基于专业课程教学的大学生创新训练模式的探索与实践
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作者:林高用 李劲风 刘会群 唐建国 张红媛
[摘 要] 在创新驱动发展的战略背景下，创新创业教育已成为高校人才培养的重要途径。针对创新训练项目实施过程中大学生参与度低、受益少等问题，从项目选题、项目实施等方面，提出并建立了一套基于专业课程教学的大学生创新训练模式，将专业课程学习与创新实践相结合，有效提升了大学生创新思维与实践能力的培养质量，并促进了大学生对课程专业知识的深度理解。
[关键词] 专业课程教学;创新训练模式;材料科学与工程
现代大学肩负着人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新、国际交流合作五大职能，而创新创业教育是达成五大职能的重要融合点。近年来，在“大众创业、万众创新”理念的推动下，创新创业训练与实践成为培养大学生综合素质的重要环节，在国内各高校推广实施，取得了显著成效，为国家培养了大批创新型人才。然而，在深入分析大学生创新创业训练项目实施过程时，我们不难发现其中也存在不少问题，如项目技术含量较低、与学科专业发展脱节、学生参与度低及质量不佳等[1-3]。为解决上述问题，国内许多高校对创新创业教育和实践训练模式开展了深刻反思，并结合学科与专业特色开展了多种创新创业实践教育的大胆尝试[4，5]。随着科技的不断进步与产业的迅速发展，社会和行业对大学生知识结构和创新创业能力的要求均在不断提高，因此，大学生创新创业教育模式也必须与时俱进，更新观念，持续深化改革，以适应新工科形势的要求[6，7]。笔者结合多年的教学实践，构建了一种基于专业课程教学的创新训练模式，即从专业课程教学内容中设计创新训练项目，然后指导大学生结合课程学习开展创新实验和实践训练，在培养大学生的创新思维与实践能力的同时，促进大学生对专业课程知识点的深度理解。
一、现行大学生创新训练模式存在的问题
现阶段，大学生创新训练的一般模式为：指导老师根据自身科研项目的任务分解出创新训练项目，然后让大学生创新小组与研究生一起开展创新实践活动。这样可以使大学生有机会直接参与科研项目，但是在创新项目实施过程中大部分工作是研究生完成的，创新小组的本科大学生实际参与度较低，导致大学生创新主体功能发挥不足，大学生的科研创新、组织策划、沟通协调、团队协作等能力得不到有效锻炼。形成这种大学生实际参与度低、参与有效性差的创新训练模式，一方面是因为大学生自身的知识结构和能力还不足以独立承担科研项目任务;另一方面则因为大学生的时间和精力有限，繁重的课程学习任务使其难以全力以赴地开展创新训练课题研究。甚至还有部分“南郭先生”，只是抱着混个课外实践学分的目的而加入创新训练小组，根本无心深入参与课题研究。因此，这种基于科研项目的大学生创新训练模式，实际上只对极少数学有余力的大学生进行了有效培养，大部分创新小组的大学生并未取得真正的收获。此外，由于立项数目逐年增多，部分学校对项目的监督管理体系不够完善，项目督促检查多流于形式。另外，许多项目指导老师的工作安排与学生的学习时间容易冲突，使得学生获得老师亲自指导的机会大大减少。
创新创业教育本质上是应该基于学科专业基础的教育。美国著名教育家伯顿·克拉克指出，学科专业应在创新创业教育中起着“心脏”作用[8]。目前，我国高校创新创业实践依然以大量低技术含量、与学科专业发展严重脱节的低层次创新创业训练为主，真正具有持续发展潜力的高层次、与学科专业进展紧密相关的原创性创新创业项目偏少[2]。我国高校要培养大批高层次创新创业型人才，更好地服务于国家经济社会，应学习借鉴国内外成功经验，强化学科专业教育与创新创业教育的有机融合，强化学生的原创性创新创业能力的培养。现阶段，我国高校结合专业和课程特色开展创新创业教育仍处于尝试阶段，创新创业训练体系亟待健全[9]。创新创业教育必须与通识教育、专业教育融为一体，以专业教育为主要依托并辅以一系列创新创业课程与实践，有效培养学生的创新精神、创业意识和原创性能力[ 10 ]。在为学生奠定专业学科基础的同时，帮助学生构建知识的有机关联，通过广博的学识，使他们学会辨析、思考、选择和定位，提升社会适应、资源整合和集成创新等方面的能力[ 11 ]，这才是高校“育人”的最终目的。因此，基于学科发展和专业课程教学的创新训练模式，是高校创新教育实现广度和深度发展，以及适应社会发展需求的必然选择。
二、基于专业课程教学的大学生创新训练模式的构建
针对上述现行大学生创新训练模式存在的问题，笔者提出一种新的构想，即建立一套基于专业课程教学的大学生创新训练模式，这种实践活动与学生知识结构相匹配，与课程学习不冲突，在提高学生的兴趣和参与度、培养学生创新思维与实践能力的同时，促进学生对专业课程知识点的深度理解与应用，双重提升创新训练与专业课程的教学效果。
本文以中南大学材料科学与工程专业为例，详细介绍上述模式的实施方案与实践经验。在新材料、新技术不断涌现的新工科时代，我们在开展材料科学与工程专业课程教学过程中经常发现，现有的教材、手册、讲义、论文等文献资料中，尚有许多学术、技术问题都值得深入探讨和实证，如果依托这些问题设计大学生的创新训练项目，不仅可以激发学生大胆挑战权威与传统认识的创新思维，同时可有效强化学生对课程内容的学习。基于材料领域专业课程教学的创新训练模式的实施方案如下图所示。
（一）项目设计
针对“材料科学基础”“金属塑性加工原理”“金属材料及热处理”“金属塑性加工技术”等专业主干课程，经课堂讨论交流，通过精心选择和提炼，将其中有疑义、不明确、有争议、有反常特性等問题设计成创新训练项目，然后让学生在课程学习和创新训练过程中，根据传统材料基础理论，结合试验分析，对这些具有特殊或反常性能的材料问题开展深入研究，由此既加深对专业理论知识的理解，同时也可能发现一些新的规律或建立新的材料加工制备方法。
例如，在“金属塑性加工技术”课程中，很多学生（包括部分老师）对管材“空拉纠偏”的原理和工艺不理解，尤其针对硬化程度较高的合金材料（如铜合金）和硬化程度低的合金材料（如铝合金），空拉工艺分别应该如何设计，教材和文献资料中都未曾提及。若以此为主题开展创新训练，不仅可使学生对此问题获得清晰理解，而且可能建立一套管材空拉的实用性工艺方案。 再如，在“材料科学基础”课程教学中，老师在讲授扩散理论中的“上坡扩散”概念时，有部分学生对其中的应力状态导致“逆扩散”（“上坡扩散”）的现象很不理解，我们就可以针对这一现象设计一个创新训练项目，并为学生提供一种双金属层压复合材料试样（如Cu/Al复合板），学生通过简单的扩散退火试验和界面能谱分析，就可以清晰地看到“逆扩散”导致的元素分布规律。这个项目不仅可以使学生深刻理解应力状态对固态扩散的影响规律与机理，而且可以引导学生开展热处理和扫描电镜分析等实验，由此促进学生对“工程力学”“材料科学基础”“金属材料及热处理”“材料结构分析”等多门课程相关知识的综合理解。甚至，通过该项目的研究与总结，可能形成一种强化双金属层压复合材料界面结合的创新性工艺技术。
上述两例的相关实验，利用现有的教学实验设备就可以实现。相比于现行的基于科研项目的创新训练活动，这种基于专业课程教学的创新训练模式因为与课程学习、课程作业甚至课程考试相关，所以更能吸引大学生积极主动参与，更有利于激发大学生的创新意识与潜能。
（二）项目实施
待项目选题确定后，相应课程的任课教师针对所选择的主题，就研究目的、实施方案、实验方法等与学生进行深入交流，指导学生申报国家级、省级或校级创新训练项目。即使未能成功申报到资助项目，任课老师也可以指导学生开展自主研究。上述专业主干课程通常配备了课程实验，拥有基本的实验条件，因此大学生自主研究是完全可行的。在项目实施过程中，以问题为导向，指导学生自主设计实验方案，采用文献调研、检测分析或数值模拟等手段，对课题开展具体实验探究。对于大学生能独立操作的实验，坚持让学生独立完成;而对于学生知识结构与实验操作能力尚不足以承担的难度较大的实验，鼓励学生通过观摩、记录、分析等方法，获得对项目实验的清晰了解，形成完整的实验经历与实验思路，由此激发学生的主观能动性，培养学生的实验操作、交流沟通和团队协作能力。
（三）跟踪与评价
基于专业课程教学内容的大学生创新训练活动一般是在专业课程教学过程中进行，参与项目的学生可在课堂上或课前、课后的时间与指导老师交流实验结果及实验中遇到的问题，指导老师可以较为方便地做到全过程跟进，及时发现问题并提出建议，保证项目研究的持续改进，同时培养学生的沟通表达能力。项目完成后，学生可在老师的指导下总结研究结果，甚至发表论文、申请专利，并将研究结果做成课件在课堂上交流展示。学生进行成果课件展示时，指导老师对其中涉及的知识点以及创新性进行深度解说，使其他未参与该项目的学生也同样能获得深刻理解和启发。通过总结项目实施的收获与经验，评价学生在项目研究中的努力、进步以及表现出来的素质潜力，激励更多学生大胆思考，敢于对教材、文献或老师讲义中有疑义、不明确的内容提出质疑，激发学生敢于挑战权威与传统认识的创新思维和创新潜能。
三、基于专业课程教学的大学生创新训练模式的实施案例
案例1：2004年，本文作者在开展“弹塑性力学”课程教学过程中，当讲授到“孔边应力集中”问题时，有位学生对此问题提出了疑义，他认为并非所有材料都会因“孔边应力集中”而提前失效。老师对他的质疑非常支持，并提供给他四种具有不同性能的金属材料（304不锈钢、紫铜、硬铝、软铝）去开展实验验证。通过系统的实验探究，这位大三本科生发现了一系列有趣的规律，有效实证了塑性变形引起孔边应力钝化的机理，由此建立了孔边应力集中系数随孔洞大小和载荷变化的关联模型，并采用数值计算方法建立了孔边应力集中引起的塑性区边界方程。以此为主题，该学生于2005年成功申请到中南大学第一届“米塔尔创新”项目，且该项目研究成果后续被整理发表了1篇学术论文。这一案例不仅使承担这项创新项目的学生对“孔边应力集中”问题有了非常深刻的理解，也带动全班同学加深了对课程难点的认识，同时有效推进了任课老师的教学改革。
案例2：“加工硬化”和“退火软化”是一般金属材料的基本特性，在“材料科学基础”“金属塑性加工原理”“金属材料及热处理”“金属塑性加工技术”等专业课程中均涉及这部分知识，也是经常考试的重点内容。但是，并非所有金属材料都会呈现出这种规律，例如，Zn-Cu合金就展示出非常显著的“加工软化”（室温冷变形）和“退火硬化”的异常行为。那么如何理解这种异常现象？如何从微观结构角度去解释这种现象背后的机理？由此，我們专门设计了1个创新训练项目，并于2014年指导学生成功申请到中南大学自由探索创新训练项目。通过系统的组织与性能分析实验，成功揭示了该合金产生“加工软化”和“退火硬化”异常行为的微观机理，公开发表了学术论文2篇，并建立了该合金的一种组织调控工艺方案。2015年，在项目结题验收时，该项目获得“优秀论文奖”和“优秀成果展示奖”。其后，在指导老师与一家企业的产学研合作项目实施过程中，该项目研究成果发挥了主要作用。
该案例涉及的Zn-Cu合金虽然展示出异常力学行为，但是，却可以采用已有的材料科学理论进行正常的解释。通过该案例及其延伸的创新训练项目研究，引导学生结合多门专业课程的相关理论知识，深刻理解了金属材料的多种强化和软化机理，尤其是有效培养了大学生大胆怀疑，勇于探索的精神和品质。
2016年，由该项目的课堂展示，后续又延伸出另一个有趣的创新训练项目。任课老师在开展“金属塑性加工技术”课程教学时，向学生展示了一些Zn-Cu合金挤压型材，其中一名学生出于好奇，对一个型材试样进行了用力弯折，使其产生了明显弯曲。因为破坏了试样，该学生吓得满面通红。但老师并没有批评他，而是问他听到了什么声音。在课堂安静下来后，让这名学生再弯折一件，结果听到“嘶”的一声响，但材料并没有开裂，只是有点弯曲。经多名学生体验后，老师要求大家认真思考这种声音的来源。随后该班组建了一个创新训练小组，专门针对该问题开展实验研究，终于揭示了“孪生”切变引发声响的机理。通过该案例，这个班的学生对于金属材料的“孪生”与“孪晶”现象形成了非常深刻的印象，从晶体学机理、组织判别、工程应用等方面都获得深刻理解。 案例3：2017年，本专业大三的一名本科生在开展“金属塑性加工技术”课程设计时，通过查阅铝加工手册发现，大部分2xxx、5xxx和7xxx系铝合金不能实现空心制品的分流焊合挤压成形，但其后在生产实习过程中，他在国内某企业却分明看到了采用分流挤压模制备的一种5052铝合金空心型材，由此怀疑手册信息的真实性。为此我们设计了一个题为“传统技术是如何突破的？”这样一个创新训练项目，由指导老师带领这名学生和他的部分同学，深入铝型材加工企业，重点进行铝合金分流挤压和在线淬火技术的调查与分析，结果发现，加工手册和教材中记载的多种传统认识上不能实现分流挤压和在线淬火的铝合金，现在在工业化生产中均已实现分流挤压和在线淬火。通过这次调研，大家深刻认识到，并不是加工手册和教材的信息有误，而是在这种科技迅猛发展的时代，传统材料加工技术发展速度太快，以至于手册和教材的编写未能跟上时代发展的步伐。
硬铝分流挤压和在线淬火只是铝型材挤压行业的两项典型的突破传统认识的新技术，其实还有大批传统技术已经或正在被突破，包括硬铝和超硬铝连续挤压技术、紫铜管铸轧技术、铜合金管盘拉伸技术等。通过这个创新训练项目，不仅有效引导学生开展专业技术课程的学习和思考，同时也实现了一次对学生的思政教育。研究过程中我们发现，在突破传统认识，开发创新技术，赶超发达国家先进水平的过程中，我国大批工程技术人员为此付出了艰苦的努力，为我国有色金属产业和国民经济建设做出了巨大贡献，由此激发学生的爱国情操和对专业、对工程技术的兴趣，培养学生敢于挑战传统、勇于实践探索的精神，并引导学生未来投身工程技术领域，努力将自己打造出“卓越工程师”。
四、结语
综上，基于专业课程教学的大学生创新训练模式，即结合课程教学过程中发现的部分有疑义、不明确、有争议、有反常特性等学术或技术问题，精心设计创新训练项目并组织实施，由此培养大学生主动思考的习惯以及敢于挑战权威和传统认识的创新思维，激发大学生创新潜能，提升大学生的创新能力。我们以材料科学与工程专业为例对这种创新训练模式进行了大胆探索，实践表明，相比于基于科研项目的创新训练模式，采用这种基于专业课程教学开展的大学生创新训练活动，与学生知识结构相匹配，与课程学习不冲突，学生参与的兴趣和热情显著提高，学生能独立承担的实验内容明显增加，不仅有效锻炼了学生的实践操作技能，同时促进学生对多门专业课程知识的交叉理解，激发学生对本专业的兴趣和信心，具有多重功效。当然，这种模式对指导老师的专业能力和执教精神提出了更高要求，因此，如何提高老师的指导能力与热情，激励老师积极投身大学生创新创业教育，仍然是一个十分重要的课题。
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