵(lì)

中圖分類號(hào)：G642

為促進(jìn)學(xué)生科研能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提升本科教育的質(zhì)量，美國(guó)麻省理工學(xué)院于1969年開始實(shí)施“本科生研究機(jī)會(huì)計(jì)劃”（Undergraduate Research Opportunities Program，UROP），開辟了本科生參與科學(xué)研究訓(xùn)練的先河。隨后加州大學(xué)伯克利分校于1991年創(chuàng)設(shè)“本科生科研學(xué)徒計(jì)劃”（The Undergraduate Research Apprentice Program，URAP），為具有一定科研能力的高年級(jí)本科生提供接受教師一對(duì)一科研指導(dǎo)的機(jī)會(huì)［12］。清華大學(xué)也于1996年在國(guó)內(nèi)率先開展旨在培養(yǎng)本科生科研創(chuàng)新能力的大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃（Student Research Training，SRT），學(xué)生在教師指導(dǎo)下開展課外科學(xué)研究活動(dòng)。SRT計(jì)劃是國(guó)內(nèi)開展高層次創(chuàng)新人才培養(yǎng)的一種有益嘗試，目前已成為國(guó)內(nèi)雙一流高水平大學(xué)學(xué)生綜合素質(zhì)與能力提升的一種重要方式［34］。

大學(xué)生研究訓(xùn)練計(jì)劃的實(shí)施，既可以提高學(xué)生的科研能力和創(chuàng)新能力，也促進(jìn)了高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革，同時(shí)豐富了拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的途徑。為確保該計(jì)劃的順利實(shí)施和取得更好的效果，各高校針對(duì)實(shí)施過程中存在的問題出臺(tái)了相應(yīng)的改進(jìn)措施和管理辦法。2021年4月，東北大學(xué)制定了《關(guān)于選拔高年級(jí)本科生開展科研訓(xùn)練的管理辦法》，從學(xué)生選拔、管理分工、組織實(shí)施、政策保障等方面對(duì)本科生科研訓(xùn)練進(jìn)行規(guī)范。參加科研訓(xùn)練的本科生原則上應(yīng)為大三或大四學(xué)生，學(xué)業(yè)績(jī)點(diǎn)位列專業(yè)前50%，對(duì)于科研實(shí)踐能力突出、科研訓(xùn)練意愿較強(qiáng)的本科生，選拔條件可適當(dāng)放寬。四年來，東北大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)依托國(guó)家（教育部）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具有的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲蟹諊⑿酆竦膸熧Y力量、學(xué)科前沿的研究方向和國(guó)際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，積極開展有組織的本科生科研訓(xùn)練工作并取得明顯成效。

科研工作按類別可分為以國(guó)家自然科學(xué)基金課題為主的縱向課題和以企業(yè)科研立項(xiàng)為主的橫向課題兩大類，前者以目標(biāo)為導(dǎo)向，后者以問題為導(dǎo)向。下面結(jié)合筆者在本科生科研訓(xùn)練中的實(shí)際指導(dǎo)情況，以解決復(fù)雜工程問題為主線，從選題、過程指導(dǎo)、學(xué)生激勵(lì)和產(chǎn)出銜接等方面進(jìn)行梳理和總結(jié)，基于企業(yè)科研課題開展本科生科研訓(xùn)練，旨在通過解決復(fù)雜工程問題培養(yǎng)學(xué)生的科研能力和工程能力。

一、科研訓(xùn)練選題

東北大學(xué)本科生科研訓(xùn)練是在保證本科生進(jìn)行正常的學(xué)業(yè)學(xué)習(xí)前提下，針對(duì)學(xué)業(yè)成績(jī)優(yōu)秀、從事科學(xué)研究意愿較強(qiáng)的高年級(jí)本科生，利用課余時(shí)間進(jìn)行的有組織、有指導(dǎo)、有別于競(jìng)賽訓(xùn)練和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作的科研實(shí)踐。基于自愿原則，經(jīng)師生雙向選擇、學(xué)院/學(xué)校審批通過后，確定教師和本科生的科研指導(dǎo)關(guān)系，開展不超過14周的科研訓(xùn)練。

本科生科研訓(xùn)練的基本形式是讓學(xué)生參與到指導(dǎo)教師承擔(dān)的科研課題之中，通過研究性學(xué)習(xí)，經(jīng)歷問題分析、方案研究、試驗(yàn)改進(jìn)和成果總結(jié)的全過程。由于大二、大三專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課較多，學(xué)生每周能用于科研訓(xùn)練的空閑時(shí)間并不多。因此，指導(dǎo)教師在科研訓(xùn)練選題時(shí)不能按照畢業(yè)生做畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的要求進(jìn)行課題設(shè)置。在選題時(shí)先鼓勵(lì)學(xué)生自主選題，也可將指導(dǎo)教師正在承擔(dān)或開展的科研課題進(jìn)行分解，同時(shí)參考學(xué)生的能力底蘊(yùn)、興趣意愿、學(xué)習(xí)水平、時(shí)間安排等設(shè)置微課題。微課題具有選題務(wù)實(shí)、研究范圍小、研究周期短、見效快的特點(diǎn)，對(duì)于面向企業(yè)工程問題的科研課題，可以直接從課題研究?jī)?nèi)容中進(jìn)行凝練，設(shè)置一個(gè)或多個(gè)微課題供學(xué)生選擇，開展具有“兩性一度（高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度）”的科研訓(xùn)練。

微課題是相對(duì)教師承擔(dān)的整個(gè)科研項(xiàng)目來講的，對(duì)學(xué)生而言仍然是一個(gè)具有一定難度和較高綜合性的研究課題。微課題的解決不僅需要相關(guān)專業(yè)知識(shí)，也需要多學(xué)科的知識(shí)，綜合理論、模擬和實(shí)驗(yàn)等多種研究方法進(jìn)行問題分析、研究和解決。例如，利用橫向課題收集到的某熱軋帶鋼生產(chǎn)線大量的過程數(shù)據(jù)，設(shè)置軋制數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)課題，讓學(xué)生利用Python編程進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、異常值發(fā)現(xiàn)、相關(guān)性分析和聚類分析，鍛煉學(xué)生基于數(shù)據(jù)相關(guān)性對(duì)軋制數(shù)據(jù)進(jìn)行再認(rèn)識(shí)，增強(qiáng)對(duì)軋制理論和工藝的理解與驗(yàn)證。為掌握先進(jìn)高強(qiáng)鋼的軋后冷卻方式，通過設(shè)置網(wǎng)頁或文獻(xiàn)爬取相關(guān)課題，讓學(xué)生基于網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，自動(dòng)分析典型鋼鐵企業(yè)網(wǎng)站的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)，增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取能力。

專注某個(gè)具體研究方向的微課題往往也涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)和技術(shù)，需要綜合考慮多種影響因素來制訂解決方案。顯然，微課題符合《華盛頓協(xié)議》和中國(guó)工程教育認(rèn)證協(xié)會(huì)界定的“復(fù)雜工程問題”的定義［5］。通過微課題的設(shè)置和科研訓(xùn)練，將有助于本科生解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)。另外，選題的前沿性和新穎性也影響著學(xué)生自主科研的興趣、態(tài)度和動(dòng)力［6］。

二、科研訓(xùn)練指導(dǎo)

科研訓(xùn)練過程是以學(xué)生為主體，自主地進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的過程。通過參與科研訓(xùn)練，學(xué)生能夠加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，學(xué)會(huì)從不同角度思考問題，鍛煉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或方案制訂、數(shù)據(jù)收集與分析、實(shí)驗(yàn)操作等科研實(shí)踐能力，培養(yǎng)批判性思維和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力。

本科生科研訓(xùn)練成效與教師的指導(dǎo)水平息息相關(guān)。指導(dǎo)教師是本科生開展科研訓(xùn)練工作的主要負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)根據(jù)已有科研項(xiàng)目或者新擬項(xiàng)目為本科生制訂訓(xùn)練計(jì)劃，使學(xué)生在文獻(xiàn)檢索能力、實(shí)驗(yàn)操作能力、材料撰寫能力、組織協(xié)調(diào)能力及溝通表達(dá)能力等方面得到充分鍛煉，科研誠(chéng)信和責(zé)任心顯著增強(qiáng)。因此，為使科研訓(xùn)練取得較好的成效，需要指導(dǎo)教師給予全過程悉心指導(dǎo)，加強(qiáng)時(shí)間管理，關(guān)心關(guān)愛學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的科研熱情，讓學(xué)生在知識(shí)、能力、素質(zhì)方面得到更多收獲［7］。

（一）時(shí)間管理

東北大學(xué)本科生科研訓(xùn)練一般持續(xù)一個(gè)學(xué)期，利用至多14周的時(shí)間開展短期研究。從科研訓(xùn)練全過程指導(dǎo)來看，教師應(yīng)對(duì)微課題的研究進(jìn)展和完成有較為充分的預(yù)估，能對(duì)微課題進(jìn)行模塊化分解和任務(wù)達(dá)成管理。學(xué)生在訓(xùn)練過程中，需要盡快明確和熟悉微課題的背景和研究領(lǐng)域，充分利用好每周的課余碎片化時(shí)間開展自主研究性學(xué)習(xí)。在每周的師生面對(duì)面交流過程中，學(xué)生能對(duì)過去一周的研究進(jìn)展進(jìn)行小結(jié)和匯報(bào)，提出問題和想法，明確希望獲得指導(dǎo)教師哪些支持。在每周的指導(dǎo)時(shí)間內(nèi)，教師可結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況對(duì)科研訓(xùn)練進(jìn)展給予寬嚴(yán)相濟(jì)的要求，提供所需的知識(shí)支持和能力支持，鼓勵(lì)引導(dǎo)學(xué)生做好時(shí)間規(guī)劃和管理，在課余盡可能投入更多的時(shí)間和精力完成下周預(yù)設(shè)的小任務(wù)，善用生成式AI大模型提升領(lǐng)域知識(shí)的學(xué)習(xí)效率，快速提升文獻(xiàn)查閱、數(shù)據(jù)分析與處理、計(jì)算機(jī)語言編程等現(xiàn)代工具的使用能力。

（二）復(fù)雜工程問題解析指導(dǎo)

工程相關(guān)的微課題雖小，但也是一個(gè)具體的、復(fù)雜的工程問題。該問題通常并不僅僅是專業(yè)相關(guān)的問題，也涉及多學(xué)科交叉、多項(xiàng)任務(wù)的研究，需要學(xué)生進(jìn)行較為深入的課題背景調(diào)查、領(lǐng)域文獻(xiàn)查閱、方案分析制訂、編程開發(fā)調(diào)試和分析總結(jié)等方面的獨(dú)立能力訓(xùn)練。多數(shù)本科生對(duì)如何開展科研并不了解，對(duì)微課題的研究對(duì)象并不清楚，對(duì)所需的研究方法和研究手段并不熟悉，還不具備從專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)領(lǐng)域向問題解決實(shí)踐領(lǐng)域進(jìn)行遷移的能力［8］。在科研訓(xùn)練初期，學(xué)生對(duì)指導(dǎo)教師的依賴較為明顯，此時(shí)師生進(jìn)行高效、協(xié)同互動(dòng)非常重要。指導(dǎo)教師應(yīng)在選題、文獻(xiàn)查閱、方案制訂及能力形成等方面給予及時(shí)指導(dǎo)，讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)盡快熟悉微課題的研究背景和研究路線，明確微課題的解決方案和具體研究?jī)?nèi)容。在具體科研訓(xùn)練過程中，在多學(xué)科知識(shí)方面，指導(dǎo)教師可以深入淺出地給學(xué)生講解微課題涉及的相關(guān)知識(shí)，給出有針對(duì)性的參考資料，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行拓展學(xué)習(xí)、理解和掌握；在能力方面，鼓勵(lì)學(xué)生每周通過1～2頁P(yáng)PT進(jìn)行匯報(bào)，提升總結(jié)和交流能力，對(duì)學(xué)生在數(shù)據(jù)治理、算法編程開發(fā)方面進(jìn)行指導(dǎo)，協(xié)助調(diào)試，以此增強(qiáng)學(xué)生的編程能力。

在科研訓(xùn)練過程中，教師的指導(dǎo)能力和水平深刻影響著學(xué)生對(duì)微課題的認(rèn)識(shí)、研究和完成。在復(fù)雜工程問題解決過程中，教師持續(xù)給予及時(shí)指導(dǎo)，可讓學(xué)生汲取科學(xué)素養(yǎng)，開闊工程和學(xué)術(shù)視野，在研究性學(xué)習(xí)實(shí)踐中感受科研本質(zhì)，熟悉常用的研究方法，掌握常用的研究手段，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力，在自主思考、自主研究中萌發(fā)創(chuàng)新意識(shí)。

（三）情感激勵(lì)

面對(duì)微課題及其過程研究，學(xué)生都有獨(dú)立開展科研的意愿，但受知識(shí)、能力的欠缺和研究時(shí)間的不足，常存在自信心不足和畏難情緒，對(duì)導(dǎo)師的依賴性較高，尤其是在科研訓(xùn)練前期。這種現(xiàn)象很正常，但也需要及時(shí)關(guān)注、引導(dǎo)和排解。對(duì)學(xué)生而言，科研訓(xùn)練過程是一個(gè)自我驅(qū)動(dòng)、自主學(xué)習(xí)探究、能力逐漸形成的過程，教師的及時(shí)指導(dǎo)能讓學(xué)生有堅(jiān)持下去、努力攀登的動(dòng)力。為增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和研究的主觀能動(dòng)性，指導(dǎo)教師及時(shí)給予鼓勵(lì)、肯定、贊許、暢想等情感激勵(lì)非常重要，這能讓師生關(guān)系融洽，讓學(xué)生感受到被尊重和理解，有助于增強(qiáng)學(xué)生的自信心，激發(fā)持續(xù)學(xué)習(xí)的興趣和動(dòng)力。情緒價(jià)值的提供也有助于端正學(xué)生的科研態(tài)度，挖掘?qū)W生的科研潛質(zhì)，樹立將科研訓(xùn)練堅(jiān)持下去的決心和責(zé)任心，有助于培養(yǎng)學(xué)生勇于探索的精神［9］。科研訓(xùn)練過程也是立德樹人的過程，指導(dǎo)教師應(yīng)給予學(xué)生尊重、理解、信任和認(rèn)可，讓學(xué)生感受到教師對(duì)微課題研究的重視，對(duì)學(xué)生能力成長(zhǎng)的關(guān)愛和對(duì)困難求助的及時(shí)支持［10］。在科研訓(xùn)練全過程中，指導(dǎo)教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生的全面發(fā)展，包括知識(shí)、能力、情感、態(tài)度等，這將有助于學(xué)生對(duì)科研態(tài)度、科研精神的體會(huì)和傳承。

三、科研訓(xùn)練產(chǎn)出

本科生科研的訓(xùn)練目的與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)、各種學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)并不相同，本科生科研不以獲得獎(jiǎng)勵(lì)為目的，而是通過科研實(shí)踐鍛煉本科生的科研創(chuàng)新能力。東北大學(xué)科研訓(xùn)練過程考核要求本科生每周填寫1次科研訓(xùn)練記錄表，對(duì)科研訓(xùn)練過程及指導(dǎo)教師的指導(dǎo)過程進(jìn)行記錄，完成每學(xué)期的科研訓(xùn)練后，本科生須撰寫并上交不少于2500字的科研成果或?qū)W習(xí)總結(jié)。學(xué)院組織指導(dǎo)教師對(duì)相關(guān)科研成果或?qū)W習(xí)總結(jié)進(jìn)行驗(yàn)收，結(jié)合本科生科研訓(xùn)練過程中的表現(xiàn)，按“優(yōu)、良、中、及格、不及格”五級(jí)分制給出成績(jī)，由學(xué)院審核并報(bào)教務(wù)處進(jìn)行認(rèn)定。

本科生利用課余時(shí)間對(duì)具有一定創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)性的微課題進(jìn)行持續(xù)研究，實(shí)際上也推動(dòng)了創(chuàng)新型人才和科研成果的培育。經(jīng)過全過程科研訓(xùn)練，學(xué)生在文獻(xiàn)查閱、方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理、代碼開發(fā)、結(jié)果分析與匯報(bào)展示方面收獲很大，撰寫的科研訓(xùn)練匯報(bào)和總結(jié)材料也有助于高年級(jí)本科生參與相關(guān)科普活動(dòng)、競(jìng)賽活動(dòng)的申報(bào)、選拔和晉級(jí)。筆者指導(dǎo)的本科生中有的通過參加第25屆中國(guó)機(jī)器人及人工智能大賽遼寧賽區(qū)選拔賽，參加學(xué)校科普節(jié)總決賽，以優(yōu)秀作品進(jìn)入“雙創(chuàng)有我”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與科研訓(xùn)練大賽推薦名單，有的參加第十屆全國(guó)青年科普實(shí)驗(yàn)暨作品大賽。

參加科研訓(xùn)練后的本科生對(duì)科學(xué)研究更有心得，對(duì)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用有著更高的認(rèn)識(shí)，對(duì)常用的研究方法和研究手段有更深的理解，綜合素質(zhì)更高，在專業(yè)推薦優(yōu)秀應(yīng)屆本科畢業(yè)生免試攻讀研究生的選拔中常常脫穎而出，學(xué)術(shù)研究能力和科研潛力更強(qiáng)，專業(yè)知識(shí)掌握程度更高，面試交流展現(xiàn)更好。學(xué)生在本科階段參與科研活動(dòng)，能有效提升學(xué)生培養(yǎng)質(zhì)量，為研究生階段做好銜接［11］。

結(jié)語

本科生科研訓(xùn)練是充分利用高校科研資源和指導(dǎo)教師的科研能力，讓本科生盡早展開科學(xué)研究的一種教育模式。學(xué)業(yè)成績(jī)良好、科研意愿較強(qiáng)的高年級(jí)本科生在教師指導(dǎo)下針對(duì)具有工程背景的微課題進(jìn)行短期研究，開展具有一定挑戰(zhàn)性和創(chuàng)新性的學(xué)術(shù)探索，并經(jīng)歷完整研究活動(dòng)的科研實(shí)踐，有助于提高本科生對(duì)復(fù)雜工程問題的認(rèn)識(shí)、分析和解決的能力，有利于創(chuàng)新意識(shí)與科學(xué)素養(yǎng)的培育。微課題的工程化、模塊化的訓(xùn)練體系，碎片化時(shí)間過程管理，師生高效協(xié)同互動(dòng)，科研成果培育也有助于豐富和深化本科生實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)涵，有利于創(chuàng)新性本科人才培養(yǎng)和國(guó)家一流專業(yè)建設(shè)。

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項(xiàng)目：遼寧省研究生教育教學(xué)改革項(xiàng)目（LNYJG2022 119）

作者簡(jiǎn)介：彭良貴（1975— ），男，漢族，四川宣漢縣人，博士研究生，講師，研究方向：扁平材控制軋制與控制冷卻。