科研助力大学创新型人才培养探索与实践
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作者:徐振龙 卢科青 王文 周茂瑛
摘 要：围绕建设创新型国家对人才的需求，探索创新型人才培养的有效途径是一项重要课题。针对现行实践教学现状，以压电振动俘能技术为背景，提出科研创新实践方案。在讲授压电俘能器工作原理、研究现状等基础上，开展压电俘能器结构创新设计、有限元仿真计算、实验测试等实践活动。实践表明，科研有助于培养大学生创新思维和实践能力，提高对专业知识的综合应用能力。
关键词：科研;教学;创新型人才;实践
2017年，党的十九大报告提出要“加快建设创新型国家”。创新型国家的建设离不开广大教育工作者对创新型人才的培养。大学是人才培养的重要环节，兼有科学研究和服务社会的功能与使命。其中，人才培养与科学研究并非相互独立、毫无关联。早在1809年，德国教育家、思想家威廉·洪堡就首先提出了“教学与科研相统一”的原则，明确了大学教学和科研之间辩证统一、相辅相成、互相促进的关系[1]。2019年，教育部在教高（2019）6号文件中明确提出强化科研育人功能、推动科研反哺教学的本科教育教学改革实施意见。如何使科研与教学共融发展，助力大学创新型人才培养是当前的重要研究课题之一[2-4]。为此，以压电振动俘能技术为背景，开办科研创新实践课，探索培养大学创新型人才的有效途径。
1 科研对人才培养的意义
目前大学实践教学内容侧重专业基础知识应用，与前沿科技脱节，难以激发大学生的个性和创新能动性;大学生创新创业项目资助面有限，有时缺乏合适的项目课题，部分学生提炼科研成果的能力不足。这些现状在一定程度上限制了创新型人才培养的质量和水平。
人类社会的发展离不开能源，要想可持续发展就必须不断开发新能源。压电振动俘能是利用压电材料将振动能转换成电能，为低功耗微电子产品供电的一项技术。它被视为一项有潜力的新能源技术，具有广阔的应用前景[5]。用于发电的装置被称为压电俘能器，涉及材料力学、信号处理、电子学、机械设计等多门课程知识。目前我校机械类本科生教学大纲已覆盖这些学科知识。因此，基于压电振动俘能技术的科研创新实践并非无源之水、无本之木。
本文提出的科研创新实践方案对人才培养具有多方面的意义：（1）丰富实践教学形式和内容，激发大学生专业学习热情;（2）巩固现有专业知识，提高解决复杂工程问题的能力;（3）培养大学生的创新思维和实践能力;（4）拓宽学生的知识面，宣传科技前沿动态，助力培养具备节能环保意识的跨学科复合型人才。
2 实施步骤
为了扩大受众面，课程前期面向大二和大三年级的本科生发布教学内容和时间安排，广泛吸纳对课程感兴趣的学生。为了便于学生理解压电俘能技术、熟悉科研过程，深入浅出地讲解相关理论知识，注重与专业基础知识的关联和提升，突出实践过程的趣味性和可操作性，讲授课件包含大量视频、图片材料，增加师生互动，避免枯燥地照本宣科。
（1）理论学习：讲授压电材料、机电系统动力学等基础知识，分析压电俘能器国内外研究现状和研究热点问题，使科研创新实践有章可循。
（2）结构创新设计：根据学生专业知识背景，列举可操作的研究课题，学生自行选题，开展文献调研，针对课题提出结构设计方案，师生共同探讨优化设计方案。
（3）工程软件实操：使用三维建模软件Solidworks绘制俘能器结构。讲授有限元仿真软件ANSYS的使用方法，建立压电俘能器机-电耦合参数化模型，通过模态分析获得俘能器的共振频率、振型和应力分布图，谐响应分析获得输出电压频域响应。
（4）器件制作：根据结构设计方案，学生动手制作压电俘能器，包括裁剪基板、粘贴压电片、焊接导线。
（5）实验测试：讲授实验仪器工作原理、功能及操作方法，学生分批次开展实验测试，获得压电俘能器在不同振动条件的输出电压有效值。使用的实验仪器包括信号发生器、电磁激振器、压电加速度传感器、示波器。
（6）数据分析：根据实验数据绘制输出电压频率响应曲线，获得压电俘能器的共振频率、开路电压等，并与有限元仿真结果进行对比分析，验证结构设计方案的达成度。
（7）总结报告：学生将结构设计方案、有限元仿真和实验结果整理成书面报告，并总结参加科研创新实践课的体会。
3 实践成效
第一次开课共招收11名本科生，收到11份总结报告。学生全程表现出极高的热情，提出并验证了各自结构设计方案。通过讲授压电俘能技术的原理和应用，使其初步了解了相关前沿科研动态;体验了科研过程，缩短了本科教育与研究生教育的距离;开拓了视野，激发了专业学习热情;提升了使用工程软件解决复杂工程问题的能力;器件制作与实验测试提升了学生的实践能力。
4 总结
本文立足现有科研平台，以压电俘能技术为背景，以培养大学创新型人才为目标，提出了面向本科生的科研创新实践方案。通过讲授压电俘能器工作原理、研究现状等，引导学生进行研究性学习，开展压电俘能器结构创新设计、有限元仿真计算、实验测试等实践活动，培养了学生的创新思维和实践能力，提高了对专业知识的综合应用能力。方案的顺利实施是对现行实践教学的有效补充，践行了教育部对科研反哺教学的号召。
参考文献：
[1]朱宇波，谢安邦.洪堡的“教学与科研统一”原则及其在美国现代大学中的改造[J].教师教育研究，2012（02）：26-32.
[2]陈朝晖，李正良.“科研-工程-教学”深度融合的建筑力学教学模式创新与实践[J].高等建筑教育，2020，29（01）：16-23.
[3]杨哲，亢利平，初蕾，耿晓棠.大学生创新实践能力培养探索与实践[J].科技风，2020（08）：252.
[4]蘇春建，王薛滔.基于高水平科研平台机械类科研反哺教师教学理论与实践探索[J].教育教学论坛，2015（11）：155-156.
[5]徐振龙，单小彪，谢涛.宽频压电振动俘能器的研究现状综述[J].振动与冲击，2018，37（08）：190-199+205.
基金项目：杭州电子科技大学教育教学改革研究资助项目“科研创新实践培养大学生创新人才探索”（YBJG201820）
作者简介：徐振龙（1986-），男，博士，杭州电子科技大学机械工程学院讲师。
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