多學科綜合優勢下的創新教育實踐
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摘要:新一輪技術革命的典型特征是多學科的交叉融合,通過多學科交叉融合培養創新人才是擺在全國高校面前的重要任務,是新工科建設的重要內容,這將推進高校教學改革的發展.華北電力大學工程訓練中心結合學校學科優勢,在多學科交叉融合構建創新人才培養模式方面開展了多年的探索,取得了良好的成效,積累了一定的經驗.
關鍵詞:工程訓練中心;創新教育;學科交叉
多學科交叉融合是技術創新的趨勢.當今世界重大的科技創新成果,大多是多學科技術交叉、融合和匯聚的結果.當前,世界范圍內又迎來了新一輪科技革命,“工業4．0”“中國制造2025”“互聯網＋”“新一代人工智能發展”等,無不體現了多學科交叉與融合的態勢.高校是培養高水平創新人才的搖籃,但是目前高校無論是在多學科交叉融合的程度,還是在人才培養的質量上仍存在較大差距.如何利用多學科的優勢,并將多學科間的交叉與融合應用于人才培養,培養大批掌控新技術革命的高水平人才,實現我國工業技術的跨越式發展,是現階段擺在我國高校面前的重要而迫切的任務.
1學科交叉融合是“新工科”建設的要求
2017年2月18日,教育部在復旦大學召開高等教育發展戰略研討會,并達成了“復旦共識”.“復旦共識”指出:“我國高等工程教育改革發展已經站在新的歷史起點上,工科優勢高校對工程科技創新和產業創新發揮主體作用,高校要主動優化學科專業布局,促進現有工科的交叉復合、工科與其他科學的交叉融合.”[1]2017年4月8日,教育部在天津大學召開新工科建設研討會,并形成了“天大行動”.“天大行動”要求“優化校內協同育人組織模式,通過建立跨學科交融的新型機構、產業化學院等方式,突破體制機制瓶頸,為跨院系、跨學科、跨專業交叉培養新工科人才提供組織保障.”[2]2017年6月9日,新工科研究與實踐專家組在北京成立并召開第一次工作會議,會議通過了“新工科研究與實踐項目指南”,形成了新工科建設的“北京指南”.“北京指南”鼓勵高校探索多學科交叉融合的工程人才培養模式,建立跨學科交融的新型組織機構,開設跨學科課程,探索面向復雜工程問題的課程模式,組建跨學科教學團隊、跨學科項目平臺,推進跨學科合作學習[3].從“復旦共識”到“天大行動”,再到“北京指南”,構成了新工科建設的“三部曲”,開拓了工程教育改革的新路徑,學科交叉建設成為工程教育改革的趨勢.
2高校跨學科交叉融合人才培養情況及存在的問題
一個時期以來,國內外高校對多學科交叉融合進行了不懈的探索.美國自19世紀30年代起多次掀起了學科交叉研究與實踐的浪潮.1920年芝加哥大學成立了社會科學研究委員會(TheScialSienceRGocesearchCouncil,SSRC)以推動學科間的綜合為宗旨.1967年華盛頓建立新式的文理學院,不限定學生必須修讀的學科課程,允許學生進行完全的交叉學科研究[4],但這類課程僅局限于少數學生群體,仍處于學校課程的邊緣地帶[5].1979年,弗吉尼亞州立大學成立了整合學習委員會(AssociationforItengrativeSudGties,AIS)和國際交叉學科研究調查委員會(InternaGtionalAsociationfortheSudstyofIterdiscinplinaryResearch,INTERSTUDY)以推動學科交叉教育理論、方法、課程、管理與國際性交流[6],這也反映了西方高校交叉學科研究由被動到自覺探究發展的過程.我國眾多高校也對學科交叉進行了嘗試與探索.南京大學于1999年開展學科特區建設,建立了“分子醫學研究所”“國際地球系統科學研究所”等學科交叉研究中心[7].2004年,四川大學投入1500萬元,建立了交叉學科研究中心.2017年,清華大學成立了智能無人系統研究中心、智能網聯汽車與交通研究中心以及柔性電子技術研究中心3個跨學科交叉科研機構,樹立了新時期高校科研體制機制改革的里程碑.雖然學科交叉活動在高校得到一定程度發展,但是高校學科交叉仍存在認知不清、傳統學科專業設置不順、體制機制不健全等障礙壁壘,使得學科交叉取得的成效不盡如人意.2．1學科交叉認知不清無論是在理論研究過程中,還是在高校教學管理實踐中,與學科交叉的相關概念較多.對學科交叉認知不清,易導致對學科交叉理解出現偏差,從而影響學科交叉研究的進展以及高校學科交叉的實踐.目前,與學科交叉的相關概念有2個類型:一是學科性質的名詞概念,主要有學科、學科群、交叉學科等;二是學科建設性質的動詞概念,主要有學科交叉、學科建設、多學科研究、跨學科教育等[8].2004年,美國促進交叉科學委員會編輯出版«促進交叉學科研究»(FIDR)報告,指出“交叉學科研究是團隊或個人的一種研究模式,它把來自2個以上學科或專業知識團隊的信息、數據、技能、工具、觀點、概念和理論綜合起來,加深基本的認識,或解決那些不能用單一學科或研究實踐領域來解決的問題”[9].2．2多學科交叉培養人才缺乏有效載體克拉克曾指出:“學科不斷分裂成專業,專業又分裂成更多的專業,這是大學內一種無法控制的、自我擴張的現象.”[10]美國學科交叉發展相對較為成熟,并已具備了較為完備的發展載體,如建立交叉學科學院、設置交叉學科教學項目以及成立交叉學科中心和研究所等.我國高校雖然對多學科交叉發展平臺建設進行了有益的嘗試與探索,但這些平臺大都針對科學研究,或者面向研究生教育,對本科學生的培養尚未展開.我國高校主要采用以學科專業作為本科學生培養的載體,學生的教學活動、學習交流活動也大多是在本學科專業內進行,無形中強化了單一學科培養模式,加深了不同學科專業之間的壁壘,限制了跨學科培養人才特別是培養本科生的成效,成為提高我國工程教育人才培養質量的制約因素之一.近年來,很多學校通過舉辦輔修專業來培養復合型人才,但這種培養模式基本上是“主修＋輔修”2個專業的復合,相對于培養面向工程領域解決復雜問題所需要的多學科交叉融合的工程技術人才培養的效果不佳,多學科交叉融合的人才培養模式尚沒有建立起來.因此,教育部在«關于推薦新工科研究與實踐項目的通知»中明確提出:“鼓勵高校探索多學科交叉融合的工程人才培養模式”[11].
3高校工程訓練中心具備多學科交叉融合的天然優勢
3．1學科交叉的創新實踐平臺
1998年,我國教育部實施了«世界銀行貸款———中國高等教育發展項目»,工程訓練中心在我國高校得到了快速發展.之后,教育部在“質量工程”項目中啟動了國家級實驗教學示范中心評建工作[12],形成了高校實驗與實訓教學的新局面.借助于在學校實踐教學中的地位和資源優勢,工程訓練中心率先突破了院系的限制,打破了學科專業壁壘,將學校內部資源進行整合集中,為學生提供了一個創新性、開放性、實踐性的公共實踐教學平臺.同時,適應我國創新創業教育的新形勢,工程訓練中心在原有工程實踐項目的基礎上,注入創新創業教育元素,從平臺建設到師資隊伍再到制度保障,系統化地為學生筑建了創新創業實踐園地.
3．2具備多學科交叉的知識體系
工程訓練中心已成為工科類高校中教學規模最大、學生受眾人數最多的實踐教學基地,也是國家有史以來在高校實驗教學建設方面單項資金投入最大的項目[12].高校工程訓練中心大多是在金工實習工廠的基礎上發展起來的,課程內容較為單一.隨著實驗教學示范中心建設的推進,工程訓練中心逐漸突破了原有單一學科和基礎技能訓練的限制,遵循“寬口徑、厚基礎、重創新、重能力、可持續發展”的原則,結合多學科實踐訓練平臺的建設和學校學科專業特點,開設多學科專業實踐課程,形成了適合現代化發展的機械、電子、信息、材料、管理和人文等多學科有機融合的工程訓練課程體系,適應了現代制造業對復合型、創新型人才的需要.
3．3采用多學科交叉培養方法
各高校的工程訓練中心是學校實踐教學的重要基地,都非常重視對學生實踐能力的培養,除了開展基礎工業實踐訓練即金工實習外,大都結合本學校的學科專業實際,開設了面向全校各專業學生的工程訓練或綜合實訓項目,有的學校還在中心開展了大學生創新創業實踐,或者綜合組隊參加國家及有關單位組織的綜合性創新設計大賽.通過運用多學科領域的知識,努力培養學生系統性、綜合性分析問題、解決問題的能力.
4華北電力大學工程訓練多學科創新教育實踐
作為一流學科重點建設的高校,華北電力大學(以下簡稱“華電”)結合電力行業特色,依據創新人才培養需要,建立起了一個綜合性的工程訓練中心實踐平臺,并成為國家級綜合性工程訓練中心.該中心建設10年來注重發揮資源優勢,以綜合性創新實踐基地為平臺,以多學科指導教師為主導,以大學生創新俱樂部學生為主體,以多學科交叉融合課程群為載體,以多學科交叉融合創新實踐項目為抓手,以全方位開放運行為保障,在多學科交叉融合培養創新人才方面開展了持續的探索實踐,取得了一定的成果和經驗.
4．1搭建學科交叉創新實踐平臺
為了滿足工程創新人才培養的需要,華電工程訓練中心在建設之初就融合了多個學科的資源,旨在為學生打造一個工程訓練基地、創新實踐基地.隨著不斷的建設和完善,工程訓練中心已經建設了包括機械設計與制造、產品設計與制作、電氣工程、電力系統仿真以及電工電子、信息技術、自動控制等多個學科專業的綜合性的創新實踐中心,打造能覆蓋全校學生的大學生創新實踐基地,包括:機械創新實踐基地、機器人創新實踐基地、智能汽車實踐基地、電子設計實踐基地、產品設計實踐基地、數學建模實踐基地、文科綜合創新實踐基地、創客空間等.創新實踐基地將多學科的創新教育資源進行優化整合,采用開發式的管理運行模式,即內容開放、時間開放、服務對象開放,為學生工程能力訓練和創新能力培養提供了一個個性化、綜合性、開放型的創新實踐平臺.
4．2打造多學科交叉的教師團隊
工程訓練中心于2009年成立了創新教育教研室,從全校包括機械、自動化、計算機、電氣、電子、經管、文法、數理等多個院系聘請教師.為使研究實踐項目與現場的有效對接,該中心還從企業聘請技術人員擔任學生的指導教師.創新教育教研室在學生創新教育課程教學、創新實踐項目指導、創新成果轉化與應用等方面發揮著重要的作用.目前該教研室已為學生開設13門創新教育系列課程,設立多學科交叉融合創新實踐項目32項,并為學生參加工程訓練綜合能力大賽、機械創新設計大賽、機器人大賽、智能汽車大賽、挑戰杯大賽以及各類創業大賽等開展指導,為學生創新成果孵化提供服務.
4．3組建多學科交叉融合學生創新實踐組織
工程訓練中心非常重視學生實踐隊伍建設中的多學科交叉和融合,學生實踐與創新團隊不以專業區分,而以興趣聚類,通過建立創新俱樂部的方式建立大學生創新實踐組織.俱樂部以“興趣聚合、學校引導、自我管理、自主實踐”的原則組建了多個創新俱樂部,包括數學建模俱樂部、機械設計俱樂部、機器人俱樂部、智能汽車俱樂部、3D打印俱樂部、電子設計俱樂部、產品設計俱樂部、創業俱樂部.俱樂部由學生自主管理,他們定期組織開展招新會、報告會、經驗沙龍,開展研究實踐活動、參加科技創新競賽等.工程訓練中心為其提供活動場所和條件保障,并有相關教師進行指導.通過俱樂部成員的新老交替,實現創新實踐活動的可持續發展和科技創新成果的可持續提升或孵化.實踐表明俱樂部成員已經鍛煉成為多學科創新實踐的骨干,并積極帶動其他學生參與到創新實踐活動中,在廣大學生中起到了引領和示范作用.
4．4構建多學科交叉融合的創新實踐課程體系
4．4．1開設多學科交叉融合創新課程群
創新教育教研室教師結合自己的專業的研究,開設了一系列創新教育課程,包括機器人控制技術、單片機開發技術、3D打印技術、APP軟件開發技術、生產線控制技術、足球機器人仿真、電力系統仿真、機器人創新設計、機械創新綜合設計、無動力小車設計、電機拖動與控制等13門課程,并納入學校公共選修課程體系中.
4．4．2建立多學科交叉融合創新實踐項目
創新實踐項目是培養創新工程人才的重要抓手.通過創新實踐項目的訓練,將多學科交叉知識與方法運用到項目中,在實踐過程中提高學生的實踐能力和創新意識.中心依據本校學科特色和學生需求,建立了多類型、不同系列的創新實踐項目,即基礎訓練項目、結合競賽的提高或深化訓練項目以及結合行業特色的實際應用項目.項目主要來源于3個方面:指導教師團隊設計的實踐項目、學生自主提出的多學科實踐項目以及用于解決實際問題的校企合作項目.例如:高低壓配電系統運行與設計制作、機器人創新設計與制作、仿人競速機器人、飛行器盤煤系統研發、變電站絕緣子清潔機器人、電力線路在線修補機器人等研究性項目.項目內容涉及機械、電子、軟件、產品設計、技術經濟等多個學科.學生采用“點菜單”式自主選擇創新實踐項目,項目的實施過程分為以下階段:項目總體方案設計階段;機械結構設計、控制電路硬件設計、控制軟件設計階段;實物制作、安裝調試階段;演示和答辯階段;項目實施過程注重團隊協作,發揮每個人的學科優勢,共同完成多學科交叉融合項目.同時,為了使創新實踐項目得到有效保障,工程訓練中心專門制定了多學科綜合創新實踐項目具體實施方案與管理辦法以及項目測評評定細則.多學科交叉創新實踐項目注重多學科成員之間的團隊協作,因此評定細則以團隊為考核對象,并根據項目最終完成的實際效果評定團隊成績,有助于學生在多學科協作中團隊合作精神的培養.
4．5取得了一批體現多學科交叉融合的創新實踐成果
華電工程訓練中心秉承“厚基礎、重實踐、強能力、求創新”的人才培養特色,通過搭建多學科交叉融合實踐平臺,構建全方位的創新人才培養體系,建立開放性自主性的組織管理體制,極大地調動了學生參與工程創新實踐的主動性和參與度.一方面,學生利用工程訓練中心多學科優勢實施創新項目:如機械、電子、軟件、技術經濟、管理專業等學生共同參與“人型短跑機器人”“智能可視化天氣預報瓶”“綠色電力”等多學科科技項目.學生參與研發的“飛行器盤煤系統”“變電站絕緣子清潔機器人”“電力線路在線修補機器人”等成果也已應用于電力企業.另一方面,學生積極參與各類創新實踐活動,并在“智能汽車競賽”“機械創新設計大賽”“電子設計大賽”“‘挑戰杯’大學生課外學術科技作品競賽”等各類創新創業競賽中屢創佳績.僅在2016—2017學年就共獲得國家級獎項32項,省部級獎項36項,授權發明專利3項、實用新型專利32項、外觀專利5項、軟件著作權12項.2017年11月,學生憑借“沼氣蓬勃”項目在阿美亞洲“能源杯”大賽中榮獲亞太總冠軍.工程訓練中心已成為大學生多學科融合創新實踐的新天地.
5結語
新一輪科技革命發展以及新工科建設對高校多學科交叉創新人才培養提出了迫切的要求.我國高校多學科交叉融合的發展與西方高校還存在較大差距.華北電力大學工程訓練中心在多學科交叉培養創新人才方面積累了一定的經驗.未來,中心將進一步發揮學校電力行業特色優勢,充分調動學校的資源,以舉辦“面向電力系統的人工智能與機器人輔修專業”為切入點,為構建多學科交叉融合的創新人才培養新模式開展進一步的研究和探索,為新工科建設提供可供借鑒的經驗.
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作者:王秀梅 胡蝶 房靜 吳鵬 單位:華北電力大學工程訓練中心