行業(yè)特色拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)實驗教學(xué)探索
——以熱管實驗平臺構(gòu)建為例

饒中浩， 趙佳騰， 霍宇濤， 劉臣臻

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

0 引 言

從2015年10月《統(tǒng)籌推進世界一流大學(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)籌推進世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)實施辦法(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，國家“雙一流”戰(zhàn)略從提出到正式實施建設(shè)僅用了不到兩年的時間。2017年10月，習(xí)近平同志在十九大報告中再次強調(diào)“要加快一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)”[1]，反映國家對新時代社會主義人才培養(yǎng)的重視程度和把國家建設(shè)成科教大國的決心。

“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]認為“在‘雙一流’建設(shè)中大力加強本科人才培養(yǎng)，創(chuàng)建一流的本科教育涉及很多方面，是一項需要持續(xù)推進的系統(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]，要大力加強本科拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 研究性實驗教學(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)以課堂理論知識講授為主，難以調(diào)動學(xué)生積極性，此外，現(xiàn)有的實踐教學(xué)平臺存在經(jīng)費少、設(shè)備陳舊以及實驗平臺與前沿科技脫節(jié)的問題，不能滿足拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需要[8]。研究性實驗教學(xué)是基于科研項目或其他科研資源的一種科研實踐教學(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，推進研究性實驗教學(xué)，讓本科生參與教師的研究項目或大學(xué)生創(chuàng)新項目等，通過參與項目研究，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)和獲取知識的能力[10-11]。在考慮學(xué)生知識儲備和實驗條件的基礎(chǔ)上，增加設(shè)計性、研究性實驗，將科研的基本方法、技能和思維方法融入實驗內(nèi)容和教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生實踐積極性，促進知識和科研技能的內(nèi)化，提升實踐能力[12]。

國內(nèi)外一些高校圍繞基于科研資源的研究性實驗教學(xué)實踐進行了探索，并逐步成為本科拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革實踐的核心內(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，強調(diào)從專業(yè)認知、動手實踐、創(chuàng)新訓(xùn)練和科學(xué)研究四個方面培養(yǎng)人才[13]；暨南大學(xué)在以科研項目推動化學(xué)化工專業(yè)本科生創(chuàng)新能力的實踐與探索中取得不錯的成績[14]；美國斯坦福大學(xué)十分關(guān)注大學(xué)生科研實踐能力的鍛煉，讓學(xué)生參與到老師的科研活動中，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)造機會，把教師的優(yōu)秀科研平臺和前沿成果應(yīng)用到本科生教育中，通過研究性實驗教學(xué)培養(yǎng)能力突出的高素質(zhì)創(chuàng)新性人才[16]。

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

2 研究性實驗教學(xué)過程、效果及思考——以脈動熱管實驗平臺構(gòu)建為例

2.1 脈動熱管實驗平臺構(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。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)計簡單等優(yōu)勢。脈動熱管的研究設(shè)計主要依托動力工程及工程熱物理學(xué)科，同時交叉機械、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)，同時涉及動力工程測試技術(shù)及儀表，機械加工等相關(guān)課程中的知識，所輻射的知識面廣，能作為能源與動力工程專業(yè)一個具有代表性的教學(xué)和科研實踐相結(jié)合的案例。

該研究性實驗教學(xué)實踐依托于本校電氣與動力工程學(xué)院教師的國家自然科學(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，從理解實驗，設(shè)計實驗，搭建實驗平臺，參與實驗測試，逐層推進，在實踐的過程中找到理論知識的切入點，學(xué)會用理論知識解釋、解決實踐中遇到的問題，同時讓學(xué)生意識到自己所學(xué)知識的局限性，促使主動學(xué)習(xí)新的知識。

2.2 脈動熱管實驗平臺的構(gòu)建和運行

脈動熱管實驗平臺構(gòu)建是一個從無到有的過程，前期遴選對熱管技術(shù)有興趣的本科生組成一個小組，讓他們?nèi)虆⑴c實驗平臺的構(gòu)建。主要包括如下3個部分：真空注液系統(tǒng)組建，管式脈動熱管的制作，測試平臺搭建。其中，脈動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，工質(zhì)的選擇及制備，管內(nèi)清洗，以及抽真空注液。在實驗平臺構(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)中不會有機會面對的，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、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)知識出發(fā)，回歸到實際問題。表1歸納了脈動熱管試驗平臺構(gòu)建過程中所需的知識結(jié)構(gòu)以及本科生主要欠缺的能力。前期的實驗平臺搭建是一個根據(jù)具體實驗?zāi)康膭邮謱嵺`的過程，在實驗平臺搭建好之后，本科生繼續(xù)參與測試工作。后期的實驗過程則是一個探索的過程，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，到實驗臺設(shè)備及系統(tǒng)調(diào)試，再到參數(shù)化的實驗測試，最后到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，環(huán)環(huán)相扣。整個實驗過程需要本科生主動獲取學(xué)習(xí)資料，主動從所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識中尋求解釋現(xiàn)象的科學(xué)原理，主動學(xué)習(xí)文獻檢索技能，主動學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析軟件及理論知識。

表1 脈動熱管試驗平臺構(gòu)建過程知識結(jié)構(gòu)對照表

2.3 取得的效果及思考

經(jīng)過設(shè)計研究性實驗教學(xué)實踐，指導(dǎo)的學(xué)生搭建出了兩套脈動熱管實驗平臺，如圖1所示，其中，圖1(a)是三維脈動熱管風(fēng)冷實驗臺，圖1(b)是二維長距離熱輸送脈動熱管液冷實驗臺。

(a) 三維脈動熱管風(fēng)冷實驗臺

在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)上亦具有很好的效果。在課堂知識鞏固與吸收方面，該實驗教學(xué)很好地達到了“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學(xué)習(xí)層面上升為用抽象的知識解決或解釋實際問題的層面，例如，用傳熱學(xué)的知識解決實驗系統(tǒng)保溫及接觸熱阻過高的問題；用熱力學(xué)和流體力學(xué)知識解釋脈動熱管內(nèi)部工質(zhì)脈動的現(xiàn)象；用“動力工程測試技術(shù)及儀表”課本中的知識解決溫度、壓力和流量的測試及誤差分析問題等。在實踐過程中能發(fā)現(xiàn)許多用現(xiàn)有的知識水平不能解決問題，提升了學(xué)生主動獲取新知識意識，如工質(zhì)分散中涉及的化工問題等；在學(xué)科競賽和學(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積極參加學(xué)科競賽，包括“挑戰(zhàn)杯”大賽、全國大學(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)院收獲了多個獎項。同時，參與科研實踐的學(xué)生積極參加校內(nèi)外學(xué)術(shù)研討會，了解前沿動態(tài)，發(fā)表多篇會議論文。本次研究性實驗教學(xué)實踐得到了學(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?；趯嶒灲虒W(xué)實踐的效果和經(jīng)驗，作者對基于科研實踐的本科生拔尖創(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(小到生活細節(jié)，大到國家計劃)引入所學(xué)習(xí)專業(yè)知識的應(yīng)用實例，培養(yǎng)學(xué)生興趣，提高學(xué)生對實踐探索的積極性。

(2) 老師應(yīng)挖掘研究性實驗教學(xué)課題與專業(yè)基礎(chǔ)理論知識的深層聯(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)在研究性實驗教學(xué)中的指導(dǎo)作用。

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

(4) 加強科學(xué)研究態(tài)度，組織紀律以及團隊協(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)，團隊協(xié)作精神能促進內(nèi)部成員之間知識和思想交流，能夠擴展團隊知識面，達到“1+1>2”的效果。

(5) 做好實驗教學(xué)總結(jié)，形成書面總結(jié)存檔。研究性實驗教學(xué)總結(jié)區(qū)別于科研項目階段性報告或結(jié)題報告，重點在于學(xué)生對理論知識點的認識和理解，以及對知識欠缺和自身能力不足的總結(jié)。

3 結(jié) 語

研究性實驗教學(xué)是一項能夠擴展學(xué)生知識面，提高學(xué)習(xí)興趣，促進創(chuàng)新的工作，對于本科生拔尖人才培養(yǎng)具有重要的現(xiàn)實意義。研究性實驗教學(xué)能夠同時促進“學(xué)以致用”和“以用促學(xué)”，能夠讓學(xué)生根據(jù)研究需求，從理解實驗，設(shè)計實驗，搭建實驗平臺，參與實驗測試，逐層推進。一方面，在實踐的過程中找到理論知識的切入點，學(xué)會用理論知識解釋、改進實踐中遇到的問題；另一方面，讓學(xué)生意識到自身知識水平的局限性，促使主動學(xué)習(xí)新的知識。從而促進教學(xué)與科研相結(jié)合，理論與實踐相結(jié)合，寓教于學(xué)，轉(zhuǎn)變思想，協(xié)同創(chuàng)新。在研究性實驗教學(xué)實施過程中，應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗，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，為國家培養(yǎng)更多的拔尖創(chuàng)新人才。