面向本科生的科研實驗教學探索與實踐

鄭雙凌， 徐 珺

(清華大學 水利水電工程系，北京 100084 )

面向本科生的科研實驗教學探索與實踐

鄭雙凌， 徐 珺

(清華大學 水利水電工程系，北京 100084 )

高校實驗教學是極為重要的實踐性教學環節。傳統的實驗教學多以演示和驗證實驗為主，內容單一，實驗設備發展相對滯后，制約了學生實驗技能的培養。將科研與實驗教學有機結合，可增強學生的專業興趣，培養學生的實驗能力、創新意識及團隊協作精神。基于面對水工專業大二學生開設的水工結構實驗原理與認識課程，介紹了開設該課程的原因、課程的主要內容、教學方式及面向對象，分析總結了科研實驗教學的經驗及面臨的問題，旨在探索出一種實驗教學與科研有機結合的教學模式，以研促教， 教研相長，同時讓學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； 教學模式； 水工結構

0 引 言

培養什么人和如何培養人，是高等教育面臨的重要問題。高校實驗教學是極為重要的實踐性教學環節，是理論學習與實驗研究的橋梁，在培養學生實踐能力、獨立思考和解決實際問題能力、創新能力及嚴謹的科學態度等方面，具有其他教學環節無法替代的作用[1]。

傳統的實驗教學往往隸屬于理論教學部分，實驗設備、方案及步驟均已固定，且實驗內容單一，多是演示和驗證性實驗。教學模式以實驗教師講解和實驗示范為主，學生只需按實驗指示書重復實驗教師講解的步驟，對學生的實踐能力及解決問題的能力要求較低，嚴重制約了學生在實驗環節的積極性及獨立思考能力。且當今社會科技水平發展迅速，實驗教學儀器卻嚴重滯后。

目前，國家和高等院校都很重視實驗教學的改革，關于實驗教學改革的研究較多，其中以實驗室建設、實驗教師隊伍建設以及實驗教學方式改革等方面探索為主。如按照基礎訓練、綜合實驗、設計創新實驗3個層面組織實驗教學，改傳統的封閉實驗室為開放型，改驗證性實驗為設計型實驗，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、設計性實驗[2-7]。

在傳統的基礎實驗平臺上進行創新設計和實驗，條件受到限制，若將科研項目和實驗研究引入到實驗教學中，實驗教學不受傳統固定模式的約束，學生自主性強，其實驗能力、創新意識及團隊協作精神將得到全面的鍛煉[8-16]。錢偉長院士[17]在談論教學與科研的關系時說：“大學必須拆除教學與科研之間的高墻, 教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育?！苯虒W是科研的前提和基礎條件，科研是提高教育質量和層次的關鍵。

為此，面對水工專業大二學生開設了水工結構實驗原理與認識課程，讓學生在本科階段提前認識實驗室、了解科研，通過具體科研試驗讓學生進一步理解實驗原理、設計原則和實驗技術，將理論學習與實驗相結合，增強學生的專業興趣，以及水工專業的理論知識與實驗能力。本文通過總結科研實驗教學的經驗及面臨的問題，旨在探索出一種實驗教學與科研有機結合的教學模式。

1 科研實驗教學的實踐方式

1.1科研實驗教學內容

水工結構實驗原理與認識課程主要依托水利系水工結構實驗室，結合實驗室有特色的科研項目進行實驗教學，從理論與實驗認知方面培養學生的專業興趣和實驗能力。根據實驗室的主要研究方向及科研項目內容，開設的課程共有水工材料實驗、水工結構實驗、水工水力學實驗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、地質力學模擬實驗、水巖耦合智能模型實驗、水工水力學模型實驗等，每節內容分為課堂理論學習與實驗室實驗認識和操作兩部分，介紹水工材料、水工結構、水工水力學等原理、實驗技術及關鍵問題等，具體的實驗如表1所示。

1.2科研實驗教學方式

表1 課程主要內容

本課程8個專題實驗，主要以理論與實驗教學相結合的方式，每個專題實驗安排6學時課程，3學時理論課和3學時實驗課，這樣交替進行。因選課人數較多，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開放日，學生當天任何時間都可以進行實驗，避免了實驗室容量有限，學生時間沖突，或是實驗時間有限等問題。學生學習完理論知識后，有一定的理論基礎，再進入實驗室，可變被動學習為主動探索，提高自己的實驗能力，同時，分組實驗讓學生的團隊協作能力也得到鍛煉。

1.3科研實驗教學對象

水工結構實驗原理與認識主要面向水工專業的大二學生。學生進入大學學習1年，已有一定的理論基礎，但對專業的了解極為有限，對自己所學專業及發展興趣濃厚，專業可塑性強。此時，根據學生需求，讓學生深入各實驗室，通過全面的了解，適當的接觸科研項目和實驗，并動手操作，可激發學生興趣，學生也有更多的時間進行學習思考，選擇將來的研究方向。

對于部分學有余力的學生，實驗課程結束后，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SRT(Student Research Training)計劃、“挑戰杯”競賽等，培養自己的綜合科研能力。

課程結束后，學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……與每節理論課相對應的實驗課上，老師帶領我們參觀了涉及到的各個實驗室，將課堂上的內容直觀展現在我們眼前，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；課后的總結報告形式自由，有利于我們自己對所學內容進行反思總結并有所收獲，又不給我們太大的負擔。在對這樣好的一門課程這一學期的學習中，我收獲頗豐?！?/p>

2 科研實驗教學中應注意的問題

(1) 科研與實驗教學的有機融合?？蒲芯哂刑剿髋c創新性，而實驗教學則要求具有可操作性，教師需要合理設計實驗內容，把控全局，積極的引導學生進行實驗。如何結合學生專業，將科研成果轉化實驗教學內容，讓學生從科研實驗中了解專業前沿，掌握先進的實驗方法，并提出自己的見解，實驗結束后，分析研究問題并進行總結，給出實驗研究報告。

此外，科研任務因有時間預期，而實驗教學時間基本固定?？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。隨著科研實驗任務的推進，各時間段學生可參與度、知識可理解度、完成實驗所需時長等均不一樣，如何將兩者有機結合，需要教師有選擇、有計劃地提前合理安排。

(2) 實驗教學方式。因科研實驗均各不相同，其獨特的專業特點，使得每個科研實驗教學都是一個全新的內容，不可復制模仿。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人員操作，或實驗周期較長的儀器，完成一項實驗，需要數天或數周。因此，不同的科研實驗，根據其實驗內容及儀器特點，必須選擇合適的教學方式。

教師在本科生接觸科研實驗初期，導師作用極為重要，以學生為出發點，如何選擇合適的科研內容與實驗教學方式，積極引導學生，是科研與實驗進行有機結合的重點和難點。

(3) 科研實驗教學設計。教學的主要任務是培養學生，因此科研實驗教學內容選取及課程設計，首先應站在學生的立場，了解學生的需求；其次，考慮實驗的安全性，以及適于教學的可操作性，提高實驗教學效果；最后，結合科研實驗的特點綜合設計教學方案。

3 結 語

隨著科學技術的發展，知識更新周期越來越短。高校實驗教學作為實踐教學的重要組成部分，不可恪守傳統的實驗教學與儀器，必須進行改革創新?？蒲袑嶒灲虒W是未來高校實驗教學的發展方向，將科研引入高校實驗教學，進行有機融合，結合專業特點，探索實踐一種合適的教學模式，以研促教， 教研相長，同時讓學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

北京市自然科學基金(9152010)；清華大學本科教學改革項目(ZY01_2)；清華大學實驗室創新基金(00401)

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