浅谈科研对实验教学的建设与完善作用

张志利　周召发　常振军　赵军阳　段辉

[摘  要]在研究型院校人才培养模式与时俱进的大背景下，实验教学作为培养过程中的重要一环，也必须在机制上有所转变。实验教学的最终目标是培养新时代的研究型人才，需要院校发挥自我资源优势，在科学研究过程中反向推动实验教学的建设与完善，这也是研究型院校实验教学机制创新的入手点。教学与科研是研究型院校的两大主要职能，本文将从实验教学内容的改进、实验平台的完善、学生学习兴趣的激发、创新能力的培养几个方面探讨科研对实验教学的建设与完善作用。

[关键词]科研  实验教学  实验平台

基金项目：国家自然科学基金（52075541）。

十九世纪初，著名教育家洪堡就曾提出“教学与研究统一”“通过研究进行教学”的重要思想，在若干年的实践中，该思想得到了院校与社会的广泛认可，由此奠定了教学与科研相统一的重要发展理念地位。当然，任何一种观点、理论的提出，都会受到颇多质疑，对于科研与教学二者的内部关系，在历史上就曾出现过三种观点，即正相关、负相关与零相关。正相关，就是被普遍接受的一种观点，它认为科研与教学缺一不可，是内在统一的，二者不能脱离彼此而独立存在。教学和科研相互依赖、互相促进，呈现出了一种正向发展的关系。负相关则认为，教师需要兼顾家庭、生活、日常性事务等，所以其在学校的精力有限，无法教学、科研一手抓，否则会适得其反，二者皆输。而零相关是指科研和教学是完全独立的两个个体，二者之间没有任何实质性的关系，不存在谁影响谁的问题。

我国传统的人才培养模式多以教师为中心展开，强调课堂教学，注重理论知识传授。该模式已无法适应新时代的发展需求，因此，如何逐步转向以培养学生的综合素质为核心的新模式是高校当下需要考虑的问题。对于理工科方向来说，实验教学有着举足轻重的地位，它是联系理论与实际的枢纽，能将书本上的知识运用在物理世界中真实可见的对象上，是内化理论知识、提高学生动手能力、培养学生创新意识的核心步骤之一。近年来，将科学研究与实验教学相结合是教学改革的一个重要方向。本文基于该导向，从科研如何推动实验教学的建设与完善这一角度提出几点看法。

科研推动实验教学内容的建设与完善

实验教学内容的更新与完善依赖于科学研究的日积月累，在新时代背景下，实验教学内容不能仅停留在传统知识层面，填鸭式地给学生灌输，而应在此基础上，将科研团队获得的最新研究成果，以及解决实际难题的新科研思维方法融入实验教学中，引导学生从新视角看待问题。科研成果包含申请的科研项目、发表的学术论文、获得的科研奖项、授权的发明专利等，教师应用这些高水平科研成果时，部分可以整理到对应的理论章节中，部分可以作为研究前沿、当下热点等。教师要从科研工作中挖掘教学资源，收集更多的素材及研究成果，不断完善自身知识结构，更新知识体系，提高实验教学的水平，为提高实验教学质量奠定坚实的基础。在教学过程中，教师除了要与学生加强互动外，更要探索如何启发学生形成解决问题的思路。总的来说，科研能保证实验教学内容的先进性和实践性，可有效提高实验教学质量。

目前，高校与科研院所的实验教学培养模式主要分为如下三个步骤：学生课前预习；教师课堂讲解；学生在实验课中按照实验设计方案执行实验操作流程。对于一些基础课程的实验教学，该模式仍有着较好的教学效果，但对于融合科研成果之后的实验教学，该做法已无法适应。融合了科研成果的实验教学具有专业基础知识要求高、实验周期长、传感器类型复杂、软硬件知识相结合等特点，与传统教学模式相比较，科研型实验教学方案应尽可能避免循规蹈矩，需结合不同实验的特点，以及学生的总体水平灵活地进行“量身定制”，力求让学生学有所成，而非“走一遍”的形式化流程。例如，车载惯性导航实验平台的初始对准实验就是典型的科研型实验教学。进行初始对准实验时，首先，教师讲授基础理论知识，组织学生熟悉车载惯性导航实验平台，学生根据自身兴趣选取初始对准实验中具体的某部分实验内容，如数据采集与信号滤波处理、姿态矩阵粗略对准、姿态矩阵精确对准、多矢量对准等。学生不必做多做杂，而是集中精力做好某一小的方面即可。因为在这个过程中，很多相关部分也会被连带涉及，做好某一方面，其余部分也能达到触类旁通的效果。定好具体的实验内容之后，学生学习该部分内容所涉及的实验仪器配套说明书等文件资料，对配套实验仪器的注意事项、使用方法等有一个详细的掌握。然后，是非常重要的一步，在文献检索网站检索与实验内容相关的文献，并在教师的带领下学习实验室近年来的科研成果。学生可在文献阅读过程中重新认识理论算法背后的数学原理，以深刻理解不同学者所提算法的思想及精髓所在，再结合实验操作彻底掌握知识点。这样的实验流程会对学生今后的研究生学习起到一个良好的科研启蒙作用。最后，学生在教师的指导下制订具体可行的实验方案，细化实验过程中的每一个步骤，最终完成实验，通过实验数据评价实验效果。车载惯性导航实验平台的初始对准实验中会涉及很多具体的传感器，比如陀螺仪、加速度计、里程计、星敏感器、高度计等，不同的传感器能衍生出很多可供学生操作的实验内容。这样的实验教学为学生在专业领域的起步提供了一个很好的锻炼模式，避免学生刚开始接触专业知识就心生恐惧。科研型实验教学完全不同于传统的实验教学，给了学生尽可能大的自由度，鼓励他们主动探索、主动解决问题，主动将数理知识运用到工程实践中去，而非一直被教师牵着鼻子走，让学生从最初的抵触实验转变为接受实验，最终对实验很感兴趣。只有在这样的实验教学过程中，才有可能真正提升学生的主观能动性，为其未来的科研生涯打下一个扎实的基础，培养良好的习惯。

科研推动实验平台的完善

研究型院校作为年轻学子学习专业理论文化、提升专业技能水平、培养创新能力的基地，不仅承担着教书育人的职责，更具有推动社会向前发展的使命。实验平台作为高校各个院系中不可或缺的一部分，既代表着高校在科學研究领域的影响力与生命力，又为高学历研究型人才的培养提供了可重复实验的条件，同时也是支撑院校重点学科发展的物质保障。因此，实验平台的持续完善升级对一个学科，甚至整个高校学术水平的提升都有着不可忽视的作用。高校应不断为实验平台赋能，并基于实验平台进一步解决重大科研难题，提升教学团队的整体科研水平，这也是当代院校发展之需要。

目前，各个高校基于自身的优势学科，在实验平台的支持下协助国家级或者省部级重大科研项目的执行，凭借人才储备优势与充分的经验积累进行关键技术的理论研究。对高校实验平台所涉及的科研项目进行深入研究可发现，在原理上对某项技术或某项指标可能取得较大突破时，多会遇到实验平台无法满足科学研究要求的情况，此时则需要进一步完善升级实验平台，以匹配理论上带来的突破。例如，基于车载惯性导航实验平台研究如何提升导航精度时，通过理论推演、仿真实验可以发现，引入星敏感器，融合了恒星星光信息后，会对整个导航系统的导航精度有一个明显的提升，能有效抑制惯性器件的误差漂移，因此，需要在原有的车载惯性导航实验平台中集成新的星敏感器硬件设备，对理论成果进行试验验证，以确保科研成果的实际运用效果，让科学研究在实验平台的完善中发挥作用。再如，传统的车载导航实验平台都是基于人为驾驶的，而某些特殊客户希望在未来能够实现导航车的自动驾驶。对此，科研团队需要针对该需求进行项目预先研究。与前述类似，在完成项目内容的理论推演与仿真实验后，需要在原有车载导航实验平台上集成用于人机交互、系统管理、控制决策、主从通信等任务的主控计算机，以及用于探测障碍物、前后车辆位置和速度的激光扫描探测仪、用于路径识别和车辆跟踪的CCD摄像机、用于探测车辆周边状态的超声探测传感器等硬件设备。基于新的实验平台，可通过试验验证理论研究的正确性与可行性，再反过来进一步改进理论。如此，在科学研究的推动下，可促使高校逐步完善实验平台，提高研究水平，加大研究深度，从根本上落实探索性实验与验证性实验的内容，满足研究型院校实验教学的根本要求，提高实验平台的研究层次。

科研激发学生的学习兴趣

长期以来，实验教学环节都存在一些共性问题，比如，实验教学内容一般按照理论课程的知识点进行设计，并未与时俱进，未考虑当下的社会实际，缺乏“应用性”与“时代性”；教师设计的实验课程内容并未形成一个有机的整体，互相之间的耦合关系不强，实验内容缺乏“系统性”，无法将专业内相互联系的专业课程、数理基础课程贯通起来，导致学生对本专业重要内容缺乏整体概念。长此以往，很多院校的实验渐渐成为一种“走过场”的形式，对学生实践能力和创新能力的提升产生了明显的限制作用。在融入科研成果、优化实验教学体系后，实验教学的教学模式应逐步向以学生为中心转变，增加专业科研问题讨论、实验等环节，让学生通过对科研问题的思考与探讨，去寻找解决问题的方法，这往往比得到一些“漂亮”的实验结果更有意义。教师应结合实验教学内容，将团队科研成果灵活地展现给学生，再引导学生阅读相关高水平科研论文，编写程序代码。经过消化理解并取得一些突破后，学生可将相关内容整理出来用于师生间的专题讨论，该教学模式提高了学生的参与度和学习兴趣。

经常参与科研项目的教师通常会对不同学科之间的交叉和逻辑关系理解得更到位，能够有机地结合教学和科研，使实验教学的内容更丰富，引导学生从不同的视野理解知识。以组合导航这门课程为例，与组合导航相关的课程较多，如高等数学、矩阵论、概率论与数理统计、随机过程、数字信号处理和理论力学等，倘若教师仅照本宣科，而不能融会贯通地把这些课程的内在关系联系起来，那么学生就很难深刻理解一些知识点，看到课本上的一个个公式也会望而却步，更别说能将不同章节的内容串联起来了。如此，学生学起来就十分痛苦，没有丝毫乐趣，仅是为了能够通过考试而强行记忆，考完试就忘得一干二净，在该门核心专业课程上没有丝毫收获，只感受到了煎熬。而经常参与科研项目的教师能够有效整合各学科及课程之间的关系，让学生在学习过程中从原理上、本质上去理解每一个知识点，在此基础上，才能有效地将不同章节的内容融会贯通，实现理解记忆、轻松学习、灵活学习，打下坚实的专业基础。另外，有扎实科研基础和丰富科研成果的教师能够将国内外最新的知识和信息传递给学生，在教学上如鱼得水，容易形成自己独特的风格，实践证明，这种风格往往是学生所接受的，且能带来良好的实验教学效果。

科研成果的引入加大了教师与学生的互动，通过相互之间的共同探讨与协作，可加深学生对实验教学内容的理解与掌握，提高师生的团队合作能力与整体的创新水平。学生亲眼在实验教学过程中看到教师的科研成果，能够拉近学生与教师的距离、与科研的距离，发挥学生的主观能动性，提高学生自主思考、主动分析问题并力求解决问题的能力。

科研与实验教学相结合 提高学生的创新能力

与国外某些知名院校相比较而言，目前我国高校与科研院所在人才培养模式方面比较突出的问题是缺乏创新性，尤其是本科生的创新意识培养方面，短板非常明显。我国大部分高校的教学模式是“课堂教学，讲授专业知识”，相对来讲具有一定的封闭性。学校较注重传统知识传授，而没有与工程实际相结合，也没有与产业需求相呼应，使得学校培养出来的人才与社会需求不相匹配，无法进一步推动社会向前发展。此外，大学千篇一律的考试制度，以考试分数作为单一的评价标准，都会对学生的创新能力培养、主动探索精神产生影响。当前，部分学生容易迷失自我，喜欢随大流，总是把精力放在如何提高考试分数，如何获得各种附加分，等等，而不是在大学四年的学习过程中寻找心之所向，去发掘自己真正感兴趣的方向，并能够沉下心来把理论基礎打扎实。因此，如何通过课堂教学、实验教学等手段，激发学生的创新意识，培养出能够促进社会持续发展的高技术人才是当下时代赋予大学的紧迫课题。如今，培养具有科技创新能力的大学生不仅是国家的需要，也是社会的需求和时代的主题。所以，科学研究在高校教育中格外重要，因为优秀人才的创新意识和创新能力培养始终离不开科学研究的熏陶。

从学生创新能力培养这个角度出发，教师可以将实验室申请的科研项目内容进行凝练，提出一些好的科研课题，将其运用于实验教学中。如在社会生产实践中遇到的科学难题，让学生据此查阅文献资料、开展集体讨论，并给出解决方案，锻炼他们解决真实难题、形成科研思路的能力。这些科研课题会区别于以往课程作业性质的课题，既能激发学生的创新思维，又具有实际意义和研究价值。学生可通过参与各种创新课题的研究，不断拓展知识面，了解掌握学科前沿，紧跟学科发展动态，学会理论联系实际，提高自身创新能力及工作能力。在解决问题的过程中，学生能够更加清晰地体会到哪些学科的基础课程、专业课程更加重要，从而反向推动自己查漏补缺，打牢理论基础。当学生对科研项目感兴趣时，教师应引导学生发现科研项目中的问题，敢于提出质疑，表达自己的想法，多开展创新性实验。对创造发明有浓厚兴趣、学有余力的学生，教师应多给予指导、重点关注，鼓励他们自主设计、自主完成实验，使其不断产生创新思维和创新意识。这类学生在步入研究生阶段后便可更快地迈向更高层次的台阶，未来更有机会在科研中实现重大突破。针对学生的实际能力和兴趣，可以让学生组建科研团队，在教师的指导下参与一些较简单的科研项目，这种科研团队的参与形式，不同于班级教学的集体学习模式，对学生创新能力、科研精神的培养具有非常好的效果。组建科研团队的目的就是让学生通过集体学习和集体研究，实现团队创新，进而实现自我提升。

结  语

科研作为高校主要职能之一，是高校活力的源泉，而教学质量是立校之本，以科研促进教学，是提高人才培养质量的重要途径。将科研融入实验教学，在促进人才培养质量提高的基础上，给实验教学计划渗透创新能力培养，这是一种全新的教学理念。实验教学机制的创新还依赖于实验平台的持续完善改进，实验平台对于研究型学习的落实有着积极的指导与促进意义。高校可通过科研完善教学内容，使之紧跟学科前沿，激发学生学习的兴趣，促进创新人才培养，提高教学水平和教学质量。

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