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试论工科学术型研究生工程能力培养模式改革探索论文
论文摘要：针对工科学术型研究生解决工程实际问题能力偏弱的现状，提出通过科研项目、工程实践、科研论文“三位一体”培养模式的综合改革探索，确保研究生在拥有扎实的专业基础理论的同时，拥有较强的解决工程实际问题的能力。
论文关键词：高等机械工程教育；研究生培养；工程能力；培养模式
一、研究背景
自1978年恢复研究生教育以来的30多年里，我国研究生的培养方向一直以学术型为主。在1990年代以前，由于国家高层次人才奇缺，每年毕业的研究生绝大多数都进入高等院校和科研单位，从事科学研究及高等教育工作。学术型研究生培养中存在的重基础理论、轻工程实践的缺陷尚不突出。1990年代中期以后，国家经济模式逐步向市场化资源配置转型，加之连年扩招造成每年毕业研究生总量成倍增加，高校和科研单位已经无法容纳数量巨大的毕业研究生，大中型企业及其他非传统科研教育单位逐渐成为吸纳研究生就业的主体。
随着市场竞争的日益加剧，用人单位对研究生知识结构及创新性工作能力要求越来越高，学术型研究生基础理论知识较扎实但解决工程实际问题能力（以下简称“工程能力”）却相对不足的矛盾逐渐凸显出来。毕业生知识和技能与用人单位的需求越来越不相适应，甚至出现了“用人单位无可招之人”与“毕业生就业难”并存的现象。
造成这一局面的原因很多，归纳起来主要有以下几个方面：
第一，经济的发展和科技的进步使各企事业单位面临的竞争压力日益增大，传导到用人单位，使其对毕业生知识、技能及综合素质的要求不断提高。发现问题并独立解决新问题的能力和团队协作解决复杂问题的职业素养已经成为用人单位对各类人员的普遍要求。传统的以传授知识为主，工程实践能力及综合职业素养的培养力度相对不足的培养模式已经难以适应新形势下社会对人才的基本需求。
第二，面对知识爆炸时代日新月异的新知识、新技术的不断涌现，学生需要掌握的知识和技能较十多年前成倍增加，而学制并没有也不可能相应延长。要在同样的时间内掌握成倍增长的知识和技能，除了需要师生的共同努力外，降低对知识与技能的掌握深度也是目前普遍采用的主要方法，即以“广度”换“深度”的教学策略。这势必造成学生毕业求职时“什么都会点儿”但“什么都不精”这种现象发生。博而不精是时下各用人单位对当代大学生、研究生诟病最多的问题之一。
第三，现代科技，尤其是网络信息技术的发展，深刻地影响着社会的每个角落。由于可以轻松通过网络获取知识，可以运用各种功能强大的计算机软件完成以前要大量人力物力及经验才能完成的设计、计算、实验，加上社会上存在的浮躁与急功近利之风不可避免对学生产生一定的负面影响，造成相当部分学生不肯潜心钻研，学习浅尝辄止。由此使学生自身创新能力不足与社会要求越来越高之间的矛盾日益突出。
作为担负着为社会培养人才重任的研究生导师，面对研究生培养过程中存在的矛盾和问题，有必要对沿用了几十年的培养模式进行反思、改进和完善，以适应社会发展需要。
二、现行培养模式及思考
1.“两段式”培养模式
以目前国内最普遍的2.5年制工科学术型研究生培养模式为例，总体上可以用“两段”式概括，即理论学习阶段（1.5年）和课题研究阶段（1年）。
（1）理论学习阶段。主要完成培养计划中的学位课、必修课和选修课，同时完成配套实验、实习及其他实践教学环节，如教学或生产实践、讲座课程等。
数十年来，工科学术型研究生的课程内容，除部分选修课程能融合最新的科学研究成果外，总体上非常稳定，呈现数十年基本不变的特点，因此存在教学手段与内容、实验设施与形式、课程体系与知识结构等诸多方面难以及时得到调整以适应社会经济与科学技术发展需要的问题。
例如，工科专业学位课“16位微机原理及接口技术”，近30年来虽然部分实验手段、控制、显示逐步实现了计算机（含PLC等）控制及数字通信，但课程核心内容几乎没有什么改变，即使多年前64位CPU已经面世的情况下仍旧如此。专业学位课“高等机械原理及设计”，是笔者当年读研时学习的内容，如空间机构、数字控制技术等和现在的教学大纲规定的核心内容基本相同。这些课程对学生加深对课程内容的领会、掌握专业基础理论与知识具有重要作用，但包括超精密测试在内的新技术、新材料、新方法，除少数选修课程外均很少涉及。
由于学生在课题研究需要具备极为广泛的知识和技能，学习内容（含课题研究过程中的知识获取）及时间在现行的3个学期的理论学习阶段均难以完成。理论学习阶段所学知识，充其量只是基础性和入门性的，课题研究需要的知识与技能，大部分需要学生边研究边学习、边实践边提高。
（2）课题研究阶段。主要通过参与导师或相关学科团队的科研课题，并在课题研究过程中逐步掌握“根据课题任务获取新知识、掌握新技能、编制解决方案、求解（包括数学建模、编程计算、设计制图、实验测试等）、获得研究结果并对结果进行分析、得出合理结论、撰写研究报告和论文”等技能。课题研究具有鲜明的专业特点，是学生全面掌握专业知识，提高专业技能的关键环节。
各学科间的交叉、融合，使得科研课题已经越来越多地呈现跨学科专业的特点，对科研人员的知识结构和专业技能的要求也呈现出“深”且“博”的特点。例如广泛应用于核电、大型舰船、航空航天领域的大功率驱动器温度控制问题研究，关键技术涵盖电气工程、工程热物理及机械工程三大学科，研究过程中还涉及工程材料学、数字控制及计算机数值仿真等。目前高校和科研单位的多数课题大多具有跨学科专业、多学科融合的特点。
如果时间足够，完成跨学科专业的复杂课题研究是可以实现的。但目前国内的科研体制和研究生培养机制都严格限定了课题研究时间。考虑到研究生初入课题时需要有一个知识准备过程，毕业前需要有一定的时间完成学位论文及毕业相关工作，实际上，研究生从事课题研究的时间是非常有限，很少能超过12个月。以如此短暂的时间，即便是完成课题阶段性任务，也是非常困难的。
2.存在的突出问题及原因分析
目前工科学术型研究生培养过程中存在两方面的突出问题。
其一，课题研究时间短、任务重且对学生的知识与能力要求高，相对稳定的理论学习阶段课程，很难反映科技前沿的科研课题对学生知识与技能的要求，因而学生很难通过3个学期的理论学习达到课题要求。
其二，因科研课题自身的特点而产生了一些矛盾——理论水平高、创新性强的纵向课题通常距离工程实际较远，学生难以适应就业市场对实践经验与动手能力的要求；源自工程实际的横向课题较好地解决了学生工程能力问题，但往往理论水平和创新性不足。学生的专业理论水平和创新能力不能得到充分的锻炼和提升，又反过来限制了学生工程能力的发展与提高。这也是国际研究生教育界面临的共性难题。
首先，造成学生工程能力不足的重要原因之一是需要学习的知识和掌握的技能很多，而学习和研究的时间过短。这是目前高校面临的最大难题。一方面，随着新技术、新材料、新工艺的不断涌现，各种新的信息及内容逐步融入各教学、科研过程中，结果使合理分配教学与科研时间更加困难；另一方面，社会对复合型人才的需求迫使学生学习更多的知识，掌握更多的技能，由此使得教学、科研时间不足的矛盾更加突出。
其次，科学研究的难度、深度和广度在迅速增加，有人形象地比喻为“简单的科研课题已经给前人做完了，越往后面临的是越复杂、越难啃的‘硬骨头’”。这里包含两层因素：课题对研究人员知识结构的要求呈越来越复合的趋势；课题自身的复杂性需要科研团队密切协作才能完成。既有精细的分工，又有密切合作的课题研究，对培养学生的团队协作精神和知识结构的完善具有重要作用，但对学生综合科学素养的要求也日益提高。
通过增加学制提高研究生的培养力度既不可能也不必要。删减部分课程内容或降低部分科研课题要求等“修补”性工作虽然对缓解矛盾有一定帮助，但实际效果却饱受争议，相关争论在国内研究生教育界从未真正停止过。
显然，简单的“修补”式改革无法根本解决现实存在的尖锐矛盾。要逐步解决数十年来积累起来的矛盾和问题，必须以创新性思维，在系统性、综合性改革培养模式及教育教学惯性思维等方面寻求突破。
三、培养模式改革新尝试
1.整体式培养思路
鉴于学生的学习和研究时间难以满足培养目标需要，笔者在多年的硕士生培养实践中，尝试突破传统的“两段”式培养模式的思维惯性，将分离的“理论学习”和“课题研究”融合一个为以培养和提高学生专业理论水平与工程实践能力为核心的有机整体。实施过程中可以将一个完整的培养方案概括为“三步”——预备学习、综合学习和总结提高。 预备学习从研究生复试开始。通过各种途径了解学生基础、专长、毕业设计细节等，对通过复试预录取的学生进行有针对性的指导。预备学习包含两个层次的内容：其一是学生本科毕业前（在职生则是退职前），根据培养计划指导其提前学习部分专业基础理论知识及科研工具（尤其是科学计算软件等工具）的使用技巧，目的是使学生对即将开始的研究生学习和课题研究有一个初步认识，奠定初步的知识和技能基础；其二是应届生毕业后的暑假期间（在职生则是退职后），安排学生进入课题组，协助老师及学长课题研究，从而进一步了解、熟悉科研方向、科研规范等。针对少数无法在暑假进入课题组学习的学生，也为其布置了相应的文献学习。
综合学习几乎贯穿整个研究生培养全过程。除了需要根据学校的培养方案修满规定的学分，完成规定的教学/生产实践外，主要是根据学科方向和科研课题需要，从一入学就开始进行知识、技能的储备，边研究、边学习、边提高。根据需要，综合学习将伴随课题研究始终，一直持续到学生完成学位论文。
总结提高主要有两个层次的内容：其一是根据课题研究结果，撰写科研论文、项目总结、课题研究报告及学位论文，其二是与研究课题相关的生产实践。
撰写科研论文及学位论文，既是研究生培养规范的必备环节，也是提高学生科研能力与水平的重要措施。此外，为保持科研方向的连续性，科研资料的积累是必不可少的，而研究报告、项目总结则是很好的形式。因此，笔者及所在的科研团队每完成一项重要的科研课题，都由课题组成员共同完成相应的项目总结。这些科研资料的积累，使学科方向的科研水平逐步提高，并为新入学的研究生提供了尽早融入课题的重要学习素材。
课题相关的生产实践是培养学生工程能力的核心环节。通常完成或阶段性完成的科研课题，都要进行测试、调试或配套到相关装备、系统中试运行。在此过程中面对出现的问题及时分析原因、解决问题，能有效地提高学生工程实践经验和动手能力。
2.立体式培养模式
在以提高学术型硕士生解决工程实际问题能力为核心目标的教学改革中，一改传统的“两段式”扁平培养模式为“三位一体”的立体式培养模式，并在实施中不断完善和提高。
（1）科研项目。科研项目是培养研究生的基本载体，对于研究生扎实的专业理论基础的形成、解决工程实际问题能力的提高具有无可替代的重要作用。
由于学制和培养层次的限制，硕士研究生很少在重要科研课题中担负主导性工作，更多的是根据分配的单元性工作任务，与课题组其他老师、同学共同完成课题研究工作。为避免学生陷入“简单”、“重复”性劳动，难以达到培养目标要求，导师要合理安排课题任务，根据培养阶段及课题时间节点适时布置研究内容，协调课题研究进度及各研究生之间的平衡、协调、合作，确保课题任务按时完成，研究生知识结构和科研能力得到充分完善和提高。
某重大成套装备关键技术科技攻关项目子课题之一的“新型驱动器温度控制问题研究”就是一个典型实例。根据设备工作特点，驱动器在恶劣环境（工作空间狭小、冷媒对流不畅、周围介质中有絮状物悬浮故不宜加装风扇）下工作，课题任务要求确保最高温度不得超过额定温度2度。课题涉及：电磁场、温度场、电热耦合及电工材料学相关的电气工作领域；数值传热学、计算流体力学、热流及热网络相关的工程热物理领域；散热器结构优化设计及计算机数值仿真相关的机械工程领域。
根据课题特点组成两个小组，分别由一位本科为电力系统及自动化专业和和一位本科为精密仪器专业毕业的硕士生担纲，各自负责电气工程相关内容和机械工程相关内容的研究工作，笔者则负责工程热物理相关内容研究工作并协调课题进度。在研究中，各小组的学生不仅运用已有知识解决了相关课题难题，而且根据安排，都学习了工程热物理相关知识。经过课题组全体人员8个月的不懈努力，按时完成课题任务，每位研究生也得到充分的锻炼和提高——不仅增长了新知识，最重要的是掌握了面对新课题获取新知识、团队协作解决新问题的能力。
需要注意的是：科研课题难度和研究周期都要适当，专业跨度宜大一些，以利于拓宽学生的知识面，提高其解决实际问题的能力及毕业后适应社会的能力。
（2）工程实践。工程实践是工科研究生培养方案中的重要环节，是提高研究生解决工程实际问题能力的关键。根据工程实践环节实施特点的不同，可分为整体式和专题式两类。
所谓整体式，是指课题研究、样机设计试制及测试、综合测评及总结鉴定全部环节均在企业完成的培养模式。整体式工程实践主要适于大型装备关键技术攻关类课题，学生在企业完成课题研究及论文撰写等工作，时间合计约12-18个月。
所谓专题式，是指课题研究前期在学校实验室及机房，中期的样机设计、试制、测试及后期的运行、评估、鉴定在企业完成，学位论文则主要在学校完成。学生在企业完成样机试制及实验测试、评估报告的时间约6-12个月。
某大功率船用曲轴研发是上海市高端装备制造科技攻关重大项目，旨在凝聚上海科技资源，攻克国内大型船用柴油机曲轴制造关键技术自主知识产权的难关。课题由我国三大装备制造集团龙头企业之一的上海电气集团牵头，协作高校及企业达十数家。笔者所在团队参与了其中部分研究工作，主要承担曲轴加工工艺中的热变形与补偿等难题的研究任务。为完成课题研究任务，先后有多位研究生进入课题组，以“实习生”的方式参与企业组织的技术攻关及其他各项有关工作，除学位论文答辩按规定在学校举行外，整个一年半的课题研究工作全部在企业完成。
上述整体式工程实践培养模式的案例大约占整体研究生工程实践比例的3/4。近几年类似的项目还有中国国际海运储装箱集团股份有限公司牵头组织的科技攻关项目“危化品货物在途安全状态监测技术及系统研发与应用”、上海宝钢牵头组织的科技攻关项目“宝钢连铸线MRO”、上海电气集团牵头组织的科技攻关项目“20兆瓦级风力发电机组关键技术”、国家铁道科学研究院牵头组织的科技攻关项目“铁路运行信息集成与实时处理”、三一重工科技攻关项目“岸桥数字化设计”等。由于企业规模大，技术水平全部瞄准国际先进水平，因而项目技术含量高、课题组团队科研能力强，学生通过一年半的高强度、高水平工程实践的磨练，科研能力、解决工程实际问题能力显著提高，毕业前夕已经有多家协作企业表达了接收学生到企业工作的愿望。
某新能源汽车双电机驱动系统传动机构设计、试制及实验是新能源汽车研发项目的子课题，笔者所在团队承接了某协作企业的科研课题任务后，组成的课题组包括行星齿轮减速器设计、电机及相关传动功率选型、联接及测试几个小组。课题组师生通过半年的努力完成了系统方案设计、结构设计、选型等工作。随后与企业密切协作完成加工件工艺编制、配套件选购、样机装配、实验测试及评估报告撰写等工作。通过先后两批学生在企业一年半的试制、测试，最终完成了课题任务。虽然与整体式工程实践特点不同，但专题式工程实践下的学生面对工作中碰到的大量难题（包括部分无法预料的技术难题）并一个一个攻克，其工程实践能力同样得到显著提高。
（3）科研论文。在工作实践培养环节中，“实习生”不同于企业的技术人员，学生在企业的目的是通过科技攻关活动实现实践技能和知识获取能力的飞跃。因而，学生的每一项工作，都需要及时总结，在课题研究报告及学位论文撰写过程中，还需要从理论上系统总结论述，将课题潜在的作用充分“挖掘”出来。
完成某新能源汽车“双电机驱动系统传动机构设计”及试验后，参与课题研究的师生先后以行星齿轮啮合过程非线性应力动态变化过程、啮合过程轮齿温度场非线性动态变化过程、轮齿材料-啮合应力应变-温度场间的耦合关系、齿轮轴-行星轮系统多激励动态响应、电主轴基于机电耦合的非线性动态特性、电主轴混沌控制模式等等为主题分别进行了总结、非线性动力学理论探讨，之后陆续发表系列较高水平的科研论文。
在完成“新型驱动器温度控制问题研究”课题后，进一步研究了相同条件下散热器微观结构对温升的影响，发现“微单元时变换热系数”对系统温度的影响规律并发表了相应研究论文。
在完成“岸桥数字化设计”课题后，针对处于国际研究热点的钢丝绳动力学展开了深入研究工作，初步探讨了基于BP神经网络的岸桥钢丝绳动力学研究方法。
通过课题总结和深入研究、撰写较高水平的科研论文，不仅使学生进一步掌握了科学研究的方法与技能，而且培养了学生深入思考科学问题，探讨新理论、新方法、新应用的良好科学研究习惯。
四、结束语
经过多年的不懈努力，笔者在工科学术型研究生工程实践能力培养模式改革中逐步走出了一条有一定特色、适应上海地方经济发展需要和国际工程教育发展方向、成效较显著的自主创新之路，在课程体系、培养模式、教育教学思维等诸多方面都作了有益的尝试，取得了初步的成效。
应该承认，相对于数十年形成的工科研究生教育理论与实践，这些探索还是很初步的，也存在许多有待改进、完善之处。例如个别研究生会因为无法达到工程实践能力要求而遭淘汰；高水平的科研项目、高强度的工程实践和高水平的科研论文，需要师生巨大的努力和持续的投入等，这都不一定适合每个导师及学生的实际情况。
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