行業特色拔尖創新人才培養實驗教學探索
——以熱管實驗平臺構建為例

饒中浩， 趙佳騰， 霍宇濤， 劉臣臻

(中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

從2015年10月《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》的印發，到2017年1月《統籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法(暫行)》的印發，再到2017年9月《關于公布世界一流大學和一流學科建設高校及建設學科名單的通知》的發布，國家“雙一流”戰略從提出到正式實施建設僅用了不到兩年的時間。2017年10月，習近平同志在十九大報告中再次強調“要加快一流大學和一流學科建設”[1]，反映國家對新時代社會主義人才培養的重視程度和把國家建設成科教大國的決心。

“人才培養，學科建設，高校發展相輔相成，高校自身的特色帶動校內學科的不斷凝練與優化，學科的建設離不開人才的注入與培養[2]”。鐘秉林[3-4]認為“一流本科教育是建設世界一流大學的重要基礎，是建設一流學科的重要支撐”。洪大用[5]認為“在‘雙一流’建設中大力加強本科人才培養，創建一流的本科教育涉及很多方面，是一項需要持續推進的系統工程”。一流的本科教育是“雙一流”建設的重要內涵[3,5]，要大力加強本科拔尖創新人才的培養。

1 研究性實驗教學在本科生拔尖人才培養中的重要作用及探索現狀

實踐教學有助于培養學生開放性思維，提升學生綜合素質，對拔尖創新人才培養至關重要[6-7]。目前大部分高校的本科生教學以課堂理論知識講授為主，難以調動學生積極性，此外，現有的實踐教學平臺存在經費少、設備陳舊以及實驗平臺與前沿科技脫節的問題，不能滿足拔尖創新人才培養的需要[8]。研究性實驗教學是基于科研項目或其他科研資源的一種科研實踐教學方法。鐘秉林[9]曾專門撰文指出，“倡導科教融合育人，將科研資源轉化為優質的教學資源，對于培養創新人才至關重要”。改革課堂教學模式，推進研究性實驗教學，讓本科生參與教師的研究項目或大學生創新項目等，通過參與項目研究，培養學生創新思維、創新能力以及自主性學習和獲取知識的能力[10-11]。在考慮學生知識儲備和實驗條件的基礎上，增加設計性、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容和教學中，激發學生實踐積極性，促進知識和科研技能的內化，提升實踐能力[12]。

國內外一些高校圍繞基于科研資源的研究性實驗教學實踐進行了探索，并逐步成為本科拔尖創新人才培養改革實踐的核心內容之一。武漢理工大學圍繞材料類學科構建了本科生拔尖創新人才的“金字塔”培養體系，強調從專業認知、動手實踐、創新訓練和科學研究四個方面培養人才[13]；暨南大學在以科研項目推動化學化工專業本科生創新能力的實踐與探索中取得不錯的成績[14]；美國斯坦福大學十分關注大學生科研實踐能力的鍛煉，讓學生參與到老師的科研活動中，激發學生的創造性[15]；麻省理工學院“雙元制”人才培養模式和日本東京大學“推遲專業化”人才培養模式的核心步驟之一也是為學生創造機會，把教師的優秀科研平臺和前沿成果應用到本科生教育中，通過研究性實驗教學培養能力突出的高素質創新性人才[16]。

研究性實驗教學過程是促進學以致用和以用促學的過程。本文就研究性實驗教學過程中學生參與實驗平臺建設以及實驗能力的培養對本科生創新能力的重要作用展開，以行業特色高校能源與動力專業本科拔尖創新人才培養中熱管實驗平臺構建與實踐為例，對實驗平臺構建和運行過程中學以致用和以用促學的作用進行了介紹，總結了實踐效果，并給出相應的思考和建議。

2 研究性實驗教學過程、效果及思考——以脈動熱管實驗平臺構建為例

2.1 脈動熱管實驗平臺構建的目的

我校是行業特色高校，在煤炭資源開發利用以及深地空間探索等方面具有優勢。不論是煤炭干燥、煤電系統效率提高等傳統領域，還是地下煤火災害防治、地熱能開發等前沿領域，均離不開高效熱輸送媒介的研發。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，幾何結構靈活，設計簡單等優勢。脈動熱管的研究設計主要依托動力工程及工程熱物理學科，同時交叉機械、材料、控制等學科。依托的主干課程有傳熱學，工程流體力學和工程熱力學，同時涉及動力工程測試技術及儀表，機械加工等相關課程中的知識，所輻射的知識面廣，能作為能源與動力工程專業一個具有代表性的教學和科研實踐相結合的案例。

該研究性實驗教學實踐依托于本校電氣與動力工程學院教師的國家自然科學基金和江蘇省自然科學基金。其目的是讓學生根據研究需求，從理解實驗，設計實驗，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，學會用理論知識解釋、解決實踐中遇到的問題，同時讓學生意識到自己所學知識的局限性，促使主動學習新的知識。

2.2 脈動熱管實驗平臺的構建和運行

脈動熱管實驗平臺構建是一個從無到有的過程，前期遴選對熱管技術有興趣的本科生組成一個小組，讓他們全程參與實驗平臺的構建。主要包括如下3個部分：真空注液系統組建，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，總體結構設計，工質的選擇及制備，管內清洗，以及抽真空注液。在實驗平臺構建的過程中，出現問題讓學生們積極討論，共同尋求解決問題的方法。很多問題是平常課堂學習中不會有機會面對的，例如，材料的選型及采購、輔助設備的選型及采購、結構設計、工質的選取、如何降低接觸熱阻、保溫問題、冷卻問題等。科學地解決這些問題，需要從專業基礎知識出發，回歸到實際問題。表1歸納了脈動熱管試驗平臺構建過程中所需的知識結構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具體實驗目的動手實踐的過程，在實驗平臺搭建好之后，本科生繼續參與測試工作。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。從新型工質的配制和熱物性表征，到實驗臺設備及系統調試，再到參數化的實驗測試，最后到數據的統計與分析，環環相扣。整個實驗過程需要本科生主動獲取學習資料，主動從所學的專業基礎知識中尋求解釋現象的科學原理，主動學習文獻檢索技能，主動學習數據分析軟件及理論知識。

表1 脈動熱管試驗平臺構建過程知識結構對照表

2.3 取得的效果及思考

經過設計研究性實驗教學實踐，指導的學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) 三維脈動熱管風冷實驗臺

在本科生創新能力培養上亦具有很好的效果。在課堂知識鞏固與吸收方面，該實驗教學很好地達到了“學以致用”和“以用促學”的目的。本科生從抽象的理論知識學習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，用傳熱學的知識解決實驗系統保溫及接觸熱阻過高的問題；用熱力學和流體力學知識解釋脈動熱管內部工質脈動的現象；用“動力工程測試技術及儀表”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。在實踐過程中能發現許多用現有的知識水平不能解決問題，提升了學生主動獲取新知識意識，如工質分散中涉及的化工問題等；在學科競賽和學術交流方面，在老師的支持下，學生借助自己參與搭建的科研平臺積極參加學科競賽，包括“挑戰杯”大賽、全國大學生節能減排大賽、大學生過程裝備控制大賽等，為學院收獲了多個獎項。同時，參與科研實踐的學生積極參加校內外學術研討會，了解前沿動態，發表多篇會議論文。本次研究性實驗教學實踐得到了學院其他老師的肯定與借鑒，為學院乃至學校本科生拔尖創新人才培養起到了很好的示范作用。基于實驗教學實踐的效果和經驗，作者對基于科研實踐的本科生拔尖創新人才培養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，大到國家計劃)引入所學習專業知識的應用實例，培養學生興趣，提高學生對實踐探索的積極性。

(2) 老師應挖掘研究性實驗教學課題與專業基礎理論知識的深層聯系，以此確定合適的研究性教學課題，重視學科基礎在研究性實驗教學中的指導作用。

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

(4) 加強科學研究態度，組織紀律以及團隊協作精神教育。科學研究態度是拔尖創新人才具備的基本素質，團隊協作精神能促進內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) 做好實驗教學總結，形成書面總結存檔。研究性實驗教學總結區別于科研項目階段性報告或結題報告，重點在于學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。

3 結 語

研究性實驗教學是一項能夠擴展學生知識面，提高學習興趣，促進創新的工作，對于本科生拔尖人才培養具有重要的現實意義。研究性實驗教學能夠同時促進“學以致用”和“以用促學”，能夠讓學生根據研究需求，從理解實驗，設計實驗，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，學會用理論知識解釋、改進實踐中遇到的問題；另一方面，讓學生意識到自身知識水平的局限性，促使主動學習新的知識。從而促進教學與科研相結合，理論與實踐相結合，寓教于學，轉變思想，協同創新。在研究性實驗教學實施過程中，應不斷總結經驗，積極探索更科學更系統的指導學生的方法和策略，為國家培養更多的拔尖創新人才。