科学和工程问题驱动的应用研究型人才培养模式探索

［摘 要］ 以新质生产力为代表的创新型社会发展需求对高校人才培养提出了更高的要求。作为以应用研究型人才培养为目标的本科专业，如何破除落后人才培养模式的禁锢，激发创新型人才培养各要素的活力是目前亟须解决的关键问题。研究从“科学问题驱动”和“工程问题驱动”两方面探索应用研究型人才培养的思路和模式，并分析其内在联系及影响因素。研究结果将对工科专业建设和人才培养提供一定的理论支撑和应用示范。

［关键词］ 应用研究型人才培养；科学问题驱动；工程问题驱动；新质生产力；应用研究型专业

［基金项目］ 2022年度河北省高等教育教学改革与实践项目“面向科学问题与工程问题驱动的机械类专业创新型人才培养改革与实践”（2022GJJG225）；2023年度中国机械工程学会教改项目“机械类专业教师工程实践能力提升与职业发展问题研究”；2023年度河北省教育厅高等教育教学改革研究项目“智媒时代下机电类课程‘双线’思政教学研究与实践”（2023GJJG234）

［作者简介］ 刘永强（1983—），男，河南扶沟人，工学博士，石家庄铁道大学机械工程学院教授，副院长，主要从事旋转机械故障诊断研究；曹京亚（1990—），女，河北石家庄人，工学博士，石家庄铁道大学机械工程学院讲师，主要从事机电一体化研究；郁 洋（1989—），男，山东泰安人，工学博士，石家庄铁道大学机械工程学院讲师，主要从事多机器人协同控制研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）52-0170-04 ［收稿日期］ 2024-05-20

引言

随着我国经济社会的快速发展，2023年我国经济进入新旧动能转换的“深水区”，从高速增长阶段进入高质量发展阶段［1］，以科技创新推动产业发展已成为共识。科技创新的前提是创新型人才的培养，因此如何培养出适应我国现阶段社会发展需要的高素质创新型人才是高校面临的主要问题。

以人才培养定位为基础，我国高等教育总体上可分为研究型、应用型和职业技能型三大类型，即研究型高校、应用型高校、职业技能型高校。各地依据此分类，结合本地区发展实际，陆续推出适合本地区的高校分类体系。例如，上海市按照人才培养主体功能和承担科学研究类型等差异性，将高校划分为“学术研究、应用研究、应用技术和应用技能”［2］四种类型。马宏伟［3］从理论内涵、功能定位与路径探索三方面全面阐述了应用研究型大学，并对该类型大学的创新型人才培养提出了建议。

研究型高校主要以培养学术研究的创新型人才为主，开展理论研究与创新，学位授予层次覆盖学士、硕士和博士，且研究生培养占较大比重。应用型高校以培养适应生产、建设、管理、服务一线需要的、德智体美全面发展的高级应用型人才为培养目标［4］。应用研究型高校则重点培养面向实际工程问题的学术研究型人才。因此，应用研究型人才培养需要从问题的来源、问题的提炼和问题的解决三个方面进行探索，才能将学术研究与应用研究进行有机结合。

目前针对研究型和应用型高校人才培养模式的研究已有很多，内容包括导师制、项目制、产教融合、学科竞赛等［5-7］。这些人才培养方法只是在形式上有所不同，内在逻辑是相同的，即以问题为导向来驱动学生开展自主学习，配合必要的平台建设、教师队伍建设和教学方法改革等，最终实现综合素质人才的培养。因此，笔者以问题驱动为导向，从问题的来源、问题的提炼和问题的解决三个方面进行分析，并与外部资源引入、教师队伍建设、以学生为中心的教学实践相结合，探索应用研究型人才培养全过程的内在机制及关键影响因素。

一、问题的来源与教学资源建设

（一）将科学问题转化为教学资源

将科学问题转化为教学资源的主要途径包括以下四条。

利用科教融合平台，从国家和省部级的纵向科研项目成果中提炼科学问题。例如，从大型机械装备健康安全检测相关的研究成果中提炼智能传感器、数据分析方法、故障识别方法等问题，作为“测试技术”“机车车辆检测技术与运维”等课程的教学资源。

从课程知识点出发，主动追踪科学前沿问题，并将其建设为教学资源。在专业课教学过程中，通过研究课程教学中潜在的理论和技术体系，追踪该理论和技术的研究进展和关注的热点问题，并将该科学问题引入课程教学中作为课程材料组织学生开展讨论。例如，结合仿人类机器人的发展现状，引导学生对触觉感知技术进行探索，开展触觉传感器原理和技术方面的研究。

探索科学问题与课程内容之间的关联性和映射关系，建立问题导向的教学模式。将课程核心知识点与科学问题进行关联，邀请领域内知名教授来校讲学，从而增强学生对课程知识的理解力。

引导学生开展创新性设计，以学科竞赛为抓手，培养一批具有创新精神的学生。在课程学习的基础上，以关键科学问题为驱动，发现和培养一批优秀学生。例如，在“测试技术”课程的讲授过程中，引导学生成立了独居老人健康状态监测科研兴趣小组，根据实际情况开发了软硬件系统，参加了国家级学科竞赛并获奖，小组骨干均继续攻读硕士研究生。

（二）将工程技术问题转化为教学资源

将工程技术问题转化为教学资源的主要途径包括以下四条。

利用产教融合平台，从企业或行业委托的横向科研项目成果中提炼技术问题。例如，交通噪声的监控与抑制、冻雨对列车的影响、风力发电设备、列车安全检测等。教师承担的企业横向课题以解决工程问题和技术问题为主，原创性、理论性难题较少，比较适合本科教学。在此过程中，教师可以稍加甄别和提炼，避免过多重复性、陈旧性问题。

从国家重大需求和重大装备研发过程中提炼问题。例如，在国家青藏铁路、川藏铁路、跨海大桥、高速动车组、盾构机等建造、研发和运维过程中发现的具体技术问题，在提炼过程中要注重现实的技术价值，可以选择那些可以填补国内外技术空白的问题，以此激发学生的学习兴趣，增加学生的重视程度。

邀请企业工程师来校授课，通过介绍工作中遇到的工程实际问题，让学生更加清楚地了解所学知识的作用。例如，邀请地铁公司的工程师介绍车辆和轨道的损伤检测，邀请中国中车的工程师介绍动车组的制造过程，邀请中国铁建的工程师介绍盾构机工作原理。

开辟第二课堂，带领学生参观工厂生产一线，将课本中的抽象知识与实际中的现象相结合，加深学生对知识的理解。该途径需要开展实践前的铺垫，包括注重理论知识的前期讲授，从而让学生在现场真实感受理论指导实践的作用，感受知识的价值。

二、问题的提炼与教师队伍建设

解决了问题的来源，如何将这些问题与课堂教学相结合、实现有机融入是需要考虑的重点。问题提炼的主体是教师，对教师队伍进行创新性培养是培养创新型人才的关键。提炼问题与加强教师队伍建设的主要途径包括以下两条。

（一）基于知识图谱和问题图谱的课程信息化建设与应用

利用信息化手段，建立课程知识图谱、问题图谱，是将科学问题与工程问题融入课程的重要手段。课程知识图谱创新了知识表示、知识管理和知识组织的方式，与现实生活中人们对知识的管理与认知方式接近［8］。在课程知识图谱的基础上，将科学问题与工程问题具象化为课程中的知识型问题，设置问题图谱，实现学生自主学习过程中的问题导向，可以极大地提高学习效果。经过课程学习和问题解决，根据学生的学习时间、学习效果、测验结果，系统地勾勒出学生对该课程掌握程度的图谱。

（二）以信息化建设为抓手的师资队伍建设

为实现课程的信息化建设和问题驱动的教学模式改革，需要对教师进行信息化教学能力培训。按照课程组的形式，组织教师系统学习课程知识图谱的架构方法和混合式教学的理念认知，分工明确地建设好该课程。考虑到不同年龄层次的教师对信息化工具的熟练程度和学习进度不同，有必要进行合理分工。比如，利用老教师丰富的教学经验和对课程内容的深入理解，安排他们对课程核心知识点及其相互之间的联系进行分析，架构出文本性质的知识树。利用青年教师对信息化工具的学习热情，安排他们开展基于软件工具的课程信息化建设。

三、问题的解决与以学生为中心的教学实践

在解决了问题的来源和提炼后，如何开展以学生为中心的教学过程成为最后要解决的重要问题。传统的教师讲、学生听的讲授模式已经过时，如今，学生对信息化手段的掌握已非常熟练，手机、电脑、网络等信息化工具也成了必备。因此，开展以信息化教学为依托、以学生为中心的教学模式改革势在必行。在问题解决过程中开展以学生为中心的教学实践的具体途径包括以下三条。

（一）教师教学理念的重新塑造

思想决定行动。要开展以学生为中心的教育实践，必须先改变教师的教学理念。鼓励任课教师更加突出和尊重学生的主体地位，围绕学生质疑能力、兴趣和个性的培养展开教学，采用协作式、个别化、小组讨论等教学形式，推动学生的可持续发展［9］。

（二）教师教学方式的重新打造

更加重视学生自主学习能力的激发，打通自主学习和课堂学习双模式教学路径。鼓励学生开展线上和线下混合式学习，借助线上教学资源库，对学生的自主学习成绩进行认定，并以课堂测验、提问等形式加强过程性考核，确保学习效果的有效性。将课程知识图谱和问题图谱按照难度等级设置为基础能力培养和卓越能力培养两个层次，并适时引导学生对某一科学问题或工程问题开展更加深入的研究，并通过加入科研兴趣小组、参加课题研究等形式提升创新能力。

（三）将培养目标、毕业要求和课程目标相统一

将理论问题解决、工程技术问题解决与学生综合素质培养相结合，实现学生有教无类、个性化发展、定制化培养的目标。将创新创业教育引入教学资源建设，引导学生开展以学术型和应用型为主导的学科竞赛。其中，学术型学科竞赛包括数学建模、物理竞赛、知识竞赛等，应用型学科竞赛包括机械创新设计大赛、机器人对抗赛、创业大赛等。

四、教学实践及效果

通过开展问题的来源、问题的提炼和问题的解决三个方面的工作，最大限度地实现以学生为中心的教学模式，并通过线上线下混合式教学、参加科研兴趣小组、参加学科竞赛等形式，实现学生个性化发展，实现以解决科学问题和工程问题为驱动的创新型人才培养。

上述人才培养模式已在石家庄铁道大学机械设计制造及其自动化专业的“测试技术”课程中得到应用，与课程相关的企业资源包括中车石家庄车辆有限公司、中车唐山机车车辆有限公司、中车太原机车车辆有限公司等，均已建设校外实践基地，并聘请多名企业专家担任校外指导教师。与课程相关的科研院所包括北京交通大学、西南交通大学、铁科院、北京市城市科学技术研究院等，聘请多名专家学者担任校外指导教师，定期开展讲学活动。除此之外，该专业积极探索认识实习、金工实习、生产实习的校外资源，以及多方共建的课程思政教育基地等，也取得了明显成效。

通过应用实践和不断完善，该培养模式实行约3个学期，共邀请7名学者和11名工程师来校讲课，针对任课教师开展信息化教学培训3次，新增教学实践基地5个，新增校外指导教师17人，开展课程思政专题学习5次。在这种教学模式下，学生展现出了强大的创造力，已发表学术论文1篇，授权发明专利7项、实用新型专利5项。超过80%的学生参加了大学生创新创业项目和相关的学科竞赛，在国家级竞赛中获奖10余人次，省部级竞赛中获奖30余人次。部分表现优异的学生获得了推免资格，免试攻读中国科学技术大学、重庆大学、中南大学、北京交通大学等高校的硕士学位。

结论

本研究从应用研究型高校创新型人才培养模式出发，探索专业课程教学改革路径，尝试将科学问题和工程问题引入教学内容，借助知识图谱等信息化教学手段，通过研究问题的来源、问题的提炼和问题的解决，提出加强对教学资源建设、教师队伍建设和以学生为中心的教学方式改革，且石家庄铁道大学已初步取得明显成效。笔者所提研究方法和人才培养模式可以为应用研究型高校人才培养、教师队伍建设和教学方法改革提供借鉴。