李少波 王磊 朱傳奇 范浩 胡浩 劉斌

摘要：培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新能力的大學生，是我國實施創(chuàng)新強國的重要環(huán)節(jié)。高校作為培育創(chuàng)新型人才的重要基地，往往忽視高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)的實踐教學。而且目前普通高?？蒲袑嵺`平臺無法滿足教學要求，影響了大學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)效果。國家重點實驗室作為重要的科研平臺，擁有高端的創(chuàng)新人才和先進的儀器設(shè)備資源，能夠開展科技創(chuàng)新實踐教學，基于虛擬仿真教學、人工智能實驗學習等不同教學模式，有效提高了本科生創(chuàng)新能力。采用“問題導向式教學—啟發(fā)式教學—互動式教學”的教學方法，培養(yǎng)學生理論結(jié)合實踐的能力，通過開展不同形式的科研實踐教學，對培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新能力具有重要作用。

關(guān)鍵詞：科研實踐? 大學生? 實驗室? 創(chuàng)新培養(yǎng)

中圖分類號：G642.0? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Cultivating college students with scientific and technological innovation ability is an important link in the implementation of an innovative power in China. As an important base for cultivating innovative talents， colleges and universities often neglect the practical teaching for the cultivation of innovative talents in colleges and universities， and the current scientific research practice platform of ordinary colleges and universities cannot meet the teaching requirements， which affects the effect of the cultivation of university students innovative ability. As an important scientific research platform， the State Key Laboratory has high-end innovative talents and advanced instrumentation resources， which is able to carry out practical teaching of science and technology innovation， and has effectively improved undergraduates innovation ability based on different teaching modes such as virtual simulation teaching and artificial intelligence experimental learning. The teaching method of "problem-oriented teaching—heuristic teaching—interactive teaching" is adopted to cultivate students' ability to combine theory with practice. Through carrying out different forms of practical teaching of scientific research， it plays an important role in cultivating university students scientific and technological innovation ability.

Key Words： Scientific research practice; College student; Laboratory; Innovative cultivation

科技是國家強盛之基，創(chuàng)新是民族進步之魂。國家重點實驗室作為國家級的科研平臺，匯聚了大量高科技人才，集聚了高端的科研儀器設(shè)備，是我國科技創(chuàng)新的重要實施平臺[1-4]。高校國家重點實驗室往往是研究生及以上學歷的學生及教師進行科研實驗的場所，忽視了本科生參與科研的需求，對本科生創(chuàng)新培養(yǎng)貢獻很少，不利于本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[5-6]。

目前，有部分高校已經(jīng)開展科研實踐教學，科研實踐教學對于培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新能力有一定的幫助，但存在的問題如下：（1）學校科研設(shè)備及平臺達不到教學要求，尤其是地方“雙非”高校；（2）對科研實踐教學重視不足，科研實踐教學效果無法量化，高校管理者僅重視理論教學；（3）學生積極性不足，由于以往實踐教學模式比較單一，學生參與積極性不夠，且全校大學生專業(yè)比較多，涉及的行業(yè)比較廣，實驗室的研究方向比較聚焦[7-8]，以筆者所在的安徽理工大學深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室為例，實驗室專業(yè)特色為煤礦安全開采，主要開展深部煤礦采動力學響應(yīng)與災(zāi)害防控的基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究，主要研究方向包括深部煤巖體采動力學響應(yīng)、深部開采多場耦合災(zāi)變機理及煤礦深部采動災(zāi)害防控。

高校本科生人數(shù)較多，專業(yè)覆蓋較廣，以筆者所在的安徽理工大學為例，安徽理工大學擁有6個博士后科研流動站，6個一級學科博士點，33個二級學科博士點，21個一級學科碩士點，109個二級學科碩士點，87個本科專業(yè)。學校科研平臺較高，本科生數(shù)占全日制在校生總數(shù)的比例為90%以上，本科生資源豐富。因此，有必要充分利用豐富的本科生資源，調(diào)動本科生學習的積極主動性，使得本科生參與到科研活動中，有力促進科研人員的科技創(chuàng)新，形成良性循環(huán)。

1 創(chuàng)新能力培養(yǎng)途徑

針對培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的目標，通過介紹國家重點實驗室科研水平、科技團隊精神，增強學生對實驗室的了解，培養(yǎng)大學生參與科技創(chuàng)新的興趣，啟發(fā)科技創(chuàng)新精神。根據(jù)教學目的制定針對性教學方法，主要包括互動式教學、問題導向式教學、啟發(fā)式教學，具體教學方式如下。

1.1 實驗室參觀學習

利用實驗室進行科研實踐教學，組織大學生到國家重點實驗室進行科研認識參觀，通過實驗室宣傳視頻、宣傳展板、宣傳手冊、科研成果展示墻，詳細介紹采動國家重點實驗室科研水平、科技團隊精神，了解國家重點實驗室的研究方向及取得的研究成果，感受實驗室濃厚的學術(shù)氛圍，由實驗室科研人員與實驗人員講解實驗儀器的功能及進行的科學研究。

以筆者所在的國家重點實驗室為例，開展科研的大型儀器設(shè)備包括數(shù)字巖芯X射線掃描系統(tǒng)、瓦斯煤巖動靜組合加載系統(tǒng)、煤與瓦斯突出模擬試驗系統(tǒng)、MTS-816巖石力學試驗系統(tǒng)、微機控制萬能試驗系統(tǒng)、智能機器人實驗室、虛擬仿真實驗室、試樣加工實驗室、相似模擬實驗室等。通過帶領(lǐng)學生對目前實驗室大型儀器設(shè)備進行現(xiàn)場認知，并配合教師的講解，使得學生能夠了解高端儀器設(shè)備功能，掌握設(shè)備的使用原理，啟發(fā)學生創(chuàng)新思維。

1.2 創(chuàng)新項目指導

實驗室設(shè)立“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目”，對于申請進入實驗室開展“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目”，由實驗室進行篩選，并評選優(yōu)質(zhì)項目給予資助，項目實行導師負責制，導師負責大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目的指導，并負責對項目報告及項目成果進行審核。大學生進行科研論文檢索、現(xiàn)場調(diào)研、試驗方案設(shè)計、試驗設(shè)備使用及試驗數(shù)據(jù)分析等科研實踐活動。在整個科研實踐過程中導師給予學生親自實踐的機會，鍛煉學生的動手能力及分析解決問題的能力。

本科生通過負責“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目”的實施，參與項目的最大意義不在于做出來的項目能夠真正孵化出一個技術(shù)創(chuàng)業(yè)公司，更大的意義在于在這些項目中訓練出大學生正確思考問題和解決問題的能力出來，培養(yǎng)出創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的意識和思維。通過對實驗室大型儀器設(shè)備的學習和使用，可以將理論知識和實踐技能結(jié)合起來。通過與科研人員的近距離接觸與交流，可以掌握最新的科研動態(tài)和學科發(fā)展的方向，有助于延伸和拓展知識面，提高大學生科研能力，為自身的科研創(chuàng)新活動奠定基礎(chǔ)。

1.3 科技創(chuàng)新比賽參與

科技創(chuàng)新比賽一直是培養(yǎng)本科生創(chuàng)新能力重要途徑，通過組織大學生參與科技創(chuàng)新比賽，基于國家重點實驗室的科研平臺，激發(fā)大學生參與比賽及科技創(chuàng)新的熱情。而且能夠讓本科生及時了解實驗室開展的科學研究情況，及時掌握當前國內(nèi)外的研究熱點及研究動態(tài)，培養(yǎng)本科生開展科學研究的濃厚興趣，提高本科生團隊創(chuàng)新能力。

通過科技創(chuàng)新比賽教學實踐，深刻體會到開放性創(chuàng)新實驗在培養(yǎng)自主學習能力，激發(fā)創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新技能，培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)中所起到的重要作用。本科生參與國家級科技創(chuàng)新比賽如“挑戰(zhàn)杯全國大學生系列科技學術(shù)競賽”“互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”，結(jié)合實驗室的科研設(shè)備，設(shè)計比賽課題，在參與比賽的過程中，實驗室組建高水平團隊給予專業(yè)指導，保證高質(zhì)量完成比賽。

2 實驗教學模式創(chuàng)新

2.1 問題導向式實驗教學模式

問題導向式實驗教學方法根本在于開放性，包括開放的實驗教學主體、實驗教學方式、實驗教學目標、實驗教學內(nèi)容和實驗教學資源。教師在課堂開始時，向?qū)W生拋出問題，并引導學生制訂具體可行的研究實驗方案去解決，在學生制訂實驗方案及操作實驗儀器過程中給予針對性的指導。問題導向式實驗教學模式能夠體現(xiàn)了學生的主體地位和教師的主導作用，展現(xiàn)了創(chuàng)新能力培養(yǎng)的開放性與綜合性。

2.2 啟發(fā)式教學理念

啟發(fā)式教學就是采用啟發(fā)誘導辦法傳授知識、培養(yǎng)能力，使學生積極主動地學習，促進學生身心發(fā)展。積極引導學生在思考問題的同時，啟發(fā)學生創(chuàng)新方法，舉一反三，不拘泥于現(xiàn)狀，大膽創(chuàng)新，推陳出新。好的科技創(chuàng)新教育要充分挖掘人的潛能，讓學生大膽思考，充分實踐，完成自認為做不到的科技創(chuàng)新。

實驗教學是培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新的重要教學方式，是理論與實踐、抽象與具體相結(jié)合，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要載體，承擔著其他教學環(huán)節(jié)不可替代的作用。所以，進一步加強實驗教學模式創(chuàng)新，以學生為本，給學生以更大的自由空間，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維，推動創(chuàng)新型人才隊伍建設(shè)具有十分重要的意義。

2.3 互動式教學理念

互動式教學是以學生主體為核心，教師與學生互動交流為主，共同建立民主、和諧、熱烈的教學氛圍，讓不同層次的學生都擁有參與和發(fā)展機會的一種有效的教學方式。這種方式以學習者為主體，通過鼓勵學生互動參與教學過程，使學習者能深刻地領(lǐng)會和掌握所學的知識，并能將這種知識運用到實踐中去。

在本科實踐教學方面，創(chuàng)新實踐教學方法，并通過教育教學實踐，將最新的科研成果引入到實驗教學當中，極大地激發(fā)了本科生考研及參與與本專業(yè)相關(guān)科研項目的熱情。采用“問題導向式教學—啟發(fā)式教學—互動式教學”的教學方法，基于國家重點實驗室這個平臺下，本科生學習到該領(lǐng)域最先進的設(shè)備與操作方法，認識從理論到實踐的整個過程，并能夠很好地將理論與實踐結(jié)合起來，提高本科生參與科研活動的積極性。

針對培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的目標，根據(jù)大學生創(chuàng)新能力的要求和現(xiàn)代高等教育的發(fā)展趨勢，從實驗教學方法方面進行創(chuàng)新，基于實驗室教學設(shè)備，創(chuàng)新不同實驗教學模式，如“虛擬仿真實驗教學”“人工智能實驗教學”等，可以有效提高大學生的科技創(chuàng)新能力。

3 教學模式創(chuàng)新

目前我校國家重點實驗室主要科研人員及研究生專業(yè)為采礦工程、安全工程、機械工程及地下工程等工科專業(yè)，因此對于其他專業(yè)如經(jīng)管、財會等本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)就會存在一定的困難。所以國家重點實驗室應(yīng)該主動打破專業(yè)壁壘，針對不同專業(yè)本科生創(chuàng)新培養(yǎng)需要，開展多種形式的本科生創(chuàng)新實踐及科普教育活動，并制訂針對性的教學大綱，目前實驗室教學形式包括虛擬仿真實踐教學、參與科研項目、人工智能實驗學習等。

3.1 虛擬仿真實踐教學

安徽理工大學采動國家重點虛擬仿真實驗室為實驗教學提供了一個大場景寬視野的3D教學環(huán)境，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)及三維建模技術(shù)，創(chuàng)造出一個1﹕1的虛擬場景。實驗室可用于大型工程三維漫游、高精端儀器虛擬拆裝及操作、危險系數(shù)較高的實驗環(huán)節(jié)操作過程演練、不可逆公共安全災(zāi)害應(yīng)急展示等。

虛擬仿真實驗室LED小間距立體顯示系統(tǒng)作為虛擬仿真教學平臺關(guān)鍵性硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)具有高分辨率、超寬視野、立體顯示等特點。系統(tǒng)在硬件、軟件設(shè)計上已充分考慮到系統(tǒng)的安全性、可靠性、可維護性和可擴展性，存儲和處理能力滿足遠期擴展的要求。教師采用交互設(shè)備，模仿真實世界的實驗、實踐教學過程，學生佩戴立體眼鏡，仿佛置身于真實的操作環(huán)境中，提高學生參與感與主動性。

針對理工科專業(yè)本科生，本系統(tǒng)可以在網(wǎng)上開展的虛擬仿真實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)逼真形象地模擬真實實驗場景，以及實驗用到的器材和設(shè)備。目前，實驗室虛擬仿真實驗系統(tǒng)包括立井表土段施工工藝實驗、立井基巖段施工工藝實驗、立井凍結(jié)法施工工藝實驗、斜井施工工藝實驗、巷道快速施工工藝實驗、數(shù)字化礦山建設(shè)實驗和沿空留巷施工工藝實驗，通過這些實驗的操作學習，可對礦山建設(shè)工程的學習起到重要作用。通過虛擬仿真實驗的操作學習，可對礦山建設(shè)工程的學習起到重要作用，有利于采礦工程、地下工程及安全工程專業(yè)本科生認識實踐。

通過國家免費的實驗空間網(wǎng)站資源，訪問國家虛擬仿真實驗教學課程教學平臺，訪問針對不同專業(yè)開發(fā)的實驗教學項目，主要包括智能實驗室、虛擬仿真實驗課、線上實驗課、線上線下混合式實驗課等課程，涵蓋工學、理學、經(jīng)濟學、醫(yī)學、文學、生物科學、體育學、植物學、歷史學等專業(yè)。學生可以在宿舍通過訪問互聯(lián)網(wǎng)、學習和開展科研實踐，這種學習模式有著比較大的優(yōu)勢，能夠激發(fā)大學生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)高級思維和應(yīng)變能力，全面提高學生發(fā)現(xiàn)、剖析解決問題的綜合能力。

3.2 科研項目及科研設(shè)備使用

對大學生而言，通過參與國家重點實驗室開展的各項科學試驗研究，不僅鍛煉了動手能力，讓學生走出宿舍，走進實驗室，在理論學習之后能夠積極進入實驗室動手做實驗，使得理論與實踐結(jié)合，更重要的是在實踐過程中，形成符合優(yōu)秀科技人才所具備的科技創(chuàng)新精神和素養(yǎng)。

國家重點實驗室通過采取設(shè)立創(chuàng)新課題項目的形式，支持本科生創(chuàng)新活動，提高本科生參與科技創(chuàng)新的積極性，還可以采取學生參與教師的科研項目的形式，在教師的指導下，真正參與到具體的科研項目，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新及協(xié)作能力。

科研設(shè)備使用方面，指導教師主要從儀器設(shè)備簡介、設(shè)備功能、設(shè)備應(yīng)用、使用操作介紹，讓學生了解設(shè)備原理，掌握設(shè)備使用方法，并結(jié)合參與的創(chuàng)新課題，主動制訂實驗方案，利用實驗室實驗設(shè)備開展科學研究，有力促進本科生科技創(chuàng)新。

3.3 人工智能實驗學習

位于國家重點實驗室的智能機器人實驗室是基于機器視覺的機電綜合創(chuàng)新平臺，平臺圍繞機器人領(lǐng)域的應(yīng)用，通過各種模塊的組合可體現(xiàn)出現(xiàn)代工業(yè)特別是制造業(yè)中大多數(shù)設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)和控制特性，并可以模擬數(shù)控加工、3D打印等現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)備的特性。

針對機械工程、電氣工程、人工智能等專業(yè)本科生，人工智能實驗平臺能夠培養(yǎng)大學生對機電傳動結(jié)構(gòu)認知能力、電氣控制系統(tǒng)分析能力及運動控制算法設(shè)計、圖像處理等的能力，全面培養(yǎng)學生應(yīng)用所學機械設(shè)計、電氣驅(qū)動、運動控制及機器人技術(shù)理論知識解決實際工程問題的能力。

4 實踐教學意義

通過開展針對性的本科生教學實踐，革新教學方法，打破傳統(tǒng)教學模式，創(chuàng)新了教學方法，對大學生科技創(chuàng)新能力培養(yǎng)具有積極的意義，主要意義如下。

4.1 開拓大學生視野

通過實驗室參觀學習，讓本科生參與科研項目，參加科技創(chuàng)新比賽，充分利用實驗室科技創(chuàng)新平臺及資源，提高大學生理論結(jié)合實踐的能力，極大地擴展了本科生創(chuàng)新思維。

4.2 豐富科研實踐教學模式

通過創(chuàng)新實踐教學方法，豐富了本科生實驗教學方法，實現(xiàn)了理論學習和實踐學習的結(jié)合。積極指導學生參與“挑戰(zhàn)杯全國大學生系列科技學術(shù)競賽”“互聯(lián)網(wǎng)+大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”，培養(yǎng)本科生科技創(chuàng)新能力。

4.3 提高本科生創(chuàng)新能力

通過參與實驗室科研項目，使學生對科研實驗及創(chuàng)新實踐有了深刻系統(tǒng)理解，可增強學生對專業(yè)的認識，增強團隊合作能力，為學生今后的科研工作打下堅實的基礎(chǔ)?；谔摂M仿真教學、人工智能實驗學習等不同教學形式，針對不同專業(yè)本科生有效提高教學質(zhì)量，提高本科生創(chuàng)新能力。

5 結(jié)語

國家重點實驗室作為重要的科研平臺，能夠開展各種科技創(chuàng)新活動。通過組織實驗室參觀、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目指導、參與科技創(chuàng)新比賽等不同形式的科研實踐教學，對于培養(yǎng)大學生科技創(chuàng)新能力具有重要作用。采用“問題導向式教學—啟發(fā)式教學—互動式教學”的教學方法，培養(yǎng)學生理論結(jié)合實踐的能力，分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學生學習的主動性和創(chuàng)造性，提高學生學習積極性。通過國家重點實驗室開展的大學生科技創(chuàng)新實踐教學，顯著提升本科生科技創(chuàng)新能力。

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通信作者：李少波（1990—），男，碩士，助理實驗師，研究方向為礦山壓力與巖層控制，E-mail：lsb1467@163.com。

基金項目：安徽理工大學校級資助一般項目（xjyb2020-01）；安徽理工大學大學生科普創(chuàng)新及科研育人示范項目（KYJ202113）；安徽高校協(xié)同創(chuàng)新資助項目（GXXT-2020-055）。