科研与教学深度融合实验教学模式的探索与实践*

宫玉梅，郭 静，赵 秒，王 艳，管福成，夏 英，张 鸿，刘元法，拖晓航，于 跃，张 森

(大连工业大学纺织与材料工程学院，辽宁 大连 116034)

1 实验改革的提出

教学工作和科研工作是高校所有工作中的两个中心环节，以高水平科学研究促进教学质量与人才培养水平的提升，是保障高校教学质量的重要途径。国家“十三五”规划纲要、教育部工作要点都指出，要大力推进科教融合发展。随着“科教兴国”战略的实施和深化,以培养满足社会需求的应用型人才为目标的高等学校在科研与教学结合这一方面显得有些被动和不适应。因此,探讨并理顺高等学校科研工作与教学工作的关系，探索并建立科研与教学深度融合机制，在当前的形势下具有十分重要的理论价值和实践意义[1-5]。而实验教学是高等教育中特别是对工科专业教育不可缺少的重要环节，担负着培养学生实践和创新能力的重要使命。中国高等教育学会长期密切关注高校科研与教学深度融合问题，并将“高校科研与教学深度融合教改经验的综合研究”列入学会“‘十三五’高等教育科学研究规划课题重点调研课题”。贯彻落实学校关于全面提高本科教学质量若干意见，以改革和创新实验教学常态为主线，以突破和解决实验教学薄弱环节为重点，着力推进实验内容更新、实验课程结构优化、实验教学模式创新、实验教学方法及手段改革等几方面工作，探索有利于创新型、应用型人才培养的实验教学模式，以达到循序渐进培养学生创新性实验思维、综合性实验技能、初步的科学研究和较强动手实践能力的目的。《创新探究试验》将培养学生创新性实验思维、综合性实验技能、初步的科学研究和较强动手实践的能力，在培养创新型、应用型人才中发挥重要作用。

课程改革的出发点来源于企业人力资源提出的对毕业生的要求，他们明确提出招硕士研究生，原因是在用人过程中，企业家们发现企业内的本科毕业生存在的一些普遍现象在于在一些数据的收集和处理时出现了混乱和不知所措的情况。高分子材料与工程专业开设本课程的目的是使学生通过实验加深对所学理论知识的认识，理论联系实际、提高创新意识和实践能力，提高学生兴趣，培养学生的创新及实践能力。我们在高分子材料与工程专业《创新探究试验》课程中加入由教师当前科研项目中抽提出的一些实验项目，应用于本科生的实验环节，充分发挥科研和教学的协同作用,从而促进学校的可持续发展。并希望通过实验，实现如下目标：1.使学生能够独立完成聚合物分析与检测的基本实验，并进行一定的设计性实验；2.进一步加深对高分子材料成型的基本原理的理解，正确使用高分子材料成型设备；3.能正确记录和科学地处理实验数据，正确撰写实验报告。4.培养学生对专业的兴趣，了解专业前沿；5.培养创新性的实验思维、综合实验技能、初步的科学研究和较强动手实践能力；6.培养严谨、认真和实事求是的科学态度，提高观察、分析和解决问题的能力。

2 科研与教学深度融合的实验教学模式

高分子创新探究试验是学生毕业前的最后一门大型实验课，为了充分发挥实验课程在培养学生自主创新能力和培养创新型应用人才中的作用，以科学研究促进教学质量与人才培养水平的提升，提高学生学习兴趣，培养学生的创新及实践能力，我们对创新探究试验的项目进行了更新，课程结构更突出专业的系统性，并引入问题教学，就实验教学的模式和教学手段进行了创新，试验数据的记录和数据的处理进行强化等。

2.1 实验项目的确定

2016年，应学校实验教学改革的要求，在沿袭最初1周实验学时的基础上，在《创新探究试验》课程中加入大量由老师的科研项目中提取出来的实验项目，实验学时延长至3周。初期选择的实验项目如图1所示。

图1 教师讨论选定的实验项目Fig.1 The experimentalprojects discussed and selected by teachers

将实验项目分为三类，包括基础实验、创新实验和项目驱动的实验。

(1)基础实验包括综合性和设计性两类实验，综合性实验将综合运用已经学习过的专业基础和专业知识，进行高吸水差别化纤维的制备和天然纤维素纤维接枝改性的尝试，分析实验原理，组合实验条件，并对所改性或制备的纤维进行性能的测试；而设计性实验包括三个实验项目，分别涉及纤维和塑料的成型以及性能测试，学生自己设计实验方案并论证和实施，以期使学生掌握聚合物成型加工和性能测试以及结构分析的知识。

(2)创新性实验，针对已经学习过的聚合物加工工程和聚合物溶液的相关知识，结合聚合物溶液细流凝固成纤的机理，设计微型湿法纺丝机，就老师提供的简单实验装备组装成套并应用于纺制聚丙烯腈纤维，分别考察聚合物溶液浓度、凝固浴组成、温度、纺丝速度等因素对纤维性能的影响。通过动手自制纺丝机加深对纤维湿法成型过程中各工艺要素的理解，提高实验兴趣。

(3)为了使学生了解学术前沿，改革中将增设项目驱动的实验项目，就教师的科研项目提取出几类实验内容，包括纤维的功能差别化及生物质纤维的再生成型加工和聚合物功能过滤膜的成型等，实验前学生按兴趣分组选择，然后与各类课题指导教师进行实验原理的探讨、实验方法的选择以及实验现象的记录和实验结果的讨论与分析等，使学生了解学科前沿，加深对专业的认识，并学习一些新的聚合物成型方法，拓宽专业视野，使该实验课程既接地气(基础)，又通前沿(教师科研)。

经历了两届学生的参与和实施后，学生通过虚拟实验可以加深理解湿法纺丝的原理，进行湿法纺丝的简单设计，但实际操作中由于涉及一些简单电器的组装和纺丝凝固浴、水洗浴的配置，此过程中教师很难顾及每位学生的安全，很难推广全班参与。然而通过实施过程中教师和学生的讨论和总结，最终设计并定制了微型湿法纺丝机，已经在高分子材料与工程16级的创新探究试验课程中应用。经过实验过程的尝试，经过教师与学生共同参与的讨论，并邀请校外专家对实验项目和教学方法进行鉴定，决定将实验项目改成了4个必做的基础实验+2个选做的项目驱动实验的模式，如图2所示。

图2 学生教师共同实施讨论后确定的实验项目Fig.2 The experimental projects determined after students and teachers implementing and discussion

2.2 课程结构的优化

我们将确定的项目驱动实验内容进行整合分类，将一些实验项目设计成如下的实验模式：①综合性实验：沿袭以前的实验方法，实验前预习实验原理和实验仪器，回忆实验操作步骤进行实验即可。②设计性实验：采用“问题式”教学模式，学生需要提前进行实验方案的设计，实验路径的设定，以及实验条件的解析和实验参数的设定等，分组进行网络虚拟实验的分析，实验进行各参数的尝试，实验结束根据制备的产品性能对比总结实验数据，写出实验结论。③创新性实验：同样采用“问题式”教学模式，学生分组与老师讨论通过湿法纺丝制备聚丙烯腈纤维中可能存在的问题，这些问题在纤维湿法成型中如何解决，然后分别寻找解决方案，进行网络虚拟实验的分析，并对方案进行论证，反映在实验仪器的组装上如何解决，最后通过组装仪器、纺丝、成品的纤维纺制过程获得有一定拉伸性能的纤维，通过纤维性能比较各方法和问题解决的对症与否。④项目驱动实验：项目意在将教师在研的科研项目拿出一部分让每个本科生参与其中，通过实际操作接触学科前沿，培养学习专业的兴趣并树立深入钻研的信心，培养学生正确的研究思路和研究方法，使学生进行学科前沿的研究与涉猎，激发学生热情及研究积极性，加深对专业的认识。

2.3 教学模式的改革

在沿袭原来实验方法中分组合作的基础上，引入如下新的教学方法和手段：①构建网络化虚拟实验室，在实验场地和实验仪器不能满足学生实验操作时提高学生对所提问题的认识和寻找解决思路，提高实验教学质量；②引入“问题式”和“案例式”教学，学生分组就聚丙烯腈纤维材料的湿法成型提出问题、分析问题、讨论问题，然后通过网络化虚拟实验室进行成型微型湿法纺丝机所需仪器的组装，然后实际配制聚合物溶液，通过纺丝实验获得纤维并检测纤维性能而解决问题，根据纤维制品的性质评判实验方案方法的优劣；③引入项目驱动的实验项目，参与课程改革的各位教师根据各自的研究课题提取适合学生实验操作的归类实验，学生根据个人兴趣选择实验项目，参与项目课题组的讨论和实验研究，激发学生参与实验研究的热情和积极性；使学生通过实验了解高分子使用的新途径，掌握一种高分子加工的新方法。

3 科研与教学深度融合实验教学模式的效果

3.1 学生受益

通过科研与教学融合实验模式的开展，使全体学生能够尽早地了解学科前沿，掌握科学研究需要经历的程序和实验过程，养成严谨的科研方法和科研习惯。对于综合性实验，学生已然掌握了综合利用已掌握的知识对实验过程和实验现象进行分析，对实验结果进行说明和解释；对于设计性的实验项目，学生已经学会就实验研究项目提出问题并进行研究方案和研究路径的设计，引经据典地对方案的合理性进行论证，然后通过实验获得结果并详细讨论和分析。在此过程中，学生经常围绕一个提出的问题进行小组讨论并择优选定路线，提高了学习的自主性和对科研的兴趣，使考研数量明显增加，2017以来已经连续三年专业学生考研数量比2016年增加100%。另外，通过科研与教学融合的实验环节，学生还可以总结分析数据，练习写作和发表科技论文或申请专利，并参与各种竞赛活动，丰富课余时间的生活。

3.2 师资建设

为了培养满足社会需求的应用型人才，教师的教育思想已经转变，教育观念已经更新，坚持以学生为本，以强化学生基础知识、基本技能、基本素质和创新实践能力培养为宗旨，以更新课程内容、重构课程教学体系为核心，以深化实验教学方法及手段改革为重点，以基础实验条件完善为保障，全面推进实验课程教学改革工作，完善实践教学质量标准，牢固树立实验课程教学在人才培养中的重要作用。因此，课程由原来2位教师+1位实验教师的教师组合扩大到全体教研室教师共同参与，积极发挥新进博士研究生教师在读书期间研究工作积累经验和研究成果的传播，既可达到老教师带新教师的传帮带作用，又可与时俱进，将一些工学博士掌握的先进实验技巧和工程方法融入实验教学，培养适应宽口径就业的创新应用型人才。

4 改革的思考和不足

改革的思考：将科研与教学深度融合应用于本科生的实验教学，对培养合格的应用型人才是积极的和可持续的。参与实验课程改革的2013级同学和2014级同学均已经毕业，目前就职于浙江恒逸石化集团公司，他们接受新知识和新技术的能力明显得到提高。2013级的毕业生(2017年毕业)在企业工作一年有余，已经有2名同学获得了“恒逸新人奖”，1名同学表现在解决车间难题时能力卓著，获得“操作小能手”称号。2014级的毕业生(2018年毕业)工作半年多，他们积极为企业献计献策，也分别为企业解决了一些难题。2015级学生申请专利1项，获得各种竞赛奖项多项等。改革的不足：由于项目驱动实验内容的提取来源于教师当前的研究内容，有一些结果还未得到充分验证，实验条件的微小变化，可能会造成结果的偏离，需要学生坦然接受。