大学生创新能力提升的实现路径研究

刘战合，田秋丽，王 菁，苗 楠

（1.郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南 郑州 450046;2.郑州航空工业管理学院经济学院，河南 郑州 450046)

习近平总书记在纵观世界主要国家的创新发展实践以及国内外创新理论研究的基础上，旗帜鲜明地提出“创新是引领发展的第一动力”的命题，同时，在2018年全国教育大会上强调，要“加快一流大学和一流学科建设，推进产学研协同创新，积极投身实施创新驱动发展战略，着重培养创新型、复合型、应用型人才”，李克强总理强调，“要增强教育服务创新发展能力，培养更多适应高质量发展的各类人才。优化高校区域布局、学科结构、专业设置，坚持以教学为中心，突出创新意识和实践能力，培养更多创新人才、高素质人才。更加重视、充分发挥高校在强化基础研究和原始创新、突破关键核心技术中的重要作用”[1,2]。教育部在《关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》（简称“新时代高教40条”）文件中，重点关注本科教学模式和培养方式的改革，并将“深化创新创业教育改革，提升学生综合素质”作为本科教学主要任务和目标之一。

近年来从宏观布局和具体实施上，创新能力已是当前本科教育教学的重要能力之一，也是教育教学改革实施的重要目标。大学是人才培养的前沿阵地，也是创新意识及能力培养基地，对我国创新创业人才的培养有重要影响意义。基于以上考虑，从实际教学过程出发[3]，结合创新能力培养需求，以理论教学、实践教学、科研项目、科技竞赛、创新创业大赛等为平台[4,5]，开展面向大学生创新能力提升的实现路径研究，初步探索新时代形势下教育教学方法的改革与实践。

一、大学生创新能力的内涵

一般的，创新可以理解为三个层次：一是为适应新应用方向、新使用环境等，在现有思维、技术、方法、工艺等基础条件下，进行适应性改进或较小升级的行为，定义为基础性创新；二是为适应社会或产业发展新需求，对原有技术、方法、工艺等进行较大层次的提升，或开发出新方法、新技术、新工艺等，定义为需求性创新；三是面向未来科学发展需要，开展具有前瞻性的自然、社会科学研究，建立相关领域内重要理论、方法、工艺等的社会行为，定义为开创性创新。创新能力即具有与上述创新形式对应的研究能力或潜在研究能力。

当前本科教育机制、培养方法和培养模式以大众化知识储备和专业化知识为主，大一和大二阶段主要构建理论知识、数学等基础学科，大三、大四阶段以专业知识为主，培养学生在某一方向上的专业知识和技能，各阶段培养过程中，根据学生学习能力，结合理论课程、实践课程，使学生具备初步的创新意识和实践能力。但总体来看，现有培养模式重在知识的累积、大众化高等教育，而如何将创新能力培养有效融于实际教学过程中，已成为本科教育教学方法、教学模式、教学改革的重要内容。

基于创新与创新能力分层次的概念，对本科教学来说，在理论基础知识和基本学习技能教授的大一、大二阶段上，结合理论基础课程、专业基础课程教学情况，重点搭建知识基础体系，同时，在教学方法、讲课策略、教学内容上采用启发式、讨论式、开放式、引导式等，以提高学生兴趣，改善学习生态，使学生具备初始的思考和动手能力，建立完备的知识体系，这一阶段上，多为属基础创新，且创新能力的提高对各专业来说区别不大。在大二、大三阶段，主要以课程面向为主，即专业、学科、应用背景、就业需求等，重在专科基础课、学科专业课为主，对工科来说，一般采用阶梯式或循序渐进式培养方法，课程相互联系紧密，环环相扣，但均有较为明确的应用方向或工程背景，因此，可根据学科专业具体情况、学习教学实际基础、专业实验室情况、师资力量等，结合具体课程，合理规划教学方案，有效将理论知识和创新能力相结合，提高本科阶段学生的需求性创新能力。在一些优势学科或优势高校，根据学生学习特点，基于学校、实验室、教师等科研项目平台，可重点培养优秀学生的科研创新能力，引导学生早进实验室，早加入教师科研、教学团队，逐步通过科研方向、项目的系统化锻炼，为学生以后的开创性创新研究建立研究基础和科研习惯。

二、实现路径及关键问题

创新能力的培养是个综合过程，其主体为学生，教师及导师起牵引性作用，高校提供教学、科研、试验、应用等平台，共同组成大学生创新能力提升的培养系统，对本科教学来说，其实现途径可以从课程及教学方法、科学研究、平台支撑的角度来详细研究。

（一）课程及教学方法

如前所述，就当前本科（尤其是二本高校）教育来说，尽管在教学改革和方法研究上有较大的人力物力投入，有较大的研究成果，但依然是有其规律性，大多高校课程体系大致分为理论基础课、专业课、实践课，各类课程相辅相成，共同支撑本科四年培养目标体系。为提高大学生创新意识和创新力，需根据各校实际、各专业特点有序推进。

理论基础课是大学教育的基础，是专业基础课、专业必修课、专业选修课的学习基础，就理工类专业来说，可为后续的学习和研究提供系统的数学基础、分析手段和工具，并形成初步的科研分析和专业知识学习能力。一般的，教学中主要考虑通识性技能培养，从创新能力培养角度来看，需要结合实际专业分布情况，按大类教学思想，形成创新意识培养思路。如高等数学、线性代数、数值分析、矩阵论等工程数学课程，可结合专业未来需求，重点培养学生解决问题能力，在学生提前进入教室科研课题组、科研平台、试验平台前提下，使学生反向带着需要解决的实际问题、实际工程需求学习数学，同时，工程数学教室也可设置响应的议题，有学生自发自主探索、发现解决问题的方法，即采用需求主导方式，有效提高改善学生学习动力，提高工程数学知识掌握和使用能力。

与理论基础课不同，专业课可大致分为专业基础课、专业必修课、专业选修课等，以培养学生在该专业上的专业技能，使学生掌握响应的设计、分析及处理能力。就理工专业来说，一般有较为清晰的应用方向，更适合探索创新能力提升的培养策略，从专业特点出发，以专业需求为动力，对专业课程内容进行总结分类，与应用技能相适应，适时开展学术问题、技术需求、应用方向等的问题解决方法和技巧，相融于课程教学当中，借助新型教学方法，如翻转课堂设计、慕课技巧、分组讨论等，综合提高学生解决专业性问题的分析能力。就飞行器设计专业来看，从专业角度来看，一般包含空气动力学、飞机结构、总体设计等专业课，实际教学中，根据学生实际能力，将内容分为通识型和能力提升型两种，通识型主要使学生建立基本的学科知识体系，能力提升型为学有余力、部分优秀学生掌握专业的分析技巧，以应用驱动提升学生创新设计能力，如新概念飞行器布局设计、新概念动力驱动装置设计、新型升力产生机制等，由设计经验丰富的教师协同指导，专业课程结束后，学生初步具备飞行器总体设计能力、专业技术分析能力等。

在以上理论课基础上，为提高学生实践能力，实践课成为课程体系的重要组成部分，也是未来教学改革的重要内容，实践课是学生掌握理论课程的验证和知识体系应用化的重要过程。一般培养方案中，将实践课融在各阶段，一般包含认识实习、专业实习、课程设计、毕业实习、毕业设计等，旨在培养学生解决实际科学问题的能力。以课程设计为例，与相关专业课密切相关，议题设置开放，由教师或学生提出设计目标、设计任务等，基于专业课程体系，由学生独立完成，团队合作，模拟实际工程问题处理过程，通过创新性设置问题，提高目标和设计要求。如对飞行器设计专业学生，通过分组合作、目标定位等，围绕新型飞行器设计，使学生掌握飞机设计流程及新型飞行器探索能力，如环形翼飞机、水陆两用无人机、动力直驱型单旋翼无人机、低空高速侦察无人机、低速飞行器的气动参数动态采集器等；对航空经济方向学生，结合郑州航空港建设，适时开展飞行器贸易基本理论、实际交易过程模拟、飞机租赁、航空物流等知识体验，鼓励学生实际现场调研、参与、实践，获取第一手飞行器贸易资料，提高专业知识学习兴趣和信心，丰富学习经验。

（二）科研途径

与课程教育体系相辅，一部分学生适当参与科学研究是本科创新能力培养的主要实现途径之一，可从以下几方面开展研究：科技制作、学术研究、二者融合、创新创业等。

首先，科技制作是本科教育阶段中频次较高的科研活动，一般根据产业或学科发展需求，构思或创建新概念科技制作产品，包含电子产品、机器人、无人机等，以验证某种新应用方案、新技术、新产品。未探索科技制作创新性能力培养方法，以新概念飞行器的设计制作为例开展了初步探索，依据学生在航空飞行器设计、制作、CAD等软件掌握水平，按其技术基础、兴趣性格、研究方案等组建学生科研团队。通过合理规划，形成多个特色鲜明的研究团队：（A）低空高速单兵作战/救援无人机（下称“低空高速无人机”）研究团队，（B）新概念环形翼高稳定性航测无人机（下称“环形翼无人机”）研究团队，（C）低速飞行器的气动参数动态采集器（下称“动态采集器”），（D）面向水上任务设计的水陆两栖无人机（下称“水上无人机”）研究团队[4]2，（E）动力直驱型单旋翼无人机（下称“单旋翼无人机”）研究团队[4]3，及其他无人机研究方向。

团队研究方向各有特色，结合无人机不同应用方向和总体设计概念，以救援、运输、作战、航测、航拍等应用为主要目标，分别提出并设计了新颖的连翼式布局、环形翼结构、船身式匹配设计、球形结构等无人机，并陆续成功开展了陆上、水上多次飞行试验，验证了以上无人机结构的有效性。同时，针对不同新概念飞行器，提出了“主+辅”式三发推进系统、“垂尾+腹鳍”高速飞行器控制结构、船身连翼式结构、连翼双机身结构等新概念，并以此为基础，制作了相应无人机完成了飞行测试，说明研究团队已初步掌握了相关飞行器设计、分析、飞行试验等专业技能。为解决低成本无人机气动参数实验数据获取难度高的问题，开发了动态采集器并开展了初步试验验证。低空高速无人机、环形翼无人机、动态采集器分别如图1所示。同时，每种布局无人机均处于不断优化和迭代中，从而衍生系列化无人机设计理念和思路，为学生提供锻炼创新思维和创新意识的机会，形成优良的航空创新精神，培养爱国爱航空情怀。

图1 几种新概念无人机及气动参数动态采集器

其次，学术研究是本科、研究生阶段的重要内容之一，也是硕士、博士研究生阶段的主要培养任务，对本科教学，由于理论学习、专业学习等均占用了较大时间，学术研究一般较难实施。教学团队结合课程学习、实践任务，低年级采用全面培养方式，以个人优势和兴趣为先导，大二阶段重点培养部分学有余力学生，有意识、有计划、有步骤的建立具有创新潜在能力的科研团队，有初步的学术研究意识，大三在专业课程学习的基础条件下，逐渐形成稳定的学术研究方向，大四阶段因地制宜，与学生就业、考研、创业相配合，将学术研究融于学业、就业规划中。教学团队就以上研究做了长期尝试，目前首批学术团队已有一定研究成果，共分为两个研究方向：一是飞行器目标气动性能分析及优化，二是目标雷达散射特性数值研究。以气动性能分析为例，学生科研团队分别面向民用客机、单旋翼无人机气动性能进行了详细研究。对民用客机，重点关注了发动机短舱对飞机气动参数如升力系数、阻力系数的影响规律，并得到了发动机短舱最佳位置，为民机气动布局设计提供技术参考；单旋翼无人机气动性能结合上述单旋翼无人机科技制作，是科技制作的部分工作升华和提炼，重点研究了螺旋桨动力和旋翼升力等气动性能之间的匹配设计关系。发动机短舱位于机翼前缘位置的压力云图、推力螺旋桨的流线图分别如下图2。

图2 学术研究团队气动性能分析结果

通过与相关参考文献研究结果、试飞及设计过程进行对比研究，证明了研究方案的正确性，已分别发表于长沙航空职业技术学院学报、成都航空职业技术学院学报，后续将在创新思维、创新意识上着力培养，进一步提高学生的学术研究能力，为创新能力培养探索新模式。

由上述分析也可以看出，学术研究和科技制作分别是科学研究的两个重要组成部分，学术研究重在科学问题的解决与规律的研究，科技制作重在需求应用驱动的前提下的实践动手能力。事实上，两者实施过程中，相互融合，学术研究常常分为计算和实验两个方向，其实施过程本身也是科技制作的体现，尤其是科学实验，具有创新性的实验一般需经历实验方案和实验件设计制作、实验过程设计、参数采集等过程，也是科技制作的重要特征。而对科技制作来说，一个新的飞行器布局方案，其实现过程必先经过方案设计及性能参数的初步预估与分析，为作品的成功试验提供数据基础，方案验证成功后的演化也是学术研究的再次动力。

（三）平台支撑

高校创新能力的培养离不开平台的支持，尤其是双一流院校和重点院校，具备国家、省部重点实验室，可对科技作品制作、学术研究、科学研究等科技活动的顺利开展有较大影响，对高校来说，科研平台是从事科技活动的主体，也是知识传播和实践的媒介，对大多二本院校来说，以教学为主的实验室居多，也有部分以培养学生实践能力和创新能力的实验平台。科研平台大多以国家重点实验室、国家工程研究中心、教育部重点实验室及其它省部级实验室等，该类平台一般经过长期发展，有较为雄厚的科研习惯和实力，其主要职能也是开展科学研究，对创新能力提升和培养尤为重要，但对普通二本院校来说，科研平台较为缺乏，无法保证大多数学生参与科研项目，减少了参与科技活动积极性。

鉴于以上情况，应着重研究当前基础条件下二本高校的创新能力培养措施，以郑州航空工业管理学院为例，教学实验室可为简单的科学研究提供一定的基础条件，用于初步的方案验证，实践实验室可为学生的一些创新想法提供实践的空间，郑州航空工业管理学院有多个以创新实践为主要目的的实验室，如飞行器创新实验室，在指导老师带领下，形成了高效的管理模式，以探索新型飞行器设计方案、制作、试飞为主要内容，不断提高学生承担、参与创新活动的能动性，也在侧面推动了学生掌握专业知识、设计技能的积极性，下图3为该实验室激光雕刻机和学生参与科技活动的情况。

图3 飞行器创新实验室

与科研平台相适应，科技竞赛也是提高创新能力的重要途径与平台，当前大学生竞赛种类繁多，以“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、中国“互联网+”大学生创新创业大赛、全国大学生机械创新设计大赛、全国大学生电子设计竞赛等为代表的具有较广泛影响力的大学生科技竞赛，尤其是“挑战杯”和“互联网+”已成为高校创新创业培养的标杆性竞赛，也是高校创性能力培养方法的新型交流方式。通过积极策划、参赛，显著提高了学生创新能力和创业思维，为学校大学生创新能力培养提供了重要经验和参考。

三、结束语

创新能力是大学生能力培养的重要组成部分，结合我国高等院校本科培养实际情况，详细研究了高等院校大学创新能力的体系内涵，基于创新的三个层次，分析了本科教育机制下的三个层次内涵的具体实现方法；根据高等院校教学、科研现有条件，从课程及教学方法、科研途径、平台支撑三方面对创新能力提升的实现路径及关键问题进行了详细研究，并分析了其内在影响关系。教学上结合理论基础课、专业课、实践课等分析了创新能力的融合问题，科研途径上主要从科技制作、学术研究及二者融合角度进行了系统研究，平台支撑主要从科研、教学实验室及竞赛平台研究了相互关系。