开放实验室对材料科学与工程研究生创新能力培养的支撑作用

陈宇红 马金福 郭生伟 耿桂宏

摘  要：如何通过科研实践和训练环节以提高研究生的科研创新能力是研究生教育的一个重点。北方民族大学以开放实验室为基地开展研究生创新能力的培养，具体做法为：通过依托开放实验室建立研究生创新开放实验室，打破单一导师指导制，为研究生提供开放空间，优化实践培养环境;利用开放实验室的设备资源优势，为研究生创新提供条件支撑;通过开放实验室对外合作交流，为研究生提供了解学科前沿的窗口。这些举措为解决地方院校因缺乏高水平科研项目而对研究生科学训练和创新能力培养不足的问题提供了途径。

关键词：研究生教育;开放实验室;科研创新能力

中图分类号：C961 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）05-0018-04

Abstract： How to improve postgraduate students' innovation capacity through scientific research practice and training is core point of postgraduate education. The north Minzu University takes the open laboratory as the base to carry out the training of graduate students' innovation ability. The specific methods are as follows： Through establishing the innovation and open laboratories for graduate students relying on the open laboratory， the traditional tutorial system is broken. The open space is provided for graduate students， and the practice training environment is optimized. Make use of the advantage of equipment resources of open laboratory to provide conditions for postgraduate innovation support. Relying on opening laboratory to carry foreign cooperation and exchange program， it provides a window for graduate students to understand the frontier of the discipline. These measures provide a way to solve the problem of insufficient scientific training and innovation capacity cultivation for graduate students due to the lack of high-level scientific research projects.

Keywords： postgraduate education; open laboratory; research and innovation capacity

一、研究生科學训练和创新能力培养中存在的不足

随着新一轮的科技革命和产业变革，高等教育和相应的人才培养受到前所未有的巨大挑战，习近平总书记指出，“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈”。研究生教育是培养高层次人才和释放人才红利的主要途径，是国家人才竞争和科技竞争的重要支柱，是实施创新驱动发展战略和建设创新型国家的核心要素。按照教育部“研究生创新工程教育”的要求，在研究生阶段，研究生的科研创新能力是培养重点。研究生的科研创新能力主要包括：系统性思维能力、创造性思维能力和实践能力[1]。即运用所学知识，来创造新概念、新思路、新事物、发现问题能力[2]、主动产生具有创见型思维的能力、运用已有知识技能去解决实际问题的能力[3]。在研究生培养教育阶段，科研训练是研究生创新能力和实践能力培养的主渠道。李孝红等研究指出，研究生参与导师的项目研究，就是参与科研实践锻炼机会，有益于提高学生的科研能力和创新意识[4]。唐昆雄的研究指出，通过加强科研训练，鼓励学生通过积极参与导师科研项目，或自主申报各类科研项目，同时参加各类科研创新活动与社会实践，以培养自身的科研意识和创新能力[5]。

但是近年来，随着硕士研究生的招生规模不断扩大，研究生培养过程中也出现了良莠不齐的局面，使得研究生满意度尤其是硕士研究生的满意度不高。根据周文辉等对研究生教学满意度调查，研究生对课程教学、科研训练方面满意度相对较低。尤其是科研训练的满意度，仅为68%，低于总体满意度两个百分点。研究生对参与科研项目的学术含量评价不高，评价为一般及以下的占40.4%。虽然从调查中反映出研究生对学习期间从事科研项目的学术含量的满意度较低，但是对从科研训练中提升学习能力，提高自身学术素养方面的作用评价较高。调查结果也从另一个方面说明研究生的科研训练在提升学生的学习、创新能力中起到决定性的作用[6]。

但是，地方及西部院校由于地域限制和科研实力的薄弱，教师自身承担的重大科研项目较少，研究生的科研实践与“985”“211”大学相比，参与科研项目的机会相对较少。曾涛涛等对地方高校工科研究生创新能力现状调查分析显示，地方院校的研究生首先存在科研意识不强，其次，发现问题和解决问题的能力不强，并且对本专业学科的认识不足，只是被动地接受知识，自主进行创造性思维的意愿不强[7]。这样的结果是学生虽然对创新有一定认识，但由于学校创造的条件限制，往往不能把握学科的发展动态，不能将创新欲望转化成为具体的创新行动[8]。例如曹付义等认为其所在的河南科技大学据保守估计有超过30%的硕士生导师没有真实的科研项目，研究生也缺少最基本的试验条件，基本是闭门造车[9]。以北方民族大学材料学院为例，虽然材料学院在北方民族大学中的国家级、省部级项目获得数占较高比例，在导师遴选阶段也要求研究生导师必须有省部级以上的研究项目。但从数据来看，研究生导师有国家级项目的仅占导师数目的30%，也就是说，大部分研究生导师的项目的学术含量与高水平大学相比，有一定的差距。这与调查中反映出来的研究生对项目学术含量评价低的结果是一致的。

材料科学与工程专业作为典型的工科专业，除了要求研究生有本学科坚实的基础理论和系统知识外，还必须拥有独立从事科研实践工作的能力。在研究生的培养上更强调实践动手能力、科研创新能力和研究开发能力的提升，所以材料科学与工程硕士研究生培养模式中的科研实践和训练环节显得尤为重要。与其他工程学科类似，材料科学与工程学科要求有较高的硬件平台及相关经费支撑。为研究生教育创造足够的科研训练环境是提升地方及西部院校硕士研究生创新能力水平的一个重要问题。但是西部地区院校在近年来扩招的背景下凸显出设备不足，空间不足，科研经费不足，使研究生的实践能力培养受到较大的限制[10]。

二、北方民族大学利用开放实验室对研究生科研训练和创新思维培养的一些探索

北方民族大学材料科学与工程硕士点2011年获批，建设时间较短，又地处西部，与其他院校相比在教学师资、培养经费、设备条件上存在差距。这些问题也都在研究生教育中呈现出来。如何利用有限的资源培养研究生的实践能力进而提升学生的科研能力和创新能力是需要在研究生培养环节重点研究的问题。利用开放实验室支撑学生科研实践，拓展科研训练的渠道，成为一些高校培养研究生创新能力的一种方法[11]。北方民族大学经过几年的探索，结合自身的实际，在这方面摸索出以下经验和方法。

（一）利用开放实验室的空间，打破导师单一指导模式，实现学生科研空间的提升

开放实验室借鉴其他院校研究生创新基地“观念开放，时间开放，空间开放，实践开放”的理念[12]，在依托材料学院现有的“碳基先进陶瓷制备技术国家地方联合工程研究中心”“工业废弃物循环利用及先进材料示范型国家国际合作基地”和“省部共建粉体材料与特种陶瓷重点实验室”的研发平台，建立“先进陶瓷制备”创新实验室、“工业固废综合利用”创新实验室、“新能源材料”创新实验室等研究生开放实验室。

“观念开放”：即突破不同的专业方向学生的学科知识局限，将以前的研究生培养只在导师指导下进行的模式放在整个学科上，打破传统的“师徒传承”式的培养方式，使学生能够及时和不同研究方向的教师进行沟通和交流。学生可以接触到更多的不同类型、不同学科背景的老师，尤其是承担重大科研项目的高水平的教师，在与他们的交流过程中得到激励和启发，学习到不同的学科专业知识和技能，更好地促进学生创新思维的形成。

“时间开放”：即实验室对学生全时段开放，实验室聘用有责任心的研究生参与实验室的管理，使实验室可以对学生在假期和课余时间开放。学生通过在实验室内与其他学生的交流，自觉不自觉地形成合作学习，促进了学生自主学习和团队协作的能力。

“空间开放”：实验室对研究生全空间开放，使学生了解不同的学科的实验设备的功能，从中发现新方法。如有学生用普通马弗炉进行纳米材料的合成时总是因存在反应时间过长而导致合成的化合物不纯的问题，但在实验室发现微波烧结炉可以在较短的时间内进行反应，因此提出采用微波合成的方法解决了该问题。通过这样的发现，激发了学生对科研的兴趣，提升了学生的成长空间。

“实践开放”：由于西部院校和二本院校的学生生源问题，学生大多来自二本院校、三本院校，并且有部分跨专业的学生。以本校材料学科为例，研究生生源70%来自二本院校，25%来自三本院校，而且有近20%是跨学科学生，入学初期均存在一定程度上的在本科学习中实践环节教学缺失，实践能力不足等问题。很多研究生在本科期间大型设备实验是通过教师的演示实验完成，在研一刚进入实验室时对实验设备存在畏惧心理。通过在开放实验室的实验教学和实践，让学生能够在较短的時间内突破心里障碍，提高了动手能力，实现了学生在“做中学”。

（二）利用开放实验室设备资源，提高学生掌握大型设备的机会，优化研究生的培养环境

在研究生培养过程中，由于本学位点建设实践较短，课程设置大多集中在理论课程上，而导师的科研题目往往比较专业，学生对除专业之外的设备尤其使大型设备接触较少。鉴于大型设备主要集中于开放实验室研发平台，实验室鼓励学生积极参与到平台设备的日常管理工作中，每个开放实验室设置一定的管理岗位尤其是大型设备的管理岗位提供给硕士研究生，不但解决了家庭困难学生的生活问题，还使研究生在从事本身的科研实验之余能够投入到更多的大型设备的日常维护和管理中，锻炼了学生的动手能力，还使学生对设备产生兴趣。如学生在维护大型烧结炉过程中发现原有的烧结模具存在的问题，通过自主设计，联系生产厂家制作了合乎实验室要求的系列模具，使用后不但节约了成本，而且使用寿命有所提高。该生也在此过程中发现了创新的乐趣，坚定了从事科研的理念，并通过努力考上了清华大学的博士。

（三）结合研究生创新项目，利用开放实验室平台，提高研究生创新项目的水平

卡斯帕尔认为“科学和学术需要年轻一代的自觉参与才能得以发展。从长远来看，任何领域的学术和科学如果没有学生尽早地、积极地参与都不可能繁荣”[13]。科研实践作为研究生培养中关键环节，不但能够培养学生的科学研究素质，学生作为科研的新的生力军也能够促进科研工作的开展，进而推动学科建设。因此，无论是从学生的科学思维的建立，创新能力的培养还是从学科建设自身的要求来讲，都需要研究生尽早地参与到科研活动中来。为此，北方民族大学专门设置了研究生创新项目，要求研究生在完成课程学习之后就可以根据自身的研究兴趣开展科研活动从而提升研究生创新能力。学生独立完成创新项目的申报-研究-结项的过程基本体现了整个科研项目从发现问题到研究方案设计论证到科学研究实现或解决问题的完整科研创新过程，高质量地完成创新项目能够很好地培养学生地系统性思维能力和实践能力。但由于项目经费的限制，每个工科研究生创新项目经费只有八千元。要依靠项目经费完成高水平的研究难度很大。开放实验室采取研究生创新项目大型设备使用减免设备使用费，设备开放共享等措施，不但提高了大型设备的使用率，也为研究生创新项目高质量完成提供了支撑条件。这样保证了每一个研究生创新项目都发表了核心以上期刊论文。这些高质量的创新项目，使学生能够完整地进行一个项目的研究，并在此过程中学会科学研究的方法，了解了科学研究的规范，有效地激励了研究生对科研工作的热情，激发了学生科研潜力，培养了研究生的学术创新能力和解决科学问题能力。培养了学生解决大问题的思维能力，为今后在科研和工作中出更多更优秀的成果打下坚实的基础。

（四）利用开放实验室的对外合作交流的机会，为研究生了解学科前沿，开拓眼界提供机会

北方民族大学地处西北，学生整体英文水平较差，阅读外文资料的能力较弱，对学科前沿了解较少，因此在工作中经常体现出想法少，思路不开阔等弱点。而创新必须在了解学科发展前沿的基础上。学术交流是跟踪学术前沿，开拓学术视野的最有效的途径。开放实验室学术委员会委员大多为国内一流大学或研究单位在行业内的知名专家，依托开放实验室学术委员会资源，每年举办十余次讲座，邀请国内科研院所如中科院、清华大学、北京科技大学以及如俄罗斯、德国、美国等国外大学知名学者来开展讲学。这些大师的讲座扩大了学生的知识面，开阔了学生的视野，萌发和完善创新思想，激发了学生探索新的前沿知识的热情，提高创新水平。学者们在讲学中体现出的人文素质和情怀也深深感染学生，为学生综合素质的提高提高了积极的作用。近年来依托实验室平台，学科还大力承办的高水平的学术会议，在承办会议的过程中有意识地让学生参与组织活动，以此为契机，使学生能够近距离地接触国内外知名专家和大师，了解学科最新的科研成果，激发学生的创新意识。

（五）以开放实验室为平台，促进学生参与产教融合

由于开放实验室还承担对社会服务的工作，因此与企业的联系非常紧密，承担了多个企业委托的研发、产品检测等任务。在这些与企业产教融合的过程中，实验室有意识吸引研究生的参与，使学生能够了解当地产业发展的需求以及相关产业的发展现状，学习到如何将科研成果转化为实际工程应用，提升分析与解决科研问题的能力。如学生通过参与实验室与氧化铝粉体企业合作研发氧化铝造粒粉体的工作，系统掌握了高技术陶瓷材料制备上的主要设备。在工作后能够迅速与企业的实际工作接轨，为企业解决了关键技术问题，成为研发的骨干力量，两年内成为企业的研发部门总监。

三、实施后的成效

北方民族大学材料科学与工程学位点建设时间较短，经过这些探索和实践，在学生的工程实践能力和创新能力的培养上取得了一定的成绩。从2012年开始招生，到2018年共培养硕士毕业生30名，研究生到毕业时发表核心期刊以上论文人均1.6篇，其中有8位同学硕士期间在SCI期刊上发表论文，SCI一区论文3篇。学生积极参与到科研活动中来，申报研究生创新项目的热情高涨，2013年学校首次设立创新项目时，材料学位点的申报/立项比为1：1，而到2018年项目申报/立项比为2：1。通过在研究生期间的科研能力的培养，学生对从事科研工作产生极大的兴趣，多数学生立志通过攻读更高的学位，进而将科研作为终身职业。毕业生中有10人考取包括清华大学、南京大学、吉林大学、中南大学、厦门大学、北京科技大学、武汉理工大学国内知名大学的博士。学生在硕士期间的科研能力和创新意识也使其在博士阶段能很快融入新的研究工作中，尽快产出高水平的成果。学生在南京大学三年就获得博士学位，毕业后又回到我校任教，回馈母校。研究生毕业后从事材料行业的企业研发人员达到研究生比例的80%，很多已成为企业的技术骨干。1人获得2019年中国建筑材料联合会科技进步二等奖。从毕业生对学业反馈来看，学生对在学期间得到的系统、严格的科研训练给与了较高的评价。研究生教育保持了较好的培养质量。

四、结论

工科研究生的科研实践能力和創新能力的培养是研究生教育中的主要环节，研究生参与科研实践锻炼是提升研究生创新能力的主要方式，而在此过程中开放实验室可以起到与导师指导和参与导师项目研究相辅相成的作用。通过开放实验室的设备、空间、智力资源优势，为学生提供更好的科研设备及研究平台。提升开放实验室在研究生培养过程中的作用可加大研究生实践环节的训练力度，提高研究生对科研的积极性和创造性，促进研究生创新能力的培养。

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