“科技创新四年不断线”课外实践模式探索与实践
成果简介
教育部提出“新工科”教育理念以提高学生对复杂工程问题的求解能力，其核心就是科技思维和创新能力的培养。针对如何培养下一代工程创新人才，以电气类专业为抓手，探索并实施了“科技创新四年不断线”课外实践模式改革，通过构建贯穿本科四年的“四年一个产品，四年导师伴随、四年学用融合、四年科创不停”科技创新创业实践训练体系，保障学生不间断地受到创新创业实践训练，培养学生的创新意识和综合实践能力。项目通过改革课程体系、优化实践模式、科学配置任务、增加激励机制等措施全方位进行规划、实施和推广。实践3年来，获得了丰硕成果。郑州大学电气与信息工程学院本科生学科竞赛获奖19项（其中国家级一等奖6项，二等奖3项），获批大学生创新创业训练计划项目25项（其中国家级5项），本科生申请专利15项（其中发明专利9项）和发表论文6篇。发表相关教研教改论文15篇（其中CSSCI期刊1 篇）。代表性成果“AI太极”亮相2022年北京冬奥会后获得新华社、人民网、河南日报等多家国家级和省级媒体报道。“科技创新四年不断线”课外实践模式已在河南工业大学、郑州轻工业大学、黄淮学院、郑州西亚斯学院等高校的电气信息类专业推广应用，受益学生超过3600人。
关键词 教学改革 创新创业 人才培养模式 实践教学
1 教改初心
当前，为适应人工智能、大数据、云计算及物联网等高新技术的迅猛发展和广泛应用，许多高校纷纷设立“新工科”、“医工交叉学科”等本科新专业，并探索与之相适应的人才培养模式。热门的“新工科”专业，如大数据类、人工智能类、云计算类、智能科学与技术类等有个共同特点是电子技术、计算机技术等信息技术类课程多、实践环节分量重。但由于经费所限，高校实验设备无法快速更新换代，实验教学体系、教学内容跟不上课程内容的更新速度，不可避免地出现实践教学环节内容和方法陈旧、滞后。实验内容仍为延续多年的验证性实验，实验方法是按照指导书上规定步骤机械地进行，学生处于消极被动状态。仅靠目前实验教学环节难以实现对学生创新意识、实践能力和综合素质的培养，跟不上现代信息技术日新月异的发展步伐，无法实现设置“新工科”的初衷和美好愿景，亟待改革。
近年来，围绕提高学生的实践动手能力已有大量的教改成果，如：改革和完善现有的实践教学体系、强化实践教学环节等，虽然取得了一定成效，但仍然存在着以下方面的突出问题亟待解决：
（1）课内学业与课外科技创新实践活动的冲突：
大学生课程安排紧凑，课业负担重，导致难以抽出足够的时间参与课外科技创新活动。此外，对于基础较好的学生，为了竞争研究生推免名额，虽然很想参加科技创新活动，但又担心占用课程学习和备考时间。这种情况严重限制了学生在科技创新方面的实践和探索，削弱了他们的创新意识和动手能力。
（2）学生科技创新能力培养缺乏持续性与系统性：
传统的教学模式中虽然强调了对学生科技创新能力的培养，但往往仅限于鼓励学生参加各类科创竞赛、申报大创项目、教师进行指导培训等方式，对于学生科技创新能力的培养缺乏系统性与持续性，学生在短期内难以形成完整的知识和技能体系，参与的科技创新实践活动容易流于形式，难以取得实质性成果。
（3）学生知识储备与科创实践需求严重脱节：
目前各类科技创新实践活动对学生的创新能力、实践能力和表达能力都提出了更高的要求，而课堂教学对这些能力的培养仍显不足。同时，大二大三是本科生参与各类科创活动的高峰时期，但培养计划中相关课程还没有学习或刚开始学习。造成学生的知识储备与科技创新实践需求之间存在严重脱节，无法“学以致用”。
2 成果内容
针对以上问题，本成果创新性地提出“科技创新四年不断线”课外实践模式，通过构建贯穿本科四年的“四年一个产品，四年导师伴随、四年学用融合、四年科创不停”科技创新创业实践训练体系（如图1），并结合完善培养计划和创新课程体系、全周期个性化定制最优实践训练方案、优化学生科技创新能力培养模式、出台激励政策等多种举措，极大地提高了学生参与科创活动的积极性，提升了大学生科技创新实践成果的水平。
2.1
优化课程体系
本教改研究是根据郑州大学“双一流”建设总体目标，坚持以学生发展为中心，以“加强通识、穷实基础、强化实践、激励创新”为总体原则，依托大类招生，在修订专业（类）人才培养方案上，以“强化实践、激励创新”为实践教学目标，一方面系统地调整课程设置和学时分配，加大实践环节和学生自主环节学时比例，增加“科技前沿”、“专业／学科最新进展”、“大学生科技创新活动”等科研和创新实践类课程；另一方面安排课程教学计划时考虑与各类科创活动相结合，对基础课和专业基础课的开课顺序、选修课程群设置进行了优化，调整电路、模电、数电、微机原理、单片机原理、嵌入式系统设计、EDA 设计、电子课程设计等课程的开课顺序、学时及内容方面的衔接，使学生有更充足的自由支配时间参加课外科技活动，有利于不同年级的学生在不同阶段尽早开展科创类活动和参加各类学科竞赛。以电气信息类最看重的竞赛之一，全国大学生电子设计竞赛为例：该竞赛隔年举办，在单数年的 8 月下旬进行，学生积极性和参与度很高，但单数届的学生要么刚刚毕业，要么处于大二年级，电子技术、单片机原理等与竞赛密切相关的课程尚未学习，只能靠提前自学参加竞赛，参与度和竞赛成绩均受影响。为此，采取适当调整开课顺序、每学期均开设相关选修课程、举办科技创新活动专题讲座和集中培训等多种措施，使单数届学生同样有机会参加这一重要赛事，受到了同学们的普遍欢迎。
2.2
优化实践模式
将“科技创新四年不断线”作为一项“必修”实践任务，由经验丰富教授负责，组建导师队伍和学生科创团体，在高水平科研平台中进行锻炼，形成“学生为主、教师引导、平台支撑、以赛促学”的科创实践新模式。
l 科创导师团队
学院专门组建了科技创新指导教师团队，常设人员
5-8 名，均为长期指导本科生创新创业项目、全国大学生电子设计竞赛、挑战杯等科技活动并积累了丰富经验的教授/副教授/博士，此外也不间断地吸纳新入职的年轻博士参与进来，优化导师队伍，并且在日常科创活动和参加竞赛时，将指导任务落实到人（教师）和参赛组（学生）。
l 科创学生团体
成立了大学生科技创新协会，由学院提供实验场地和常用实验仪器设备，建立科技创新实验室。为使协会工作高效可待续开展，由教师指导高年级学生，大三大四学生负责协会的日常管理和运行，并承担对大一大二学生的“传、帮、带”任务，保待学会科技创新活动长期、可待续开展。
l 优质科创条件保障
学院和各科研团队为本科生开展科技创新实践活动提供了优质科创条件保障，依托“河南省脑科学与脑机接口技术重点实验室”、“河南省机器人感知与控制工程研究中心”、“郑州大学-中国中医科学院中医药智能科学与工程技术研究中心”等多个高水平科研平台，组织学生进入实验室找课题、找老师，参与科研训练。
此外，学院还在电工电子实验中心为学生提供约200平方米的实验场所，为组织全国大学生电子设计竞赛赛前培训、挑战杯创业大赛备战训练等活动提供多种实验仪器（微型计算机、信号源、示波器、毫伏表、万用表、稳压电源、焊接设备、单片机实验及开发系统）、常用电子元器件等，均可集中起来供科技创新协会使用，可对 100 多名学生同时开放，为开展科技创新活动和教师进行教学实验改革奠定了物质基础。教师的教改项目经费则用于组织科创活动、发表科技论文及申请专利等。
2.3
科学配置任务
科学合理地配置四年科创的时机和内容，全周期个性化地为不同年级的学生制定最佳的实践训练方案，挖掘学生的创新潜质，加强学生创新意识和综合实践能力的培养。具体将“动手设计制作一个自己构想的产品”作为每个同学的任务，分为奇思妙想、电路设计、计算机仿真、印制板制作、嵌入式系统软硬件调试等阶段。从大一开始循序渐进，学习理论后即亲自动手实践各阶段任务，四年不间断，不同阶段有不同任务（参见图1）。真正体会到一个科技工作者进行产品研发的真实过程，达到基本素质、实际动手能力和创新能力的全面提高。
具体安排如下：
一年级：创新启蒙与激发兴趣。
“创新思维”的培养从大一新生入学即开始，给他们充分的时间关注、了解专业领域的前沿科技动态，处处留心社会需求，激发创造热情，提出创新构想，带着问题学习，激发兴趣，并通过以后学到的专业知识一步步实现自己的构想。
二三年级：自由选题与自由组队实践。
基于学生的创新构想采取“自由选题”方式，在指导老师的引导下，突出 “思路创新”、“结合专业”和“小型实用”的特点，自由组队申请大学生创新创业训练计划项目、挑战杯科技作品竞赛活动等；选拔优秀团队参加全国大学生电子设计竞赛、互联网大赛、机器人大赛等国家级竞赛活动。
四年级：成果总结。
在前三年训练和参加各类赛事的基础上进行总结，申请国家专利、发表学术论文；加强毕业设计与科研结合的力度，为学生配备学术导师，直接参与有关科研训练的指导，并为学生制订个性化的早期科研训练计划。
2.4
出台激励机制
本教改具体实施中遇到的最大难题是如何解决学生正常课业与课外科技活动时间冲突的矛盾。为此，教改过程中学院支持出台了多项激励政策，鼓励学生积极参加课外科创活动。对于参加创新创业训练计划项目顺利结项、在重要科创类活动中获奖（如全国大学生电子设计竞赛、挑战杯国家和省级竞赛等）、发表科技论文、申报国家专利、参与教师科研项目取得成果的优秀学生，除了专门奖励以外，并在研究生推免综合评定中加分，极大地提高了学生参与科创活动的积极性。
3 应用成效
该成果在郑州大学多个专业中实践应用以来，形成了“大学四年、年年训练、人人参与”的良好局面。提高了本科生科创活动参与度和受益面，在全省乃至全国高校工科电气信息类专业具有很好的推广价值。“科技创新四年不断线”课外实践模式也为教育部“全面推进素质教育，以培养学生的创新精神和实践能力为重点”教育理念实践了一套行之有效的实施办法，并在河南工业大学、郑州轻工业大学、黄淮学院、郑州西亚斯学院等多个高校的电气信息类专业推广应用，取得了明显成效，提高了各年级学生参与学科竞赛和科技创新活动的积极性和主动性。
成果实践周期中，从大一至大四的各个学期，参与各类竞赛、大创项目及参与教师科研项目的学生人数连年大幅度提高，并取得了大量的成果。其中获得“电子设计竞赛”、“挑战杯”等国家级重要科技赛事并获省级以上奖励19项；获批校级以上“创新实验项目”20余项；发表教研论文7篇，指导本科生发表论文6篇、申请专利15项；获2项省级毕业设计优秀论文；指导学生开发制作多项科技作品、毕业设计实物，并获校级以上奖励。
推广应用亮点：
“AI太极”（任海川、毛晓波指导）：为北京冬奥会定制开发，由央视CCTV5报道，在北京冬奥会主媒体中心展示，吸引大量中外记者驻足打卡，影响广泛。
“AI五禽戏”（任海川、毛晓波指导）：中央一台CCTV1、中央四台CCTV4黄金时段播出的《中国中医药大会》栏目中进行了专门介绍和访谈。
国家级和省级一流本科课程（李志辉、毛晓波）：模拟电子技术、电工学。
河南省教科文卫体系统优秀教师：毛晓波教授。在疫情期间坚持线上教学和线上科技创新活动指导工作，河南日报记者也做了采访报道。
全国大学生电子设计竞赛荣获国家一、二等奖（任海川、辛健斌指导）。
第十七届挑战杯“黑科技”专项赛荣获国家“恒星”级和“卫星”级优秀奖励（任海川、毛晓波指导）。
成果清单详见附件。
4 结论
经过3年实践期的运行和推广，本教改项目取得了显著的教改成效，体现出较强的创新性，对于本科生创新创业教育提供了有益的借鉴思路和实施模式参考。
（1）创新性地提出“科技创新大学四年不断线”科技创新创业实践训练体系。
通过构建 “四年一个产品，四年导师伴随、四年学用融合、四年科创不停”的科技创新创业实践训练体系，科技创新活动贯穿本科四年不断线，使学生在整个大学期间都能参与科技创新项目。学生从新生入学开始，逐步深入参与团队组建、自由选题、设计仿真、电路制版和系统软硬件调试、参赛路演、项目申报、结题验收、论文发表、申请专利等各个阶段的实践任务，贯穿四年的持续学习和实践，有助于全面培养和提升学生的创新意识和综合实践能力。
（2）形成了“四年完成一个科创作品”的学生创新能力持续培养理念。
将“动手设计制作一个自己构想的产品”要求贯穿学生本科四年，循序渐进，四年不间断，不同阶段有不同任务，使学生真正体会到产品研发的真实过程，得到系统化和持续性的科技创新实践训练，达到“创新”意识与“工程”能力的综合提升，实现了对学生全面进行素质教育、以及创新精神和实践能力的培养。
（3）建立了“学生为主、教师引导、平台支撑、以赛促学”的科创实践新模式。
打破了传统教学活动中学生局限于教学计划中固定项目的科创实践模式，学生有高度的自主权，通过自选导师、教师引导、自主选题，将“四年科技创新不断线”作为一项“必修”实践任务，本科生进入省重点实验室和工程研究中心等高水平科研平台进行科研长期训练，积极参与各类科创竞赛和项目，结合实际应用需求更好地促进专业知识的学习，大部分参与科创实践活动获奖的学生都获得了名校保研资格或用人单位的青睐。