依托實驗課程的大學生創新性實驗計劃的實踐與探索

陳 鵬，李 亞，紀 婧

（中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京 100083）

在探索能源工業精英教育教學體系建設過程中，中國礦業大學（北京）在2012版培養方案中開創性地提出了“創新教學環節”［1－2］。“創新教學環節”體系由創新方法類課程和創新實踐活動等組成，大學生創新性實驗計劃是創新實踐活動的主要構成。為提升大學生創新性實驗計劃的實施質量，教學研究人員在實施策略［3］、實施路徑［4］、過程管理模式［5－6］以及創新成果評價［7］等方面做了諸多有益的探索。本科學生課程繁重，文獻閱讀量少，如何在指導教師的引導下自主選題是實施大學生創新性實驗計劃的關鍵，這也關系到實驗計劃的創新性和學生的研究興趣，而其實施的質量關鍵在于實施方案的流程設計和過程指導［8－9］。

改革實驗課程教學模式，可以拓展大學生創新性實驗計劃選題途徑，根據筆者指導大學生創新性實驗計劃的實踐經驗，結合所授火災探測與控制實驗課程的創新教學模式改革，有針對性地對大學生創新性實驗計劃在選題、實施流程等方面進行了探索。

1 實驗課程創新性教學改革

1.1 創新實驗教學體系設計原則

筆者所授火災探測與控制課程是一門探索火災規律、研究火災預防與控制的專業必修課，實驗課在課程教學中占有重要地位。傳統的實驗教學模式偏重于知識的驗證，學生按照指定的步驟按部就班地操作實驗，在一定程度上抑制了學生的興趣，忽視學生觀察、分析和解決問題等創新能力的培養［10］。為適應研究型本科教育體系建設的需要，有必要對火災探測與控制實驗課進行創新性教學改革［11］。

圍繞能源工業精英教育建設目標，火災探測與控制創新實驗教學體系應突出綜合，強調創新，理論與實踐融合。創新實驗教學體系應具有以下特點：一是實驗教學體系具有層次性，針對不同層次的學生提出不同的教學要求和學習任務；二是激發學生學習的主動性和探究性，需要學生在實驗過程中探索，激起學習探究的興趣；三是突出教師與學生的良性互動。與傳統實驗教學相比，創新實驗教學更有利于學生知識結構的建立與創新能力的培養，激發學生學習的積極性和自主性。

1.2 創新性實驗教學體系劃分

火災探測與控制實驗課程建立了與課程體系相對應的“演示與驗證、綜合與設計、創新與前沿”三類型、五層次的實驗項目體系，如表1所示，其中綜合設計型和創新前沿型實驗項目的比例約占總實驗項目的50%。

表1 火災探測與控制創新實驗教學體系的劃分

（1）演示與驗證實驗。通過演示與驗證實驗，培養學生火災及其控制的基本概念，訓練基本實驗技能，激發學生的專業興趣。實驗教學任務主要是：（A）承擔的認知任務是了解和理解；（B）驗證課程中理論和原理，練習基本操作技能等。這一類型實驗項目主要有：消防系統演示模型、滅火器實驗。

（2）綜合與設計實驗。通過綜合與設計實驗，讓學生學會用一定技術解決特定問題，增強綜合判斷能力。實驗教學任務主要是：（A）通過實驗方法、手段的綜合，培養綜合考慮問題的思維方式；（B）教師指定工程場景，學生設計實驗方案，分析實驗結果。這一類型實驗項目主要有：火災探測器可靠性實驗、自動噴水滅火系統等。

（3）創新與前沿實驗。通過創新與前沿實驗，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的創新能力。實驗教學任務主要是：（A）承擔的認知任務是觀察實驗現象，提出科學問題；（B）總結創新成果，發表科技論文、撰寫專利或參加科技競賽活動等。這一類型實驗平臺主要有可燃物火蔓延特性實驗平臺、細水霧滅火實驗平臺、多組分泡沫滅火實驗平臺。

在每個實驗平臺上，學生可根據興趣自主選擇實驗題目和設計實驗方案，如多組分細水霧滅火實驗平臺，可以開展細水霧與火焰相互作用實驗、添加劑對細水霧滅火效能實驗等。通過這一類型的實驗，可以培養學生的創新意識，為創新性實驗計劃做準備。

2 基于創新性實驗教學的創新性實驗計劃選題

大學生創新性實驗計劃類似于一般小項目的科學研究過程，要求學生首先搞清楚科學研究從何開始，認識發現矛盾、捕捉問題是科學研究的起點。大學生創新性實驗計劃起始于選題，也就是提出問題。選題可來自于研究者興趣，也可以來源于國家和社會的各種需要，如煤礦瓦斯爆炸的防治問題等。創新性實驗計劃從選題開始，也就是要求大學生在實踐創新性實驗計劃過程中，先要學會如何選題，提高選題的質量。

創新性實驗計劃選題的過程也是提出科學問題的過程。學生思維活躍，會在不同場合提出問題，在實驗教學過程中會對各種實驗現象提出很多個為什么，譬如，在進行細水霧滅火實驗中，會產生“細水霧是如何產生的”、“細水霧與火焰如何作用”等問題。聽聞煤礦瓦斯爆炸事故后，就會提出：“煤礦瓦斯爆炸為何會頻繁發生”、“如何有效地防治瓦斯爆炸”的問題。雖然學生會提出各種問題，但很難將這些問題變成創新性實驗計劃的研究課題，這也是大學生參加創新性實驗計劃時感覺到無課題可以研究的原因。愛因斯坦說過：“提出一個問題，往往比解決一個問題更重要，因為解決問題也許僅僅是一個數學上或實驗上的技能而已，而提出新的問題，從新的角度去看舊的問題，卻需要有創造力和想象力。”對大學生創新性實驗計劃而言，發現問題、選擇實驗課題尤為重要。

一般而言，本科生選擇創新性實驗計劃課題的途徑主要有3個，一是參與指導教師的科研課題，提出自己的想法；二是關注本專業領域的自然界或社會生活中的現象，凝練出有價值的問題；三是在專業實驗課中學會觀察與思考，分析實驗現象和提煉問題。對本科生而言，實驗課是大學生認識創新性實驗計劃的起點，依托專業實驗課程提出創新性實驗課題是行之有效的途徑。

（1）引導學生觀察實驗現象。現象是指事物在發生、發展和變化中的外部形態和表面特征，實驗現象是在受控條件下的實驗對象發展規律的外在形式。筆者通過對火災探測與控制實驗課程進行創新改革，將其分為驗證演示型、綜合設計型和創新前沿型3個類型，以及了解、理解、應用、綜合和研究5個層次。創新與前沿類實驗課重點培養學生對新奇現象的觀察，引導學生對一般現象、特殊現象和關鍵現象的觀察和理解。

（2）培養學生從觀察的實驗現象中提出問題的能力。觀察實驗現象應與猜測、聯想、推理等邏輯思維活動相結合，引導學生將實驗現象與知識背景相比較，提出高質量的問題。例如，對氣體燃燒感興趣的學生，更會關注瓦斯爆炸這一煤礦安全生產問題，在細水霧滅火實驗項目中，觀察細水霧與油池火相互作用現象就會聯想到“細水霧能否有效控制瓦斯爆炸”這一問題，進而提出“瓦斯氣體火焰與細水霧是如何作用的”。觀察實驗現象應在指導教師的引導下有序進行，用創新的視角觀察實驗現象。教師指導學生不要急于判別實驗結果，學生預判不一樣的結果有時是創新的線索。

（3）將實驗課程中的問題發展為創新實驗計劃的科學問題。大學生創新性實驗計劃的選題就是明確所要解決科學問題的過程。學生從觀察實驗現象中提出的問題有時還很模糊，需要在教師的指導下明晰問題的對象，通過查閱文獻、了解國內外研究現狀，從而提出創新性實驗計劃研究的內容。指導教師在評閱選題內容時注重以下幾點：將問題轉化為選題內容要遵循科學性、創新性和可行性原則；學生選題時要考慮現有實驗條件，協調好創新實驗計劃和其他課程學習的關系，合理分配時間。

3 大學生創新性實驗計劃的實施流程

大學生創新性實驗計劃實施流程關乎其創新實驗的質量。創新性實驗計劃從組建創新團隊、選題、撰寫項目書、實施實驗以及申報成果等過程須制定詳盡的實施流程，明確指導教師的參與節點，實現師生群體創新連鎖反應［12］，制訂大學生創新性實驗計劃具體研究活動的框架。由于大學生多是初次參加創新性學習活動，在制定實施流程中要界定研究對象、明晰研究目的和內容、確定成果形式，同時，指導學生制訂詳細的實驗方案和實驗進度，明確創新性實驗計劃成員的分工，以使創新性實驗計劃順暢、高效地實施。應當指出，大學生創新性實驗計劃的實施流程并非一成不變，在實施過程中，可根據學生課程、實驗條件等情況對實施方案進行修訂和完善。

以多組分細水霧創新實驗為例，說明大學生創新性實驗計劃的實施流程和指導教師的參與節點，如圖1所示。創新實驗計劃項目的選題來自于火災探測與控制實驗課中的創新與前沿實驗，教師與參與創新性實驗計劃互動的方式可以為實驗教學、現場指導或Email通信等。

圖1 創新實驗計劃實施流程圖

4 結束語

大學生創新性實驗計劃是在科學研究的情景和途徑下進行的一種學習形式，在實踐創新性實驗計劃的過程中，學生是學習的主體，通過提出問題（選題）、評述國內外文獻、理解國內外研究不足、提出實驗研究的思路及內容、設計創新實驗方案等一系列過程使學生體驗創新的行為。其中創新性實驗計劃的選題是一項關鍵環節，而規范化的過程管理方式可提高大學生創新計劃的實施質量，強調學生的主體作用，全程監控創新實驗計劃的關鍵環節，達到對項目的掌控，保證項目的順利實施，培養學生的創新意識的目的，實現創新項目的立項初衷。

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