吳 羽　張 倩　伍馮潔

廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心　廣東廣州　510006

本科生多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)的研究與實(shí)踐

吳 羽張 倩伍馮潔

廣州大學(xué)實(shí)驗(yàn)中心廣東廣州510006

未來科技發(fā)展的趨勢是多學(xué)科的，需要不同學(xué)科的融合與合作?？偨Y(jié)分析本科生科研能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀、問題、能力水平以及教學(xué)模式，提出在高?？蒲心芰ε囵B(yǎng)方面，導(dǎo)入多學(xué)科融合的科研課題，探索多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)方式，有利于培養(yǎng)本科生多學(xué)科的思想靈感、創(chuàng)新意識(shí)以及學(xué)術(shù)思路的互相激勵(lì)和促進(jìn)，也為多學(xué)科融合科研課題的開展提供參考。

本科生；多學(xué)科融合；科研能力；研究與實(shí)踐

本科生科研活動(dòng)是指本科生利用課余時(shí)間，參加與專業(yè)緊密聯(lián)系的學(xué)術(shù)交流、社會(huì)實(shí)踐、課題研究、論文撰寫等活動(dòng)。本科生參與科研實(shí)踐的意義在于：通過本科生科研，能夠培養(yǎng)本科生創(chuàng)造性思維、科研素養(yǎng)、科研創(chuàng)新能力，增強(qiáng)對專業(yè)課深度的理解，培養(yǎng)合作精神和技巧，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)[1-6]。

目前，國內(nèi)外高校對本科學(xué)生科研做了較多探索，在科研能力培養(yǎng)模式實(shí)踐研究方面已經(jīng)取得一定的成效[7-12]，如美國麻省理工學(xué)院創(chuàng)立的“本科研究機(jī)會(huì)計(jì)劃”(The undergraduate Research Opportunities Progam，簡稱UROP)、伯克利大學(xué)的“本科生科研學(xué)徒計(jì)劃”(The Undegraduate Research Apprentice Program，URAP)、清華大學(xué)的SRT(Students Research Training，學(xué)生科技訓(xùn)練)計(jì)劃、浙江大學(xué)的SRTP(Student Research Trainer Program，本科生科研訓(xùn)練)、大連理工大學(xué)倡導(dǎo)“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)學(xué)院”的教育模式、華中科技大學(xué)的“點(diǎn)團(tuán)隊(duì)”模式。但是，在本科生科研能力培養(yǎng)方面，較多高校存在以下比較普遍的問題：沒有列入專業(yè)教學(xué)培養(yǎng)方案，相關(guān)的約束機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制并不完善；只有少數(shù)學(xué)生參與科研項(xiàng)目，缺乏對大多數(shù)學(xué)生科研意識(shí)的培養(yǎng)；學(xué)科資源整合力度不夠，學(xué)科交叉的深度和廣度不足。

總之，關(guān)于本科生科研能力培養(yǎng)的研究和探索是一個(gè)被國內(nèi)外高等教學(xué)管理者和教師普遍關(guān)注的主題，隨著科技的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，表現(xiàn)出既高度分化又高度綜合的大趨勢。許多重大的科技、經(jīng)濟(jì)社會(huì)問題具有綜合性，要求不同的專業(yè)學(xué)科用各自的理論、思維、觀念、技術(shù)和方法協(xié)同合作方能解決，甚至需要將自然科學(xué)與人文學(xué)科相結(jié)合。多學(xué)科融合科研創(chuàng)新課題的研究[13-16]，運(yùn)用項(xiàng)目管理各種方法、手段等，各專業(yè)的本科生協(xié)調(diào)分工，思想碰撞，相互結(jié)合，彼此滲透融合，有利于改善本科生的知識(shí)結(jié)構(gòu)、思維方式和能力結(jié)構(gòu)，有利于培養(yǎng)本科生協(xié)作精神和能力。

1　多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)

1.1總體思路

通過對大學(xué)科研氛圍與學(xué)校教學(xué)理念、校園文化、科研軟硬件環(huán)境關(guān)系的理論研究，結(jié)合面向?qū)W校教師、學(xué)生的科研現(xiàn)狀調(diào)查問卷，總結(jié)得出高校本科生科研創(chuàng)新活動(dòng)開展中存在的問題。據(jù)此，引入具體實(shí)踐科研課題，選擇涉及激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)以及工業(yè)設(shè)計(jì)多學(xué)科的3D掃描關(guān)鍵技術(shù)課題，精心設(shè)計(jì)課題的目標(biāo)和內(nèi)容，選拔涵蓋各專業(yè)、各年級(jí)的學(xué)生參與課題，實(shí)施課題。通過頭腦風(fēng)暴法，總結(jié)分析課題的經(jīng)驗(yàn)，輸出項(xiàng)目的成果?？傮w思路如圖1所示。

圖1　總體思路圖

1.2有序開展實(shí)踐

1.2.1理論研究及現(xiàn)狀調(diào)研

采用文獻(xiàn)研究法，研讀國內(nèi)外文獻(xiàn)，從理論層面出發(fā)，研究分析影響本科生科研創(chuàng)新活動(dòng)開展的因素，總結(jié)形成本科生科研創(chuàng)新與教學(xué)理念、創(chuàng)新意識(shí)、校園文化、素質(zhì)教育以及人才培養(yǎng)的關(guān)系。采用問卷調(diào)查法和訪談法，對本科生科研能力培養(yǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研。分別針對學(xué)校管理者、教師以及學(xué)生，設(shè)計(jì)調(diào)查問卷及訪談提綱，了解學(xué)生對參與科研創(chuàng)新活動(dòng)的態(tài)度、經(jīng)驗(yàn)，學(xué)校教師、管理者對培養(yǎng)學(xué)生科研能力的觀念、建議及意見。通過實(shí)踐調(diào)研，發(fā)現(xiàn)本科生科研能力培養(yǎng)的興趣與其所在年級(jí)、性別、學(xué)科均有一定的不同，一般而言，低年級(jí)的學(xué)生科研激情高于高年級(jí)，男生在科研熱情、主動(dòng)性、創(chuàng)造性方面優(yōu)于女生，女生科研方面的特長體現(xiàn)在對數(shù)字的敏感性以及實(shí)驗(yàn)的細(xì)致性等方面，理工科創(chuàng)新思維普遍優(yōu)于其他專業(yè)學(xué)生。同時(shí)，教師科研素質(zhì)、學(xué)校科研投入對本科生科研能力的培養(yǎng)起到關(guān)鍵作用，特別是學(xué)校的科研創(chuàng)新的文化，非常有利于本科生科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1.2.23D掃描關(guān)鍵技術(shù)研究課題

采用實(shí)驗(yàn)法，選取多學(xué)科融合的3D掃描關(guān)鍵技術(shù)課題，探討本科生科研創(chuàng)新能力水平，以及各學(xué)科專業(yè)融合環(huán)境下的科研創(chuàng)新活動(dòng)協(xié)調(diào)開展的形式，探討科研創(chuàng)新活動(dòng)中教師和學(xué)生的角色及作用。3D掃描多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)流程如圖2所示。

圖2　3D掃描儀多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)流程圖

(1)選擇課題，設(shè)計(jì)課題內(nèi)容和目標(biāo)，編制課題技術(shù)方案

選題是本科生科研創(chuàng)新活動(dòng)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，從研究的目標(biāo)出發(fā)，在實(shí)踐課題的選擇中重點(diǎn)關(guān)注以下幾方面：多學(xué)科融合性、前沿性、針對性、可行性及趣味性。據(jù)此，選取3D掃描關(guān)鍵技術(shù)研究作為實(shí)踐課題。經(jīng)過前期調(diào)研，3D掃描綜合激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和工業(yè)設(shè)計(jì)等多學(xué)科協(xié)調(diào)和交叉，可對任意實(shí)際物體進(jìn)行掃描，在電腦上自動(dòng)還原三維的物體原型，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、文物保護(hù)、藝術(shù)設(shè)計(jì)以及美術(shù)、設(shè)計(jì)、工程、建模等專業(yè)課程的教學(xué)上。在此背景之下，課題以三維激光掃描儀總體設(shè)計(jì)以及三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)研究和程序編寫為主要內(nèi)容，研發(fā)全自動(dòng)、簡易3D激光掃描儀，據(jù)此總結(jié)出多學(xué)科融合科研課題對科研能力培養(yǎng)的促進(jìn)作用。

(2)選拔不同學(xué)科、不同年級(jí)的本科生參與課題，組建團(tuán)隊(duì)，明確職責(zé)分工

團(tuán)隊(duì)成員間的互動(dòng)和合作，是完成課題時(shí)必不可少的一環(huán)，而互動(dòng)和合作本身也是學(xué)習(xí)的一部分，成員之間可以通過彼此之間的交流合作，在已有的知識(shí)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建新的知識(shí)。緊緊圍繞課題目標(biāo)以及3D掃描科研課題多學(xué)科融合的特點(diǎn)，選拔課題的參與人員。首先，專業(yè)維度上，課題組成員需要涵蓋不同專業(yè)。其次，本科生年級(jí)維度，基于“研究樣本”多樣性和完整性的考慮，同時(shí)考慮學(xué)生年級(jí)的特點(diǎn)，重點(diǎn)以大三、大四本科生為主，但是必須包含大一、大二本科生。最后，在以上兩個(gè)因素的前提下，考量本科生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，擇優(yōu)選拔。綜合以上因素，選取7名不同專業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生組成項(xiàng)目組，按照專業(yè)分工具體實(shí)施課題。多學(xué)科融合課題為新知識(shí)的構(gòu)建提供了一個(gè)合適的環(huán)境，完成課題的過程中，每位成員的參與和貢獻(xiàn)都至關(guān)重要。

(3)分工協(xié)作，循序漸進(jìn)地開展課題

在教師的指導(dǎo)下，課題組本科生利用課余時(shí)間，分工協(xié)作，共同實(shí)施課題，定期召開課題討論分析會(huì)，會(huì)上共同分享課題心得、交流經(jīng)驗(yàn)，解決碰到的問題。在學(xué)生合作完成課題的過程中，教師起引導(dǎo)和鼓勵(lì)的作用，明確小組成員之間的分工和權(quán)責(zé)，讓小組之內(nèi)形成良好自由的合作、取長補(bǔ)短和相互學(xué)習(xí)的氛圍。通過經(jīng)常舉辦學(xué)術(shù)交流、課題討論、內(nèi)部共享等方式快速培養(yǎng)新成員，不斷提高團(tuán)隊(duì)成員的學(xué)術(shù)水平和提高項(xiàng)目進(jìn)度效率?？傮w而言，3D激光掃描課題主體分兩步。第一步設(shè)計(jì)包含機(jī)械部分、光學(xué)部分、控制部分、軟件部分的3D掃描儀軟硬件平臺(tái)，得到3D掃描儀的雛形，掃描獲取被掃描物體的三維點(diǎn)云。第二步研究三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)技術(shù)，利用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言python、C語言和基于開源計(jì)算機(jī)視覺庫OpenCV混合編程，編寫、調(diào)試控制程序，將第一步獲取的三維點(diǎn)云匹配成一個(gè)完整的三維模型。

(4)課題成果展示，課題分享總結(jié)

分享、總結(jié)是課題中重要的組成部分，課題的成果是集體智慧的結(jié)晶，成功的喜悅也被組員們共同分享。成員在完成課題的過程中，在物質(zhì)上需要分享資源，在精神上需要分享知識(shí)。這種分享精神可以被學(xué)生們運(yùn)用到以后的工作和生活當(dāng)中，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作是一筆寶貴的財(cái)富。

從選題、選人、課題設(shè)計(jì)、課題實(shí)施到課題總結(jié)分享，運(yùn)用項(xiàng)目管理的原理和思路組織開展多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)實(shí)踐。

1.3多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)實(shí)踐成效

通過多學(xué)科融合科研能力培養(yǎng)的實(shí)踐，培養(yǎng)的學(xué)員已申請專利超過54項(xiàng)，科技產(chǎn)品超過60件，其中一項(xiàng)已經(jīng)被列為廣東省機(jī)器人比賽項(xiàng)目指定產(chǎn)品。指導(dǎo)學(xué)生競賽獲得全國獎(jiǎng)勵(lì)25項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)41項(xiàng)。課題研發(fā)3D掃描儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，應(yīng)用樣機(jī)掃描實(shí)物，檢驗(yàn)掃描的效果，評估課題成果，持續(xù)改進(jìn)，獲挑戰(zhàn)杯廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎(jiǎng)。

2　總結(jié)與展望

多學(xué)科融合打破了原有學(xué)科間的壁壘，突破學(xué)科間的界限，是未來科研創(chuàng)新的主導(dǎo)方向。建設(shè)“創(chuàng)新型”國家需要大批具有多學(xué)科背景科研能力的復(fù)合型創(chuàng)新人才，通過本科生科研能力培養(yǎng)現(xiàn)狀的研究分析，以本科生創(chuàng)新能力的早期培養(yǎng)為首要目標(biāo)，由導(dǎo)師全程負(fù)責(zé)、真實(shí)科研項(xiàng)目牽引、從本科低年級(jí)開始，讓學(xué)有余力的學(xué)生直接參與面向?qū)W科前沿或生產(chǎn)實(shí)際的多學(xué)科融合科研活動(dòng)。多學(xué)科融合、思想碰撞，通“干中學(xué)”的方式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，為高校本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供一種新的范例。

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Research and Practice on Interdisciplinary Undergraduates' Scientifc Research Ability Training

Wu Yu, Zhang Qian, Wu FengJie
The Lab Center, Guangzhou Unversity, Guangzhou, 510006

The trend of the technology development is interdisciplinary, which requires the integration and cooperation of different disciplines. The method of the interdisciplinary undergraduates' scientifc research ability training was advanced, by analyzing the current situation of the undergraduates' scientifc research ability training. The method of the interdisciplinary undergraduates' scientifc research ability training improved the ideological inspiration, innovation consciousness and cooperation of the undergraduate. Also it provided a reference for the interdisciplinary undergraduates' scientifc research ability training.

undergraduate; interdisciplinary; scientifc research ability; research and practice

2016-03-02

吳羽，碩士，實(shí)驗(yàn)師。張倩，碩士，實(shí)驗(yàn)師。

廣州市教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題(編號(hào)：1201431248，1201451111)。