饒中浩， 趙佳騰， 霍宇濤， 劉臣臻

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

從2015年10月《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》的印發(fā)，到2017年1月《統(tǒng)籌推進(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實(shí)施辦法(暫行)》的印發(fā)，再到2017年9月《關(guān)于公布世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)高校及建設(shè)學(xué)科名單的通知》的發(fā)布，國(guó)家“雙一流”戰(zhàn)略從提出到正式實(shí)施建設(shè)僅用了不到兩年的時(shí)間。2017年10月，習(xí)近平同志在十九大報(bào)告中再次強(qiáng)調(diào)“要加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)”[1]，反映國(guó)家對(duì)新時(shí)代社會(huì)主義人才培養(yǎng)的重視程度和把國(guó)家建設(shè)成科教大國(guó)的決心。

“人才培養(yǎng)，學(xué)科建設(shè)，高校發(fā)展相輔相成，高校自身的特色帶動(dòng)校內(nèi)學(xué)科的不斷凝練與優(yōu)化，學(xué)科的建設(shè)離不開人才的注入與培養(yǎng)[2]”。鐘秉林[3-4]認(rèn)為“一流本科教育是建設(shè)世界一流大學(xué)的重要基礎(chǔ)，是建設(shè)一流學(xué)科的重要支撐”。洪大用[5]認(rèn)為“在‘雙一流’建設(shè)中大力加強(qiáng)本科人才培養(yǎng)，創(chuàng)建一流的本科教育涉及很多方面，是一項(xiàng)需要持續(xù)推進(jìn)的系統(tǒng)工程”。一流的本科教育是“雙一流”建設(shè)的重要內(nèi)涵[3,5]，要大力加強(qiáng)本科拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)在本科生拔尖人才培養(yǎng)中的重要作用及探索現(xiàn)狀

實(shí)踐教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生開放性思維，提升學(xué)生綜合素質(zhì)，對(duì)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)至關(guān)重要[6-7]。目前大部分高校的本科生教學(xué)以課堂理論知識(shí)講授為主，難以調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，此外，現(xiàn)有的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)存在經(jīng)費(fèi)少、設(shè)備陳舊以及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與前沿科技脫節(jié)的問題，不能滿足拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要[8]。研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是基于科研項(xiàng)目或其他科研資源的一種科研實(shí)踐教學(xué)方法。鐘秉林[9]曾專門撰文指出，“倡導(dǎo)科教融合育人，將科研資源轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，對(duì)于培養(yǎng)創(chuàng)新人才至關(guān)重要”。改革課堂教學(xué)模式，推進(jìn)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓本科生參與教師的研究項(xiàng)目或大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等，通過參與項(xiàng)目研究，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力以及自主性學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的能力[10-11]。在考慮學(xué)生知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，增加設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)，將科研的基本方法、技能和思維方法融入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生實(shí)踐積極性，促進(jìn)知識(shí)和科研技能的內(nèi)化，提升實(shí)踐能力[12]。

國(guó)內(nèi)外一些高校圍繞基于科研資源的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了探索，并逐步成為本科拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革實(shí)踐的核心內(nèi)容之一。武漢理工大學(xué)圍繞材料類學(xué)科構(gòu)建了本科生拔尖創(chuàng)新人才的“金字塔”培養(yǎng)體系，強(qiáng)調(diào)從專業(yè)認(rèn)知、動(dòng)手實(shí)踐、創(chuàng)新訓(xùn)練和科學(xué)研究四個(gè)方面培養(yǎng)人才[13]；暨南大學(xué)在以科研項(xiàng)目推動(dòng)化學(xué)化工專業(yè)本科生創(chuàng)新能力的實(shí)踐與探索中取得不錯(cuò)的成績(jī)[14]；美國(guó)斯坦福大學(xué)十分關(guān)注大學(xué)生科研實(shí)踐能力的鍛煉，讓學(xué)生參與到老師的科研活動(dòng)中，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性[15]；麻省理工學(xué)院“雙元制”人才培養(yǎng)模式和日本東京大學(xué)“推遲專業(yè)化”人才培養(yǎng)模式的核心步驟之一也是為學(xué)生創(chuàng)造機(jī)會(huì)，把教師的優(yōu)秀科研平臺(tái)和前沿成果應(yīng)用到本科生教育中，通過研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)能力突出的高素質(zhì)創(chuàng)新性人才[16]。

研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程是促進(jìn)學(xué)以致用和以用促學(xué)的過程。本文就研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ呐囵B(yǎng)對(duì)本科生創(chuàng)新能力的重要作用展開，以行業(yè)特色高校能源與動(dòng)力專業(yè)本科拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建與實(shí)踐為例，對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建和運(yùn)行過程中學(xué)以致用和以用促學(xué)的作用進(jìn)行了介紹，總結(jié)了實(shí)踐效果，并給出相應(yīng)的思考和建議。

2 研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程、效果及思考——以脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建為例

2.1 脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的目的

我校是行業(yè)特色高校，在煤炭資源開發(fā)利用以及深地空間探索等方面具有優(yōu)勢(shì)。不論是煤炭干燥、煤電系統(tǒng)效率提高等傳統(tǒng)領(lǐng)域，還是地下煤火災(zāi)害防治、地?zé)崮荛_發(fā)等前沿領(lǐng)域，均離不開高效熱輸送媒介的研發(fā)。熱管作為一種基于氣液相變的高效熱輸送媒介，其研究受到廣泛的關(guān)注。作為熱管成員中的重要一員，脈動(dòng)熱管具有很大的熱輸送潛力，以及成本低，幾何結(jié)構(gòu)靈活，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。脈動(dòng)熱管的研究設(shè)計(jì)主要依托動(dòng)力工程及工程熱物理學(xué)科，同時(shí)交叉機(jī)械、材料、控制等學(xué)科。依托的主干課程有傳熱學(xué)，工程流體力學(xué)和工程熱力學(xué)，同時(shí)涉及動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)及儀表，機(jī)械加工等相關(guān)課程中的知識(shí)，所輻射的知識(shí)面廣，能作為能源與動(dòng)力工程專業(yè)一個(gè)具有代表性的教學(xué)和科研實(shí)踐相結(jié)合的案例。

該研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐依托于本校電氣與動(dòng)力工程學(xué)院教師的國(guó)家自然科學(xué)基金和江蘇省自然科學(xué)基金。其目的是讓學(xué)生根據(jù)研究需求，從理解實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，參與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，逐層推進(jìn)，在實(shí)踐的過程中找到理論知識(shí)的切入點(diǎn)，學(xué)會(huì)用理論知識(shí)解釋、解決實(shí)踐中遇到的問題，同時(shí)讓學(xué)生意識(shí)到自己所學(xué)知識(shí)的局限性，促使主動(dòng)學(xué)習(xí)新的知識(shí)。

2.2 脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建和運(yùn)行

脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建是一個(gè)從無到有的過程，前期遴選對(duì)熱管技術(shù)有興趣的本科生組成一個(gè)小組，讓他們?nèi)虆⑴c實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建。主要包括如下3個(gè)部分：真空注液系統(tǒng)組建，管式脈動(dòng)熱管的制作，測(cè)試平臺(tái)搭建。其中，脈動(dòng)熱管制作的主要流程包括管徑的選擇，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工質(zhì)的選擇及制備，管內(nèi)清洗，以及抽真空注液。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建的過程中，出現(xiàn)問題讓學(xué)生們積極討論，共同尋求解決問題的方法。很多問題是平常課堂學(xué)習(xí)中不會(huì)有機(jī)會(huì)面對(duì)的，例如，材料的選型及采購、輔助設(shè)備的選型及采購、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工質(zhì)的選取、如何降低接觸熱阻、保溫問題、冷卻問題等?？茖W(xué)地解決這些問題，需要從專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，回歸到實(shí)際問題。表1歸納了脈動(dòng)熱管試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建過程中所需的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及本科生主要欠缺的能力。前期的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建是一個(gè)根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?dòng)手實(shí)踐的過程，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建好之后，本科生繼續(xù)參與測(cè)試工作。后期的實(shí)驗(yàn)過程則是一個(gè)探索的過程，與前期的工作相比，需要完全不同的思維模式。從新型工質(zhì)的配制和熱物性表征，到實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備及系統(tǒng)調(diào)試，再到參數(shù)化的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，最后到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析，環(huán)環(huán)相扣。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程需要本科生主動(dòng)獲取學(xué)習(xí)資料，主動(dòng)從所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)中尋求解釋現(xiàn)象的科學(xué)原理，主動(dòng)學(xué)習(xí)文獻(xiàn)檢索技能，主動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析軟件及理論知識(shí)。

表1 脈動(dòng)熱管試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建過程知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)照表

2.3 取得的效果及思考

經(jīng)過設(shè)計(jì)研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，指導(dǎo)的學(xué)生搭建出了兩套脈動(dòng)熱管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，其中，圖1(a)是三維脈動(dòng)熱管風(fēng)冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)，圖1(b)是二維長(zhǎng)距離熱輸送脈動(dòng)熱管液冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

(a) 三維脈動(dòng)熱管風(fēng)冷實(shí)驗(yàn)臺(tái)

在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)上亦具有很好的效果。在課堂知識(shí)鞏固與吸收方面，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)很好地達(dá)到了“學(xué)以致用”和“以用促學(xué)”的目的。本科生從抽象的理論知識(shí)學(xué)習(xí)層面上升為用抽象的知識(shí)解決或解釋實(shí)際問題的層面，例如，用傳熱學(xué)的知識(shí)解決實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保溫及接觸熱阻過高的問題；用熱力學(xué)和流體力學(xué)知識(shí)解釋脈動(dòng)熱管內(nèi)部工質(zhì)脈動(dòng)的現(xiàn)象；用“動(dòng)力工程測(cè)試技術(shù)及儀表”課本中的知識(shí)解決溫度、壓力和流量的測(cè)試及誤差分析問題等。在實(shí)踐過程中能發(fā)現(xiàn)許多用現(xiàn)有的知識(shí)水平不能解決問題，提升了學(xué)生主動(dòng)獲取新知識(shí)意識(shí)，如工質(zhì)分散中涉及的化工問題等；在學(xué)科競(jìng)賽和學(xué)術(shù)交流方面，在老師的支持下，學(xué)生借助自己參與搭建的科研平臺(tái)積極參加學(xué)科競(jìng)賽，包括“挑戰(zhàn)杯”大賽、全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排大賽、大學(xué)生過程裝備控制大賽等，為學(xué)院收獲了多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。同時(shí)，參與科研實(shí)踐的學(xué)生積極參加校內(nèi)外學(xué)術(shù)研討會(huì)，了解前沿動(dòng)態(tài)，發(fā)表多篇會(huì)議論文。本次研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐得到了學(xué)院其他老師的肯定與借鑒，為學(xué)院乃至學(xué)校本科生拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)起到了很好的示范作用?；趯?shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的效果和經(jīng)驗(yàn)，作者對(duì)基于科研實(shí)踐的本科生拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)措施有如下思考和建議。

(1) 在課堂講授上，教師需從多方面(小到生活細(xì)節(jié)，大到國(guó)家計(jì)劃)引入所學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用實(shí)例，培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生對(duì)實(shí)踐探索的積極性。

(2) 老師應(yīng)挖掘研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)課題與專業(yè)基礎(chǔ)理論知識(shí)的深層聯(lián)系，以此確定合適的研究性教學(xué)課題，重視學(xué)科基礎(chǔ)在研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的指導(dǎo)作用。

(3) 定期開展研討會(huì)，了解學(xué)生階段性狀態(tài)，及時(shí)給出必要的指導(dǎo)和建議，消除在開放式的科研實(shí)踐中容易產(chǎn)生的盲目性。

(4) 加強(qiáng)科學(xué)研究態(tài)度，組織紀(jì)律以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神教育。科學(xué)研究態(tài)度是拔尖創(chuàng)新人才具備的基本素質(zhì)，團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神能促進(jìn)內(nèi)部成員之間知識(shí)和思想交流，能夠擴(kuò)展團(tuán)隊(duì)知識(shí)面，達(dá)到“1+1>2”的效果。

(5) 做好實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)，形成書面總結(jié)存檔。研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)總結(jié)區(qū)別于科研項(xiàng)目階段性報(bào)告或結(jié)題報(bào)告，重點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)理論知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)和理解，以及對(duì)知識(shí)欠缺和自身能力不足的總結(jié)。

3 結(jié) 語

研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一項(xiàng)能夠擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面，提高學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)創(chuàng)新的工作，對(duì)于本科生拔尖人才培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠同時(shí)促進(jìn)“學(xué)以致用”和“以用促學(xué)”，能夠讓學(xué)生根據(jù)研究需求，從理解實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，參與實(shí)驗(yàn)測(cè)試，逐層推進(jìn)。一方面，在實(shí)踐的過程中找到理論知識(shí)的切入點(diǎn)，學(xué)會(huì)用理論知識(shí)解釋、改進(jìn)實(shí)踐中遇到的問題；另一方面，讓學(xué)生意識(shí)到自身知識(shí)水平的局限性，促使主動(dòng)學(xué)習(xí)新的知識(shí)。從而促進(jìn)教學(xué)與科研相結(jié)合，理論與實(shí)踐相結(jié)合，寓教于學(xué)，轉(zhuǎn)變思想，協(xié)同創(chuàng)新。在研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施過程中，應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，積極探索更科學(xué)更系統(tǒng)的指導(dǎo)學(xué)生的方法和策略，為國(guó)家培養(yǎng)更多的拔尖創(chuàng)新人才。