多学科综合优势下的创新教育实践
摘要:新一轮技术革命的典型特征是多学科的交叉融合,通过多学科交叉融合培养创新人才是摆在全国高校面前的重要任务,是新工科建设的重要内容,这将推进高校教学改革的发展.华北电力大学工程训练中心结合学校学科优势,在多学科交叉融合构建创新人才培养模式方面开展了多年的探索,取得了良好的成效,积累了一定的经验.
关键词:工程训练中心;创新教育;学科交叉
多学科交叉融合是技术创新的趋势.当今世界重大的科技创新成果,大多是多学科技术交叉、融合和汇聚的结果.当前,世界范围内又迎来了新一轮科技革命,“工业４．０”“中国制造２０２５”“互联网＋”“新一代人工智能发展”等,无不体现了多学科交叉与融合的态势.高校是培养高水平创新人才的摇篮,但是目前高校无论是在多学科交叉融合的程度,还是在人才培养的质量上仍存在较大差距.如何利用多学科的优势,并将多学科间的交叉与融合应用于人才培养,培养大批掌控新技术革命的高水平人才,实现我国工业技术的跨越式发展,是现阶段摆在我国高校面前的重要而迫切的任务.
１学科交叉融合是“新工科”建设的要求
２０１７年２月１８日,教育部在复旦大学召开高等教育发展战略研讨会,并达成了“复旦共识”.“复旦共识”指出:“我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点上,工科优势高校对工程科技创新和产业创新发挥主体作用,高校要主动优化学科专业布局,促进现有工科的交叉复合、工科与其他科学的交叉融合.”[１]２０１７年４月８日,教育部在天津大学召开新工科建设研讨会,并形成了“天大行动”.“天大行动”要求“优化校内协同育人组织模式,通过建立跨学科交融的新型机构、产业化学院等方式,突破体制机制瓶颈,为跨院系、跨学科、跨专业交叉培养新工科人才提供组织保障.”[２]２０１７年６月９日,新工科研究与实践专家组在北京成立并召开第一次工作会议,会议通过了“新工科研究与实践项目指南”,形成了新工科建设的“北京指南”.“北京指南”鼓励高校探索多学科交叉融合的工程人才培养模式,建立跨学科交融的新型组织机构,开设跨学科课程,探索面向复杂工程问题的课程模式,组建跨学科教学团队、跨学科项目平台,推进跨学科合作学习[３].从“复旦共识”到“天大行动”,再到“北京指南”,构成了新工科建设的“三部曲”,开拓了工程教育改革的新路径,学科交叉建设成为工程教育改革的趋势.
２高校跨学科交叉融合人才培养情况及存在的问题
一个时期以来,国内外高校对多学科交叉融合进行了不懈的探索.美国自１９世纪３０年代起多次掀起了学科交叉研究与实践的浪潮.１９２０年芝加哥大学成立了社会科学研究委员会(TheScialSienceRＧocesearchCouncil,SSRC)以推动学科间的综合为宗旨.１９６７年华盛顿建立新式的文理学院,不限定学生必须修读的学科课程,允许学生进行完全的交叉学科研究[４],但这类课程仅局限于少数学生群体,仍处于学校课程的边缘地带[５].１９７９年,弗吉尼亚州立大学成立了整合学习委员会(AssociationforItengrativeSudＧties,AIS)和国际交叉学科研究调查委员会(InternaＧtionalAsociationfortheSudstyofIterdiscinplinaryResearch,INTERSTUDY)以推动学科交叉教育理论、方法、课程、管理与国际性交流[６],这也反映了西方高校交叉学科研究由被动到自觉探究发展的过程.我国众多高校也对学科交叉进行了尝试与探索.南京大学于１９９９年开展学科特区建设,建立了“分子医学研究所”“国际地球系统科学研究所”等学科交叉研究中心[７].２００４年,四川大学投入１５００万元,建立了交叉学科研究中心.２０１７年,清华大学成立了智能无人系统研究中心、智能网联汽车与交通研究中心以及柔性电子技术研究中心３个跨学科交叉科研机构,树立了新时期高校科研体制机制改革的里程碑.虽然学科交叉活动在高校得到一定程度发展,但是高校学科交叉仍存在认知不清、传统学科专业设置不顺、体制机制不健全等障碍壁垒,使得学科交叉取得的成效不尽如人意.２．１学科交叉认知不清无论是在理论研究过程中,还是在高校教学管理实践中,与学科交叉的相关概念较多.对学科交叉认知不清,易导致对学科交叉理解出现偏差,从而影响学科交叉研究的进展以及高校学科交叉的实践.目前,与学科交叉的相关概念有２个类型:一是学科性质的名词概念,主要有学科、学科群、交叉学科等;二是学科建设性质的动词概念,主要有学科交叉、学科建设、多学科研究、跨学科教育等[８].２００４年,美国促进交叉科学委员会编辑出版«促进交叉学科研究»(FIDR)报告,指出“交叉学科研究是团队或个人的一种研究模式,它把来自２个以上学科或专业知识团队的信息、数据、技能、工具、观点、概念和理论综合起来,加深基本的认识,或解决那些不能用单一学科或研究实践领域来解决的问题”[９].２．２多学科交叉培养人才缺乏有效载体克拉克曾指出:“学科不断分裂成专业,专业又分裂成更多的专业,这是大学内一种无法控制的、自我扩张的现象.”[１０]美国学科交叉发展相对较为成熟,并已具备了较为完备的发展载体,如建立交叉学科学院、设置交叉学科教学项目以及成立交叉学科中心和研究所等.我国高校虽然对多学科交叉发展平台建设进行了有益的尝试与探索,但这些平台大都针对科学研究,或者面向研究生教育,对本科学生的培养尚未展开.我国高校主要采用以学科专业作为本科学生培养的载体,学生的教学活动、学习交流活动也大多是在本学科专业内进行,无形中强化了单一学科培养模式,加深了不同学科专业之间的壁垒,限制了跨学科培养人才特别是培养本科生的成效,成为提高我国工程教育人才培养质量的制约因素之一.近年来,很多学校通过举办辅修专业来培养复合型人才,但这种培养模式基本上是“主修＋辅修”２个专业的复合,相对于培养面向工程领域解决复杂问题所需要的多学科交叉融合的工程技术人才培养的效果不佳,多学科交叉融合的人才培养模式尚没有建立起来.因此,教育部在«关于推荐新工科研究与实践项目的通知»中明确提出:“鼓励高校探索多学科交叉融合的工程人才培养模式”[１１].
３高校工程训练中心具备多学科交叉融合的天然优势
３．１学科交叉的创新实践平台
１９９８年,我国教育部实施了«世界银行贷款―――中国高等教育发展项目»,工程训练中心在我国高校得到了快速发展.之后,教育部在“质量工程”项目中启动了国家级实验教学示范中心评建工作[１２],形成了高校实验与实训教学的新局面.借助于在学校实践教学中的地位和资源优势,工程训练中心率先突破了院系的限制,打破了学科专业壁垒,将学校内部资源进行整合集中,为学生提供了一个创新性、开放性、实践性的公共实践教学平台.同时,适应我国创新创业教育的新形势,工程训练中心在原有工程实践项目的基础上,注入创新创业教育元素,从平台建设到师资队伍再到制度保障,系统化地为学生筑建了创新创业实践园地.
３．２具备多学科交叉的知识体系
工程训练中心已成为工科类高校中教学规模最大、学生受众人数最多的实践教学基地,也是国家有史以来在高校实验教学建设方面单项资金投入最大的项目[１２].高校工程训练中心大多是在金工实习工厂的基础上发展起来的,课程内容较为单一.随着实验教学示范中心建设的推进,工程训练中心逐渐突破了原有单一学科和基础技能训练的限制,遵循“宽口径、厚基础、重创新、重能力、可持续发展”的原则,结合多学科实践训练平台的建设和学校学科专业特点,开设多学科专业实践课程,形成了适合现代化发展的机械、电子、信息、材料、管理和人文等多学科有机融合的工程训练课程体系,适应了现代制造业对复合型、创新型人才的需要.
３．３采用多学科交叉培养方法
各高校的工程训练中心是学校实践教学的重要基地,都非常重视对学生实践能力的培养,除了开展基础工业实践训练即金工实习外,大都结合本学校的学科专业实际,开设了面向全校各专业学生的工程训练或综合实训项目,有的学校还在中心开展了大学生创新创业实践,或者综合组队参加国家及有关单位组织的综合性创新设计大赛.通过运用多学科领域的知识,努力培养学生系统性、综合性分析问题、解决问题的能力.
４华北电力大学工程训练多学科创新教育实践
作为一流学科重点建设的高校,华北电力大学(以下简称“华电”)结合电力行业特色,依据创新人才培养需要,建立起了一个综合性的工程训练中心实践平台,并成为国家级综合性工程训练中心.该中心建设１０年来注重发挥资源优势,以综合性创新实践基地为平台,以多学科指导教师为主导,以大学生创新俱乐部学生为主体,以多学科交叉融合课程群为载体,以多学科交叉融合创新实践项目为抓手,以全方位开放运行为保障,在多学科交叉融合培养创新人才方面开展了持续的探索实践,取得了一定的成果和经验.
４．１搭建学科交叉创新实践平台
为了满足工程创新人才培养的需要,华电工程训练中心在建设之初就融合了多个学科的资源,旨在为学生打造一个工程训练基地、创新实践基地.随着不断的建设和完善,工程训练中心已经建设了包括机械设计与制造、产品设计与制作、电气工程、电力系统仿真以及电工电子、信息技术、自动控制等多个学科专业的综合性的创新实践中心,打造能覆盖全校学生的大学生创新实践基地,包括:机械创新实践基地、机器人创新实践基地、智能汽车实践基地、电子设计实践基地、产品设计实践基地、数学建模实践基地、文科综合创新实践基地、创客空间等.创新实践基地将多学科的创新教育资源进行优化整合,采用开发式的管理运行模式,即内容开放、时间开放、服务对象开放,为学生工程能力训练和创新能力培养提供了一个个性化、综合性、开放型的创新实践平台.
４．２打造多学科交叉的教师团队
工程训练中心于２００９年成立了创新教育教研室,从全校包括机械、自动化、计算机、电气、电子、经管、文法、数理等多个院系聘请教师.为使研究实践项目与现场的有效对接,该中心还从企业聘请技术人员担任学生的指导教师.创新教育教研室在学生创新教育课程教学、创新实践项目指导、创新成果转化与应用等方面发挥着重要的作用.目前该教研室已为学生开设１３门创新教育系列课程,设立多学科交叉融合创新实践项目３２项,并为学生参加工程训练综合能力大赛、机械创新设计大赛、机器人大赛、智能汽车大赛、挑战杯大赛以及各类创业大赛等开展指导,为学生创新成果孵化提供服务.
４．３组建多学科交叉融合学生创新实践组织
工程训练中心非常重视学生实践队伍建设中的多学科交叉和融合,学生实践与创新团队不以专业区分,而以兴趣聚类,通过建立创新俱乐部的方式建立大学生创新实践组织.俱乐部以“兴趣聚合、学校引导、自我管理、自主实践”的原则组建了多个创新俱乐部,包括数学建模俱乐部、机械设计俱乐部、机器人俱乐部、智能汽车俱乐部、３D打印俱乐部、电子设计俱乐部、产品设计俱乐部、创业俱乐部.俱乐部由学生自主管理,他们定期组织开展招新会、报告会、经验沙龙,开展研究实践活动、参加科技创新竞赛等.工程训练中心为其提供活动场所和条件保障,并有相关教师进行指导.通过俱乐部成员的新老交替,实现创新实践活动的可持续发展和科技创新成果的可持续提升或孵化.实践表明俱乐部成员已经锻炼成为多学科创新实践的骨干,并积极带动其他学生参与到创新实践活动中,在广大学生中起到了引领和示范作用.
４．４构建多学科交叉融合的创新实践课程体系
４．４．１开设多学科交叉融合创新课程群
创新教育教研室教师结合自己的专业的研究,开设了一系列创新教育课程,包括机器人控制技术、单片机开发技术、３D打印技术、APP软件开发技术、生产线控制技术、足球机器人仿真、电力系统仿真、机器人创新设计、机械创新综合设计、无动力小车设计、电机拖动与控制等１３门课程,并纳入学校公共选修课程体系中.
４．４．２建立多学科交叉融合创新实践项目
创新实践项目是培养创新工程人才的重要抓手.通过创新实践项目的训练,将多学科交叉知识与方法运用到项目中,在实践过程中提高学生的实践能力和创新意识.中心依据本校学科特色和学生需求,建立了多类型、不同系列的创新实践项目,即基础训练项目、结合竞赛的提高或深化训练项目以及结合行业特色的实际应用项目.项目主要来源于３个方面:指导教师团队设计的实践项目、学生自主提出的多学科实践项目以及用于解决实际问题的校企合作项目.例如:高低压配电系统运行与设计制作、机器人创新设计与制作、仿人竞速机器人、飞行器盘煤系统研发、变电站绝缘子清洁机器人、电力线路在线修补机器人等研究性项目.项目内容涉及机械、电子、软件、产品设计、技术经济等多个学科.学生采用“点菜单”式自主选择创新实践项目,项目的实施过程分为以下阶段:项目总体方案设计阶段;机械结构设计、控制电路硬件设计、控制软件设计阶段;实物制作、安装调试阶段;演示和答辩阶段;项目实施过程注重团队协作,发挥每个人的学科优势,共同完成多学科交叉融合项目.同时,为了使创新实践项目得到有效保障,工程训练中心专门制定了多学科综合创新实践项目具体实施方案与管理办法以及项目测评评定细则.多学科交叉创新实践项目注重多学科成员之间的团队协作,因此评定细则以团队为考核对象,并根据项目最终完成的实际效果评定团队成绩,有助于学生在多学科协作中团队合作精神的培养.
４．５取得了一批体现多学科交叉融合的创新实践成果
华电工程训练中心秉承“厚基础、重实践、强能力、求创新”的人才培养特色,通过搭建多学科交叉融合实践平台,构建全方位的创新人才培养体系,建立开放性自主性的组织管理体制,极大地调动了学生参与工程创新实践的主动性和参与度.一方面,学生利用工程训练中心多学科优势实施创新项目:如机械、电子、软件、技术经济、管理专业等学生共同参与“人型短跑机器人”“智能可视化天气预报瓶”“绿色电力”等多学科科技项目.学生参与研发的“飞行器盘煤系统”“变电站绝缘子清洁机器人”“电力线路在线修补机器人”等成果也已应用于电力企业.另一方面,学生积极参与各类创新实践活动,并在“智能汽车竞赛”“机械创新设计大赛”“电子设计大赛”“‘挑战杯’大学生课外学术科技作品竞赛”等各类创新创业竞赛中屡创佳绩.仅在２０１６―２０１７学年就共获得国家级奖项３２项,省部级奖项３６项,授权发明专利３项、实用新型专利３２项、外观专利５项、软件著作权１２项.２０１７年１１月,学生凭借“沼气蓬勃”项目在阿美亚洲“能源杯”大赛中荣获亚太总冠军.工程训练中心已成为大学生多学科融合创新实践的新天地.
５结语
新一轮科技革命发展以及新工科建设对高校多学科交叉创新人才培养提出了迫切的要求.我国高校多学科交叉融合的发展与西方高校还存在较大差距.华北电力大学工程训练中心在多学科交叉培养创新人才方面积累了一定的经验.未来,中心将进一步发挥学校电力行业特色优势,充分调动学校的资源,以举办“面向电力系统的人工智能与机器人辅修专业”为切入点,为构建多学科交叉融合的创新人才培养新模式开展进一步的研究和探索,为新工科建设提供可供借鉴的经验.
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王秀梅 胡蝶 房静 吴鹏 华北电力大学工程训练中心
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