基于工學(xué)并舉思想的本科生導(dǎo)師制實踐與探索

段書用，陶友瑞，肖 森

（河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

本科生導(dǎo)師制起源于研究生導(dǎo)師制，基本實施方式是為本科生配備導(dǎo)師，實現(xiàn)教書育人理念與教師教學(xué)實踐的融合，突破班級以單向傳授為主的授課模式，在學(xué)業(yè)規(guī)劃、學(xué)習(xí)過程、科研探索及品德素養(yǎng)等方面全方位輔導(dǎo)本科生的一種互動式培養(yǎng)制度[1]。早在2002 年，北京大學(xué)就實行了本科生導(dǎo)師制。2005 年，教育部《關(guān)于進一步加強高等學(xué)校本科教學(xué)工作的若干意見》要求有條件的學(xué)校推行導(dǎo)師制，本科生導(dǎo)師制的實施成為提升本科教學(xué)質(zhì)量，加快推進和實現(xiàn)“雙一流”建設(shè)目標的重要措施[2]。

二十年來，國內(nèi)眾多學(xué)校實行了本科生導(dǎo)師制，取得了較好的教學(xué)效果[3-5]。然而，曾艷玲等[6]的調(diào)查表明：大多數(shù)本科生不了解本科生導(dǎo)師制，班主任和科研導(dǎo)師還沒有充分履行職責(zé)，存在導(dǎo)學(xué)斷層現(xiàn)象。李軍毅等[7]認為在本科生導(dǎo)師制的實施過程中存在認識不到位、導(dǎo)師和學(xué)生之間互動性較差、缺乏有效的規(guī)章制度和激勵機制等問題。王志遠等[8]認為，本科生導(dǎo)師制中存在“學(xué)院—導(dǎo)師—學(xué)生”閉環(huán)體系缺失、師資力量不夠、互選機制不完善、師生互動不足、缺乏激勵機制和缺少評估體系等急需解決的問題?？梢姡粩嗤晟票究粕鷮?dǎo)師制，探索更為有效的導(dǎo)師制培養(yǎng)模式并進行教學(xué)實踐，仍然任重道遠。為此，河北工業(yè)大學(xué)結(jié)合學(xué)校的辦學(xué)特色和辦學(xué)歷史，基于“工學(xué)并舉”的辦學(xué)思想，依托學(xué)校主要的科研團隊和科研平臺，創(chuàng)新性地實施了“創(chuàng)新拔尖班”的本科生培養(yǎng)模式?；诖?，本文提出了“工學(xué)融合和輪值組長”為特色的“拔尖班”本科生導(dǎo)師制教學(xué)模式，并在機械工程學(xué)院的車輛工程專業(yè)進行了教學(xué)實踐，取得了較好的教學(xué)效果，為高質(zhì)量本科生的培養(yǎng)提供了新思路。

一、本科生“創(chuàng)新拔尖”學(xué)生培育計劃

為貫徹落實全國教育大會和新時代全國高等學(xué)校本科教育工作會議精神，根據(jù)《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》[9]等相關(guān)文件精神，推進本科生專業(yè)培養(yǎng)與學(xué)科建設(shè)深度融合，探索新工科人才培養(yǎng)模式，加快學(xué)校本科生創(chuàng)新研究型人才培養(yǎng)步伐，河北工業(yè)大學(xué)自2019 年起實施創(chuàng)新拔尖學(xué)生培育計劃（以下簡稱拔尖計劃），如圖1 所示。該計劃依托學(xué)校元光學(xué)者高水平專家科研團隊和國家級、省部級重點實驗室、專業(yè)實驗室和實驗教學(xué)示范中心，搭建面向創(chuàng)新拔尖人才培養(yǎng)的科研創(chuàng)新平臺，將高水平科研團隊引入本科人才培養(yǎng)體系，引導(dǎo)優(yōu)秀學(xué)生投身科學(xué)研究，實現(xiàn)培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的拔尖人才之目標。

圖1 創(chuàng)新拔尖培養(yǎng)實施方案

本科生導(dǎo)師制采取項目式教學(xué)，學(xué)生可依據(jù)導(dǎo)師建議的或自主設(shè)計經(jīng)導(dǎo)師認可的項目在全校范圍內(nèi)（含研究生）自主選課。導(dǎo)師引導(dǎo)學(xué)生參與科研團隊各項活動，通過各環(huán)節(jié)鍛煉，激發(fā)其對科學(xué)研究的熱情，掌握科學(xué)研究方法，提高科研創(chuàng)新能力。學(xué)生通過學(xué)校搭建的跨學(xué)科平臺選擇有興趣或項目需要的課程進行學(xué)習(xí)，自主立項或參與導(dǎo)師科研項目，提前進入科研項目實踐階段。

實施“拔尖計劃”過程中，導(dǎo)師通過“創(chuàng)新”和“拔尖”兩個方面培養(yǎng)學(xué)生的能力?！皠?chuàng)新”方面，依據(jù)學(xué)生進入拔尖培養(yǎng)的時間先后，進行創(chuàng)新引導(dǎo)、創(chuàng)新實踐和創(chuàng)新研究三個層次的培養(yǎng)，每個階段時間大概為1 個學(xué)期，循序漸進。“拔尖”培養(yǎng)方面，通過參與工程設(shè)計或者科研項目實施，主要包括拔尖專業(yè)實踐、拔尖科技實踐和拔尖技術(shù)攻關(guān)三個層次，與“創(chuàng)新”能力同時培養(yǎng)。在要求學(xué)生嚴格完成人才培養(yǎng)方案中思想政治理論課規(guī)定的課程和學(xué)分的同時，科學(xué)合理設(shè)計思想政治教育內(nèi)容，通過課程學(xué)習(xí)、研討交流和講座活動等形式組織開展思想政治教育，全面加強學(xué)生思想政治素養(yǎng)，力求培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)人才。

2019 年經(jīng)過層層選拔，252 名同學(xué)成為首屆“拔尖班”學(xué)生，這些學(xué)生融入學(xué)校的78 個教學(xué)團隊，在23 個科研平臺“一展身手”。經(jīng)過培養(yǎng)，252 名同學(xué)中僅僅有少數(shù)幾名同學(xué)因個人原因沒有通過聯(lián)合考核，教學(xué)效果已經(jīng)得到了充分展示。接下來，以車輛工程專業(yè)的學(xué)生為例，對“拔尖班”本科生導(dǎo)師制、培養(yǎng)過程和培養(yǎng)效果等方面進行詳細闡述。

二、“工學(xué)融合和輪值組長”為特色的培養(yǎng)模式

（一）基于“工學(xué)并舉”思想的工學(xué)融合培養(yǎng)模式

河北工業(yè)大學(xué)的前身是1903 年建立的北洋工藝學(xué)堂，學(xué)校創(chuàng)辦之初，學(xué)堂總辦、中國近代著名實業(yè)家、實業(yè)教育家周學(xué)熙先生提出了“學(xué)堂為人才根本，工藝為民生之計，二者固宜并重；工藝非學(xué)不興，學(xué)非工藝不顯”的辦學(xué)思想，強調(diào)學(xué)堂“以教育培植工藝上之人才，注重講授理法，繼以實驗；卒業(yè)后能勝任教習(xí)、工師之職，以發(fā)明工業(yè)為宗旨”，使學(xué)生“既習(xí)其理又習(xí)其器”[10]。“工學(xué)并舉”基本含義為理論教學(xué)與工程實踐相結(jié)合，對工科專業(yè)而言，本科生導(dǎo)師制的一個重要方面是本科生融入到導(dǎo)師的科研項目研究中，通過了解和參與項目研究，將課堂中的理論知識與工程實踐聯(lián)系起來，一方面加深對理論知識的理解，另一方面在工程實踐中發(fā)現(xiàn)新的問題，促進理論知識學(xué)習(xí)?？梢?，“工學(xué)并舉”的辦學(xué)思想與本科生導(dǎo)師制高度契合，二者都要求理論知識與工程實踐的高度融合。

通過以上分析，并結(jié)合“工程教育專業(yè)認證”的要求，提出了如圖2 所示的“工學(xué)融合”的拔尖班本科生導(dǎo)師制培養(yǎng)模式。其基本內(nèi)涵為：以工程問題為導(dǎo)向，以提升分析復(fù)雜工程問題能力為培養(yǎng)目標。以工程問題導(dǎo)向的培養(yǎng)模式，其本質(zhì)是區(qū)別于課堂理論教學(xué)，強調(diào)通過工程問題牽引，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的理論知識分析工程問題，與“工學(xué)并舉”中的“學(xué)非工藝不顯”一脈相承。提升分析復(fù)雜工程問題能力，是工程專業(yè)認證的要求，也是本科生導(dǎo)師制的培養(yǎng)目標，本科生通過參與科研項目和工程實踐，使其能夠應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理、識別和表達、并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論，與“工學(xué)并舉”中的“工藝非學(xué)不興”高度一致。

圖2 “工學(xué)融合”本科生導(dǎo)師制

本文作者指導(dǎo)了車輛工程專業(yè)大二“拔尖班”本科生5 名，全部參與到風(fēng)電塔筒爬壁機器人項目組中，安排一個博士生和三個碩士生共同進行指導(dǎo)，通過一個培養(yǎng)周期以后，取得了很明顯的培養(yǎng)成效。

在指導(dǎo)過程中，貫徹以工程問題導(dǎo)向的培養(yǎng)模式。例如，對于采用永磁吸附的爬壁機器人有大負載性能需求，在實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)機器人爬行在傾斜壁面上時，其自身重力將會主要作用在上下兩個極限位置的吸附單元上，鉸鏈式連接的履帶吸附模塊極易于自上而下逐個從金屬壁面脫落。在實驗中發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象以后，便將如何提高機器人的負載水平這一工程問題作為“拔尖班”本科生的研究切入點。由于學(xué)生親自參與實驗，對該現(xiàn)象和問題理解比較深入，學(xué)生們綜合利用理論力學(xué)課程的力學(xué)分析計算、機械設(shè)計課程中的傳動方案設(shè)計、機械零件和工程圖學(xué)課程中的零部件設(shè)計，提出了一種新型的載荷分散機構(gòu)實現(xiàn)了在不增加永磁吸附單元的吸附力的情況下，保證機器人能在壁面安全吸附。

學(xué)生在解決該工程問題中，“拔尖班”本科生綜合運用了多門課程的理論知識，很好地實現(xiàn)了工程問題牽引效果，也加深了對課堂理論知識的理解，凸顯了“學(xué)非工藝不顯”這一理念?；谝陨铣晒鞍渭獍唷北究粕晒Λ@得了載荷分散機構(gòu)的發(fā)明專利。更重要的是，在實施導(dǎo)師制過程中，由于導(dǎo)師與學(xué)生們就項目實施學(xué)生進行充分交流溝通，導(dǎo)師進行了全方位的指導(dǎo)，充分履行了導(dǎo)師職責(zé)，杜絕了導(dǎo)學(xué)斷層的現(xiàn)象，解決了文獻[6]提出的問題。

另外，專業(yè)方向綜合訓(xùn)練是車輛工程專業(yè)的核心實踐類課程，對于機械的動力學(xué)而言，其動力學(xué)模型一般用于分析車輛的平順性和車輛操縱的穩(wěn)定性。而在爬壁機器人轉(zhuǎn)向過程中，其轉(zhuǎn)向力學(xué)分析與常規(guī)的車輛轉(zhuǎn)向力學(xué)分析存在差異，主要表現(xiàn)在爬壁機器人利用左右驅(qū)動裝置差速運動實現(xiàn)機器人的壁面轉(zhuǎn)向動作，并且爬壁機器人在轉(zhuǎn)向過程中，在不同姿態(tài)下所需的驅(qū)動力是不同的。因此，“拔尖班”本科生進行爬壁機器人的轉(zhuǎn)向力學(xué)分析時，不僅要運用相關(guān)理論課程中學(xué)到的理論，同時需要考慮爬壁機器人的特殊工況，是一個復(fù)雜的工程問題，對學(xué)生的問題分析能力要求比較高。

“拔尖班”本科生通過對該問題進行分析，在模型中綜合考慮了機器人自身重力產(chǎn)生的阻力矩及磁吸附單元拉起阻力矩，也考慮了磁鐵吸附的摩擦力矩，提出了爬壁機器人水平轉(zhuǎn)向和垂直轉(zhuǎn)向兩個典型工況下的力學(xué)分析模型?？梢姡瑢W(xué)生利用所學(xué)課程的基本原理，并通過文獻和實驗研究提升分析復(fù)雜工程問題的能力，為有效解決工程問題提供了方法支撐，充分展現(xiàn)了“工藝非學(xué)不興”的辦學(xué)思想，也充分體現(xiàn)了“工學(xué)融合”導(dǎo)師制的優(yōu)勢。同時，在實施過程中，指導(dǎo)老師以“導(dǎo)”為主，以“教”為輔，這樣有利于充分調(diào)動學(xué)生的積極性，有力地解決了文獻[7]提出的導(dǎo)師和學(xué)生之間互動性較差的問題。

（二）基于“輪值組長”的本科生導(dǎo)師制培養(yǎng)模式

本文作者從2017 年以來連續(xù)5 年參加車輛工程專業(yè)的畢業(yè)生座談會和部分本科畢業(yè)生校友回母校座談會，學(xué)生們都提到在校期間應(yīng)該增加溝通交流能力培養(yǎng)和團隊意識方面培養(yǎng)，增強科研方法的培養(yǎng)。因此，本文作者提出了“輪值組長”的本科生導(dǎo)師制培養(yǎng)模式，如圖3 所示。實施過程中，以工程問題導(dǎo)向，學(xué)生參與到工程設(shè)計或者科研項目中，明確目標。以此為牽引，充分利用其學(xué)到的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識分析和解決問題，以提升分析復(fù)雜工程問題能力，實現(xiàn)“工學(xué)并舉”?！拜喼到M長”培養(yǎng)方式包括，按照任務(wù)進行組長輪值、分層管理和定期進行匯報討論等內(nèi)容。

圖3 “輪值組長”本科生導(dǎo)師制實施方案

首先，“拔尖班”本科生組長按照任務(wù)而不是定期進行輪值，組長的職責(zé)近似于項目經(jīng)理，負責(zé)任務(wù)方案討論、全程跟蹤、協(xié)調(diào)和推進和定期匯報。例如，在本文作者指導(dǎo)的5 名“拔尖班”本科生中，依據(jù)任務(wù)分別安排了“數(shù)據(jù)分析與處理”“多自由度機器人結(jié)構(gòu)”“載荷分散機構(gòu)”“機器人三維建?！薄皺C器人動力學(xué)仿真”“機器人安裝與調(diào)試”等輪值組長。教學(xué)實踐表明，雖然輪值組長的時間長短不一，任務(wù)的難易程度不一，輪值組長都能夠按照任務(wù)要求，自主協(xié)調(diào)其他同學(xué)共同推進任務(wù)完成。

其次，本科生導(dǎo)師制中實行“分層管理”，包括本科生內(nèi)部基于輪值組長的管理、研究生對本科生的管理及指導(dǎo)老師對本科生的指導(dǎo)管理三個層級。第一個層級基于輪值組長的管理前面已經(jīng)進行了討論；第二個層級，由于研究生已經(jīng)具有一定專業(yè)知識和科研能力，對于課題研究所需的理論知識較為熟悉，能較好地對本科生進行日常的學(xué)業(yè)和研究上的指導(dǎo)；第三個層級，指導(dǎo)老師主要對本科生提出的任務(wù)實施方案、關(guān)鍵問題等方面進行把關(guān)。例如，載荷分散機構(gòu)的實施方案中提醒學(xué)生特別關(guān)注機器人的曲面適應(yīng)性問題。

最后，要求“拔尖班”本科生定期進行匯報討論，匯報材料由組員提供，輪值組長進行匯總和整理，并進行匯報。除了因任務(wù)需要安排的臨時討論以外，一般每個月至少采用PPT 集中匯報討論1 次。通過這種培養(yǎng)模式提升了本科生在工作中的團隊合作能力、溝通交流能力和組織管理能力，同時為培養(yǎng)從事工程項目管理、生產(chǎn)管理人才打下了堅實基礎(chǔ)。

更重要的是，在實施“輪值組長”的過程中，作者發(fā)現(xiàn)，這種模式更有利于本科生能夠充分利用其學(xué)到的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識進行分析和解決問題。作者認為主要原因在于：相比于導(dǎo)師直接指導(dǎo)，學(xué)生們更容易質(zhì)疑“輪值組長”提出方案或者結(jié)論，從而會在學(xué)生們之間產(chǎn)生相互批判，進而引發(fā)激烈討論。在討論爭辯中，一方面有利于加深對于所學(xué)理論和專業(yè)知識的理解，另一方面有利于提出更好的解決方案，從而提升復(fù)雜工程問題分析能力，達到“工學(xué)并舉”和“工學(xué)融合”之目標。

通過一個培養(yǎng)周期的教學(xué)實踐，本文作者指導(dǎo)5 名本科生獲得了以下成果：全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模省獎、美國大學(xué)生數(shù)學(xué)競賽H 獎、全國大學(xué)生先進成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽中的三維比賽省獎和8 項發(fā)明專利?？梢?，要相信學(xué)生的智慧和能力，要敢于放手讓學(xué)生去管理學(xué)生，更要讓學(xué)生拿出智慧自己解決問題。另外，這種培養(yǎng)模式更有利于激發(fā)每個學(xué)生的精、氣、神，有利于調(diào)動他們的積極性，實現(xiàn)由“要我學(xué)”到“我要學(xué)”。

同時，學(xué)校制定了相關(guān)政策鼓勵學(xué)生積極參加各類創(chuàng)新及學(xué)科競賽、創(chuàng)業(yè)大賽和科技創(chuàng)新活動，鼓勵導(dǎo)師擔(dān)任各項競賽指導(dǎo)教師，并為學(xué)生參賽提供實驗與研究支持。更重要的是各學(xué)院不定期組織課程教師、專業(yè)負責(zé)人、科研團隊負責(zé)人等舉辦研討或沙龍活動，探討計劃實施過程中的經(jīng)驗和不足，不斷完善培養(yǎng)計劃，為“拔尖創(chuàng)新”學(xué)生導(dǎo)師制的實施提供制度保障。有力地解決了本科生導(dǎo)師制實施過程中“學(xué)院—導(dǎo)師—學(xué)生”閉環(huán)體系缺失、師資力量不夠的關(guān)鍵問題，為拔尖班導(dǎo)師制的推廣實施提供了重要依據(jù)。

三、結(jié)束語

本文作者傳承河北工業(yè)大學(xué)“工學(xué)并舉”的辦學(xué)思想，在“拔尖班”本科生的培養(yǎng)模式基礎(chǔ)上，提出了“工學(xué)融合和輪值組長”為特色的本科生導(dǎo)師制培養(yǎng)模式，并在車輛工程專業(yè)進行了教學(xué)實踐，取得了很好的教學(xué)效果，主要表現(xiàn)在，有力地解決了本科生導(dǎo)師制實施過程中“學(xué)院—導(dǎo)師—學(xué)生”閉環(huán)體系缺失、師資力量不夠、導(dǎo)師不充分履行職責(zé)、導(dǎo)學(xué)斷層、學(xué)生參與積極性不高、導(dǎo)師和學(xué)生之間互動性較差等關(guān)鍵問題。教學(xué)效果表明本科生對復(fù)雜工程問題分析能力顯著提升，同時學(xué)生的思想政治水平也得到了提高。該培養(yǎng)模式為促進本科教學(xué)質(zhì)量的提高，全面提高人才培養(yǎng)能力，加快建設(shè)高水平本科教育具有重要的現(xiàn)實意義，具有較強的實操性和推廣價值。