行业特色拔尖创新人才培养实验教学探索——以热管实验平台构建为例

饶中浩， 赵佳腾， 霍宇涛， 刘臣臻

(中国矿业大学 电气与动力工程学院，江苏 徐州 221116)

0 引 言

从2015年10月《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》的印发，到2017年1月《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法(暂行)》的印发，再到2017年9月《关于公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单的通知》的发布，国家“双一流”战略从提出到正式实施建设仅用了不到两年的时间。2017年10月，习近平同志在十九大报告中再次强调“要加快一流大学和一流学科建设”[1]，反映国家对新时代社会主义人才培养的重视程度和把国家建设成科教大国的决心。

“人才培养，学科建设，高校发展相辅相成，高校自身的特色带动校内学科的不断凝练与优化，学科的建设离不开人才的注入与培养[2]”。钟秉林[3-4]认为“一流本科教育是建设世界一流大学的重要基础，是建设一流学科的重要支撑”。洪大用[5]认为“在‘双一流’建设中大力加强本科人才培养，创建一流的本科教育涉及很多方面，是一项需要持续推进的系统工程”。一流的本科教育是“双一流”建设的重要内涵[3,5]，要大力加强本科拔尖创新人才的培养。

1 研究性实验教学在本科生拔尖人才培养中的重要作用及探索现状

实践教学有助于培养学生开放性思维，提升学生综合素质，对拔尖创新人才培养至关重要[6-7]。目前大部分高校的本科生教学以课堂理论知识讲授为主，难以调动学生积极性，此外，现有的实践教学平台存在经费少、设备陈旧以及实验平台与前沿科技脱节的问题，不能满足拔尖创新人才培养的需要[8]。研究性实验教学是基于科研项目或其他科研资源的一种科研实践教学方法。钟秉林[9]曾专门撰文指出，“倡导科教融合育人，将科研资源转化为优质的教学资源，对于培养创新人才至关重要”。改革课堂教学模式，推进研究性实验教学，让本科生参与教师的研究项目或大学生创新项目等，通过参与项目研究，培养学生创新思维、创新能力以及自主性学习和获取知识的能力[10-11]。在考虑学生知识储备和实验条件的基础上，增加设计性、研究性实验，将科研的基本方法、技能和思维方法融入实验内容和教学中，激发学生实践积极性，促进知识和科研技能的内化，提升实践能力[12]。

国内外一些高校围绕基于科研资源的研究性实验教学实践进行了探索，并逐步成为本科拔尖创新人才培养改革实践的核心内容之一。武汉理工大学围绕材料类学科构建了本科生拔尖创新人才的“金字塔”培养体系，强调从专业认知、动手实践、创新训练和科学研究四个方面培养人才[13]；暨南大学在以科研项目推动化学化工专业本科生创新能力的实践与探索中取得不错的成绩[14]；美国斯坦福大学十分关注大学生科研实践能力的锻炼，让学生参与到老师的科研活动中，激发学生的创造性[15]；麻省理工学院“双元制”人才培养模式和日本东京大学“推迟专业化”人才培养模式的核心步骤之一也是为学生创造机会，把教师的优秀科研平台和前沿成果应用到本科生教育中，通过研究性实验教学培养能力突出的高素质创新性人才[16]。

研究性实验教学过程是促进学以致用和以用促学的过程。本文就研究性实验教学过程中学生参与实验平台建设以及实验能力的培养对本科生创新能力的重要作用展开，以行业特色高校能源与动力专业本科拔尖创新人才培养中热管实验平台构建与实践为例，对实验平台构建和运行过程中学以致用和以用促学的作用进行了介绍，总结了实践效果，并给出相应的思考和建议。

2 研究性实验教学过程、效果及思考——以脉动热管实验平台构建为例

2.1 脉动热管实验平台构建的目的

我校是行业特色高校，在煤炭资源开发利用以及深地空间探索等方面具有优势。不论是煤炭干燥、煤电系统效率提高等传统领域，还是地下煤火灾害防治、地热能开发等前沿领域，均离不开高效热输送媒介的研发。热管作为一种基于气液相变的高效热输送媒介，其研究受到广泛的关注。作为热管成员中的重要一员，脉动热管具有很大的热输送潜力，以及成本低，几何结构灵活，设计简单等优势。脉动热管的研究设计主要依托动力工程及工程热物理学科，同时交叉机械、材料、控制等学科。依托的主干课程有传热学，工程流体力学和工程热力学，同时涉及动力工程测试技术及仪表，机械加工等相关课程中的知识，所辐射的知识面广，能作为能源与动力工程专业一个具有代表性的教学和科研实践相结合的案例。

该研究性实验教学实践依托于本校电气与动力工程学院教师的国家自然科学基金和江苏省自然科学基金。其目的是让学生根据研究需求，从理解实验，设计实验，搭建实验平台，参与实验测试，逐层推进，在实践的过程中找到理论知识的切入点，学会用理论知识解释、解决实践中遇到的问题，同时让学生意识到自己所学知识的局限性，促使主动学习新的知识。

2.2 脉动热管实验平台的构建和运行

脉动热管实验平台构建是一个从无到有的过程，前期遴选对热管技术有兴趣的本科生组成一个小组，让他们全程参与实验平台的构建。主要包括如下3个部分：真空注液系统组建，管式脉动热管的制作，测试平台搭建。其中，脉动热管制作的主要流程包括管径的选择，总体结构设计，工质的选择及制备，管内清洗，以及抽真空注液。在实验平台构建的过程中，出现问题让学生们积极讨论，共同寻求解决问题的方法。很多问题是平常课堂学习中不会有机会面对的，例如，材料的选型及采购、辅助设备的选型及采购、结构设计、工质的选取、如何降低接触热阻、保温问题、冷却问题等。科学地解决这些问题，需要从专业基础知识出发，回归到实际问题。表1归纳了脉动热管试验平台构建过程中所需的知识结构以及本科生主要欠缺的能力。前期的实验平台搭建是一个根据具体实验目的动手实践的过程，在实验平台搭建好之后，本科生继续参与测试工作。后期的实验过程则是一个探索的过程，与前期的工作相比，需要完全不同的思维模式。从新型工质的配制和热物性表征，到实验台设备及系统调试，再到参数化的实验测试，最后到数据的统计与分析，环环相扣。整个实验过程需要本科生主动获取学习资料，主动从所学的专业基础知识中寻求解释现象的科学原理，主动学习文献检索技能，主动学习数据分析软件及理论知识。

表1 脉动热管试验平台构建过程知识结构对照表

2.3 取得的效果及思考

经过设计研究性实验教学实践，指导的学生搭建出了两套脉动热管实验平台，如图1所示，其中，图1(a)是三维脉动热管风冷实验台，图1(b)是二维长距离热输送脉动热管液冷实验台。

(a) 三维脉动热管风冷实验台

在本科生创新能力培养上亦具有很好的效果。在课堂知识巩固与吸收方面，该实验教学很好地达到了“学以致用”和“以用促学”的目的。本科生从抽象的理论知识学习层面上升为用抽象的知识解决或解释实际问题的层面，例如，用传热学的知识解决实验系统保温及接触热阻过高的问题；用热力学和流体力学知识解释脉动热管内部工质脉动的现象；用“动力工程测试技术及仪表”课本中的知识解决温度、压力和流量的测试及误差分析问题等。在实践过程中能发现许多用现有的知识水平不能解决问题，提升了学生主动获取新知识意识，如工质分散中涉及的化工问题等；在学科竞赛和学术交流方面，在老师的支持下，学生借助自己参与搭建的科研平台积极参加学科竞赛，包括“挑战杯”大赛、全国大学生节能减排大赛、大学生过程装备控制大赛等，为学院收获了多个奖项。同时，参与科研实践的学生积极参加校内外学术研讨会，了解前沿动态，发表多篇会议论文。本次研究性实验教学实践得到了学院其他老师的肯定与借鉴，为学院乃至学校本科生拔尖创新人才培养起到了很好的示范作用。基于实验教学实践的效果和经验，作者对基于科研实践的本科生拔尖创新人才培养措施有如下思考和建议。

(1) 在课堂讲授上，教师需从多方面(小到生活细节，大到国家计划)引入所学习专业知识的应用实例，培养学生兴趣，提高学生对实践探索的积极性。

(2) 老师应挖掘研究性实验教学课题与专业基础理论知识的深层联系，以此确定合适的研究性教学课题，重视学科基础在研究性实验教学中的指导作用。

(3) 定期开展研讨会，了解学生阶段性状态，及时给出必要的指导和建议，消除在开放式的科研实践中容易产生的盲目性。

(4) 加强科学研究态度，组织纪律以及团队协作精神教育。科学研究态度是拔尖创新人才具备的基本素质，团队协作精神能促进内部成员之间知识和思想交流，能够扩展团队知识面，达到“1+1>2”的效果。

(5) 做好实验教学总结，形成书面总结存档。研究性实验教学总结区别于科研项目阶段性报告或结题报告，重点在于学生对理论知识点的认识和理解，以及对知识欠缺和自身能力不足的总结。

3 结 语

研究性实验教学是一项能够扩展学生知识面，提高学习兴趣，促进创新的工作，对于本科生拔尖人才培养具有重要的现实意义。研究性实验教学能够同时促进“学以致用”和“以用促学”，能够让学生根据研究需求，从理解实验，设计实验，搭建实验平台，参与实验测试，逐层推进。一方面，在实践的过程中找到理论知识的切入点，学会用理论知识解释、改进实践中遇到的问题；另一方面，让学生意识到自身知识水平的局限性，促使主动学习新的知识。从而促进教学与科研相结合，理论与实践相结合，寓教于学，转变思想，协同创新。在研究性实验教学实施过程中，应不断总结经验，积极探索更科学更系统的指导学生的方法和策略，为国家培养更多的拔尖创新人才。