科研助力大學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)探索與實(shí)踐

徐振龍 盧科青 王文 周茂瑛

摘 要：圍繞建設(shè)創(chuàng)新型國家對人才的需求，探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有效途徑是一項(xiàng)重要課題。針對現(xiàn)行實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，以壓電振動俘能技術(shù)為背景，提出科研創(chuàng)新實(shí)踐方案。在講授壓電俘能器工作原理、研究現(xiàn)狀等基礎(chǔ)上，開展壓電俘能器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、有限元仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測試等實(shí)踐活動。實(shí)踐表明，科研有助于培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，提高對專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力。

關(guān)鍵詞：科研;教學(xué);創(chuàng)新型人才;實(shí)踐

2017年，黨的十九大報(bào)告提出要“加快建設(shè)創(chuàng)新型國家”。創(chuàng)新型國家的建設(shè)離不開廣大教育工作者對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。大學(xué)是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，兼有科學(xué)研究和服務(wù)社會的功能與使命。其中，人才培養(yǎng)與科學(xué)研究并非相互獨(dú)立、毫無關(guān)聯(lián)。早在1809年，德國教育家、思想家威廉·洪堡就首先提出了“教學(xué)與科研相統(tǒng)一”的原則，明確了大學(xué)教學(xué)和科研之間辯證統(tǒng)一、相輔相成、互相促進(jìn)的關(guān)系[1]。2019年，教育部在教高（2019）6號文件中明確提出強(qiáng)化科研育人功能、推動科研反哺教學(xué)的本科教育教學(xué)改革實(shí)施意見。如何使科研與教學(xué)共融發(fā)展，助力大學(xué)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)是當(dāng)前的重要研究課題之一[2-4]。為此，以壓電振動俘能技術(shù)為背景，開辦科研創(chuàng)新實(shí)踐課，探索培養(yǎng)大學(xué)創(chuàng)新型人才的有效途徑。

1 科研對人才培養(yǎng)的意義

目前大學(xué)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容側(cè)重專業(yè)基礎(chǔ)知識應(yīng)用，與前沿科技脫節(jié)，難以激發(fā)大學(xué)生的個性和創(chuàng)新能動性;大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助面有限，有時缺乏合適的項(xiàng)目課題，部分學(xué)生提煉科研成果的能力不足。這些現(xiàn)狀在一定程度上限制了創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的質(zhì)量和水平。

人類社會的發(fā)展離不開能源，要想可持續(xù)發(fā)展就必須不斷開發(fā)新能源。壓電振動俘能是利用壓電材料將振動能轉(zhuǎn)換成電能，為低功耗微電子產(chǎn)品供電的一項(xiàng)技術(shù)。它被視為一項(xiàng)有潛力的新能源技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。用于發(fā)電的裝置被稱為壓電俘能器，涉及材料力學(xué)、信號處理、電子學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等多門課程知識。目前我校機(jī)械類本科生教學(xué)大綱已覆蓋這些學(xué)科知識。因此，基于壓電振動俘能技術(shù)的科研創(chuàng)新實(shí)踐并非無源之水、無本之木。

本文提出的科研創(chuàng)新實(shí)踐方案對人才培養(yǎng)具有多方面的意義：（1）豐富實(shí)踐教學(xué)形式和內(nèi)容，激發(fā)大學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)熱情;（2）鞏固現(xiàn)有專業(yè)知識，提高解決復(fù)雜工程問題的能力;（3）培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力;（4）拓寬學(xué)生的知識面，宣傳科技前沿動態(tài)，助力培養(yǎng)具備節(jié)能環(huán)保意識的跨學(xué)科復(fù)合型人才。

2 實(shí)施步驟

為了擴(kuò)大受眾面，課程前期面向大二和大三年級的本科生發(fā)布教學(xué)內(nèi)容和時間安排，廣泛吸納對課程感興趣的學(xué)生。為了便于學(xué)生理解壓電俘能技術(shù)、熟悉科研過程，深入淺出地講解相關(guān)理論知識，注重與專業(yè)基礎(chǔ)知識的關(guān)聯(lián)和提升，突出實(shí)踐過程的趣味性和可操作性，講授課件包含大量視頻、圖片材料，增加師生互動，避免枯燥地照本宣科。

（1）理論學(xué)習(xí)：講授壓電材料、機(jī)電系統(tǒng)動力學(xué)等基礎(chǔ)知識，分析壓電俘能器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)問題，使科研創(chuàng)新實(shí)踐有章可循。

（2）結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)：根據(jù)學(xué)生專業(yè)知識背景，列舉可操作的研究課題，學(xué)生自行選題，開展文獻(xiàn)調(diào)研，針對課題提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，師生共同探討優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

（3）工程軟件實(shí)操：使用三維建模軟件Solidworks繪制俘能器結(jié)構(gòu)。講授有限元仿真軟件ANSYS的使用方法，建立壓電俘能器機(jī)-電耦合參數(shù)化模型，通過模態(tài)分析獲得俘能器的共振頻率、振型和應(yīng)力分布圖，諧響應(yīng)分析獲得輸出電壓頻域響應(yīng)。

（4）器件制作：根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，學(xué)生動手制作壓電俘能器，包括裁剪基板、粘貼壓電片、焊接導(dǎo)線。

（5）實(shí)驗(yàn)測試：講授實(shí)驗(yàn)儀器工作原理、功能及操作方法，學(xué)生分批次開展實(shí)驗(yàn)測試，獲得壓電俘能器在不同振動條件的輸出電壓有效值。使用的實(shí)驗(yàn)儀器包括信號發(fā)生器、電磁激振器、壓電加速度傳感器、示波器。

（6）數(shù)據(jù)分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制輸出電壓頻率響應(yīng)曲線，獲得壓電俘能器的共振頻率、開路電壓等，并與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的達(dá)成度。

（7）總結(jié)報(bào)告：學(xué)生將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成書面報(bào)告，并總結(jié)參加科研創(chuàng)新實(shí)踐課的體會。

3 實(shí)踐成效

第一次開課共招收11名本科生，收到11份總結(jié)報(bào)告。學(xué)生全程表現(xiàn)出極高的熱情，提出并驗(yàn)證了各自結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。通過講授壓電俘能技術(shù)的原理和應(yīng)用，使其初步了解了相關(guān)前沿科研動態(tài);體驗(yàn)了科研過程，縮短了本科教育與研究生教育的距離;開拓了視野，激發(fā)了專業(yè)學(xué)習(xí)熱情;提升了使用工程軟件解決復(fù)雜工程問題的能力;器件制作與實(shí)驗(yàn)測試提升了學(xué)生的實(shí)踐能力。

4 總結(jié)

本文立足現(xiàn)有科研平臺，以壓電俘能技術(shù)為背景，以培養(yǎng)大學(xué)創(chuàng)新型人才為目標(biāo)，提出了面向本科生的科研創(chuàng)新實(shí)踐方案。通過講授壓電俘能器工作原理、研究現(xiàn)狀等，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，開展壓電俘能器結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、有限元仿真計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測試等實(shí)踐活動，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，提高了對專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力。方案的順利實(shí)施是對現(xiàn)行實(shí)踐教學(xué)的有效補(bǔ)充，踐行了教育部對科研反哺教學(xué)的號召。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱宇波，謝安邦.洪堡的“教學(xué)與科研統(tǒng)一”原則及其在美國現(xiàn)代大學(xué)中的改造[J].教師教育研究，2012（02）：26-32.

[2]陳朝暉，李正良.“科研-工程-教學(xué)”深度融合的建筑力學(xué)教學(xué)模式創(chuàng)新與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2020，29（01）：16-23.

[3]楊哲，亢利平，初蕾，耿曉棠.大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)探索與實(shí)踐[J].科技風(fēng)，2020（08）：252.

[4]蘇春建，王薛滔.基于高水平科研平臺機(jī)械類科研反哺教師教學(xué)理論與實(shí)踐探索[J].教育教學(xué)論壇，2015（11）：155-156.

[5]徐振龍，單小彪，謝濤.寬頻壓電振動俘能器的研究現(xiàn)狀綜述[J].振動與沖擊，2018，37（08）：190-199+205.

基金項(xiàng)目：杭州電子科技大學(xué)教育教學(xué)改革研究資助項(xiàng)目“科研創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新人才探索”（YBJG201820）

作者簡介：徐振龍（1986-），男，博士，杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。