王革思, 周　天, 高明生, 李　楊, 宋瑞琳

(1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱　150001；2. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱　150001)

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構建“三位一體”實驗教學體系培養(yǎng)本科生創(chuàng)新型人才

王革思1, 周天2, 高明生2, 李楊2, 宋瑞琳2

(1. 哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院, 黑龍江 哈爾濱150001；2. 哈爾濱工程大學 水聲工程學院, 黑龍江 哈爾濱150001)

以我國“三海一核”領域一流人才培養(yǎng)基地為依托,按照“一個中心,三個結合”人才培養(yǎng)方案,構建了頂層、進階層、創(chuàng)新層交互的“三位一體”實驗教學體系。研究、分析了虛擬仿真、網(wǎng)絡、項目等多種實驗教學模式。對于如何更有效地發(fā)揮實驗教學在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中的作用,提供了有益的探索和有效的實踐經(jīng)驗。

創(chuàng)新型人才； 實驗教學體系； 實驗教學模式； 水聲工程學科

習近平總書記指出：“提高中華民族創(chuàng)新能力,把我國建設成為創(chuàng)新型國家,關鍵在人才?！迸囵B(yǎng)高素質的創(chuàng)新人才,既是增強我國綜合國力和國際競爭力的需要,更是我國國家創(chuàng)新體系的核心部分。

近些年來,我校水聲工程學院始終堅持“培養(yǎng)具有堅定信念與創(chuàng)新精神,視野寬、基礎厚、能力強、素質優(yōu)的可靠頂用人才”的教學理念,將學院建設成為我國“三海一核”(船舶工業(yè)、海軍裝備、海洋工程、核能應用)行業(yè)領軍人物、一流工程師和企業(yè)家的搖籃、國防工業(yè)和國民經(jīng)濟建設高層次科技人才的重要基地作為奮斗目標,依托建設創(chuàng)新型國家背景,培養(yǎng)既具有扎實的基礎知識,又具有系統(tǒng)觀念和全局意識,既具有創(chuàng)新能力,又具有團隊協(xié)作能力和社會實踐能力的水聲工程創(chuàng)新型人才,以滿足國防工業(yè)、國民經(jīng)濟建設以及中國制造2025需求。

1　創(chuàng)新型人才培養(yǎng)思路

1.1“大聲學”實驗教學平臺架構

學院目前承擔著水聲、電聲、超聲、環(huán)境聲等多個聲學方向專業(yè)實驗內(nèi)容的教學任務。水聲工程專業(yè)人才培養(yǎng)需要依托行業(yè)特色,“三海一核”是我校明顯的特色,為了滿足學校在輸送高質量、創(chuàng)新型水聲工程專業(yè)人才的同時,還能培養(yǎng)其他聲學方向專業(yè)人才,特別是電聲專業(yè)方向人才,在學校的支持下,打破教學實驗室與科研實驗室的壁壘,充分利用水聲技術國防科技重點實驗室優(yōu)質基礎資源,堅持科學規(guī)劃、資源整合、開放共享、高效管理原則,面向多學科、多專業(yè)構建了“大聲學”框架下的實驗教學平臺,其下轄聲學實驗教學基地、電學實驗教學基地和水聲工程創(chuàng)新實驗教學基地,其中包括振動與聲基礎實驗室、電聲專業(yè)實驗室以及DSP創(chuàng)新實驗室等12個實驗室。

1.2校企協(xié)同人才培養(yǎng)模式設計

學院目前是國家“優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺”建設項目核心單位,先后與山東共達電聲股份有限公司聯(lián)合建立了電聲實驗室,與美國德州儀器公司建立了HEU-TI DSP數(shù)字信號處理實驗室,與美國賽靈思公司建立了HEU-XILINX信號處理創(chuàng)新實驗室。還與中船重工集團715研究所、大連測控技術研究所、中國電子科技集團第49研究所、北京長城無線電廠、宜昌海聲科技有限公司等國內(nèi)9家研究所和企業(yè)建立了校外實踐教學基地,聯(lián)合成立“水聲基金”。根據(jù)國防和社會對水聲工程專業(yè)人才培養(yǎng)的新要求[1],在學校的安排下,學院組織學校、企業(yè)、科研院所一線教授級專家團隊主導“頂層設計”,通過必要的把關和審查,共同制定“以學生為中心,課內(nèi)與課外相結合、教學與研究相結合、個性與創(chuàng)新相結合”的水聲工程創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方案。

1.3科研融合成果導向

學院目前在水下定位、水聲換能器、聲隱身、水聲探測、水聲傳播、水聲通信等多個領域和方向上的研究成果代表了我國基礎研究和應用基礎研究的最高水平。曾多次獲得國家級和省部級科技成果獎。充分利用一線科研經(jīng)驗豐富的骨干教師在科研和實驗教學上天然的有機聯(lián)系,建立科研和實驗教學之間雙軌交互運行機制,實現(xiàn)科研成果向高質量實驗教學成果轉化。為了讓實驗教學更接近實際工程環(huán)境[2],利用階段性科研成果自主研發(fā)具有先進技術性能的實驗教學儀器設備。通過科研成果的二次開發(fā)增加新型實驗項目。采用信息技術創(chuàng)編具有學科特色的數(shù)字化、立體化實驗教材(課件)。借助虛擬仿真技術開展研究型實驗教學。這些經(jīng)過轉化后的實驗教學成果在培養(yǎng)水聲工程專業(yè)人才的實驗能力、工程能力和創(chuàng)新能力方面能夠發(fā)揮出不可替代的重要作用

2　“三位一體”實驗教學體系構建

2.1依據(jù)培養(yǎng)方案的頂層實驗教學體系

實驗教學既是知識傳授的手段,也是將理論知識提升到指導實踐的過程,更是基本素質、實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑。水聲工程學科是集多學科為一體的綜合交叉性學科,具有內(nèi)涵豐富、外延寬廣、綜合交叉性等特點,這就意味著培養(yǎng)出來的學生應當具有基礎厚、知識廣、視野寬、能力強、創(chuàng)新欲望高等特點。因此,構建適合水聲工程專業(yè)人才培養(yǎng)的實驗教學體系既是現(xiàn)行體系改革創(chuàng)新的需要,更是教育質量工程的重要保障。校企一線教授級專家團隊制訂的“一個中心、三個結合”人才培養(yǎng)方案,突出學科特色,側重專業(yè)領域工程實踐能力,強化科研創(chuàng)新能力,將人才培養(yǎng)與企業(yè)需求無縫對接[3]。結合培養(yǎng)方案,設計了“工程素質培養(yǎng)、工程實踐能力培養(yǎng)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)、科研能力培養(yǎng)”的頂層實驗教學體系,推進、完善實驗教學與工程實踐、創(chuàng)新活動、科學研究以及企業(yè)協(xié)作的交互融合。

2.2依據(jù)教學內(nèi)容的進階層實驗教學體系

實驗教學能夠促進知識傳授、能力培養(yǎng)、素質教育全面協(xié)調(diào)發(fā)展[4]。實驗教學內(nèi)容是影響實驗教學質量的重要因素之一[5]。因此,實驗教學要結合學科自身特點及其科技發(fā)展趨勢,注重教學內(nèi)容的整體優(yōu)化和學科之間的相互交叉滲透,要淡化單一課程,強化課程群融合。遵循“認識、理解、消化、實踐、提升”的循序漸進認知過程,創(chuàng)設開放的、多樣的、自主的實驗教學環(huán)境,讓學生以自己的方法去思考、拓展,提出目的性知識需求,將被動式學習變?yōu)樽杂X學習、主動成長。依據(jù)實驗教學內(nèi)容,采用了具有操作性的進階式實驗教學體系。

(1) 基本技能實訓。著重培養(yǎng)學生規(guī)范化實驗技能和科學的思維方式,讓學生初步掌握科學實驗的方法和設計思想[6]。

(2) 理論知識應用能力提升。注重啟發(fā)式教學的靈活運用,提高學生獨立分析問題、解決問題的能力,培養(yǎng)學生實事求是的科學作風和認真嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

(3) 綜合與創(chuàng)新能力培養(yǎng)。既要體現(xiàn)知識的綜合性與創(chuàng)新性,又要體現(xiàn)創(chuàng)新精神與工程實踐能力培養(yǎng),讓學生熟悉和掌握科學研究的基本過程及方法,實現(xiàn)自我超越。

2.3依據(jù)個性化培養(yǎng)的創(chuàng)新層實驗教學體系

課內(nèi)實驗教學往往受到教學大綱、教學內(nèi)容以及學時等諸多因素限制,加之缺少個性化,使學生無法完善實踐知識體系構建。創(chuàng)新是人的天性,創(chuàng)新教育不能僅服務于少數(shù)學生,重要的是激發(fā)學生的創(chuàng)新欲望、激活學生的創(chuàng)新潛能[7]。為了促進學生實踐知識全面發(fā)展以及創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力培養(yǎng),依托課外科技創(chuàng)新實踐活動,構建了課內(nèi)外相結合的個性化培養(yǎng)實驗教學體系。課外科技創(chuàng)新實踐活動主要是由教師指導學生參與科技制作、學科競賽、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、教師科研項目、發(fā)表專利、撰寫科技論文等。指導教師負責制定學生的個性化學習計劃,促進學生知識結構相互滲透、理論實踐結合、多學科交叉復合[8]。學生則享有很大的自主權、主動權。此外,還開設了電子線路設計與制作、嵌入式系統(tǒng)設計與實踐等課外選修課程,將學分制與選課制相結合,各取所需,各得其所。將學生參與科技創(chuàng)新實踐活動貫穿于課外實踐教學的整個過程,形成了從普及、提升到高端引領的個性化培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的特色。

3　多元化實驗教學模式創(chuàng)設

3.1虛擬仿真實驗教學

學院目前配備了數(shù)量眾多、性能先進的實驗儀器、設備,實驗環(huán)境也十分優(yōu)越,這些硬件條件為學生創(chuàng)新精神與實踐能力培養(yǎng)發(fā)揮了重要的支撐作用。但是,在水聲學實驗教學過程中會遇到諸多無法親臨的實驗環(huán)境,如深海、復雜海況等。對存在高危險、高成本、高消耗、大型設備操控等實驗更是無法進行。

虛擬仿真教學能夠再現(xiàn)自然現(xiàn)象或事物變化過程,為學生提供生動、逼真的實驗教學環(huán)境,使實驗教學空間從物理空間延伸到虛擬空間。學院近年來持續(xù)建設虛擬仿真實驗環(huán)境,例如虛擬聲場環(huán)境設置、聲學傳感器仿真設計等,很好地解決了實驗環(huán)境及設備操控等方面的實際問題,同時使抽象的聲學專業(yè)理論知識實現(xiàn)了可視化、形象化、認知化,起到了獨特的助推器作用。在電子線路類實驗課程中普遍采用了虛擬仿真教學,借助國外公司大學贊助計劃和購買等途徑,配置全套正版的EDA軟件,利用Multisim、Quartus、Labview等EDA軟件進行電子線路設計、仿真、分析、驗證。由于采取“課外虛仿、課內(nèi)實做”“先仿后做,虛實結合”方法,更好地配合了從基本單元實驗直至綜合創(chuàng)新實驗的硬件實驗教學。

3.2網(wǎng)絡實驗教學

傳統(tǒng)的依附于理論的實驗教學是以課堂教學為主,內(nèi)容單一、實驗數(shù)量少、更新緩慢,不利于自主學習、自主實驗和自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)。網(wǎng)絡教學具有無時空限制、教學資源共享、教師多元化、教學過程非線性化、學習個性化的特點,因此,在時間、空間、內(nèi)容、設備上可以實現(xiàn)實驗教學的全面開放。

近年來,學院以全面提高學生創(chuàng)新精神和實踐能力為核心,以信息化實驗教學資源建設為重點,持續(xù)開展網(wǎng)絡實驗教學研究工作。實驗教學中心建設了一個由107臺微機組成的網(wǎng)絡環(huán)境,搭建了“我的實驗我做主”的平臺,營造創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的良好文化氛圍。實驗室管理如同圖書館模式,全天候開放,只要學生沒課都可以進實驗室做實驗?；谛@網(wǎng)環(huán)境,自主研發(fā)了模擬電子線路網(wǎng)上虛擬實驗室,提供大量虛擬仿真實驗教學資源[9],內(nèi)容豐富、形式多樣化。這些優(yōu)質資源以學生自學為主、教師啟發(fā)指導為輔。學生可以根據(jù)自身的基礎、興趣來選擇最適合自己的學習與實驗內(nèi)容,調(diào)整不同的進度。還建立了水聲工程實驗教學中心網(wǎng)站,成為聯(lián)系外界、學校、學院、實驗教學中心、教師和學生的公共平臺通道。網(wǎng)站具備數(shù)字化教學資源、實驗教學團隊、科創(chuàng)活動、實驗室開放運行管理等多種功能。實現(xiàn)了“課程管理、師生交流、教學評價”的信息化。目前,開設的實驗課程全部實行了網(wǎng)上選課、預約、評價、答疑等全流程的信息化運行與管理,規(guī)范了教學、方便了學習,有效提高了實驗教學效果。

3.3項目式實驗教學

項目式教學是一種讓學生在教師的指導下通過完成一個完整的項目而進行學習的教學模式。將項目式教學引入實驗教學中,主要是灌輸科研項目的整體思路,建立工程觀念,促進理論與實踐的結合、課內(nèi)與課外結合以及知識體系與工程的結合。同時還將傳統(tǒng)的以教師為中心、以課堂為中心、以理論教學為中心,轉變成以學生為中心、以實踐為中心、以培養(yǎng)能力為中心[10]。因此,要結合學生特點、優(yōu)勢和差異,精心設計題目和實驗內(nèi)容,強化實驗內(nèi)容工程背景,激發(fā)學習興趣,讓學生能夠做到學以致用[11],學到真本領。

(1) 選擇合適題目,激發(fā)學生探究興趣；

(2) 明確任務要求,引導學生思維；

(3) 開放優(yōu)質教學資源,自主設計實驗方案；

(4) 開放實驗環(huán)境,力求探究性成果。

目前已經(jīng)在水聲實驗、信號分析實驗等課程采用了項目式實驗教學。學生根據(jù)已有的經(jīng)驗、知識、水平和興趣來選取適合的項目,他們以“做”帶“學”“學”促“做”[12],充分發(fā)揮自身的特長,創(chuàng)造性地解決問題,并以培養(yǎng)自己的創(chuàng)新意識和各種能力為目的。教師在整個項目教學過程中起組織和指導的作用,他們關注的重點是學生在完成整個項目過程中綜合素質達到的程度,考核學生的實踐創(chuàng)新能力。

4　取得的成效

(1) 實驗教學成果斐然。近幾年來學院在管理體制、教學體系、教學方法、教學資源和實驗室建設等方面都取得了長足進步和發(fā)展，獲得多項殊榮和獎勵,其中:國家級精品資源共享課1門、國家級精品視頻公開課1門；教育部創(chuàng)新團隊1個、省級教學研究團隊1個；國家級教學成果獎二等獎1項、省級教學成果獎一等獎2項、二等獎1項。

(2) 科技創(chuàng)新活動成果豐碩?！叭灰惑w”實驗教學體系為學生科技創(chuàng)新活動搭建了平臺,使有創(chuàng)新欲望的學生有地方可去、有事可做,也為實驗室開放注入了新的內(nèi)容。學生每年參加學校舉辦的“五四杯”“啟航杯”及國內(nèi)各種頂級大賽等品牌活動10余項,廣大學生參與創(chuàng)新實踐活動的氛圍日漸濃厚,整體創(chuàng)新能力得到了顯著提高。近5年來,學生獲得各類省部級科技創(chuàng)新競賽獎勵120余項,通過科技創(chuàng)新活動申請專利200余項、發(fā)表學術論文600余篇,還有240余名學生通過科技創(chuàng)新被保送讀研究生。

(3) 人才培養(yǎng)質量顯著提高。近5年來,學院畢業(yè)生每年一次性就業(yè)率超過98%,其中在我國船舶工業(yè)、海軍裝備、海洋工程領域就業(yè)率超過50%。經(jīng)用人單位反饋,我院的畢業(yè)生具有聲學基本概念清晰、實踐技能全面、工程觀念強、創(chuàng)新能力突出特點。學院憑借就業(yè)率高、就業(yè)質量高、升學率高、就業(yè)滿意度高、違約率低,人才培養(yǎng)符合社會需求,獲得了良好的社會口碑和用人單位的好評。

References)

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Constructing “Trinity” experimental teaching system and cultivating innovative talents of undergraduate students

Wang Gesi1, Zhou Tian2, Gao Mingsheng2, Li Yang2, Song Runlin2

(1. College of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. College of Underwater Acoustic Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Relying on the first-class talent training base of Shipping Industry,Naval Equipment,Ocean Exploration and Nuclear Application of the country,in accordance with “One Center,Three Combinations” talent training plan, this article develops the reform of experimental teaching and innovation research, taking research and analysis on the virtual simulation,network,project and other experimental teaching mode. For how to play the role of experimental teaching in the cultivation of innovative talents more effectively, this article provides a useful exploration and effective practical experience.

innovative talents； experimental teaching system； experimental teaching mode； discipline of underwater acoustic engineering

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.006

2016-05-16

王革思(1960—)，男，黑龍江哈爾濱，本科，高級工程師，研究方向為實驗教學與實驗室管理

E-mail：wanggesi@hrbeu.edu.cn

周天(1980—)，男，黑龍江哈爾濱，博士，教授，研究方向為水聲目標探測及實驗教學與實驗室管理.

E-mail：zhoutian@hrbeu.edu.cn

G642.0

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1002-4956(2016)9-0018-04