面向本科生的科研实验教学探索与实践

郑双凌， 徐 珺

(清华大学 水利水电工程系，北京 100084 )

面向本科生的科研实验教学探索与实践

郑双凌， 徐 珺

(清华大学 水利水电工程系，北京 100084 )

高校实验教学是极为重要的实践性教学环节。传统的实验教学多以演示和验证实验为主，内容单一，实验设备发展相对滞后，制约了学生实验技能的培养。将科研与实验教学有机结合，可增强学生的专业兴趣，培养学生的实验能力、创新意识及团队协作精神。基于面对水工专业大二学生开设的水工结构实验原理与认识课程，介绍了开设该课程的原因、课程的主要内容、教学方式及面向对象，分析总结了科研实验教学的经验及面临的问题，旨在探索出一种实验教学与科研有机结合的教学模式，以研促教， 教研相长，同时让学生了解最前沿的科研知识，掌握必要的实验研究技能。

科研实验教学； 教学模式； 水工结构

0 引 言

培养什么人和如何培养人，是高等教育面临的重要问题。高校实验教学是极为重要的实践性教学环节，是理论学习与实验研究的桥梁，在培养学生实践能力、独立思考和解决实际问题能力、创新能力及严谨的科学态度等方面，具有其他教学环节无法替代的作用[1]。

传统的实验教学往往隶属于理论教学部分，实验设备、方案及步骤均已固定，且实验内容单一，多是演示和验证性实验。教学模式以实验教师讲解和实验示范为主，学生只需按实验指示书重复实验教师讲解的步骤，对学生的实践能力及解决问题的能力要求较低，严重制约了学生在实验环节的积极性及独立思考能力。且当今社会科技水平发展迅速，实验教学仪器却严重滞后。

目前，国家和高等院校都很重视实验教学的改革，关于实验教学改革的研究较多，其中以实验室建设、实验教师队伍建设以及实验教学方式改革等方面探索为主。如按照基础训练、综合实验、设计创新实验3个层面组织实验教学，改传统的封闭实验室为开放型，改验证性实验为设计型实验，逐步减少演示和验证型实验的比例，增加有利于扩大知识面的综合性、设计性实验[2-7]。

在传统的基础实验平台上进行创新设计和实验，条件受到限制，若将科研项目和实验研究引入到实验教学中，实验教学不受传统固定模式的约束，学生自主性强，其实验能力、创新意识及团队协作精神将得到全面的锻炼[8-16]。钱伟长院士[17]在谈论教学与科研的关系时说：“大学必须拆除教学与科研之间的高墙, 教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育。”教学是科研的前提和基础条件，科研是提高教育质量和层次的关键。

为此，面对水工专业大二学生开设了水工结构实验原理与认识课程，让学生在本科阶段提前认识实验室、了解科研，通过具体科研试验让学生进一步理解实验原理、设计原则和实验技术，将理论学习与实验相结合，增强学生的专业兴趣，以及水工专业的理论知识与实验能力。本文通过总结科研实验教学的经验及面临的问题，旨在探索出一种实验教学与科研有机结合的教学模式。

1 科研实验教学的实践方式

1.1科研实验教学内容

水工结构实验原理与认识课程主要依托水利系水工结构实验室，结合实验室有特色的科研项目进行实验教学，从理论与实验认知方面培养学生的专业兴趣和实验能力。根据实验室的主要研究方向及科研项目内容，开设的课程共有水工材料实验、水工结构实验、水工水力学实验3类，分8个专题实验，分别为大三轴静动力实验、混凝土破坏实验、混凝土材料特性实验、堆石混凝土材料实验、大坝抗震模型实验、地质力学模拟实验、水岩耦合智能模型实验、水工水力学模型实验等，每节内容分为课堂理论学习与实验室实验认识和操作两部分，介绍水工材料、水工结构、水工水力学等原理、实验技术及关键问题等，具体的实验如表1所示。

1.2科研实验教学方式

表1 课程主要内容

本课程8个专题实验，主要以理论与实验教学相结合的方式，每个专题实验安排6学时课程，3学时理论课和3学时实验课，这样交替进行。因选课人数较多，为保证实验课效果，理论课形式为大班集体上课，实验课则为小班分组实验，将一周中的某天定为该实验室的教学开放日，学生当天任何时间都可以进行实验，避免了实验室容量有限，学生时间冲突，或是实验时间有限等问题。学生学习完理论知识后，有一定的理论基础，再进入实验室，可变被动学习为主动探索，提高自己的实验能力，同时，分组实验让学生的团队协作能力也得到锻炼。

1.3科研实验教学对象

水工结构实验原理与认识主要面向水工专业的大二学生。学生进入大学学习1年，已有一定的理论基础，但对专业的了解极为有限，对自己所学专业及发展兴趣浓厚，专业可塑性强。此时，根据学生需求，让学生深入各实验室，通过全面的了解，适当的接触科研项目和实验，并动手操作，可激发学生兴趣，学生也有更多的时间进行学习思考，选择将来的研究方向。

对于部分学有余力的学生，实验课程结束后，可选择自己有兴趣的课题，加入实验室课题组，进行更深入的实验研究工作，或是申请参加清华大学SRT(Student Research Training)计划、“挑战杯”竞赛等，培养自己的综合科研能力。

课程结束后，学生普遍反馈对科研实验有极大兴趣及对课程的肯定，并提出实验是该课程的灵魂，希望能更多的参与动手实践。其中最具代表的一份反馈意见是：“本门课程的理论课……帮助我们开阔了眼界增长了知识……与每节理论课相对应的实验课上，老师带领我们参观了涉及到的各个实验室，将课堂上的内容直观展现在我们眼前，让我们在参观甚至动手过程中加深了理解，对所学知识留下了更为深刻的印象，为以后可能会进行的研究工作打下了基础；课后的总结报告形式自由，有利于我们自己对所学内容进行反思总结并有所收获，又不给我们太大的负担。在对这样好的一门课程这一学期的学习中，我收获颇丰。”

2 科研实验教学中应注意的问题

(1) 科研与实验教学的有机融合。科研具有探索与创新性，而实验教学则要求具有可操作性，教师需要合理设计实验内容，把控全局，积极的引导学生进行实验。如何结合学生专业，将科研成果转化实验教学内容，让学生从科研实验中了解专业前沿，掌握先进的实验方法，并提出自己的见解，实验结束后，分析研究问题并进行总结，给出实验研究报告。

此外，科研任务因有时间预期，而实验教学时间基本固定。科研实验不像演示实验或验证性实验，有成熟的实验指示书，完成实验所需时间短，随时都可进行。随着科研实验任务的推进，各时间段学生可参与度、知识可理解度、完成实验所需时长等均不一样，如何将两者有机结合，需要教师有选择、有计划地提前合理安排。

(2) 实验教学方式。因科研实验均各不相同，其独特的专业特点，使得每个科研实验教学都是一个全新的内容，不可复制模仿。实验仪器也有其自身特点，如危险性或大型精密仪器必须专业人员操作，或实验周期较长的仪器，完成一项实验，需要数天或数周。因此，不同的科研实验，根据其实验内容及仪器特点，必须选择合适的教学方式。

教师在本科生接触科研实验初期，导师作用极为重要，以学生为出发点，如何选择合适的科研内容与实验教学方式，积极引导学生，是科研与实验进行有机结合的重点和难点。

(3) 科研实验教学设计。教学的主要任务是培养学生，因此科研实验教学内容选取及课程设计，首先应站在学生的立场，了解学生的需求；其次，考虑实验的安全性，以及适于教学的可操作性，提高实验教学效果；最后，结合科研实验的特点综合设计教学方案。

3 结 语

随着科学技术的发展，知识更新周期越来越短。高校实验教学作为实践教学的重要组成部分，不可恪守传统的实验教学与仪器，必须进行改革创新。科研实验教学是未来高校实验教学的发展方向，将科研引入高校实验教学，进行有机融合，结合专业特点，探索实践一种合适的教学模式，以研促教， 教研相长，同时让学生了解最前沿的科研知识，掌握必要的实验研究技能。

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[17] 钱伟长. 大学必须拆除教学与科研之间的高墙[J]. 群言, 2003(10): 16-20.

ExplorationandPracticeofScientificResearchandExperimentTeachingforUndergraduates

ZHENGShuangling,XUJun

(Department of Hydraulic and Hydropower Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Experimental teaching is very important in universities. The content of traditional experimental teaching is mainly demonstration and verification experiments, and the experimental equipment is developing slowly, these all restrict the cultivation of students’ experimental skills. The organic combination of scientific research and experiment teaching can enhance the students’ interest in major, cultivate the students’ experimental ability, innovation consciousness and team cooperation spirit. Based on the course named “Experiment Principle and Understanding of Hydraulic Structure” for sophomore students, this paper introduces the reasons of the courses, the main content of the course, object-oriented teaching method, and summarizes the experience and problem of research experiment teaching. It aims at exploring a new teaching pattern of organic combination of experiment teaching and scientific research, and promoting both research and teaching, while allowing students to understand the forefront of scientific research knowledge and master the necessary experimental research skills.

scientific research and experiment teaching; teaching models; hydraulic structure

G 642

A

1006-7167(2017)09-0160-03

2016-09-28

北京市自然科学基金(9152010)；清华大学本科教学改革项目(ZY01_2)；清华大学实验室创新基金(00401)

郑双凌(1979-)，女，湖北京山人，硕士，工程师，主要从事水力学实验教学工作。Tel.：010-62789454；E-mail:zheng-sl@tsinghua.edu.cn