基于科研项目的创新性实验建设路径探索——以河北水利电力学院“传热学”实验课程建设为例＊

李树谦，侯娜娜，王晓同，冯连元

（1.河北水利电力学院土木工程学院，河北 沧州061001；2.河北省数据中心相变热管理技术创新中心，河北 沧州061001；3.沧州市储热及低品位余热利用型电磁供热技术创新中心，河北 沧州061001）

按照《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020）》以及2019年教育部印发的《教育部关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》等文件精神，教育教学过程中需要强化实践环节的训练，促进社会实际工作部门、教学和科研三者的结合与发展。可见，实践教学是高等教育的核心，对于地方应用型本科院校而言尤其如此。

河北水利电力学院是河北省第二批应用技术类转型发展试点学校，对于实践教学的深度改革迫在眉睫。谈及实践，首先是实践教学的目的，文献[1-3]表明实践教学应以激发学生的创新意识、培养学生的创业能力、促进学生适应未来人才竞争为主要目的。实验作为重要的实践教学内容，对人才培养目标的实现具有重要作，同时也是提升办学和专业特色的主要抓手之一[4-6]。笔者拟通过分析我校建筑环境与能源应用工程专业的热工学类实验教学存在的问题，以及提出以科研项目子课题为依托的创新性实验课程，为我国新升本科院校应用型人才培养相关的实践课程体系的优化提供参考。

1 传统课内实验存在的问题

河北水利电力学院作为新升本科院校，其在实践教学方面存在一些短板和问题，特别是在课内实验环节，以建筑环境与能源应用工程专业的专业基础课“传热学”为例进行阐述。

首先，“传热学”课程实验的教学内容较为滞后，不仅与日新月异的传热学学术领域脱节较为严重，而且对于该门课程服务的后续课程，例如“供热工程”等，所涉及的储热供热等新技术的前导支撑作用没有发挥，更与2030年和2060年我国“双碳规划”对于节能供能的要求相距甚远。目前，学生按照以往课程实验进行机械的实验步骤的重复，缺乏引导学生思考有深度问题的空间，对该门课程要求的知识创新性较差。

其次，现有的“传热学”课程实验多以验证性和演示性为主，仅有少量的综合性实验和设计性实验，而研究性实验更是极度缺乏。这将导致课程实验与现实工程的要求相去甚远，学生一方面对实践操作的重要价值理解不深，另一方面由于缺少实验设计和数据的深入分析等重要环节，他们所能掌握的技能也很难应用于实际工程。

最后，由于历史原因和2020年新冠疫情的影响，目前“传热学”课程部分实验设备较为陈旧且配置不高，无优质和特色鲜明的实践教学平台，这制约了创新、高效的实践教学环节的实施。

2 承担科研项目专任教师的困惑

前述“传热学”课程实验硬件条件的不足严重限制了学生在更深、更广层次探索知识的欲望。然而，建筑环境与能源应用工程教研室博士教师数量较多，且承担的科研项目较多，包括国家自然科学基金面上项目、河北省教育厅教学改革项目以及企业委托的横向课题等，近2年累计达9项之多。由于河北水利电力学院为新升本科院校，目前并无专业硕士点，这导致承担科研项目的专任教师同样面临诸多困惑，例如教学和科研在时间上的冲突、无研究生参与科研导致进度严重滞后、花费很长时间设计与搭建的实验台而没有时间完成测试分析等。

以教学和科研在时间上的冲突为例进行说明。《学问的中心》一书的作者约瑟夫·本戴维曾指出：研究与教学并非自然匹配，只是在特定的条件下方可组成单一的结构。对于教师而言则是，其个人的工作时间有限，一方面需要付出精力完善和改进教学方式和方法，以满足教育教学业绩的要求；另一方面则需要时刻关注本研究领域的前沿科技动态，以提升科学素养和把握研究方向。

除了教学和科研在个人时间和精力上分配的矛盾，另一对主要矛盾也是新升本科院校教师面临的痛点问题，即参与科研项目的学生数量的匮乏。针对该问题，部分专任教师也提出过让本科生加入科研团队、从事科研项目的构想。然而，考虑到本科生知识储备有限、知识体系尚在完善阶段，此外，学生完成科研项目并不是本科阶段的必要条件，完全依靠本科生完成级别较高的科研项目难度极大。

以上分析表明，承担科研项目的教师缺乏人员和学生缺乏优质的实验平台这一突出矛盾如何解决，已然成为师生共同面临的现实问题。

3 基于科研项目的创新实验课程的提出

前述问题和矛盾的解决不是一蹴而就的，虽然通过与省内其他高校联合培养研究生的方式在一定程度上缓解了科研人员缺乏的压力，但是如何为本科生提供高质量的实验平台、培养其创新意识，以及帮助其寻找自身所学与工程实际的差距才是实践教学的核心任务。通过调研并结合实际情况，笔者经过约半年的探索和尝试，提出了一种基于科研项目的创新性实验教学模式，旨在依托教师的科研项目，使本科生参与高级别科研项目的部分研究内容，激发学生的科研兴趣和提升专业素质。

4 基于科研项目的创新实验课程的实施

4.1 实施目的

探索构建优质实践教学平台的实现途径，基于该类型实践平台开设具有前沿性、系统性和工程性特征的实验，提升学生的科研动力和实践能力，在强化实践育人的同时，也为大学生创新创业训练计划项目提供优秀素材。

4.2 实施条件

具有科研项目的教师和各级科研平台，是实现上述目的重要前提条件。以建筑环境与能源应用工程教研室承担科研和教改课题的教师组成创新性实践教学团队，团队核心成员6人，目前在研的课题涵盖国家级、省部级、市厅级和校级科研项目，此外还与沧州爱妮尔节能科技服务有限公司、杭州浸客智能科技有限公司等企业开展合作，致力于新型节能型加热装置和系统的研发，上述项目涉及的内容均与“传热学”或者后续课程密切相关。

在教师团队基础上，科研平台也是必须的。目前，依托土木工程学院和建筑环境与能源应用工程专业，已获批省、市、校级科研平台各1项。基于科研平台已建成若干套新型科研实验系统，包括储热型电磁供暖、微通道多相流传热传质测试、新型工业暖风机热工性能测试等。

4.3 实施方法概述

从教师科研项目中提取与本科生能力相适应、与“传热学”及后续课程相关的子课题，作为学生创新性实验的主要内容。参与的学生以建环专业大二和大三的学生为主，人数控制在30人以内，依据教师的课题研究方向，每5名学生成立创新性实验小组。在基于子课题的师生互选基础上，由相关教师每人负责1～2组创新性实验小组，从工程背景、文献调研与综述、设计技术路线、实施方案、实验开展、全面的数据分析等方面进行指导。以全面的数据分析为例，教师需要指导学生掌握数据的提取、无量纲准则数的获取、误差分析以及基于Origin等分析软件的回归分析和图形分析等。

在时间上较为灵活，每周二下午和周六上午连续4个学时，总学时数为80。每周六上午安排2个学时的分组汇报讨论，汇报形式为PPT答辩。在学生参与度上也较为灵活，特别是对于不考研的学生，如其有意愿，在完成第一轮创新性实验后仍可继续参加后续工作。

4.4 综合性考核方式

与验证性和演示性实验不同，创新性实验的考核方式主要包括过程考核和创新性实验结题考核两个主要部分，并注重从多角度、全方位考核学生对于实践类知识的掌握程度，具体实施方案简述如下。

过程考核内容主要包括：通过文献调研对课题的认知程度、实验方案和技术路线设计的合理性、实验台搭建过程中的动手操作能力、与小组成员和外协厂家的沟通协调能力、全面的实验数据分析能力以及分析软件的掌握程度。结题考核的内容则主要涉及创新性实验报告撰写的完整和规范程度、专利的申请和学术论文的撰写及发表、PPT制作以及答辩等。

5 结语

按照前述创新性实验的实施方案，河北水利电力学院建筑环境与能源应用工程专业2018级20名学生在4名教师指导下已进行了60学时的学习。通过参与创新性实验，同学们掌握或强化了文献调研、实验台设计与搭建、实验方案设计与优化、数据分析软件、三维绘图软件以及PPT制作与汇报的能力。鉴于创新性实验一方面很好地体现了学科前沿，另一方面也较好地模拟了现实工程，极大地激发了学生们对科研的深度认知和对专业的学习兴趣，较好地弥补了课内实验的缺憾。

尽管此类创新性实验尚处于探索阶段，但已取得了显著成效，深受学生欢迎。除实验设计和数据分析等能力的提升之外，已有2组学生利用已搭建完成的实验台申报了河北省大学生创新创业训练计划项目、1名同学成功获批河北省大中学生科技创新能力培育专项项目立项、3名同学参与了实用新型专利的撰写等。当然，创新性实验的长久实施和持续完善需要学校资金的支撑和承担科研项目教师的大力支持，也需要教师持续申报科研项目，以丰富和拓展创新性项目的实施内容。