試論工科學術型研究生工程能力培養模式改革探索論文

研究生畢業論文 時間:2019-01-07 我要投稿

  論文摘要:針對工科學術型研究生解決工程實際問題能力偏弱的現狀,提出通過科研項目、工程實踐、科研論文“三位一體”培養模式的綜合改革探索,確保研究生在擁有扎實的專業基礎理論的同時,擁有較強的解決工程實際問題的能力。

  論文關鍵詞:高等機械工程教育;研究生培養;工程能力;培養模式

  一、研究背景

  自1978年恢復研究生教育以來的30多年里,我國研究生的培養方向一直以學術型為主。在1990年代以前,由于國家高層次人才奇缺,每年畢業的研究生絕大多數都進入高等院校和科研單位,從事科學研究及高等教育工作。學術型研究生培養中存在的重基礎理論、輕工程實踐的缺陷尚不突出。1990年代中期以后,國家經濟模式逐步向市場化資源配置轉型,加之連年擴招造成每年畢業研究生總量成倍增加,高校和科研單位已經無法容納數量巨大的畢業研究生,大中型企業及其他非傳統科研教育單位逐漸成為吸納研究生就業的主體。

  隨著市場競爭的日益加劇,用人單位對研究生知識結構及創新性工作能力要求越來越高,學術型研究生基礎理論知識較扎實但解決工程實際問題能力(以下簡稱“工程能力”)卻相對不足的矛盾逐漸凸顯出來。畢業生知識和技能與用人單位的需求越來越不相適應,甚至出現了“用人單位無可招之人”與“畢業生就業難”并存的現象。

  造成這一局面的原因很多,歸納起來主要有以下幾個方面:

  第一,經濟的發展和科技的進步使各企事業單位面臨的競爭壓力日益增大,傳導到用人單位,使其對畢業生知識、技能及綜合素質的要求不斷提高。發現問題并獨立解決新問題的能力和團隊協作解決復雜問題的職業素養已經成為用人單位對各類人員的普遍要求。傳統的以傳授知識為主,工程實踐能力及綜合職業素養的培養力度相對不足的培養模式已經難以適應新形勢下社會對人才的基本需求。

  第二,面對知識爆炸時代日新月異的新知識、新技術的不斷涌現,學生需要掌握的知識和技能較十多年前成倍增加,而學制并沒有也不可能相應延長。要在同樣的時間內掌握成倍增長的知識和技能,除了需要師生的共同努力外,降低對知識與技能的掌握深度也是目前普遍采用的主要方法,即以“廣度”換“深度”的教學策略。這勢必造成學生畢業求職時“什么都會點兒”但“什么都不精”這種現象發生。博而不精是時下各用人單位對當代大學生、研究生詬病最多的問題之一。

  第三,現代科技,尤其是網絡信息技術的發展,深刻地影響著社會的每個角落。由于可以輕松通過網絡獲取知識,可以運用各種功能強大的計算機軟件完成以前要大量人力物力及經驗才能完成的設計、計算、實驗,加上社會上存在的浮躁與急功近利之風不可避免對學生產生一定的負面影響,造成相當部分學生不肯潛心鉆研,學習淺嘗輒止。由此使學生自身創新能力不足與社會要求越來越高之間的矛盾日益突出。

  作為擔負著為社會培養人才重任的研究生導師,面對研究生培養過程中存在的矛盾和問題,有必要對沿用了幾十年的培養模式進行反思、改進和完善,以適應社會發展需要。

  二、現行培養模式及思考

  1.“兩段式”培養模式

  以目前國內最普遍的2.5年制工科學術型研究生培養模式為例,總體上可以用“兩段”式概括,即理論學習階段(1.5年)和課題研究階段(1年)。

  (1)理論學習階段。主要完成培養計劃中的學位課、必修課和選修課,同時完成配套實驗、實習及其他實踐教學環節,如教學或生產實踐、講座課程等。

  數十年來,工科學術型研究生的課程內容,除部分選修課程能融合最新的科學研究成果外,總體上非常穩定,呈現數十年基本不變的特點,因此存在教學手段與內容、實驗設施與形式、課程體系與知識結構等諸多方面難以及時得到調整以適應社會經濟與科學技術發展需要的問題。

  例如,工科專業學位課“16位微機原理及接口技術”,近30年來雖然部分實驗手段、控制、顯示逐步實現了計算機(含PLC等)控制及數字通信,但課程核心內容幾乎沒有什么改變,即使多年前64位CPU已經面世的情況下仍舊如此。專業學位課“高等機械原理及設計”,是筆者當年讀研時學習的內容,如空間機構、數字控制技術等和現在的教學大綱規定的核心內容基本相同。這些課程對學生加深對課程內容的領會、掌握專業基礎理論與知識具有重要作用,但包括超精密測試在內的新技術、新材料、新方法,除少數選修課程外均很少涉及。

  由于學生在課題研究需要具備極為廣泛的知識和技能,學習內容(含課題研究過程中的知識獲取)及時間在現行的3個學期的理論學習階段均難以完成。理論學習階段所學知識,充其量只是基礎性和入門性的,課題研究需要的知識與技能,大部分需要學生邊研究邊學習、邊實踐邊提高。

  (2)課題研究階段。主要通過參與導師或相關學科團隊的科研課題,并在課題研究過程中逐步掌握“根據課題任務獲取新知識、掌握新技能、編制解決方案、求解(包括數學建模、編程計算、設計制圖、實驗測試等)、獲得研究結果并對結果進行分析、得出合理結論、撰寫研究報告和論文”等技能。課題研究具有鮮明的專業特點,是學生全面掌握專業知識,提高專業技能的關鍵環節。

  各學科間的交叉、融合,使得科研課題已經越來越多地呈現跨學科專業的特點,對科研人員的知識結構和專業技能的要求也呈現出“深”且“博”的特點。例如廣泛應用于核電、大型艦船、航空航天領域的大功率驅動器溫度控制問題研究,關鍵技術涵蓋電氣工程、工程熱物理及機械工程三大學科,研究過程中還涉及工程材料學、數字控制及計算機數值仿真等。目前高校和科研單位的多數課題大多具有跨學科專業、多學科融合的特點。

  如果時間足夠,完成跨學科專業的復雜課題研究是可以實現的。但目前國內的科研體制和研究生培養機制都嚴格限定了課題研究時間。考慮到研究生初入課題時需要有一個知識準備過程,畢業前需要有一定的時間完成學位論文及畢業相關工作,實際上,研究生從事課題研究的時間是非常有限,很少能超過12個月。以如此短暫的時間,即便是完成課題階段性任務,也是非常困難的。

  2.存在的突出問題及原因分析

  目前工科學術型研究生培養過程中存在兩方面的突出問題。

  其一,課題研究時間短、任務重且對學生的知識與能力要求高,相對穩定的理論學習階段課程,很難反映科技前沿的科研課題對學生知識與技能的要求,因而學生很難通過3個學期的理論學習達到課題要求。

  其二,因科研課題自身的特點而產生了一些矛盾——理論水平高、創新性強的縱向課題通常距離工程實際較遠,學生難以適應就業市場對實踐經驗與動手能力的要求;源自工程實際的橫向課題較好地解決了學生工程能力問題,但往往理論水平和創新性不足。學生的專業理論水平和創新能力不能得到充分的鍛煉和提升,又反過來限制了學生工程能力的發展與提高。這也是國際研究生教育界面臨的共性難題。

  首先,造成學生工程能力不足的重要原因之一是需要學習的知識和掌握的技能很多,而學習和研究的時間過短。這是目前高校面臨的最大難題。一方面,隨著新技術、新材料、新工藝的不斷涌現,各種新的信息及內容逐步融入各教學、科研過程中,結果使合理分配教學與科研時間更加困難;另一方面,社會對復合型人才的需求迫使學生學習更多的知識,掌握更多的技能,由此使得教學、科研時間不足的矛盾更加突出。

  其次,科學研究的難度、深度和廣度在迅速增加,有人形象地比喻為“簡單的科研課題已經給前人做完了,越往后面臨的是越復雜、越難啃的‘硬骨頭’”。這里包含兩層因素:課題對研究人員知識結構的要求呈越來越復合的趨勢;課題自身的復雜性需要科研團隊密切協作才能完成。既有精細的分工,又有密切合作的課題研究,對培養學生的團隊協作精神和知識結構的完善具有重要作用,但對學生綜合科學素養的要求也日益提高。

  通過增加學制提高研究生的培養力度既不可能也不必要。刪減部分課程內容或降低部分科研課題要求等“修補”性工作雖然對緩解矛盾有一定幫助,但實際效果卻飽受爭議,相關爭論在國內研究生教育界從未真正停止過。

  顯然,簡單的“修補”式改革無法根本解決現實存在的尖銳矛盾。要逐步解決數十年來積累起來的矛盾和問題,必須以創新性思維,在系統性、綜合性改革培養模式及教育教學慣性思維等方面尋求突破。

  三、培養模式改革新嘗試

  1.整體式培養思路

  鑒于學生的學習和研究時間難以滿足培養目標需要,筆者在多年的碩士生培養實踐中,嘗試突破傳統的“兩段”式培養模式的思維慣性,將分離的“理論學習”和“課題研究”融合一個為以培養和提高學生專業理論水平與工程實踐能力為核心的有機整體。實施過程中可以將一個完整的培養方案概括為“三步”——預備學習、綜合學習和總結提高。 預備學習從研究生復試開始。通過各種途徑了解學生基礎、專長、畢業設計細節等,對通過復試預錄取的學生進行有針對性的指導。預備學習包含兩個層次的內容:其一是學生本科畢業前(在職生則是退職前),根據培養計劃指導其提前學習部分專業基礎理論知識及科研工具(尤其是科學計算軟件等工具)的使用技巧,目的是使學生對即將開始的研究生學習和課題研究有一個初步認識,奠定初步的知識和技能基礎;其二是應屆生畢業后的暑假期間(在職生則是退職后),安排學生進入課題組,協助老師及學長課題研究,從而進一步了解、熟悉科研方向、科研規范等。針對少數無法在暑假進入課題組學習的學生,也為其布置了相應的文獻學習。

  綜合學習幾乎貫穿整個研究生培養全過程。除了需要根據學校的培養方案修滿規定的學分,完成規定的教學/生產實踐外,主要是根據學科方向和科研課題需要,從一入學就開始進行知識、技能的儲備,邊研究、邊學習、邊提高。根據需要,綜合學習將伴隨課題研究始終,一直持續到學生完成學位論文。

  總結提高主要有兩個層次的內容:其一是根據課題研究結果,撰寫科研論文、項目總結、課題研究報告及學位論文,其二是與研究課題相關的生產實踐。

  撰寫科研論文及學位論文,既是研究生培養規范的必備環節,也是提高學生科研能力與水平的重要措施。此外,為保持科研方向的連續性,科研資料的積累是必不可少的,而研究報告、項目總結則是很好的形式。因此,筆者及所在的科研團隊每完成一項重要的科研課題,都由課題組成員共同完成相應的項目總結。這些科研資料的積累,使學科方向的科研水平逐步提高,并為新入學的研究生提供了盡早融入課題的重要學習素材。

  課題相關的生產實踐是培養學生工程能力的核心環節。通常完成或階段性完成的科研課題,都要進行測試、調試或配套到相關裝備、系統中試運行。在此過程中面對出現的問題及時分析原因、解決問題,能有效地提高學生工程實踐經驗和動手能力。

  2.立體式培養模式

  在以提高學術型碩士生解決工程實際問題能力為核心目標的教學改革中,一改傳統的“兩段式”扁平培養模式為“三位一體”的立體式培養模式,并在實施中不斷完善和提高。

  (1)科研項目。科研項目是培養研究生的基本載體,對于研究生扎實的專業理論基礎的形成、解決工程實際問題能力的提高具有無可替代的重要作用。

  由于學制和培養層次的限制,碩士研究生很少在重要科研課題中擔負主導性工作,更多的是根據分配的單元性工作任務,與課題組其他老師、同學共同完成課題研究工作。為避免學生陷入“簡單”、“重復”性勞動,難以達到培養目標要求,導師要合理安排課題任務,根據培養階段及課題時間節點適時布置研究內容,協調課題研究進度及各研究生之間的平衡、協調、合作,確保課題任務按時完成,研究生知識結構和科研能力得到充分完善和提高。

  某重大成套裝備關鍵技術科技攻關項目子課題之一的“新型驅動器溫度控制問題研究”就是一個典型實例。根據設備工作特點,驅動器在惡劣環境(工作空間狹小、冷媒對流不暢、周圍介質中有絮狀物懸浮故不宜加裝風扇)下工作,課題任務要求確保最高溫度不得超過額定溫度2度。課題涉及:電磁場、溫度場、電熱耦合及電工材料學相關的電氣工作領域;數值傳熱學、計算流體力學、熱流及熱網絡相關的工程熱物理領域;散熱器結構優化設計及計算機數值仿真相關的機械工程領域。

  根據課題特點組成兩個小組,分別由一位本科為電力系統及自動化專業和和一位本科為精密儀器專業畢業的碩士生擔綱,各自負責電氣工程相關內容和機械工程相關內容的研究工作,筆者則負責工程熱物理相關內容研究工作并協調課題進度。在研究中,各小組的學生不僅運用已有知識解決了相關課題難題,而且根據安排,都學習了工程熱物理相關知識。經過課題組全體人員8個月的不懈努力,按時完成課題任務,每位研究生也得到充分的鍛煉和提高——不僅增長了新知識,最重要的是掌握了面對新課題獲取新知識、團隊協作解決新問題的能力。

  需要注意的是:科研課題難度和研究周期都要適當,專業跨度宜大一些,以利于拓寬學生的知識面,提高其解決實際問題的能力及畢業后適應社會的能力。

  (2)工程實踐。工程實踐是工科研究生培養方案中的重要環節,是提高研究生解決工程實際問題能力的關鍵。根據工程實踐環節實施特點的不同,可分為整體式和專題式兩類。

  所謂整體式,是指課題研究、樣機設計試制及測試、綜合測評及總結鑒定全部環節均在企業完成的培養模式。整體式工程實踐主要適于大型裝備關鍵技術攻關類課題,學生在企業完成課題研究及論文撰寫等工作,時間合計約12-18個月。

  所謂專題式,是指課題研究前期在學校實驗室及機房,中期的樣機設計、試制、測試及后期的運行、評估、鑒定在企業完成,學位論文則主要在學校完成。學生在企業完成樣機試制及實驗測試、評估報告的時間約6-12個月。

  某大功率船用曲軸研發是上海市高端裝備制造科技攻關重大項目,旨在凝聚上海科技資源,攻克國內大型船用柴油機曲軸制造關鍵技術自主知識產權的難關。課題由我國三大裝備制造集團龍頭企業之一的上海電氣集團牽頭,協作高校及企業達十數家。筆者所在團隊參與了其中部分研究工作,主要承擔曲軸加工工藝中的熱變形與補償等難題的研究任務。為完成課題研究任務,先后有多位研究生進入課題組,以“實習生”的方式參與企業組織的技術攻關及其他各項有關工作,除學位論文答辯按規定在學校舉行外,整個一年半的課題研究工作全部在企業完成。

  上述整體式工程實踐培養模式的案例大約占整體研究生工程實踐比例的3/4。近幾年類似的項目還有中國國際海運儲裝箱集團股份有限公司牽頭組織的科技攻關項目“危化品貨物在途安全狀態監測技術及系統研發與應用”、上海寶鋼牽頭組織的科技攻關項目“寶鋼連鑄線MRO”、上海電氣集團牽頭組織的科技攻關項目“20兆瓦級風力發電機組關鍵技術”、國家鐵道科學研究院牽頭組織的科技攻關項目“鐵路運行信息集成與實時處理”、三一重工科技攻關項目“岸橋數字化設計”等。由于企業規模大,技術水平全部瞄準國際先進水平,因而項目技術含量高、課題組團隊科研能力強,學生通過一年半的高強度、高水平工程實踐的磨練,科研能力、解決工程實際問題能力顯著提高,畢業前夕已經有多家協作企業表達了接收學生到企業工作的愿望。

  某新能源汽車雙電機驅動系統傳動機構設計、試制及實驗是新能源汽車研發項目的子課題,筆者所在團隊承接了某協作企業的科研課題任務后,組成的課題組包括行星齒輪減速器設計、電機及相關傳動功率選型、聯接及測試幾個小組。課題組師生通過半年的努力完成了系統方案設計、結構設計、選型等工作。隨后與企業密切協作完成加工件工藝編制、配套件選購、樣機裝配、實驗測試及評估報告撰寫等工作。通過先后兩批學生在企業一年半的試制、測試,最終完成了課題任務。雖然與整體式工程實踐特點不同,但專題式工程實踐下的學生面對工作中碰到的大量難題(包括部分無法預料的技術難題)并一個一個攻克,其工程實踐能力同樣得到顯著提高。

  (3)科研論文。在工作實踐培養環節中,“實習生”不同于企業的技術人員,學生在企業的目的是通過科技攻關活動實現實踐技能和知識獲取能力的飛躍。因而,學生的每一項工作,都需要及時總結,在課題研究報告及學位論文撰寫過程中,還需要從理論上系統總結論述,將課題潛在的作用充分“挖掘”出來。

  完成某新能源汽車“雙電機驅動系統傳動機構設計”及試驗后,參與課題研究的師生先后以行星齒輪嚙合過程非線性應力動態變化過程、嚙合過程輪齒溫度場非線性動態變化過程、輪齒材料-嚙合應力應變-溫度場間的耦合關系、齒輪軸-行星輪系統多激勵動態響應、電主軸基于機電耦合的非線性動態特性、電主軸混沌控制模式等等為主題分別進行了總結、非線性動力學理論探討,之后陸續發表系列較高水平的科研論文。

  在完成“新型驅動器溫度控制問題研究”課題后,進一步研究了相同條件下散熱器微觀結構對溫升的影響,發現“微單元時變換熱系數”對系統溫度的影響規律并發表了相應研究論文。

  在完成“岸橋數字化設計”課題后,針對處于國際研究熱點的鋼絲繩動力學展開了深入研究工作,初步探討了基于BP神經網絡的岸橋鋼絲繩動力學研究方法。

  通過課題總結和深入研究、撰寫較高水平的科研論文,不僅使學生進一步掌握了科學研究的方法與技能,而且培養了學生深入思考科學問題,探討新理論、新方法、新應用的良好科學研究習慣。

  四、結束語

  經過多年的不懈努力,筆者在工科學術型研究生工程實踐能力培養模式改革中逐步走出了一條有一定特色、適應上海地方經濟發展需要和國際工程教育發展方向、成效較顯著的自主創新之路,在課程體系、培養模式、教育教學思維等諸多方面都作了有益的嘗試,取得了初步的成效。

  應該承認,相對于數十年形成的工科研究生教育理論與實踐,這些探索還是很初步的,也存在許多有待改進、完善之處。例如個別研究生會因為無法達到工程實踐能力要求而遭淘汰;高水平的科研項目、高強度的工程實踐和高水平的科研論文,需要師生巨大的努力和持續的投入等,這都不一定適合每個導師及學生的實際情況。

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