“創(chuàng)新性”實驗對大學(xué)生科研能力的培養(yǎng)研究

王 燕，李金輝，徐志峰，王瑞祥，劉晉彪，王 穎

(江西理工大學(xué) 冶金與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著全球社會高速的發(fā)展，新時代大學(xué)教育的教學(xué)目標(biāo)發(fā)生了重大的改革。2006年11月，教育部啟動了“國家大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目計劃”，旨在探索和建立以問題和課題為核心的教學(xué)模式，進行以本科生為主體的創(chuàng)新性實驗改革，強調(diào)實驗過程中的自主性學(xué)習(xí)，獨立思考，鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)新性設(shè)計，加強思維和方法訓(xùn)練，力爭培養(yǎng)一批具有潛力的拔尖型創(chuàng)新人才[1]。只有培養(yǎng)出大批具有創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新型大學(xué)生，才能使我們有能力參與日趨激烈的國際競爭，并保證在競爭中立于不敗之地，大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃是教育部為了提高本科教育質(zhì)量、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的一項重要舉措[2]。隨后，各大高校相繼根據(jù)自身實際制訂了新的教學(xué)方案，開展了大量的前沿的試驗項目，引進了新型硬件實驗設(shè)備，構(gòu)建了適合自身狀況發(fā)展的創(chuàng)新性實驗?zāi)Ｊ?。通過此項目的順利進行，給本科生提供了一個進入國家(省)實驗室和創(chuàng)新實驗室深入學(xué)習(xí)的機會，幫助學(xué)生養(yǎng)成獨立思考、勇于動手、自主實踐的創(chuàng)新意識。當(dāng)然，在此實驗?zāi)Ｊ降拈_展中也要求教師擁有較硬的條件，知識基礎(chǔ)深厚、實驗視野開闊、科研閱歷豐富。而在擁有國家政策、學(xué)校項目、老師指導(dǎo)的情況下，創(chuàng)新性實驗對大學(xué)生科研能力培養(yǎng)的成效如何，主要是由學(xué)生這個主體所決定的。對此，筆者結(jié)合具體的創(chuàng)新性實驗例子，分析和探討創(chuàng)新性實驗對大學(xué)生這個主體科研能力培養(yǎng)研究的理解與認(rèn)知。

1 創(chuàng)新性實驗的特點

1.1 創(chuàng)新性

創(chuàng)新性實驗旨在充分發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實驗的能力，鼓勵學(xué)生結(jié)合學(xué)科專業(yè)，引導(dǎo)學(xué)生深入了解實驗、參與實驗，在其過程中調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)造性思維與創(chuàng)新能力的意識[3]，特別注重實驗的創(chuàng)新點或是其創(chuàng)新性理念與實驗方法的提出。

1.2 主導(dǎo)性

在創(chuàng)新性實驗中許多教師對“創(chuàng)新”的認(rèn)識不夠深刻，簡單地認(rèn)為只要科研設(shè)施和實驗條件滿足學(xué)生的需求，就可以讓學(xué)生自由發(fā)揮。實際上學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)不夠深厚，盲目設(shè)計缺乏一定的可行性，甚至有些學(xué)生在遇到問題時得不到及時的解決，失去新奇感和耐心。教師應(yīng)當(dāng)及時跟進發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題并給予一定的指導(dǎo)，幫助學(xué)生克服困難，調(diào)動學(xué)生的科研興趣和自主創(chuàng)新意識。

1.3 主體性

主體性即實驗的每一步都是由學(xué)生自己參與完成，即實驗課題的確定、資料的查閱、方案的制作、儀器的操作、數(shù)據(jù)的記錄與處理及實驗報告、論文專利的撰寫等，指導(dǎo)教師則是負責(zé)給予適當(dāng)?shù)膶嶒炚n題方向、實驗操作技術(shù)上的建議提示，還有因?qū)W生知識的不完整性、不系統(tǒng)性和不全面性，指導(dǎo)教師要負責(zé)學(xué)生實驗嘗試過程的安全性，以免發(fā)生不必要的傷害與損失。

1.4 過程性

以往的實驗大多是對書本上成熟的理論知識進行驗證，幫助學(xué)生深刻理解和加強記憶，不能有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。但是，創(chuàng)新性實驗很好地彌補了不足，鼓勵學(xué)生在實驗過程中不怕困難、勇于探索。它促使學(xué)生不僅充分運用課本上的基礎(chǔ)理論知識，而且還學(xué)會查找課本以外的圖書、著作等，讓學(xué)生親自實踐科學(xué)探索的過程。

2 創(chuàng)新性實驗應(yīng)遵循的實驗原則

2.1 安全性原則

設(shè)計創(chuàng)新性實驗時應(yīng)避免使用危險品和易揮發(fā)試劑，考慮實驗過程中潛在的危險并做出應(yīng)對方案。例如，在實驗中用到酒精燈加熱這一環(huán)節(jié)，學(xué)生要清楚酒精燈的規(guī)范安全操作和應(yīng)急處理措施，提前準(zhǔn)備好濕毛巾等滅火工具，遠離易燃易爆物品，使用完畢后嚴(yán)禁用嘴吹滅火焰，必須用燈帽蓋滅。

2.2 科學(xué)性原則

創(chuàng)新性實驗不是毫無根據(jù)地任意想象，而是以正確的、完備的理論知識為依托，并及時更正以往錯誤的、落后的知識體系，保證創(chuàng)新的科學(xué)性。

2.3 可行性原則

設(shè)計創(chuàng)新性實驗時綜合考慮現(xiàn)有的條件，盡量選擇常用的藥品、儀器及可行的設(shè)計方案。如在生物體中幾種元素的鑒定實驗項目中，學(xué)生對鑒定磷元素進行了創(chuàng)新設(shè)計，利用元素分析儀測定生物體中磷元素的含量，實驗中把磷元素轉(zhuǎn)換成為磷鎢酸，由于磷原子在磷鎢酸中作為雜原子，含量很低，此創(chuàng)新設(shè)計測定的磷元素的含量誤差較大，故該創(chuàng)新設(shè)計不可行[4]。

2.4 前沿性原則

在創(chuàng)新性實驗設(shè)計中優(yōu)先選用尖端的測試技術(shù)。比如將硫酸亞鐵銨的制備實驗增設(shè)成為創(chuàng)新性實驗時，學(xué)生利用傅立葉變換紅外光譜儀在4000～400cm-1范圍內(nèi)測定了產(chǎn)品的紅外光譜，利用TG/DTA7300綜合熱分析儀將制備的樣品置于特定環(huán)境中改變其溫度或維持在固定溫度，由高靈敏天平觀察樣品重量變化及溫度差電偶測量相變化狀況，進而推測材料特性與組成比例[4]。

3 創(chuàng)新性實驗過程中學(xué)生科研能力的培養(yǎng)

3.1 更新觀念，教學(xué)手段多樣化

良好的創(chuàng)新活動，離不開扎實的知識基礎(chǔ)，學(xué)校應(yīng)重視基礎(chǔ)課程，選派經(jīng)驗豐富的教師擔(dān)任重擔(dān)；教學(xué)中，使用多媒體輔助教學(xué)；與此同時，引入慕課平臺，提供給學(xué)生與重點學(xué)校共同學(xué)習(xí)的機會，互相交流，開拓眼界；對學(xué)生定期開展分析測試課程培訓(xùn)，提高專業(yè)實踐技能；一些操作簡易，10萬以下的儀器，適當(dāng)加大學(xué)生的參觀和開放使用，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情；加大教師對科技社團的指導(dǎo)，制定教學(xué)計劃和活動策劃，并保障正常開展的基礎(chǔ)條件。總的來說，科研創(chuàng)新是一個持久的過程，引入豐富的教學(xué)方法，可以較少學(xué)生的疲勞感和煩躁感，多種教學(xué)方法的實施，也可以促使學(xué)生選擇一套適合自己的學(xué)習(xí)方案。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、自主學(xué)習(xí)、敢于質(zhì)疑的科研精神

獨立思考，自主學(xué)習(xí)是科學(xué)研究工作者的基本素質(zhì)，質(zhì)疑精神，是科研工作者取得創(chuàng)新性成果的必備要求。在老師的指導(dǎo)下，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立分析、自主學(xué)習(xí)新的實驗知識或技能的能力，并勇于質(zhì)疑常規(guī)，批判不合理之處，運用多角度的思維去剖析問題、解決問題，從而幫助學(xué)生樹立求異意識和培養(yǎng)質(zhì)疑能力。創(chuàng)新性實驗的設(shè)計過程，是創(chuàng)造性思維能力鍛煉的過程，實驗探索過程中有利于激發(fā)人的各種思維如形象思維、抽象思維、辯證思維、靈感思維和直覺思維等[5]。與以往實驗課程相比，創(chuàng)新性實驗更具有探索性，在創(chuàng)新性實驗中指導(dǎo)老師只會給一個大致的方向，剩下的需要學(xué)生和自己團隊進行思考實驗的課題及內(nèi)容。這里筆者以浙江大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)一組參加“創(chuàng)新性”實驗的學(xué)生為例，導(dǎo)師在開始時給出了“鈣蛋白酶，炎癥，學(xué)習(xí)記憶”三個關(guān)鍵詞，要求課題的選擇與這三個詞語有關(guān)。根據(jù)查閱的資料顯示：鈣蛋白酶在炎癥的發(fā)病機制中發(fā)揮了重要作用；并且，炎癥，尤其是神經(jīng)炎癥和學(xué)習(xí)記憶能力間密切相關(guān)。但是，鈣蛋白酶與學(xué)習(xí)記憶能力間的關(guān)系不明確。經(jīng)過一個星期的閱讀、分析、討論，最終確定以“探究鈣蛋白酶抑制劑對內(nèi)毒素(LPS)誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥小鼠學(xué)習(xí)記憶功能的影響”作為小組課題，采用LPS建立神經(jīng)炎癥模型，以小鼠為實驗研究對象，用Morris水迷宮評價小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[6]。

3.3 培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度

化學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的一門科學(xué)，利用化學(xué)方法合成的產(chǎn)品給社會帶來便利的同時也具有危險的一面，如實驗用品儲存、使用方法、實驗操作，整個過程中都需要嚴(yán)格按照規(guī)定進行，否則引發(fā)的后果是非常嚴(yán)重的。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲袘B(tài)度既是對自己負責(zé)又是對他人負責(zé)。一次實驗的失敗并可怕，由于化學(xué)的高危性，一時疏忽大意，危及的是自身和他人的生命安全。這里以西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)生參加“創(chuàng)新性”實驗項目為例，起初，學(xué)生們認(rèn)為課本上的基礎(chǔ)實驗步驟很簡單，因此不用心學(xué)習(xí)，但在實驗時，污染試劑、誤扔實驗試劑等錯誤頻犯。甚至有一次，學(xué)生連續(xù)幾天DNA的提取量都較少，始終找不到原因，最后在老師的指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)沒有冷凍離心，然而在實驗方法上清楚地寫明了4℃離心[7]，所幸的是這個失誤沒有造成其他的傷害，只是實驗失敗，但一個小的錯誤可能延遲你的實驗進度或讓你與真正的實驗結(jié)果擦肩而過。因此，想要在有限的時間內(nèi)得到正確的實驗結(jié)論就必須保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。但現(xiàn)狀并不樂觀，尤其體現(xiàn)在學(xué)生上實驗課程時常常遲到早退、甚至不認(rèn)真做實驗，抄寫別人的數(shù)據(jù)或胡編亂寫做假數(shù)據(jù)，像這種不正之風(fēng)一定要堅決糾正[8]。因此，指導(dǎo)教師要嚴(yán)格把關(guān)，鼓勵和監(jiān)督學(xué)生保質(zhì)保量地完成任務(wù)，端正學(xué)習(xí)態(tài)度樹立現(xiàn)代大學(xué)生的良好形象，為他們將來走向社會，承擔(dān)更大的責(zé)任打下良好的基礎(chǔ)[8]。

3.4 培養(yǎng)學(xué)生堅韌的創(chuàng)新創(chuàng)造精神

堅韌的創(chuàng)新創(chuàng)造精神是實現(xiàn)創(chuàng)新的保障。創(chuàng)新不是一蹴而就，在創(chuàng)新過程中，將遇到各種艱難擾亂學(xué)生從事科研的心志，所以教師需要培養(yǎng)其探尋真理的樂趣，不怕吃苦的勇氣?；瘜W(xué)是一門需要實驗的學(xué)科，是一個不斷解決問題、繼續(xù)前進的過程，許多原理上已經(jīng)非常完備的內(nèi)容，在試驗中多次嘗試卻始終存在未知原因?qū)е伦罱K失敗。面對屢次的失敗，一方面通過搜尋各種資料尋求原因，并且嘗試改進; 另一方面要有樂觀堅毅的精神，相信自己、堅持做下去[9]。英國心理學(xué)家G·Wallas在《The Art of Thought》中將創(chuàng)造歸結(jié)成四個過程：準(zhǔn)備期、醞釀期、明朗期、印證期。而創(chuàng)新性實驗教學(xué)的實踐過程則包括有：前期資料搜集、根據(jù)資料提出假設(shè)、分析可行性、實驗驗證、分析試驗結(jié)果得出結(jié)論?？梢钥吹秸麄€實驗教學(xué)的過程基本符合創(chuàng)造的四個階段，即學(xué)生在經(jīng)歷探索性實驗教學(xué)時就已在潛移默化中進行著自我創(chuàng)造與創(chuàng)新。并且因而從形式上來看，創(chuàng)新性實驗教學(xué)完全可以作為一種創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)教育模式[10]。

3.5 提升學(xué)生參與科研的積極性

目前大多數(shù)學(xué)生上實驗課時懶懶散散，甚至認(rèn)為是浪費時間草草完成任務(wù)。為了準(zhǔn)確了解學(xué)生的實際情況，武漢大學(xué)的專家們發(fā)起了對科研興趣的問卷調(diào)查。表1為部分調(diào)查結(jié)果，結(jié)果顯示參與者的興趣是大于未參與者的。對此，填寫問卷調(diào)查的學(xué)生表示老師在課堂中側(cè)重理論知識的講解，枯燥無味，沒能感受到科研實驗的無窮魅力，所以毫無興趣可言。

表1 對科研興趣的大學(xué)生人數(shù)

興趣是最好的老師，培養(yǎng)科研的積極性，可以從培養(yǎng)興趣開始。通過定期開展科普公開日、競賽實驗周、科研文化月等系列活動，向大家展示科研的魅力，并設(shè)計相應(yīng)的獎勵制度，激發(fā)學(xué)生參與的積極性。此外，對指導(dǎo)教師賦予更多的自主權(quán)，讓其有展示自己科研課題的平臺和機會，從而吸引更多的學(xué)生參與，并對老師給予相應(yīng)績效的獎勵?？蒲惺翘剿髡嬷耐緩健Ｈ欢墚?dāng)今教育體制限制，學(xué)生雖然考試成績高，但是難以體會到科研探索的樂趣，而產(chǎn)生樂趣是參與科研并取得一定成果的關(guān)鍵所在11。

3.6 培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神

科研是一項集體工程，僅靠一個人的智慧單干不會有太大成就。目前大多數(shù)大學(xué)生學(xué)生都是獨生子女，從小就是生活在溫室里的花朵，不擅長與人相處，缺少獨立組織活動或開展實驗項目的能力，團隊意識也較為薄弱8。而實驗項目的實施離不開隊員的相互合作，團隊精神不僅在大學(xué)生創(chuàng)新性實驗中起重要作用，長遠來看，對學(xué)生畢業(yè)后的工作與生活也有著極大的益處12。比如開展測量土壤中元素的含量的簡單探索實驗時，土壤標(biāo)本的野外采集更需要協(xié)調(diào)合作，有負責(zé)選取、采集土壤樣品的、負責(zé)記錄的、負責(zé)照相貼標(biāo)簽的等。參與課題開展的學(xué)生，其團結(jié)協(xié)作能力都得到了極大的鍛煉與提高，他們懂得如何分配每項任務(wù)，充分發(fā)揮各自的特長與優(yōu)勢。于此同時，研究進程的順利開展還離不開老師們的悉心教導(dǎo)，以及研究生師兄師姐們的熱情幫助。

3.7 加強學(xué)生的思想道德建設(shè)

在創(chuàng)新性實驗過程中，還要注重學(xué)生的思想道德建設(shè)。特別是從事化學(xué)領(lǐng)域的學(xué)生，不做危害國家、社會、他人的科研創(chuàng)新，不追逐個人名利，損人利己，加強集體主義的使命感和成就感，引導(dǎo)他們學(xué)習(xí)老師不求回報只講奉獻的大無私精神。另外，在此過程中，還需處理好經(jīng)濟效益與科研之間的關(guān)系。打破傳統(tǒng)觀念“重理論、輕應(yīng)用，重研究、輕開發(fā)”的影響，注重與社會的接軌。我國是一個人口大國，要想推動國民經(jīng)濟快速發(fā)展，必須依靠科技創(chuàng)新。作為學(xué)生、教師，用自己智慧的結(jié)晶，造福于人民，服務(wù)于社會，這是我們的責(zé)任和義務(wù)，也是我們努力的動力源泉。例如針對腐蝕造成的巨大經(jīng)濟損失、停產(chǎn)停工、設(shè)備損壞、環(huán)境污染等問題，化學(xué)人士開始從事此方面的研究，先后利用環(huán)氧樹脂涂層、石墨烯涂層等到納米粒子ZnO修復(fù)的復(fù)合涂層，經(jīng)過一代代的刻苦鉆研，努力用自己的智慧和汗水改善現(xiàn)狀。

4 對進行創(chuàng)新性實驗出現(xiàn)問題的認(rèn)知

目前各個高校開展的創(chuàng)新性實驗，總體已經(jīng)取得了預(yù)期的結(jié)果，但其中也存在一些問題。筆者總結(jié)有以下幾方面：(1)宣傳不到位、學(xué)生參與比例不高；(2) 指導(dǎo)老師布置的任務(wù)不切實際；(3)學(xué)校給予創(chuàng)新性實驗的科研條件有限。針對以上問題，提出三點建議：a.加大宣傳力度?，F(xiàn)在大部分學(xué)?；静捎靡坏絻煞N傳統(tǒng)方式進行宣傳，筆者認(rèn)為不僅利用學(xué)校的報紙、宣傳欄、網(wǎng)站等傳統(tǒng)媒介，而且結(jié)合微信公眾號、微博等新媒體進行宣傳，吸引更多的學(xué)生們了解創(chuàng)新性實驗項目的目的、意義，并且積極參與到活動中來。與此同時，一個好的獎勵機制對宣傳可以做到事半功倍，各大高?？梢葬槍?chuàng)新性實驗項目對學(xué)生和老師分別采取多層次、多方面的獎勵制度[13]。b.與教師科研相融合，縮小選題范圍。對于第一次接觸科研的本科生，知識面有很大的欠缺，直接給學(xué)生一個大題目，即使他們有想法，但還是會讓學(xué)生們不知從何處著手準(zhǔn)備，這時如果沒有教師的指導(dǎo)，就會降低他們剛萌發(fā)的興趣，從而放棄比賽。c.學(xué)校應(yīng)加強硬件設(shè)施的投入。比如學(xué)校應(yīng)加強圖書館，電子閱覽，實驗室等硬件、軟件(各種數(shù)據(jù)庫)設(shè)施的投入，建立專門創(chuàng)新性實驗室和開放性的實驗平臺，提供充足的資金，進而使學(xué)生在創(chuàng)新性實驗中可以全身心的投入，提高自身的創(chuàng)新實驗?zāi)芰Α?/p>

5 小結(jié)

創(chuàng)新是一個國家進步的靈魂，尤其我國處于快速發(fā)展的時期，更加需要發(fā)揮科技人才的積極性、主動性和創(chuàng)造性[14]，而將專業(yè)學(xué)科與創(chuàng)新性實驗項目結(jié)合正是培養(yǎng)這類本科生成為其人才后備軍的有效途徑[15-16]。具體來說，大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目將來源課本和其他途徑的理論知識實踐應(yīng)用起來，有助于開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能和幫助學(xué)生養(yǎng)成獨立實踐的科研素養(yǎng)，如今，我們?nèi)孕枰鶕?jù)實際情況進行摸索嘗試，在嘗試中進步，在進步中創(chuàng)新，只有這樣才能更好的實現(xiàn)創(chuàng)新性實驗的目的，為市場輸送更多的優(yōu)秀的綜合性創(chuàng)新人才。

目前，各大高校開展創(chuàng)新性實驗，結(jié)合當(dāng)?shù)貎?yōu)勢，打造出一套具有專業(yè)特色的培養(yǎng)方案。例如我院各班級都配有具有一定學(xué)術(shù)水平的兼職班主任，各年級有專職輔導(dǎo)員。積極參與組織和策劃學(xué)生科研活動，我校近幾年不斷吸納各方人才，包括留學(xué)回國人員等，這無疑為學(xué)校的科研注入了新的活力，也為大學(xué)生本科生們帶來了大批學(xué)術(shù)精深、思想活躍的好老師、好榜樣，對學(xué)生們的科研素質(zhì)培養(yǎng)無疑會起到巨大的作用[17]。此外，我院還利用當(dāng)?shù)氐牡乩韮?yōu)勢，開展利用以稀土元素離子綜合利用為核心的創(chuàng)新性實驗項目，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩韮?yōu)勢，提高了資源的循環(huán)利用率，讓參與創(chuàng)新性實驗的同學(xué)在參與過程中，明白自己是引領(lǐng)人，有效的推動當(dāng)?shù)靥厣V產(chǎn)資源綜合研究利用，比如我院在稀土上轉(zhuǎn)換熒光材料方向就取得的進展，為上轉(zhuǎn)換材料后續(xù)的深入研究提供了理論基礎(chǔ)，也對其相應(yīng)的材料應(yīng)用及拓展具有重要的指導(dǎo)意義。