国家重点实验室培养大学生创新能力实践教学

李少波 王磊 朱传奇 范浩 胡浩 刘斌

摘要：培养具有科技创新能力的大学生，是我国实施创新强国的重要环节。高校作为培育创新型人才的重要基地，往往忽视高校创新人才培养的实践教学。而且目前普通高校科研实践平台无法满足教学要求，影响了大学生创新能力的培养效果。国家重点实验室作为重要的科研平台，拥有高端的创新人才和先进的仪器设备资源，能够开展科技创新实践教学，基于虚拟仿真教学、人工智能实验学习等不同教学模式，有效提高了本科生创新能力。采用“问题导向式教学—启发式教学—互动式教学”的教学方法，培养学生理论结合实践的能力，通过开展不同形式的科研实践教学，对培养大学生科技创新能力具有重要作用。

关键词：科研实践  大学生  实验室  创新培养

中图分类号：G642.0    文献标识码：A

Abstract： Cultivating college students with scientific and technological innovation ability is an important link in the implementation of an innovative power in China. As an important base for cultivating innovative talents， colleges and universities often neglect the practical teaching for the cultivation of innovative talents in colleges and universities， and the current scientific research practice platform of ordinary colleges and universities cannot meet the teaching requirements， which affects the effect of the cultivation of university students innovative ability. As an important scientific research platform， the State Key Laboratory has high-end innovative talents and advanced instrumentation resources， which is able to carry out practical teaching of science and technology innovation， and has effectively improved undergraduates innovation ability based on different teaching modes such as virtual simulation teaching and artificial intelligence experimental learning. The teaching method of "problem-oriented teaching—heuristic teaching—interactive teaching" is adopted to cultivate students' ability to combine theory with practice. Through carrying out different forms of practical teaching of scientific research， it plays an important role in cultivating university students scientific and technological innovation ability.

Key Words： Scientific research practice; College student; Laboratory; Innovative cultivation

科技是國家强盛之基，创新是民族进步之魂。国家重点实验室作为国家级的科研平台，汇聚了大量高科技人才，集聚了高端的科研仪器设备，是我国科技创新的重要实施平台[1-4]。高校国家重点实验室往往是研究生及以上学历的学生及教师进行科研实验的场所，忽视了本科生参与科研的需求，对本科生创新培养贡献很少，不利于本科生创新能力培养[5-6]。

目前，有部分高校已经开展科研实践教学，科研实践教学对于培养大学生科技创新能力有一定的帮助，但存在的问题如下：（1）学校科研设备及平台达不到教学要求，尤其是地方“双非”高校；（2）对科研实践教学重视不足，科研实践教学效果无法量化，高校管理者仅重视理论教学；（3）学生积极性不足，由于以往实践教学模式比较单一，学生参与积极性不够，且全校大学生专业比较多，涉及的行业比较广，实验室的研究方向比较聚焦[7-8]，以笔者所在的安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室为例，实验室专业特色为煤矿安全开采，主要开展深部煤矿采动力学响应与灾害防控的基础与应用基础研究，主要研究方向包括深部煤岩体采动力学响应、深部开采多场耦合灾变机理及煤矿深部采动灾害防控。

高校本科生人数较多，专业覆盖较广，以笔者所在的安徽理工大学为例，安徽理工大学拥有6个博士后科研流动站，6个一级学科博士点，33个二级学科博士点，21个一级学科硕士点，109个二级学科硕士点，87个本科专业。学校科研平台较高，本科生数占全日制在校生总数的比例为90%以上，本科生资源丰富。因此，有必要充分利用丰富的本科生资源，调动本科生学习的积极主动性，使得本科生参与到科研活动中，有力促进科研人员的科技创新，形成良性循环。

1 創新能力培养途径

针对培养大学生创新能力的目标，通过介绍国家重点实验室科研水平、科技团队精神，增强学生对实验室的了解，培养大学生参与科技创新的兴趣，启发科技创新精神。根据教学目的制定针对性教学方法，主要包括互动式教学、问题导向式教学、启发式教学，具体教学方式如下。

1.1 实验室参观学习

利用实验室进行科研实践教学，组织大学生到国家重点实验室进行科研认识参观，通过实验室宣传视频、宣传展板、宣传手册、科研成果展示墙，详细介绍采动国家重点实验室科研水平、科技团队精神，了解国家重点实验室的研究方向及取得的研究成果，感受实验室浓厚的学术氛围，由实验室科研人员与实验人员讲解实验仪器的功能及进行的科学研究。

以笔者所在的国家重点实验室为例，开展科研的大型仪器设备包括数字岩芯X射线扫描系统、瓦斯煤岩动静组合加载系统、煤与瓦斯突出模拟试验系统、MTS-816岩石力学试验系统、微机控制万能试验系统、智能机器人实验室、虚拟仿真实验室、试样加工实验室、相似模拟实验室等。通过带领学生对目前实验室大型仪器设备进行现场认知，并配合教师的讲解，使得学生能够了解高端仪器设备功能，掌握设备的使用原理，启发学生创新思维。

1.2 创新项目指导

实验室设立“大学生创新创业项目”，对于申请进入实验室开展“大学生创新创业项目”，由实验室进行筛选，并评选优质项目给予资助，项目实行导师负责制，导师负责大学生创新创业项目的指导，并负责对项目报告及项目成果进行审核。大学生进行科研论文检索、现场调研、试验方案设计、试验设备使用及试验数据分析等科研实践活动。在整个科研实践过程中导师给予学生亲自实践的机会，锻炼学生的动手能力及分析解决问题的能力。

本科生通过负责“大学生创新创业项目”的实施，参与项目的最大意义不在于做出来的项目能够真正孵化出一个技术创业公司，更大的意义在于在这些项目中训练出大学生正确思考问题和解决问题的能力出来，培养出创新和创业的意识和思维。通过对实验室大型仪器设备的学习和使用，可以将理论知识和实践技能结合起来。通过与科研人员的近距离接触与交流，可以掌握最新的科研动态和学科发展的方向，有助于延伸和拓展知识面，提高大学生科研能力，为自身的科研创新活动奠定基础。

1.3 科技创新比赛参与

科技创新比赛一直是培养本科生创新能力重要途径，通过组织大学生参与科技创新比赛，基于国家重点实验室的科研平台，激发大学生参与比赛及科技创新的热情。而且能够让本科生及时了解实验室开展的科学研究情况，及时掌握当前国内外的研究热点及研究动态，培养本科生开展科学研究的浓厚兴趣，提高本科生团队创新能力。

通过科技创新比赛教学实践，深刻体会到开放性创新实验在培养自主学习能力，激发创新意识，提高创新技能，培养创新素质中所起到的重要作用。本科生参与国家级科技创新比赛如“挑战杯全国大学生系列科技学术竞赛”“互联网+大学生创新创业大赛”，结合实验室的科研设备，设计比赛课题，在参与比赛的过程中，实验室组建高水平团队给予专业指导，保证高质量完成比赛。

2 实验教学模式创新

2.1 问题导向式实验教学模式

问题导向式实验教学方法根本在于开放性，包括开放的实验教学主体、实验教学方式、实验教学目标、实验教学内容和实验教学资源。教师在课堂开始时，向学生抛出问题，并引导学生制订具体可行的研究实验方案去解决，在学生制订实验方案及操作实验仪器过程中给予针对性的指导。问题导向式实验教学模式能够体现了学生的主体地位和教师的主导作用，展现了创新能力培养的开放性与综合性。

2.2 启发式教学理念

启发式教学就是采用启发诱导办法传授知识、培养能力，使学生积极主动地学习，促进学生身心发展。积极引导学生在思考问题的同时，启发学生创新方法，举一反三，不拘泥于现状，大胆创新，推陈出新。好的科技创新教育要充分挖掘人的潜能，让学生大胆思考，充分实践，完成自认为做不到的科技创新。

实验教学是培养大学生科技创新的重要教学方式，是理论与实践、抽象与具体相结合，培养学生创新意识和实践能力的重要载体，承担着其他教学环节不可替代的作用。所以，进一步加强实验教学模式创新，以学生为本，给学生以更大的自由空间，培养学生的创新意识和创新思维，推动创新型人才队伍建设具有十分重要的意义。

2.3 互动式教学理念

互动式教学是以学生主体为核心，教师与学生互动交流为主，共同建立民主、和谐、热烈的教学氛围，让不同层次的学生都拥有参与和发展机会的一种有效的教学方式。这种方式以学习者为主体，通过鼓励学生互动参与教学过程，使学习者能深刻地领会和掌握所学的知识，并能将这种知识运用到实践中去。

在本科实践教学方面，创新实践教学方法，并通过教育教学实践，将最新的科研成果引入到实验教学当中，极大地激发了本科生考研及参与与本专业相关科研项目的热情。采用“问题导向式教学—启发式教学—互动式教学”的教学方法，基于国家重点实验室这个平台下，本科生学习到该领域最先进的设备与操作方法，认识从理论到实践的整个过程，并能够很好地将理论与实践结合起来，提高本科生参与科研活动的积极性。

针对培养大学生创新能力的目标，根据大学生创新能力的要求和现代高等教育的发展趋势，从实验教学方法方面进行创新，基于实验室教学设备，创新不同实验教学模式，如“虚拟仿真实验教学”“人工智能实验教学”等，可以有效提高大学生的科技创新能力。

3 教学模式创新

目前我校国家重点实验室主要科研人员及研究生专业为采矿工程、安全工程、机械工程及地下工程等工科专业，因此对于其他专业如经管、财会等本科生创新能力培养就会存在一定的困难。所以国家重点实验室应该主动打破专业壁垒，针对不同专业本科生创新培养需要，开展多种形式的本科生创新实践及科普教育活动，并制订针对性的教学大纲，目前实验室教学形式包括虚拟仿真实践教学、参与科研项目、人工智能实验学习等。

3.1 虛拟仿真实践教学

安徽理工大学采动国家重点虚拟仿真实验室为实验教学提供了一个大场景宽视野的3D教学环境，通过虚拟现实技术及三维建模技术，创造出一个1﹕1的虚拟场景。实验室可用于大型工程三维漫游、高精端仪器虚拟拆装及操作、危险系数较高的实验环节操作过程演练、不可逆公共安全灾害应急展示等。

虚拟仿真实验室LED小间距立体显示系统作为虚拟仿真教学平台关键性硬件系统，系统具有高分辨率、超宽视野、立体显示等特点。系统在硬件、软件设计上已充分考虑到系统的安全性、可靠性、可维护性和可扩展性，存储和处理能力满足远期扩展的要求。教师采用交互设备，模仿真实世界的实验、实践教学过程，学生佩戴立体眼镜，仿佛置身于真实的操作环境中，提高学生参与感与主动性。

针对理工科专业本科生，本系统可以在网上开展的虚拟仿真实验系统，系统逼真形象地模拟真实实验场景，以及实验用到的器材和设备。目前，实验室虚拟仿真实验系统包括立井表土段施工工艺实验、立井基岩段施工工艺实验、立井冻结法施工工艺实验、斜井施工工艺实验、巷道快速施工工艺实验、数字化矿山建设实验和沿空留巷施工工艺实验，通过这些实验的操作学习，可对矿山建设工程的学习起到重要作用。通过虚拟仿真实验的操作学习，可对矿山建设工程的学习起到重要作用，有利于采矿工程、地下工程及安全工程专业本科生认识实践。

通过国家免费的实验空间网站资源，访问国家虚拟仿真实验教学课程教学平台，访问针对不同专业开发的实验教学项目，主要包括智能实验室、虚拟仿真实验课、线上实验课、线上线下混合式实验课等课程，涵盖工学、理学、经济学、医学、文学、生物科学、体育学、植物学、历史学等专业。学生可以在宿舍通过访问互联网、学习和开展科研实践，这种学习模式有着比较大的优势，能够激发大学生创新意识，培养高级思维和应变能力，全面提高学生发现、剖析解决问题的综合能力。

3.2 科研项目及科研设备使用

对大学生而言，通过参与国家重点实验室开展的各项科学试验研究，不仅锻炼了动手能力，让学生走出宿舍，走进实验室，在理论学习之后能够积极进入实验室动手做实验，使得理论与实践结合，更重要的是在实践过程中，形成符合优秀科技人才所具备的科技创新精神和素养。

国家重点实验室通过采取设立创新课题项目的形式，支持本科生创新活动，提高本科生参与科技创新的积极性，还可以采取学生参与教师的科研项目的形式，在教师的指导下，真正参与到具体的科研项目，培养学生的创新及协作能力。

科研设备使用方面，指导教师主要从仪器设备简介、设备功能、设备应用、使用操作介绍，让学生了解设备原理，掌握设备使用方法，并结合参与的创新课题，主动制订实验方案，利用实验室实验设备开展科学研究，有力促进本科生科技创新。

3.3 人工智能实验学习

位于国家重点实验室的智能机器人实验室是基于机器视觉的机电综合创新平台，平台围绕机器人领域的应用，通过各种模块的组合可体现出现代工业特别是制造业中大多数设备的机械结构和控制特性，并可以模拟数控加工、3D打印等现代数字化设备的特性。

针对机械工程、电气工程、人工智能等专业本科生，人工智能实验平台能够培养大学生对机电传动结构认知能力、电气控制系统分析能力及运动控制算法设计、图像处理等的能力，全面培养学生应用所学机械设计、电气驱动、运动控制及机器人技术理论知识解决实际工程问题的能力。

4 实践教学意义

通过开展针对性的本科生教学实践，革新教学方法，打破传统教学模式，创新了教学方法，对大学生科技创新能力培养具有积极的意义，主要意义如下。

4.1 开拓大学生视野

通过实验室参观学习，让本科生参与科研项目，参加科技创新比赛，充分利用实验室科技创新平台及资源，提高大学生理论结合实践的能力，极大地扩展了本科生创新思维。

4.2 丰富科研实践教学模式

通过创新实践教学方法，丰富了本科生实验教学方法，实现了理论学习和实践学习的结合。积极指导学生参与“挑战杯全国大学生系列科技学术竞赛”“互联网+大学生创新创业大赛”，培养本科生科技创新能力。

4.3 提高本科生创新能力

通过参与实验室科研项目，使学生对科研实验及创新实践有了深刻系统理解，可增强学生对专业的认识，增强团队合作能力，为学生今后的科研工作打下坚实的基础。基于虚拟仿真教学、人工智能实验学习等不同教学形式，针对不同专业本科生有效提高教学质量，提高本科生创新能力。

5 结语

国家重点实验室作为重要的科研平台，能够开展各种科技创新活动。通过组织实验室参观、创新创业项目指导、参与科技创新比赛等不同形式的科研实践教学，对于培养大学生科技创新能力具有重要作用。采用“问题导向式教学—启发式教学—互动式教学”的教学方法，培养学生理论结合实践的能力，分析问题和解决问题的能力，激发学生学习的主动性和创造性，提高学生学习积极性。通过国家重点实验室开展的大学生科技创新实践教学，显著提升本科生科技创新能力。

参考文献

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[2] 刘开强，高亮，王峰.国家和区域实验室的建设过程中高校的深度融合[J].实验室研究与探索，2022（41）：153-157，168.

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[8] 原帅，张娟，郭英彪.地方应用型高校多方协同育人模式创新与实践[J].科技资讯，2022（20）：147-150.

通信作者：李少波（1990—），男，硕士，助理实验师，研究方向为矿山压力与岩层控制，E-mail：lsb1467@163.com。

基金项目：安徽理工大学校级资助一般项目（xjyb2020-01）；安徽理工大学大学生科普创新及科研育人示范项目（KYJ202113）；安徽高校协同创新资助项目（GXXT-2020-055）。