面向本科生的科研實驗教學(xué)探索與實踐

鄭雙凌， 徐 珺

(清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084 )

面向本科生的科研實驗教學(xué)探索與實踐

鄭雙凌， 徐 珺

(清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084 )

高校實驗教學(xué)是極為重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)多以演示和驗證實驗為主，內(nèi)容單一，實驗設(shè)備發(fā)展相對滯后，制約了學(xué)生實驗技能的培養(yǎng)。將科研與實驗教學(xué)有機結(jié)合，可增強學(xué)生的專業(yè)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰?、?chuàng)新意識及團隊協(xié)作精神。基于面對水工專業(yè)大二學(xué)生開設(shè)的水工結(jié)構(gòu)實驗原理與認(rèn)識課程，介紹了開設(shè)該課程的原因、課程的主要內(nèi)容、教學(xué)方式及面向?qū)ο螅治隹偨Y(jié)了科研實驗教學(xué)的經(jīng)驗及面臨的問題，旨在探索出一種實驗教學(xué)與科研有機結(jié)合的教學(xué)模式，以研促教， 教研相長，同時讓學(xué)生了解最前沿的科研知識，掌握必要的實驗研究技能。

科研實驗教學(xué)； 教學(xué)模式； 水工結(jié)構(gòu)

0 引 言

培養(yǎng)什么人和如何培養(yǎng)人，是高等教育面臨的重要問題。高校實驗教學(xué)是極為重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論學(xué)習(xí)與實驗研究的橋梁，在培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、獨立思考和解決實際問題能力、創(chuàng)新能力及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度等方面，具有其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法替代的作用[1]。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)往往隸屬于理論教學(xué)部分，實驗設(shè)備、方案及步驟均已固定，且實驗內(nèi)容單一，多是演示和驗證性實驗。教學(xué)模式以實驗教師講解和實驗示范為主，學(xué)生只需按實驗指示書重復(fù)實驗教師講解的步驟，對學(xué)生的實踐能力及解決問題的能力要求較低，嚴(yán)重制約了學(xué)生在實驗環(huán)節(jié)的積極性及獨立思考能力。且當(dāng)今社會科技水平發(fā)展迅速，實驗教學(xué)儀器卻嚴(yán)重滯后。

目前，國家和高等院校都很重視實驗教學(xué)的改革，關(guān)于實驗教學(xué)改革的研究較多，其中以實驗室建設(shè)、實驗教師隊伍建設(shè)以及實驗教學(xué)方式改革等方面探索為主。如按照基礎(chǔ)訓(xùn)練、綜合實驗、設(shè)計創(chuàng)新實驗3個層面組織實驗教學(xué)，改傳統(tǒng)的封閉實驗室為開放型，改驗證性實驗為設(shè)計型實驗，逐步減少演示和驗證型實驗的比例，增加有利于擴大知識面的綜合性、設(shè)計性實驗[2-7]。

在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗平臺上進行創(chuàng)新設(shè)計和實驗，條件受到限制，若將科研項目和實驗研究引入到實驗教學(xué)中，實驗教學(xué)不受傳統(tǒng)固定模式的約束，學(xué)生自主性強，其實驗?zāi)芰?、?chuàng)新意識及團隊協(xié)作精神將得到全面的鍛煉[8-16]。錢偉長院士[17]在談?wù)摻虒W(xué)與科研的關(guān)系時說：“大學(xué)必須拆除教學(xué)與科研之間的高墻, 教學(xué)沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育。”教學(xué)是科研的前提和基礎(chǔ)條件，科研是提高教育質(zhì)量和層次的關(guān)鍵。

為此，面對水工專業(yè)大二學(xué)生開設(shè)了水工結(jié)構(gòu)實驗原理與認(rèn)識課程，讓學(xué)生在本科階段提前認(rèn)識實驗室、了解科研，通過具體科研試驗讓學(xué)生進一步理解實驗原理、設(shè)計原則和實驗技術(shù)，將理論學(xué)習(xí)與實驗相結(jié)合，增強學(xué)生的專業(yè)興趣，以及水工專業(yè)的理論知識與實驗?zāi)芰Α１疚耐ㄟ^總結(jié)科研實驗教學(xué)的經(jīng)驗及面臨的問題，旨在探索出一種實驗教學(xué)與科研有機結(jié)合的教學(xué)模式。

1 科研實驗教學(xué)的實踐方式

1.1科研實驗教學(xué)內(nèi)容

水工結(jié)構(gòu)實驗原理與認(rèn)識課程主要依托水利系水工結(jié)構(gòu)實驗室，結(jié)合實驗室有特色的科研項目進行實驗教學(xué)，從理論與實驗認(rèn)知方面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和實驗?zāi)芰?。根?jù)實驗室的主要研究方向及科研項目內(nèi)容，開設(shè)的課程共有水工材料實驗、水工結(jié)構(gòu)實驗、水工水力學(xué)實驗3類，分8個專題實驗，分別為大三軸靜動力實驗、混凝土破壞實驗、混凝土材料特性實驗、堆石混凝土材料實驗、大壩抗震模型實驗、地質(zhì)力學(xué)模擬實驗、水巖耦合智能模型實驗、水工水力學(xué)模型實驗等，每節(jié)內(nèi)容分為課堂理論學(xué)習(xí)與實驗室實驗認(rèn)識和操作兩部分，介紹水工材料、水工結(jié)構(gòu)、水工水力學(xué)等原理、實驗技術(shù)及關(guān)鍵問題等，具體的實驗如表1所示。

1.2科研實驗教學(xué)方式

表1 課程主要內(nèi)容

本課程8個專題實驗，主要以理論與實驗教學(xué)相結(jié)合的方式，每個專題實驗安排6學(xué)時課程，3學(xué)時理論課和3學(xué)時實驗課，這樣交替進行。因選課人數(shù)較多，為保證實驗課效果，理論課形式為大班集體上課，實驗課則為小班分組實驗，將一周中的某天定為該實驗室的教學(xué)開放日，學(xué)生當(dāng)天任何時間都可以進行實驗，避免了實驗室容量有限，學(xué)生時間沖突，或是實驗時間有限等問題。學(xué)生學(xué)習(xí)完理論知識后，有一定的理論基礎(chǔ)，再進入實驗室，可變被動學(xué)習(xí)為主動探索，提高自己的實驗?zāi)芰Γ瑫r，分組實驗讓學(xué)生的團隊協(xié)作能力也得到鍛煉。

1.3科研實驗教學(xué)對象

水工結(jié)構(gòu)實驗原理與認(rèn)識主要面向水工專業(yè)的大二學(xué)生。學(xué)生進入大學(xué)學(xué)習(xí)1年，已有一定的理論基礎(chǔ)，但對專業(yè)的了解極為有限，對自己所學(xué)專業(yè)及發(fā)展興趣濃厚，專業(yè)可塑性強。此時，根據(jù)學(xué)生需求，讓學(xué)生深入各實驗室，通過全面的了解，適當(dāng)?shù)慕佑|科研項目和實驗，并動手操作，可激發(fā)學(xué)生興趣，學(xué)生也有更多的時間進行學(xué)習(xí)思考，選擇將來的研究方向。

對于部分學(xué)有余力的學(xué)生，實驗課程結(jié)束后，可選擇自己有興趣的課題，加入實驗室課題組，進行更深入的實驗研究工作，或是申請參加清華大學(xué)SRT(Student Research Training)計劃、“挑戰(zhàn)杯”競賽等，培養(yǎng)自己的綜合科研能力。

課程結(jié)束后，學(xué)生普遍反饋對科研實驗有極大興趣及對課程的肯定，并提出實驗是該課程的靈魂，希望能更多的參與動手實踐。其中最具代表的一份反饋意見是：“本門課程的理論課……幫助我們開闊了眼界增長了知識……與每節(jié)理論課相對應(yīng)的實驗課上，老師帶領(lǐng)我們參觀了涉及到的各個實驗室，將課堂上的內(nèi)容直觀展現(xiàn)在我們眼前，讓我們在參觀甚至動手過程中加深了理解，對所學(xué)知識留下了更為深刻的印象，為以后可能會進行的研究工作打下了基礎(chǔ)；課后的總結(jié)報告形式自由，有利于我們自己對所學(xué)內(nèi)容進行反思總結(jié)并有所收獲，又不給我們太大的負(fù)擔(dān)。在對這樣好的一門課程這一學(xué)期的學(xué)習(xí)中，我收獲頗豐?！?/p>

2 科研實驗教學(xué)中應(yīng)注意的問題

(1) 科研與實驗教學(xué)的有機融合。科研具有探索與創(chuàng)新性，而實驗教學(xué)則要求具有可操作性，教師需要合理設(shè)計實驗內(nèi)容，把控全局，積極的引導(dǎo)學(xué)生進行實驗。如何結(jié)合學(xué)生專業(yè)，將科研成果轉(zhuǎn)化實驗教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生從科研實驗中了解專業(yè)前沿，掌握先進的實驗方法，并提出自己的見解，實驗結(jié)束后，分析研究問題并進行總結(jié)，給出實驗研究報告。

此外，科研任務(wù)因有時間預(yù)期，而實驗教學(xué)時間基本固定?？蒲袑嶒灢幌裱菔緦嶒灮蝌炞C性實驗，有成熟的實驗指示書，完成實驗所需時間短，隨時都可進行。隨著科研實驗任務(wù)的推進，各時間段學(xué)生可參與度、知識可理解度、完成實驗所需時長等均不一樣，如何將兩者有機結(jié)合，需要教師有選擇、有計劃地提前合理安排。

(2) 實驗教學(xué)方式。因科研實驗均各不相同，其獨特的專業(yè)特點，使得每個科研實驗教學(xué)都是一個全新的內(nèi)容，不可復(fù)制模仿。實驗儀器也有其自身特點，如危險性或大型精密儀器必須專業(yè)人員操作，或?qū)嶒炛芷谳^長的儀器，完成一項實驗，需要數(shù)天或數(shù)周。因此，不同的科研實驗，根據(jù)其實驗內(nèi)容及儀器特點，必須選擇合適的教學(xué)方式。

教師在本科生接觸科研實驗初期，導(dǎo)師作用極為重要，以學(xué)生為出發(fā)點，如何選擇合適的科研內(nèi)容與實驗教學(xué)方式，積極引導(dǎo)學(xué)生，是科研與實驗進行有機結(jié)合的重點和難點。

(3) 科研實驗教學(xué)設(shè)計。教學(xué)的主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生，因此科研實驗教學(xué)內(nèi)容選取及課程設(shè)計，首先應(yīng)站在學(xué)生的立場，了解學(xué)生的需求；其次，考慮實驗的安全性，以及適于教學(xué)的可操作性，提高實驗教學(xué)效果；最后，結(jié)合科研實驗的特點綜合設(shè)計教學(xué)方案。

3 結(jié) 語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，知識更新周期越來越短。高校實驗教學(xué)作為實踐教學(xué)的重要組成部分，不可恪守傳統(tǒng)的實驗教學(xué)與儀器，必須進行改革創(chuàng)新?？蒲袑嶒灲虒W(xué)是未來高校實驗教學(xué)的發(fā)展方向，將科研引入高校實驗教學(xué)，進行有機融合，結(jié)合專業(yè)特點，探索實踐一種合適的教學(xué)模式，以研促教， 教研相長，同時讓學(xué)生了解最前沿的科研知識，掌握必要的實驗研究技能。

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ExplorationandPracticeofScientificResearchandExperimentTeachingforUndergraduates

ZHENGShuangling,XUJun

(Department of Hydraulic and Hydropower Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Experimental teaching is very important in universities. The content of traditional experimental teaching is mainly demonstration and verification experiments, and the experimental equipment is developing slowly, these all restrict the cultivation of students’ experimental skills. The organic combination of scientific research and experiment teaching can enhance the students’ interest in major, cultivate the students’ experimental ability, innovation consciousness and team cooperation spirit. Based on the course named “Experiment Principle and Understanding of Hydraulic Structure” for sophomore students, this paper introduces the reasons of the courses, the main content of the course, object-oriented teaching method, and summarizes the experience and problem of research experiment teaching. It aims at exploring a new teaching pattern of organic combination of experiment teaching and scientific research, and promoting both research and teaching, while allowing students to understand the forefront of scientific research knowledge and master the necessary experimental research skills.

scientific research and experiment teaching; teaching models; hydraulic structure

G 642

A

1006-7167(2017)09-0160-03

2016-09-28

北京市自然科學(xué)基金(9152010)；清華大學(xué)本科教學(xué)改革項目(ZY01_2)；清華大學(xué)實驗室創(chuàng)新基金(00401)

鄭雙凌(1979-)，女，湖北京山人，碩士，工程師，主要從事水力學(xué)實驗教學(xué)工作。Tel.：010-62789454；E-mail:zheng-sl@tsinghua.edu.cn