淺談科研對實驗教學的建設與完善作用

張志利　周召發　常振軍　趙軍陽　段輝

[摘? 要]在研究型院校人才培養模式與時俱進的大背景下，實驗教學作為培養過程中的重要一環，也必須在機制上有所轉變。實驗教學的最終目標是培養新時代的研究型人才，需要院校發揮自我資源優勢，在科學研究過程中反向推動實驗教學的建設與完善，這也是研究型院校實驗教學機制創新的入手點。教學與科研是研究型院校的兩大主要職能，本文將從實驗教學內容的改進、實驗平臺的完善、學生學習興趣的激發、創新能力的培養幾個方面探討科研對實驗教學的建設與完善作用。

[關鍵詞]科研? 實驗教學? 實驗平臺

基金項目：國家自然科學基金（52075541）。

十九世紀初，著名教育家洪堡就曾提出“教學與研究統一”“通過研究進行教學”的重要思想，在若干年的實踐中，該思想得到了院校與社會的廣泛認可，由此奠定了教學與科研相統一的重要發展理念地位。當然，任何一種觀點、理論的提出，都會受到頗多質疑，對于科研與教學二者的內部關系，在歷史上就曾出現過三種觀點，即正相關、負相關與零相關。正相關，就是被普遍接受的一種觀點，它認為科研與教學缺一不可，是內在統一的，二者不能脫離彼此而獨立存在。教學和科研相互依賴、互相促進，呈現出了一種正向發展的關系。負相關則認為，教師需要兼顧家庭、生活、日常性事務等，所以其在學校的精力有限，無法教學、科研一手抓，否則會適得其反，二者皆輸。而零相關是指科研和教學是完全獨立的兩個個體，二者之間沒有任何實質性的關系，不存在誰影響誰的問題。

我國傳統的人才培養模式多以教師為中心展開，強調課堂教學，注重理論知識傳授。該模式已無法適應新時代的發展需求，因此，如何逐步轉向以培養學生的綜合素質為核心的新模式是高校當下需要考慮的問題。對于理工科方向來說，實驗教學有著舉足輕重的地位，它是聯系理論與實際的樞紐，能將書本上的知識運用在物理世界中真實可見的對象上，是內化理論知識、提高學生動手能力、培養學生創新意識的核心步驟之一。近年來，將科學研究與實驗教學相結合是教學改革的一個重要方向。本文基于該導向，從科研如何推動實驗教學的建設與完善這一角度提出幾點看法。

科研推動實驗教學內容的建設與完善

實驗教學內容的更新與完善依賴于科學研究的日積月累，在新時代背景下，實驗教學內容不能僅停留在傳統知識層面，填鴨式地給學生灌輸，而應在此基礎上，將科研團隊獲得的最新研究成果，以及解決實際難題的新科研思維方法融入實驗教學中，引導學生從新視角看待問題。科研成果包含申請的科研項目、發表的學術論文、獲得的科研獎項、授權的發明專利等，教師應用這些高水平科研成果時，部分可以整理到對應的理論章節中，部分可以作為研究前沿、當下熱點等。教師要從科研工作中挖掘教學資源，收集更多的素材及研究成果，不斷完善自身知識結構，更新知識體系，提高實驗教學的水平，為提高實驗教學質量奠定堅實的基礎。在教學過程中，教師除了要與學生加強互動外，更要探索如何啟發學生形成解決問題的思路?？偟膩碚f，科研能保證實驗教學內容的先進性和實踐性，可有效提高實驗教學質量。

目前，高校與科研院所的實驗教學培養模式主要分為如下三個步驟：學生課前預習；教師課堂講解；學生在實驗課中按照實驗設計方案執行實驗操作流程。對于一些基礎課程的實驗教學，該模式仍有著較好的教學效果，但對于融合科研成果之后的實驗教學，該做法已無法適應。融合了科研成果的實驗教學具有專業基礎知識要求高、實驗周期長、傳感器類型復雜、軟硬件知識相結合等特點，與傳統教學模式相比較，科研型實驗教學方案應盡可能避免循規蹈矩，需結合不同實驗的特點，以及學生的總體水平靈活地進行“量身定制”，力求讓學生學有所成，而非“走一遍”的形式化流程。例如，車載慣性導航實驗平臺的初始對準實驗就是典型的科研型實驗教學。進行初始對準實驗時，首先，教師講授基礎理論知識，組織學生熟悉車載慣性導航實驗平臺，學生根據自身興趣選取初始對準實驗中具體的某部分實驗內容，如數據采集與信號濾波處理、姿態矩陣粗略對準、姿態矩陣精確對準、多矢量對準等。學生不必做多做雜，而是集中精力做好某一小的方面即可。因為在這個過程中，很多相關部分也會被連帶涉及，做好某一方面，其余部分也能達到觸類旁通的效果。定好具體的實驗內容之后，學生學習該部分內容所涉及的實驗儀器配套說明書等文件資料，對配套實驗儀器的注意事項、使用方法等有一個詳細的掌握。然后，是非常重要的一步，在文獻檢索網站檢索與實驗內容相關的文獻，并在教師的帶領下學習實驗室近年來的科研成果。學生可在文獻閱讀過程中重新認識理論算法背后的數學原理，以深刻理解不同學者所提算法的思想及精髓所在，再結合實驗操作徹底掌握知識點。這樣的實驗流程會對學生今后的研究生學習起到一個良好的科研啟蒙作用。最后，學生在教師的指導下制訂具體可行的實驗方案，細化實驗過程中的每一個步驟，最終完成實驗，通過實驗數據評價實驗效果。車載慣性導航實驗平臺的初始對準實驗中會涉及很多具體的傳感器，比如陀螺儀、加速度計、里程計、星敏感器、高度計等，不同的傳感器能衍生出很多可供學生操作的實驗內容。這樣的實驗教學為學生在專業領域的起步提供了一個很好的鍛煉模式，避免學生剛開始接觸專業知識就心生恐懼?？蒲行蛯嶒灲虒W完全不同于傳統的實驗教學，給了學生盡可能大的自由度，鼓勵他們主動探索、主動解決問題，主動將數理知識運用到工程實踐中去，而非一直被教師牽著鼻子走，讓學生從最初的抵觸實驗轉變為接受實驗，最終對實驗很感興趣。只有在這樣的實驗教學過程中，才有可能真正提升學生的主觀能動性，為其未來的科研生涯打下一個扎實的基礎，培養良好的習慣。

科研推動實驗平臺的完善

研究型院校作為年輕學子學習專業理論文化、提升專業技能水平、培養創新能力的基地，不僅承擔著教書育人的職責，更具有推動社會向前發展的使命。實驗平臺作為高校各個院系中不可或缺的一部分，既代表著高校在科學研究領域的影響力與生命力，又為高學歷研究型人才的培養提供了可重復實驗的條件，同時也是支撐院校重點學科發展的物質保障。因此，實驗平臺的持續完善升級對一個學科，甚至整個高校學術水平的提升都有著不可忽視的作用。高校應不斷為實驗平臺賦能，并基于實驗平臺進一步解決重大科研難題，提升教學團隊的整體科研水平，這也是當代院校發展之需要。

目前，各個高?；谧陨淼膬瀯輰W科，在實驗平臺的支持下協助國家級或者省部級重大科研項目的執行，憑借人才儲備優勢與充分的經驗積累進行關鍵技術的理論研究。對高校實驗平臺所涉及的科研項目進行深入研究可發現，在原理上對某項技術或某項指標可能取得較大突破時，多會遇到實驗平臺無法滿足科學研究要求的情況，此時則需要進一步完善升級實驗平臺，以匹配理論上帶來的突破。例如，基于車載慣性導航實驗平臺研究如何提升導航精度時，通過理論推演、仿真實驗可以發現，引入星敏感器，融合了恒星星光信息后，會對整個導航系統的導航精度有一個明顯的提升，能有效抑制慣性器件的誤差漂移，因此，需要在原有的車載慣性導航實驗平臺中集成新的星敏感器硬件設備，對理論成果進行試驗驗證，以確?？蒲谐晒膶嶋H運用效果，讓科學研究在實驗平臺的完善中發揮作用。再如，傳統的車載導航實驗平臺都是基于人為駕駛的，而某些特殊客戶希望在未來能夠實現導航車的自動駕駛。對此，科研團隊需要針對該需求進行項目預先研究。與前述類似，在完成項目內容的理論推演與仿真實驗后，需要在原有車載導航實驗平臺上集成用于人機交互、系統管理、控制決策、主從通信等任務的主控計算機，以及用于探測障礙物、前后車輛位置和速度的激光掃描探測儀、用于路徑識別和車輛跟蹤的CCD攝像機、用于探測車輛周邊狀態的超聲探測傳感器等硬件設備。基于新的實驗平臺，可通過試驗驗證理論研究的正確性與可行性，再反過來進一步改進理論。如此，在科學研究的推動下，可促使高校逐步完善實驗平臺，提高研究水平，加大研究深度，從根本上落實探索性實驗與驗證性實驗的內容，滿足研究型院校實驗教學的根本要求，提高實驗平臺的研究層次。

科研激發學生的學習興趣

長期以來，實驗教學環節都存在一些共性問題，比如，實驗教學內容一般按照理論課程的知識點進行設計，并未與時俱進，未考慮當下的社會實際，缺乏“應用性”與“時代性”；教師設計的實驗課程內容并未形成一個有機的整體，互相之間的耦合關系不強，實驗內容缺乏“系統性”，無法將專業內相互聯系的專業課程、數理基礎課程貫通起來，導致學生對本專業重要內容缺乏整體概念。長此以往，很多院校的實驗漸漸成為一種“走過場”的形式，對學生實踐能力和創新能力的提升產生了明顯的限制作用。在融入科研成果、優化實驗教學體系后，實驗教學的教學模式應逐步向以學生為中心轉變，增加專業科研問題討論、實驗等環節，讓學生通過對科研問題的思考與探討，去尋找解決問題的方法，這往往比得到一些“漂亮”的實驗結果更有意義。教師應結合實驗教學內容，將團隊科研成果靈活地展現給學生，再引導學生閱讀相關高水平科研論文，編寫程序代碼。經過消化理解并取得一些突破后，學生可將相關內容整理出來用于師生間的專題討論，該教學模式提高了學生的參與度和學習興趣。

經常參與科研項目的教師通常會對不同學科之間的交叉和邏輯關系理解得更到位，能夠有機地結合教學和科研，使實驗教學的內容更豐富，引導學生從不同的視野理解知識。以組合導航這門課程為例，與組合導航相關的課程較多，如高等數學、矩陣論、概率論與數理統計、隨機過程、數字信號處理和理論力學等，倘若教師僅照本宣科，而不能融會貫通地把這些課程的內在關系聯系起來，那么學生就很難深刻理解一些知識點，看到課本上的一個個公式也會望而卻步，更別說能將不同章節的內容串聯起來了。如此，學生學起來就十分痛苦，沒有絲毫樂趣，僅是為了能夠通過考試而強行記憶，考完試就忘得一干二凈，在該門核心專業課程上沒有絲毫收獲，只感受到了煎熬。而經常參與科研項目的教師能夠有效整合各學科及課程之間的關系，讓學生在學習過程中從原理上、本質上去理解每一個知識點，在此基礎上，才能有效地將不同章節的內容融會貫通，實現理解記憶、輕松學習、靈活學習，打下堅實的專業基礎。另外，有扎實科研基礎和豐富科研成果的教師能夠將國內外最新的知識和信息傳遞給學生，在教學上如魚得水，容易形成自己獨特的風格，實踐證明，這種風格往往是學生所接受的，且能帶來良好的實驗教學效果。

科研成果的引入加大了教師與學生的互動，通過相互之間的共同探討與協作，可加深學生對實驗教學內容的理解與掌握，提高師生的團隊合作能力與整體的創新水平。學生親眼在實驗教學過程中看到教師的科研成果，能夠拉近學生與教師的距離、與科研的距離，發揮學生的主觀能動性，提高學生自主思考、主動分析問題并力求解決問題的能力。

科研與實驗教學相結合 提高學生的創新能力

與國外某些知名院校相比較而言，目前我國高校與科研院所在人才培養模式方面比較突出的問題是缺乏創新性，尤其是本科生的創新意識培養方面，短板非常明顯。我國大部分高校的教學模式是“課堂教學，講授專業知識”，相對來講具有一定的封閉性。學校較注重傳統知識傳授，而沒有與工程實際相結合，也沒有與產業需求相呼應，使得學校培養出來的人才與社會需求不相匹配，無法進一步推動社會向前發展。此外，大學千篇一律的考試制度，以考試分數作為單一的評價標準，都會對學生的創新能力培養、主動探索精神產生影響。當前，部分學生容易迷失自我，喜歡隨大流，總是把精力放在如何提高考試分數，如何獲得各種附加分，等等，而不是在大學四年的學習過程中尋找心之所向，去發掘自己真正感興趣的方向，并能夠沉下心來把理論基礎打扎實。因此，如何通過課堂教學、實驗教學等手段，激發學生的創新意識，培養出能夠促進社會持續發展的高技術人才是當下時代賦予大學的緊迫課題。如今，培養具有科技創新能力的大學生不僅是國家的需要，也是社會的需求和時代的主題。所以，科學研究在高校教育中格外重要，因為優秀人才的創新意識和創新能力培養始終離不開科學研究的熏陶。

從學生創新能力培養這個角度出發，教師可以將實驗室申請的科研項目內容進行凝練，提出一些好的科研課題，將其運用于實驗教學中。如在社會生產實踐中遇到的科學難題，讓學生據此查閱文獻資料、開展集體討論，并給出解決方案，鍛煉他們解決真實難題、形成科研思路的能力。這些科研課題會區別于以往課程作業性質的課題，既能激發學生的創新思維，又具有實際意義和研究價值。學生可通過參與各種創新課題的研究，不斷拓展知識面，了解掌握學科前沿，緊跟學科發展動態，學會理論聯系實際，提高自身創新能力及工作能力。在解決問題的過程中，學生能夠更加清晰地體會到哪些學科的基礎課程、專業課程更加重要，從而反向推動自己查漏補缺，打牢理論基礎。當學生對科研項目感興趣時，教師應引導學生發現科研項目中的問題，敢于提出質疑，表達自己的想法，多開展創新性實驗。對創造發明有濃厚興趣、學有余力的學生，教師應多給予指導、重點關注，鼓勵他們自主設計、自主完成實驗，使其不斷產生創新思維和創新意識。這類學生在步入研究生階段后便可更快地邁向更高層次的臺階，未來更有機會在科研中實現重大突破。針對學生的實際能力和興趣，可以讓學生組建科研團隊，在教師的指導下參與一些較簡單的科研項目，這種科研團隊的參與形式，不同于班級教學的集體學習模式，對學生創新能力、科研精神的培養具有非常好的效果。組建科研團隊的目的就是讓學生通過集體學習和集體研究，實現團隊創新，進而實現自我提升。

結? 語

科研作為高校主要職能之一，是高校活力的源泉，而教學質量是立校之本，以科研促進教學，是提高人才培養質量的重要途徑。將科研融入實驗教學，在促進人才培養質量提高的基礎上，給實驗教學計劃滲透創新能力培養，這是一種全新的教學理念。實驗教學機制的創新還依賴于實驗平臺的持續完善改進，實驗平臺對于研究型學習的落實有著積極的指導與促進意義。高?？赏ㄟ^科研完善教學內容，使之緊跟學科前沿，激發學生學習的興趣，促進創新人才培養，提高教學水平和教學質量。

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