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大学生创新能力培养的教学体系构建与实践


 ———以过程装备与控制工程专业为例
大学生创新能力培养一直是高等教育的重要任务,长期以来受到众多教育专家的关注,也取得了丰硕的研究成果。2015年,李克强总理在政府工作报告中提出“大众创业,万众创新”,不断激发民族的创业精神和创新热情。同年5月,国务院办公厅发布的《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》指出,要对高等学校的教育改革进行创新并对人才培养质量标准进行完善,对人才培养机制进行创新,健全创新创业教育课程体系,根据创新创业教育目标对专业课程设置进行调整,推动创新创业教育必修课的开设,加强教师创新创业教育教学能力建设。2018年9月,教育部《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》再次用较大篇幅阐述了“深化创新创业教育改革”和“提升学生综合素质”的重要性,并提出要“构建全方位全过程深融合的协同育人新机制”。
中国矿业大学过程装备与控制工程专业(以下简称“过控专业”)坚持深入开展教学改革,将学生创新能力培养作为重要目标纳入本科教学体系的设计和构建,取得了较好的效果。
一、以专业内涵为基础构建大学生创新能力培养的课程体系
大学生的重要任务是学习专业文化知识和养成专业素养,离开这一本质的任何创新都是舍本逐末。创新能力的培养需要以专业教育教学为载体,这样才能激发创新教育的旺盛生命力。如果只进行单一的专业知识教育,不开展创新的方法教育,大学生的创新兴趣很难在专业的土壤中生根发芽。教师如果引导不好,还容易引发学生对创新的畏难情绪,浇灭了创新的火花。我校过控专业着力构建以专业内涵教育为主的大学生创新能力培养课程体系,完善专业课程结构,优化专业人才创新培养机制,开展全面覆盖的普适方法教育,基本形成了创新能力培养课程体系的框架。
具体而言,过控专业构建了“以通识知识教育为课程平台,专业知识教育为课程导向,综合开拓能力教育为培养目标”的“三位一体”专业课程体系,如表1所示。通识知识教育预期培养学生宽厚的人文、社会和专业基础能力,通过数学、物理、政治、经济等一系列通识课程培养学生的数学和自然科学运用能力,通过工程力学、化学、材料、工程原理等系列专业基础课程培养学生工程科学基础知识能力,通过化工技术经济、化工安全技术等课程培养学生对经济、安全、环境等的分析能力,通过计算机基础、微机原理等课程培养学生的计算机应用能力。专业知识教育预期培养学生扎实的专业核心能力;通过工程项目管理、过程节能技术等课程培养学生专业领域内的工程与项目管理能力;通过流体机械、机械设计基础等机械方向课程培养学生机械设备制造设计应用能力,使其逐步形成具有机械设计内涵的专业能力;通过过程装备控制技术、PLC等控制方向课程培养学生过程控制、硬件技术运用能力,使其逐步形成具有过程控制内涵的专业能力。综合拓展能力教育预期培养学生的科研创新能力和解决复杂工程问题的能力,通过过程创新体验、创新创业教育与实践等课程培养学生的科研创新和实践能力。其中创新创业教育与实践课程旨在使学生掌握创新的方法、途径与手段,丰富了创新教育中方法论的教学环节。密封技术、成套技术和设备管理工程等具有流程性和综合性的课程用以加深学生对流程工业的理解,培养学生解决复杂工程问题的决策和执行能力。
我们通过合理设计课程体系,将大学生创新教学嵌入专业知识教授过程,以专业知识的教授为创新教学提供支撑,以专业方向的创新教育激发专业知识的教授活力,最终实现创新思维来源于专业领域、创新成果服务于专业领域,实现创新从专业中来、到专业中去。这是我校过控专业在近5年接受工程教育认证和认证通过后的持续改进过程中探索出的有益经验。

表1 过控专业创新能力培养课程体系架构及支撑课程
二、强化大学生创新能力培养的实践体系建设
实践是催生创新的重要土壤。实践教学有助于提升大学生应用课程知识的能力,在锻炼学生工程实践能力、培养学生创新能力、推动产学研合作等方面发挥着重要作用,是高校人才培养体系的重要组成部分。本专业结合工程教育认证的要求,以专业方向的内涵培养为目标,形成了面向煤炭加工和转化过程的多方向、多层次实践教学体系。该体系以煤加工和转化中的过程工艺、装备与控制为核心,整合了过程装备与控制工程、矿物加工工程、化学工程等相关学科的实践教学资源,培养面向煤炭加工和转化领域的工程技术人才。
(一)构建具有专业特色的校内实践能力培养体系
本专业根据培养目标不同,建立了三级创新能力培养平台。一级是以专业实验室为基础的专业基本能力训练平台,担负着专业课程实验、规律验证实验等与课程紧密结合的实验任务。二级是以“矿物加工工程”国家重点学科和“煤炭洁净加工与高效转化国家实验教学示范中心”为支撑的专业能力提升训练平台,承担着过程工程系统性实践训练任务,兼具校内实践实训的功能,能帮助学生从宏观上认识专业。三级是专业教师的科研实验平台。专业教师根据学生科研兴趣的不同,接纳一定数量的学生进入科研实验室开展最前沿的学术探索,逐步锻炼其科研创新能力。三级平台最终形成了专业基础实验、能力提升平台和个人创新实验探索训练相结合的校内实践能力培养体系。
一级平台属于课程领域的必修平台,学生需要完成课程大纲规定的所有实验实践任务,锻炼相应的能力,获得相应学分。二级平台根据课程需要,部分开展认识实习、专业实习和生产实习实践,提升学生综合能力。三级平台则是学生在导师指导下开展具有创造性和创新性的实践过程。学生根据自己的兴趣,自主联系导师开展课外创新实验。这些实验往往涉及学科前沿,具有较强的探索性,对学生的创新能力培养具有重要作用。近年来,在一级和二级平台的支持下,本专业在三级平台上取得了较好的创新成效。每年约有30%的学生在导师的带领下开展创新研究、锻炼创新能力,并形成了一批论文、专利和竞赛奖励创新成果。
(二)构建不同层次的校外实习实践教学体系
在中国矿业大学提升实习实践教学的整体部署下,过控专业以工程教育认证标准为指导,不断完善校外实习实践教学体系,形成了稳定的实习实践教学基地、实践教学指导队伍和实习实践运行机制,进一步提升了本专业校外实习实践教学内涵。
根据大学生专业认知的不断提高,实习实践教学中设置了三个主要层次的校外实习活动,分别为大二年级的认识实习(2周)、大三年级的生产实习(4周)和大四年级的毕业实习(4周)。认识实习以行业认知为主要目的,学生通过参观学习实习实践基地的工艺过程、制造过程、生产流程、产品营销与维护等全流程,了解行业背景、领域和主要产品,逐步形成专业观念,为课程学习和后续实践打下基础。生产实习是在认识实习的基础上开展的。学生通过一年的专业课程学习,已经对专业课程和行业背景有了深入的了解。因此,我们选定1~2家具有行业特色的企业,让学生进行为期4周的驻地生产实习。学生进入生产车间的各个工位,按照产品的生产过程逐一跟踪实习,了解其中的设计、制造、加工、检验等成套原理,达到深入了解专业内涵的目的。毕业实习在学生完成专业课程之后与进行毕业设计之前的时间段进行。根据毕业设计选题的不同,学生分组到对应企业或机构完成为期4周的实习。毕业实习内容与学生毕业设计相关联,强调学生对具体对象的深入了解,引导学生提出和解决实际问题,并适当融入毕业设计。
在学校与学院的统一部署下,过控专业与实习基地建立了稳定的合作关系,近年来与10余家企业签署了校外实践教学基地建设协议。其中,河南煤化集团已经获批建设国家工程实践教育中心。实践基地的建设稳定了实习关系,提升了实习规范性。在此基础上,我们逐年提升实习基地品质,丰富实习实践内容,为实践创新提供了良好的平台。
此外,过控专业还成立了以专业教师和实习基地技术骨干为主要力量的校外实习实践教师指导队伍,通过产学研合作、企业挂职、产品研发等方式,提升专任教师的企业实践能力和指导实习实践的水平。目前,本专业教师全部参与科研实践,近年来获得产学研合作项目10余项;近一半教师进入企业挂职锻炼,其中4人入选江苏省企业创新岗特聘专家(科技副总);多个团队开发了自己的产品,并在市场上得到了很好的推广应用。
以上实践平台为大学生创新实践提供了有利条件。在近几年的大学生创新项目和创新竞赛题目中,本专业有近50%的课题直接或间接来源于实习实践或教师产学研合作课题,实习实践教学体系提供了与工业现场对接的良好条件,促进了学生创新能力的培养和创新成果的产出。
三、构建以项目与竞赛为基础的创新能力培养机制
在实践创新平台基础上,过控专业直接对标大学生创新实践教育理念,以各级各类大学生创新训练计划为孵化主体,以“过程跟踪—阶段遴选—重点支持”为培育过程,以全国过程装备实践创新大赛为目标载体,有效提升了大学生的创新能力,建立了适合本专业的创新能力培养机制。
本专业积极组织大学生申报各级各类大学生创新训练计划项目,以此为依托,有目标、有重点地引导学生开展创新活动。近年来,本专业学生获批各级创新训练计划40余项,其中国家级项目4项、省级项目10项,参与人数达200余人。在实践创新平台的支持和专业教师的指导下,大学生创新项目获得了多项成果,包括第十届全国大学生创新创业年会“最佳创意项目”奖1项、江苏省大学生创新创业优秀成果交流展会“最具潜力创意奖”2项。
本专业承办了全国过程装备实践与创新大赛我校项目的选拔、培育和组织工作,以各级各类大学生创新项目为孵化主体,对项目执行的不同阶段进行跟踪指导,并通过校内竞争的方式遴选项目,对遴选出的优质项目进行重点支持和培育。以赛促建、以赛促创有力推动了大学生创新活动的开展,提高了大学生参与创新活动的积极性。近三年,本专业学生获得国家级学科竞赛项目奖励22项,包括“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛二等奖1项,“挑战杯”江苏省选拔赛一等奖1项,全国过程装备实践创新大赛特等奖3项、一等奖5项、二等奖4项、三等奖8项。
大学生正处于知识获取上升期和创新火花的迸发期,需要在有效方法的引导下进入科研创新的轨道。但是,大学生对实践创新的认识不具体、不深刻,容易在暂时的困难面前退缩,指导教师需要把握好尺度,根据不同年级和学生特长安排合适的任务,引导学生逐步熟悉实践创新。经过几年的探索,我们逐步总结出了适合本专业特点的创新实践经验,即“低年级强化基础训练,高年级着力提高能力,毕业生完成综合训练”。具体而言,我们从低年级开始开展创新实验的认知,结合学生的兴趣爱好,引导学生去完成一个难度适中的具体任务,根据学生完成情况适当增加任务量和难度,夯实基础,使学生逐步形成系统的创新工作积累;高年级时,我们以完成研究论文、专利和学科竞赛等为载体,对前期工作进行总结提高,形成具有一定检验性的创新成果,提升学生创新能力;到完成毕业论文时,学生可以选择研究项目作为毕业论文课题,继续深入挖掘与提高,完成具有整体创新性的综合训练任务。在这个过程中,教师以具体任务为抓手,引导学生开展研究,设定任务实施从易到难,注意保护学生创新的积极性和持续性,以最后目标的达成来提升学生的自我价值感和成就感。低、中、高年级学生按梯队配置,导师分别指导。研究方向不变,研究人员持续更替,研究手段和思维、研究内容和理念将在导师和学生之间、高年级和低年级学生之间潜移默化地传递,这就形成了较好的创新路径传承。
四、构建以成果培育产出为目标的创新过程反馈机制
大学生创新能力培养过程中不仅要让学生感受创新实践的过程,也可以要求学生有相应的成果产出,如发表科技论文、申请专利、参加学科竞赛等。学生在将创新过程中获得的数据凝练成相应成果的过程中,可以提高利用科学理论解释实际现象的能力。这是对实践效果的一种反馈和总结,对提高学生的实践创新能力大有裨益。
目前,国内对创新过程的反馈和考核方式较多,如对项目的中期检查和结题考核、开展结题汇报等。这些方式多流于形式上的考查,重点在于检查是否完成项目申报时的指标,并没有达到提升学生研究积极性的目的,不是积极主动的考核反馈机制。
本专业以“项目培育与竞赛选拔机制”为基础,通过孵化、选拔和重点培养的过程,阶段性地间接考查项目的进展情况和成果积累情况,对选拔出来的优质项目进行重点培育,进一步提升团队的创新积极性和成果产出,并通过竞赛准备和参赛的各个环节,让学生真实感受创新过程,从专业知识、实践能力、问题提炼、交流表达等多方面培养学生能力。对取得实质性成果的团队,我们会给予一定奖励,如核定创新学分及在评优评奖、保送研究生等方面进行政策倾斜。这样就形成了以成果培育产出为目标的过程反馈机制,实现了大学生创新能力培养工作的持续发展。
近年来,本专业在学生创新能力培养方面取得了显著成效,大学生高级别创新成果持续产出。学生获中国大学生机械工程创新创意大赛最佳创新创意奖1项(全国过程装备实践与创新大赛仅推荐1项),江苏省本专科优秀毕业设计(论文)一等奖1篇,江苏省本专科优秀毕业设计(团队)1篇;4人通过创新竞赛,以特别优秀生的身份免试直升研究生,20余人凭借竞赛、论文、专利等创新成果被保送浙江大学等校读研。教改有效提升了学生参与实践创新的积极性,对营造研究型学习氛围起到了积极的带动作用。
五、结论
大学生创新能力培养是高等教育的重要任务。在“大众创业,万众创新”的新形势下,中国矿业大学过控专业深入开展教学改革,将学生创新能力培养作为重要目标,构建了以专业内涵为基础的大学生创新能力培养课程体系,通过校内实践能力培养平台和校外实习实践教学体系的建设,强化大学生创新能力培养的实践体系建设,构建了以项目和竞赛为基础的创新能力孵化、培育和提升的过程机制,并以成果培育产出为目标构建了创新过程的反馈机制。实践表明,教改在创新人才培养、创新成果产出和创新体系构建等方面取得了显著成效。

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