高校實驗教學示范中心面向中學生開放的探索

栗 興， 高 峰， 姚朋君， 張 婷

（北京理工大學a.資產(chǎn)與實驗室管理處；b.自動化實驗教學示范中心，北京 100081）

0 引 言

高等教育的主要功能體現(xiàn)為人才培養(yǎng)、科學研究、社會服務和文化傳承［1-2］。近幾年，高校面向社會的科普工作受到越來越重視，建設了大批科普基地，有效利用高校的資源向社會開放，進行科普宣傳工作［3-5］。

1996 年，在眾多科學家的倡議和支持下，北京市科協(xié)開始實施《北京青少年科技后備人才早期培養(yǎng)計劃》（以下簡稱‘后備人才’）［6］。2008 年，國家進一步強調(diào)對基礎教育的素質(zhì)教育，由北京市教育委員會牽頭，“翱翔計劃”正式啟動。2016 年為進一步深化教育領域綜合改革，構建開放教學模式，培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力，市教委面向全市初中學生開展開放性科學實踐活動（以下簡稱“初中開放”）［7］。為深入貫徹教育部《關于科研機構和大學向社會開放開展科普活動的若干意見》，充分利用高校實踐平臺的豐富資源，開拓實驗教學示范中心的影響力和輻射功能，自動化實驗教學示范中心長期開展面向中學開放活動，逐漸探索出適應于高校為中學開放的途徑和方法。

1 實驗教學示范中心面向中學開放的意義

1.1 助力中學教育質(zhì)量提升，加強學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)

“翱翔計劃”“后備人才”“初中開放”作為基礎教育階段拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃，是北京市落實“人才強國戰(zhàn)略”的重要舉措，高校實驗室作為系列舉措的主要載體，發(fā)揮著引領學生、發(fā)掘創(chuàng)新型人才的作用。2021 年8 月，為提高教育質(zhì)量，落實立德樹人的根本任務，促進學生全面發(fā)展、健康成長，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于進一步減輕義務教育階段學生作業(yè)負擔和校外培訓負擔的意見》［8］，將會有更多的中學生進入高校進行科學訓練和實習。

1.2 整合高校實驗室資源，拓展為社會服務的功能

作為“雙一流”高校，在繼續(xù)加強自身建設的同時，也要推動整個教育體系的發(fā)展，肩負起服務社會的責任，真正實現(xiàn)教育強國目標，教育者以開放的胸襟和眼界，積極整合和充分利用實驗教學示范中心資源面向中學開放。在2001 年頒發(fā)的《國務院關于基礎教育改革與發(fā)展的決定》中就提出：“有條件的普通高中可與高等學校合作，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)的途徑”，由此可見，中學與高校協(xié)同合作，助力高中教育質(zhì)量提升已經(jīng)成為國內(nèi)教育突破的重點之一［9］。

2 以能力培養(yǎng)為主線、突出素質(zhì)教育的培養(yǎng)

中學生進入高校進行創(chuàng)新實驗，不僅是提高學生科學技術水平，更應該以創(chuàng)新實踐為平臺、突出素質(zhì)教育，增強和完善學生的思想道德素質(zhì)、能力培養(yǎng)、個性發(fā)展、身體健康和心理健康教育，促進學生全面發(fā)展［10］，因此要依據(jù)“德育為先，能力為重”的教學理念制定培養(yǎng)目標。

（1）培養(yǎng)崇高思想品德，做一個高尚的人。創(chuàng)新實踐平臺是思想品德培訓的重要場所，在創(chuàng)新實踐過程中，通過科學家真實案例和學生的親身體驗，逐漸培養(yǎng)學生愛國、愛黨的高尚情懷，加強務實肯干、堅持不懈的工匠精神，實事求是、積極探索的科學家精神，提高保護環(huán)境、講究衛(wèi)生、注重安全意識。

（2）培養(yǎng)科學文化素質(zhì)，提高創(chuàng)新精神。以科學規(guī)范的實驗操作、數(shù)據(jù)處理、項目管理來培養(yǎng)學生求真的科學態(tài)度，不盲目盲從，善于采用科學方法來觀察和解決自己生活的各種問題；重視科學實踐，遵循實踐是檢驗真理的標準，激發(fā)學生敢于創(chuàng)新、善于創(chuàng)新思維的能力。

（3）培養(yǎng)健康心理素質(zhì)，塑造健全人格?！笆∈浅晒χ浮保瑳]有失敗的創(chuàng)新實踐幾乎不存在。積極培養(yǎng)中學生勇敢面對挫折、戰(zhàn)勝困難的決心和信心，提高學生控制和穩(wěn)定情緒的能力、抗挫折能力和壓力承受能力，培養(yǎng)學生樂觀、向上的心理品質(zhì)，促進學生人格的健全發(fā)展，在實踐過程中培養(yǎng)學生冷靜、謙虛的氣質(zhì)和積極、果斷的工作作風。

（4）培養(yǎng)自主學習的素質(zhì)，養(yǎng)成終生學習習慣?，F(xiàn)代人必須終生學習，21 世紀是科技革命、知識爆炸的時代，每個人都不可能在學校學好今后走上社會所需的一切知識。隨著社會的發(fā)展，每個人都必須在生產(chǎn)實踐中根據(jù)需要不斷學習、充實、完善，因此，應加強培養(yǎng)學生自主學習、善于學習的能力。中學生科技創(chuàng)新實踐很多知識需要自學，指導教師要引導學生自主學習，提高自主學習意識和掌握自主學習的方法。

3 面向中學開放形式與途徑

3.1 創(chuàng)新研究型課程

根據(jù)“德育為先，能力為重”的教學理念，挖掘?qū)W生的科學潛質(zhì)，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，尤其是“翱翔計劃”“后備人才”具有一定實踐能力的學生，制定具有一定的挑戰(zhàn)性和難度的創(chuàng)新研究型課題，并始終貫穿思政要素。

（1）關注前沿科技成果，激發(fā)學生探索精神。積極鼓勵學生關注科技新聞、展覽和論壇，尤其是要關注國家重大的“天宮”“蛟龍”“大飛機”“復興號”等重大科技成果［11-12］，從中提煉與自動化相關、符合中學生特點的技術作為創(chuàng)新項目。高鐵的迅猛發(fā)展國際矚目，引起了中學生強烈的好奇心，通過文獻查閱和豐臺西站實地調(diào)研，提出了“鐵路調(diào)車系統(tǒng)自動控制與優(yōu)化”項目，設計了操縱機車自動編組和調(diào)配方案，以減少調(diào)車作業(yè)中人工成本、提高調(diào)車作業(yè)效率。

（2）關注生活服務需求，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力?？萍际股罡颖憷?、安全，鼓勵學生以敏銳的洞察力觀察生活，讓科技為生活服務。如同學們觀察到課代表在課間10 min收作業(yè)效率很低，設計和制作了“智能收發(fā)作業(yè)機器人”，自動清點收發(fā)作業(yè)的數(shù)量，并提醒同學們及時交作業(yè)；為使學生早晨起床后不至于疲憊不堪，設計并制作了“智能喚醒機”設備，根據(jù)人腦的腦電波狀況，選擇最佳時刻喚醒起床的信號；“便攜式可反饋吉他練習器”項目主要解決了初學者對于按弦位置、按弦力度以及位置組合誤操作問題，以語音形式反饋給吉他練習者操作信息；青少年近視日趨嚴重，護眼燈是保護視力的有力保障，但是市場上護眼燈質(zhì)量參差不齊，學生們設計制作了一套簡單實用的測定護眼燈頻閃效應裝置。這些實驗項目來源于生活，又服務于生活，深受學生喜愛。

（3）關注社會熱點，提高學生綜合素質(zhì)。“家事、國事、天下事、事事關心”凸顯時代特色，關心時事政治，關心改革與發(fā)展，把國家的前途命運與個人的成長緊密聯(lián)系在一起，實驗教學應引導學生將注意力關注國家命運前途的重大事件。為了迎接北京冬奧會，引導學生們主動思考、大膽創(chuàng)新，積極開發(fā)科技作品以助力奧運，設計了《冰壺運動軌跡追蹤與分析系統(tǒng)》項目，融合圖像處理和軌跡追蹤相關技術，建立冰壺運動軌跡追蹤與分析系統(tǒng)，輔助冰壺運動愛好者快速提升技術水平。

3.2 基礎性實驗課程

“初中開放”項目是讓初中學生體驗高校的實驗課程，每次4 學時，30 人為一個教學班。高校的專業(yè)實驗往往是具有嚴謹?shù)倪壿嬓院秃軓姷睦碚撝?，中學生很難在短時間內(nèi)掌握，因此要設計符合初中學生特點的以基礎性實驗為主的實驗項目。

（1）步驟化繁為簡，成果以小見大，突出重點。將復雜的、有邏輯性的實驗內(nèi)容進行簡化，忽略知識體系的完整性，突出學習重點。以變壓器實驗為例，變壓器實驗是自動化專業(yè)的必修實驗，主要是測試變壓器的空載、負載和短路工作特性曲線，實驗工作量很大，為此，將實驗步驟精簡，利用常見的變壓器，即手機充電器進行實驗，測試充電器空載損耗功率，實驗數(shù)據(jù)說明，充電器在不使用時，有微弱電流通過，并且耗費能量，日積月累，將是巨大的浪費，所以當充電器不工作時，一定要及時將插頭從插座拔掉。通過實驗，學生們深刻體會到，日常要隨時節(jié)約用電、安全用電。

（2）體驗科技魅力，感受科技服務于生活的力量。初中生參加科技實踐活動要從熟悉的實際生活出發(fā)，用實驗來揭示實際生活中科學技術的奧秘，體驗科技給生活帶來的方便和迅捷?！皞鞲衅鲗嶒灐敝校O計了多項實驗項目由學生們分組進行自主選題，如“利用溫度傳感器制作非接觸式體溫槍”“壓力傳感器制作體重計”“激光傳感器行測試距離”等，生活中的科技比比皆是，通過實驗，鼓勵學生要積極觀察生活、關注科技動向、尋找科學研究的方向。

（3）親自動手實踐，參與一定競爭性的項目。中學生是富于挑戰(zhàn)精神和競爭的，有種沖動的實踐欲望，所以在實驗題目一定是操作性非常強的實驗。例如，“智能小車”，從安裝、調(diào)試和測試，最終所有小車在同一跑道進行測試和競賽，該題目以學生興趣作為切入點，增強學生的競爭意識和探索欲望，符合初中生的年齡特點。

3.3 研學夏令營特色項目

中學的寒暑假十分有意義，能夠利用一段相對較長的時間來發(fā)展個人的興趣愛好，研學夏令營為學生提供了科技操作的實踐場所，研學夏令營分為體驗式和沉浸式兩種。

體驗式夏令營活動主要是為了培養(yǎng)學生科技興趣、開拓科技視野、激發(fā)想象力，通過傾聽科學家講座、與大學生座談交流、參觀科研實驗室、學校校史館、博物館，讓學生感受科學的魅力；沉浸式夏令營為基于項目的實踐學習，培養(yǎng)學生動手實踐能力和創(chuàng)新意識，為期1 周的實踐學習，和大學教師或者和研究生一起做課題、完成科技制作等活動，以最高效的方式，掌握開啟科學智慧的鑰匙，激發(fā)學生對科學探索的向往［13-15］。

4 合理運用教學方法，充分利用科技手段

（1）尊重規(guī)律和積極引領相統(tǒng)一。面向中學生的創(chuàng)新指導要遵循教育教學規(guī)律，中學生思想活躍，對科技創(chuàng)新項目的實踐充滿熱情，但是基礎薄弱，不能操之過急，指導教師要和學生同向同行，積極引導，在“做中學”“學中做”。中學生和大學生不同，他們需要監(jiān)督和陪伴，在實驗過程中，指導老師不能放任自流，對于“翱翔計劃”“人才培養(yǎng)”要堅持進行周例會交流、檢查周志報告，“初中開放”實驗期間，指導教師也要有一定的小結和檢查，來督促學生實驗。在實踐中要杜絕“手把手”，實驗項目應具有一定難度，指導老師要積極采用啟發(fā)探究式教學方式，引導學生逐漸培養(yǎng)科學方法、科學思維和科學精神［16］。

（2）關心厚愛和嚴格要求相統(tǒng)一。中學生的心智尚未成熟，進入大學做創(chuàng)新實踐項目，也許是人生中的第一次，作為指導教師要關心學生，把握學生的心理動態(tài)。在實踐過程中會遇到非常多的困難，當學生有懈怠和退縮時，指導老師要做學生的思想引路人，積極鼓勵學生不怕困難，使學生在克服困難的過程中不僅享受科學實踐的魅力、更能夠體驗到指導教師的關愛和關注?！皣缼煶龈咄健保恳豁棁栏褚蠖际菍W生跨越高度的機遇，指導教師要“嚴字當頭”，對于違反安全操作規(guī)程和弄虛作假數(shù)據(jù)處理情況，要給予嚴厲批評教育。對于具有一定潛力的學生，適當提高創(chuàng)新項目的難度。

（3）線下線上相結合、仿真和現(xiàn)場相結合?；ヂ?lián)網(wǎng)與現(xiàn)代教育技術的快速發(fā)展為實驗教學帶來了重大創(chuàng)新與挑戰(zhàn)［17］，為實驗教學帶來了極大便利。實驗教學中心為中學生的學習，制作符合中學生特點的實驗項目微視頻，如“智能小車安裝和拆解”“為什么激光能測距”“為什么飛機能飛”等微視頻，生動形象地說明實驗原理和操作規(guī)程。同時，為同學設計一些方便遠程線上調(diào)試參數(shù)的人機交互界面，極大地提高了學生的學習效率。在疫情期間，充分利用互聯(lián)網(wǎng)，停課不停教、不停學，師生采用線上實驗和交流，有效地開展了遠程實驗教學指導。

5 結 語

經(jīng)過多年積極建設和研究，探索了高校實驗教學中心面向中學開放的途徑，建設了一批符合中學生素質(zhì)發(fā)展的實驗項目，開放實驗平臺日益成熟，實驗教學示范中心具有一定的影響力和輻射效應。近10 年，自動化實驗教學示范中心開發(fā)了200 多項適合中學生的實踐項目，接待了北京翱翔計劃學生60 多人、后備人才150 多人、初中開放1700 多人、30 余個科技實驗班。與北京理工附屬中學聯(lián)合共建的“智能控制技術”高端實踐課程，共同申請了北京市基礎教育教學教改項目，成為理工附中實驗科技班的實踐基地；與北京八一學校簽訂聯(lián)合培養(yǎng)計劃，每年寒暑假進行中學生科技實踐周；與四川綿陽中學、成都中學共同建立了中學生創(chuàng)新基地。

“少年強，則國強”，高校實驗室依托自身的優(yōu)質(zhì)師資及技術資源，積極主動參與社會科普服務，讓科學知識走進中學，更讓科學家精神走進中學，為提高中學生綜合素質(zhì)、提高我國國民科學素養(yǎng)助力，真正起到高校反哺社會的職能。