新工科背景下基礎學科創(chuàng)新實驗室建設實踐與探索

趙小剛， 徐春龍， 趙 煜， 張 雷， 丁 健， 王鳳龍

（長安大學a.理學院；b.實驗室與設備管理處）

0 引 言

2016 年國家提出“新工科”建設以來［1-3］，許多高校在國家政策的引導下結(jié)合自身學科特點開展了新工科背景下的實驗室建設與改革［4-5］，借助新工科建設的契機，重視多學科交叉融合［6-7］，加強實驗室對學生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的貢獻度［8］，建設了各具特色的創(chuàng)新實驗室［9-10］。如何在新工科背景下建設基礎學科創(chuàng)新實驗室，支撐學校交通運輸、國土資源、城鄉(xiāng)建設三大主干行業(yè)本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)所面臨的問題，是以工科為主型類似高校基礎學科實驗室面臨的共同挑戰(zhàn)。

“新工科”建設的目標是要培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的學科交叉復合型卓越工程科技人才［11-13］，創(chuàng)新是“新工科”建設的重要特征，建設創(chuàng)新實驗室是培育學生創(chuàng)新能力、開展科研訓練的有效渠道和重要保障［14-17］。理學院實驗教學中心由物理、力學、化學三大基礎學科實驗中心組成，面向全校各工科專業(yè)承擔公共基礎實驗教學任務。理學院基礎學科創(chuàng)新實驗室依靠實驗教學中心實驗設備資源，綜合數(shù)學、物理、力學、化學等基礎學科師資力量，經(jīng)過多年的探索與實踐建設了基礎學科創(chuàng)新實驗室，形成了創(chuàng)新實驗室建設FIND 模式，在工科大學生基礎創(chuàng)新能力培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。

1 基礎學科創(chuàng)新實驗室定位與建設思路

理學院基礎學科創(chuàng)新實驗室定位于服務全校工科類拔尖人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)，實驗室功能介于普通教學實驗室和專業(yè)科研實驗室之間，為具有較強實踐和創(chuàng)新研究能力的本科生提供實驗平臺，并通過創(chuàng)新能力培養(yǎng)成果輻射效應帶動更多的本科生參與實驗項目，形成良好的示范效果。基礎學科創(chuàng)新實驗室以FIND

模式開展建設，通過制度、平臺、師資、項目4 個方面進行建設保障，推動學校各工科專業(yè)拔尖本科生基礎創(chuàng)新能力提升，利用拔尖人才“聚集效應”形成創(chuàng)新拔尖人才培養(yǎng)的良性循環(huán)，不斷推進基礎學科創(chuàng)新實驗室發(fā)展。具體內(nèi)容是：以公共基礎教學實驗為基礎（Foundation），打破學科壁壘將基礎物理、工程力學、基礎化學教學實驗的教學功能交叉融合，滿足學生競賽、項目和研究的設備和場地需求；以學科競賽和大學生創(chuàng)新競賽為載體，在創(chuàng)新團體培養(yǎng)中落實跨學科（Interdisciplinary）和創(chuàng)新性（Innovation）培養(yǎng)目標，為拔尖本科生團體及群體提供實驗技術指導與支持；為少數(shù)拔尖學生提供自由探索（Discovery）項目支持，形成具有“頭雁效應”的示范性、標志性人才培養(yǎng)成果?；A學科創(chuàng)新實驗室FIND模式結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 FIND模式創(chuàng)新實驗室示意圖

2 實驗室建設措施

理學院實驗教學中心下設物理、力學、化學、科學與工程計算4 個實驗教學中心，實驗室總面積7 900 m2，設備總資產(chǎn)2 300 余萬元，有2 個省級實驗教學示范中心和3 個校級實驗示范中心，2021 年被授予學校首批標準化實驗室。實驗中心每年承擔全校65 個專業(yè)5 000 余名本科生約28 門次的基礎和專業(yè)實驗任務，為部分學科研究生提供科研實驗服務，年均實驗數(shù)超過28 萬人時。

基礎學科創(chuàng)新實驗室按照FIND 模式，進行了組織機構(gòu)與規(guī)章制度、設備與環(huán)境、師資配備、支持競賽與創(chuàng)新訓練項目等方面的建設。

2.1 創(chuàng)新組織機構(gòu)，健全規(guī)章制度

基礎學科創(chuàng)新實驗室為實驗室的虛實結(jié)合專門機構(gòu)，由學院主管實驗室建設工作的院領導任負責人，統(tǒng)一安排和協(xié)調(diào)內(nèi)部各實驗中心的協(xié)調(diào)工作。由物理、力學、化學實驗教學中心負責人兼任實驗室副主任，除了承擔相應學科的學科競賽以外，共同負責創(chuàng)新實驗室的建設和管理。物理類、力學類、化學類學科競賽指導團隊全體老師共同參與創(chuàng)新實驗室的工作。

2.1.1 實驗室安全制度

實驗室安全是各類實驗室活動正常開展的先決條件和重要保障，創(chuàng)新實驗室參照“長安大學實驗室安全管理制度”制定了“創(chuàng)新實驗室安全管理辦法”，嚴格落實實驗室準入制度。參與實驗室工作的師生必須參加學校安全教育平臺的培訓并取得合格證后方能進入實驗室開展實驗活動。學院和實驗室層層落實實驗室安全責任，學院每年和創(chuàng)新實驗室負責人簽訂安全責任書，負責人和實驗室使用老師再簽訂安全責任書。學院按照“高等學校實驗室安全檢查項目表”項目定期對實驗室開展安全檢查，每月進行1 次隨機安全抽查，每季度開展1 次集中檢查，每年至少組織開展1 次應急演練。定期開展安全教育培訓，實驗室每學期至少集中進行1 次安全培訓，全員參加學校組織的相關安全培訓。

2.1.2 規(guī)范實驗室設備管理

創(chuàng)新實驗室使用的設備不同于相對固定的教學實驗室，設備種類多，流動性大，使用人員交叉性強，容易造成設備流失、損壞、權責不明確。為管理好創(chuàng)新實驗室的實驗設備，保障正常使用，創(chuàng)新實驗室依照“長安大學儀器設備使用管理辦法”制定“創(chuàng)新實驗室儀器設備管理辦法”。管理辦法明確了儀器設備的范圍、管理權限、使用管理、損壞丟失賠償?shù)?，并對通過“設備管理系統(tǒng)”進行調(diào)撥、流轉(zhuǎn)、暫借等具體方式進一步明確責任，要求每個交接環(huán)節(jié)必須進行三方見證驗收等，通過制度保障實驗設備正常使用，實現(xiàn)設備使用可追溯，不流失，損壞可追查。

2.2 設備和場地實施動態(tài)管理

大學生學科競賽和創(chuàng)新訓練項目的選題是開放性的題目，需開展綜合性、設計性實驗和交叉學科研究，通常需要使用多個實驗室的設備聯(lián)合開展實驗研究，而原有各實驗室相對獨立的管理模式不利于學生創(chuàng)新訓練的需求，經(jīng)過長期實踐和探索，中心建立了相應的設備和場地管理措施。

2.2.1 儀器設備實施動態(tài)管理

根據(jù)長期管理實踐經(jīng)驗，創(chuàng)新實驗室將使用的儀器設備根據(jù)管理歸屬性質(zhì)分3 種類型，進行不同的動態(tài)管理。①建賬單位為創(chuàng)新實驗室，賬面負責人為創(chuàng)新實驗室老師的儀器設備，這類設備由創(chuàng)新實驗室進行管理、使用、維修，設備負責人比較明確，管理相對固定。②建賬單位為物理實驗中心或其他中心實驗室的設備，這類儀器涉及借用或調(diào)撥，設備需要離開建賬地點移動到創(chuàng)新實驗室，此類儀器設備根據(jù)流轉(zhuǎn)性質(zhì)分為調(diào)撥和暫借。調(diào)撥需要調(diào)整設備管理人，由原管理人和交接管理人在資產(chǎn)管理系統(tǒng)中填報變更申請，按照流程完成調(diào)撥。若是短時間借用屬于暫借，需要使用申請人在設備所屬實驗中心提出借用申請，經(jīng)審批后辦理紙質(zhì)版借用和交接記錄，使用完畢后及時歸還并辦理歸還交接記錄。③使用其他中心不可移動的設備開展實驗，須由使用人提出申請，經(jīng)學院主管領導審批后，在其他實驗室管理老師的協(xié)助下開展實驗。

2.2.2 實驗場地專人管理

基礎學科創(chuàng)新實驗室從物理和力學實驗教學中心調(diào)配3 間共180 m2實驗室作為專用實驗場地，由負責學科競賽的老師作為安全負責人進行管理。實驗室按照功能分為綜合測試實驗室、材料和結(jié)構(gòu)性能測試實驗室、自由探索實驗室。綜合測試實驗室主要開展流體、聲學、振動、磁光、紋影、激光等測試實驗。材料和結(jié)構(gòu)性能測試實驗室主要開展各類材料的拉、壓、扭轉(zhuǎn)等力學參數(shù)測定和結(jié)構(gòu)形變的非接觸式全場應變測量等實驗。由于這兩類實驗的設備操作比較專業(yè)，甚至有一定的危險性，所以必須通過預約，在管理老師的協(xié)助下開展實驗。自由探索實驗室提供常用實驗儀器及測量工具，供學科競賽小組和自由探索項目學生使用，管理老師選定2 位承擔項目或?qū)W科競賽的學生作為協(xié)助管理人，負責實驗室的日常安全和運行管理，配合老師管理在實驗室開展實驗的學生。

2.3 組建強大的教師團隊，提升創(chuàng)新實驗指導水平

基礎學科創(chuàng)新實驗室組建了由42 名老師組成的專兼職教師隊伍，其中教授7 人，副高級職稱22 人，具有博士學位35 人，博士生導師1 人，碩士生導師5 人。教學團隊教學水平高，科研能力強，成果突出，指導的4 類8 種學科競賽成績在西北地區(qū)排在前列。近5 年來團隊教師在各類教學能力競賽中獲國家級獎3 項，省級特等和一等獎6 項，主持教育部產(chǎn)學合作項目2項，各類教學研究項目12 項，2 門課程被認定為陜西省線上“一流”課程，獲陜西省教學成果一等獎1 項，長安大學教學成果一等獎2 項，主持科研項目6 項，獲陜西省科技成果二等獎1 項，陜西省教育系統(tǒng)科技成果二等獎3 項。

2.4 全方位支持學科競賽和大學生創(chuàng)新訓練項目

基礎學科創(chuàng)新實驗室以“提升工科大學生創(chuàng)新能力”為理念，將全國大學生物理學術競賽、中國大學生物理實驗競賽、國際大學生工程力學競賽、全國周培源大學生力學競賽、全國大學生化學實驗創(chuàng)新設計大賽等學科競賽作為培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的重要載體，全方位做好競賽保障［18-21］。同時，借助大學生創(chuàng)新訓練項目激發(fā)學生自主研究與創(chuàng)新探索的興趣，提升創(chuàng)新實踐能力。

2.4.1 支持學生參加跨學科的學科競賽

以物理類學科競賽為例，基礎學科創(chuàng)新實驗室承接了中國大學生物理學術競賽和全國大學生物理實驗競賽（創(chuàng)新賽）兩大物理學科實驗競賽，參賽學生為全校所有專業(yè)本科生。創(chuàng)新實驗室為師生提供場地、設備、培訓等支持，學科競賽教練團隊按照競賽規(guī)則和流程，在報名學生中經(jīng)過篩選、培訓、選拔等環(huán)節(jié)，組成由不同學科學生組成的競賽團隊參加競賽。這種跨學科的競賽組織方式（Interdisciplinary）有很多優(yōu)點，最主要的是為來自不同學科和專業(yè)背景的學生提供了相互交流、討論、切磋和學習平臺，學生協(xié)作完成的競賽題目覆蓋面廣，研究更加深入，對學生專業(yè)知識的綜合運用能力提升很快。近年來，我校采用該模式承接的兩類物理學科競賽成果比其他高校僅由物理專業(yè)學生組成的競賽隊更優(yōu)異，參賽學生的學習能力、團隊協(xié)作能力、學業(yè)成績等相比其他學生更加優(yōu)異和突出。

2.4.2 支持大學生創(chuàng)新訓練計劃項目

大學生創(chuàng)新訓練計劃項目是本科生或團隊在導師指導下，自主完成創(chuàng)新性研究項目設計、研究條件準備和項目實施、研究報告撰寫、成果（學術）交流等工作，是增強高校學生的創(chuàng)新能力（innovation）、培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設需要的高水平創(chuàng)新人才的有效途徑?；A物理創(chuàng)新實驗室從學科競賽成果中進一步凝練和提升，鼓勵學生在學科競賽成果的基礎上，結(jié)合所學專業(yè)知識和競賽團隊指導教師團隊的研究方向積極申報大學生創(chuàng)新訓練計劃項目。實驗室為每一項獲批項目提供充足的實驗條件，指導教師協(xié)助學生開展進一步研究，形成以科研論文、發(fā)明專利等為代表的研究成果。近年來，經(jīng)過實踐和總結(jié)，創(chuàng)新實驗室現(xiàn)已形成基礎實驗＋學科競賽＋大創(chuàng)訓練的梯次培養(yǎng)方式。

2.4.3 設立學生自由探索項目

創(chuàng)新實驗室設立自由探索項目（Discovery），向在科學研究、實驗實踐方面有特長的拔尖學生開放申報。創(chuàng)新實驗室每年發(fā)布的項目指南，覆蓋3 年內(nèi)的優(yōu)秀競賽題目，并與教師團隊的科研大背景相結(jié)合，旨在引導在物理學科方面有潛力的學生提早開展科學研究活動，并取得一定的成績。項目研究周期為2 年，由個人申請、實驗室評審、項目實施、成果鑒定、結(jié)題驗收等環(huán)節(jié)組成。創(chuàng)新實驗室為自由探索項目設立專用場地，配備一對一指導教師，類似研究生培養(yǎng)模式進行管理，為拔尖型創(chuàng)新人才培養(yǎng)進行有效探索。

3 基礎學科創(chuàng)新實驗室建設取得的成果

基礎學科創(chuàng)新實驗室自2017 年建設至今，經(jīng)過論證探索、建設發(fā)展、融合提升等階段，現(xiàn)在已成為基礎實驗教學扎實、學科競賽成績優(yōu)異、大創(chuàng)項目成果突出、自由探索實驗特色明顯的創(chuàng)新實驗室。

3.1 開設了特色實驗項目

實驗室貫徹（Outcome based education，OBE）教育理念，以具有行業(yè)特色的工科專業(yè)需求為導向，在支持學科競賽的基礎上，結(jié)合學校行業(yè)特色人才培養(yǎng)需求開設一批創(chuàng)新性實驗項目，大幅提升了基礎學科實驗對專業(yè)人才培養(yǎng)的支撐。開設創(chuàng)新實驗項目，見表1。

表1 基礎物理創(chuàng)新實驗室開設實驗項目一覽表

3.2 學科競賽不斷取得突破，人才培養(yǎng)成效明顯

基礎學科創(chuàng)新實驗室承擔的各類學科競賽中，每年參加宣講會的學生近2 000 人左右，提交參賽申報書人約800 人，最終經(jīng)過選拔進入培訓的人數(shù)為120人左右。近5 年，在物理、力學、化學、圖學等學科競賽中共獲全國獎69 項，地區(qū)和省級獎189 項，競賽成績和獲獎學生覆蓋面不斷取得提升。

近5 年進入創(chuàng)新實驗室參加國家級學科競賽培訓隊的成員315 人，其中獲得國家級獎學金427 人次，獲得“長大之星”榮譽稱號42 人次，獲得其他學科競賽國家級獎589 人次，

至今已畢業(yè)176 人，其中獲得優(yōu)秀畢業(yè)生128 人，推薦和考取研究生159 人，升學率達到90.%，出國留學4 人，其余學生全部就業(yè)于大中型國有企業(yè)或大型上市公司。

3.3 標志性成果不斷涌現(xiàn)

創(chuàng)新實驗室自2018 年起每年開展具有針對性的大創(chuàng)訓練項目申報推介會，鼓勵參加完當年競賽的學生從學科競賽題目中進行篩選和挖掘，結(jié)合公路、汽車、機械、材料、電控、土木工程等行業(yè)應用背景凝練研究問題，形成創(chuàng)新訓練計劃申報項目。創(chuàng)新實驗室平均每年有4 個團隊獲得國家級、省級項目立項，所有立項項目均通過驗收并按期順利結(jié)題，形成一批科研論文和發(fā)明專利等科研成果。

近4 年來，基礎學科創(chuàng)新實驗室支撐的大學生創(chuàng)新項目共發(fā)表科研論文12 篇，申請獲授權發(fā)明專利2項，實用新型專利4 項，國家發(fā)明專利1 項。

3.4 自由探索項目開花結(jié)果

自由探索項目要求比較高，創(chuàng)新實驗室采取寧缺毋濫的原則嚴格審批，并對獲批的同學設立一對一導師制，指定個性化項目方案。由于項目要求比較高，自2019年設置以來，僅有3 位學生獲得資助。其中有被推免至中科院空間物理所就讀碩士研究生、被推免至沈陽自動化所就讀碩博連讀研究生；和被高新聘請至蘇州某軟件公司，并自己注冊成立了從事仿真模擬計算的工程科技服務公司。

4 結(jié) 語

經(jīng)過5 年多的建設實踐與探索，長安大學基礎學科創(chuàng)新實驗室的設備和環(huán)境得到了提升，管理制度日臻完善，分層次的FIND建設理念不斷得到深化，學科競賽成績不斷提高，大創(chuàng)項目產(chǎn)出不斷取得突破，拔尖人才培養(yǎng)成效初見端倪，為學校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做出了堅強的基礎支撐。