开放高校科研实验室 培养学生创新实践能力

陆紫生， 王如竹， 柯 霞， 罗伟莉

(上海交通大学 机械与动力工程学院, 上海 200240)

0 引 言

高校科研实验室作为培养创新人才的基地、实施科技创新的摇篮，是提高教育教学质量、提升科学研究水平的重要支撑平台，也是学院办学综合实力和核心竞争力的具体体现。实验教学对加快创新人才培养，提高教育质量具有不可替代的作用[1-4]。国家质量工程和中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)也强化实践教学环节作为主要任务之一。同时，我国高校正努力进行“双一流”建设，其主要任务是加强人才培养、提高自主创新能力和产生有重大影响的原始创新研究。这都要求高校要深化改革，寻找更多的培养创新人才的改革突破口。所以，本文首先研究国内高校现有的科研实验室开放政策，再以博弈论视角，分析影响管理方和科研实验室方策略选择的影响因素，研究如何建立合理的长效机制。

1 国内外研究现状

国内外大学针对本科生的科研活动做了大量的探索。CarolH. Pazandak(1990)所著的“提高巨型大学的本科生教育”等研究了美国大学本科生科研活动[5]。例如MIT的本科教育旨在帮助学生获得应对现代社会挑战所需要的知识和能力，训练学生关注社会价值和社会目标。所以，MIT为学生提供了针对不同年级的本科生研究计划、校级实习计划、系级实习计划，使学生有机会学习、探索在各个领域的知识[6]。国内学者对于本科生的科研活动也进行了深入摸索。黄秋如在“论经济类专业本科生创新能力的培养”中提出改革传统的教学模式，学校应积极创造学生参加科研活动的机会，努力营造科研氛围，通过科学研究实践为培养学生创新实践能力奠定良好基础。 山东农业大学利用各方资金购买先进的仪器设备，同时建立了时间、内容、实验器材的“三开放”制度，为学生进行科研探索提供服务。张红光等通过全面开放实验室，实行本科生导师制，组建混合型研究团队，组织并鼓励学生积极参加科技竞赛，建设合理的保障与激励机制，引导科研与学科优势转化为教学优势[7]。孙婕等提出选择品学兼优、学有余力，有较强的独立思考和创新意识，对科学研究、科技活动或社会实践有浓厚的兴趣和坚强的毅力，能在不影响正常学习的情况下开展创新实验的学生，让学生直接参与到老师的课题组中，或者学生自己选择感兴趣的课题，根据课题方向有目的选择与研究方向一致或相近的“导师”，进行一对一的指导。李艳霞等[9]提出了“课内学习— 自主思考— 课外实践— 体会创新”分步骤、多层次的创新型人才培养方式，通过全方位开放实验室、提供与课程配套的课外自主实践活动等方式，研究、探索、构建开放性实践教学体系，实现教—学—研互动共赢，切实提高人才培养质量。王蒙军等[10]提出将科研成果应用于实验教学，让本科生积极参加科研项目，同时让科研实验室以及科研平台全面开放，建立校内实践创新基地等措施来积极开展本科生科研活动。陈建真等[11]提出实施教学科研一体化的教学模式，依托实验教学示范中心和科研实验室，以实验课程、科研项目、学科竞赛等为载体，实施教学科研一体化的教学模式，使教学内容与科研、社会应用紧密相连。张红光等[12]提出实施本科生导师制，开放实验室，单独设课的实验课，为本科生设立大学生科研训练项目。支持学生自由组合、自主选题申报、聘请专家评审指导、课题研究开发直至结题验收。文献[13-14]中分别研究了上海交通大学如何更好地将国家实验室建设好，以尽快实现创新型国家的目标。另外，上海交通大学在实践问题导向学习教学法方面做了有益的探索。文献[15-17]中对教学/科研实验室以及测试中心实验室的经费设置与管理、监控门禁设计等方面做了相关研究[15-17]。

然而，如上所述，国内科研实验室在培养本科生创新能力方面还有诸多需要提高的地方: 例如，相比国外知名大学，国内缺少政府、社会以及高校统一规划。例如，美国国家科学基金、私人基金会项目、高校形成有机整体，对本科生的科研活动进行多层次全方位地支持。另外，国内高校对科研实验室缺少激励机制。科研实验室的教师指导工作量未得到充分重视，未能在薪资以及职称评定得到相应的体现，这有损科研实验室教师的积极性。此外，对学生的实习效果缺少完善的质量评估系统，现阶段的评估过分重视科研成果以及获奖情况，未能真正激发学生的好奇心。

2 博弈模型

科研实验室开发的博弈模型中有两个主体，① 是科研实验室管理方，② 是科研实验室的实际负责方。管理方的策略可以选择配套相关的实验室开放支持政策，也可以选择不配套相关政策；类似地，科研实验室方可以选择对外开放，也可以选择不开放。双方的收益矩阵如表1所示。

表1 双方的收益矩阵

表中：S1为科研实验室在不开放时的平均基准获益；c为科研实验室开放时付出的人力、财力以及设备耗损等；ΔS1为科研实验室开放后带来的收入以及影响力收益；a为科研实验室开放后收到上级管理方的奖励；S2为管理方在无配套支持政策时的平均基准收益；ΔS2为科研实验室开放后给管理方带来的收入以及影响力收益；R为上级对管理方配套政策的支持；F为上级对管理方无配套支持政策的惩罚；f为管理方对不开放的科研实验室的处罚；x为科研实验室开放概率0

根据收益矩阵的分析，得到做实验人员、管理人员采取不同策略时的收益函数为：

U1=y·(S1-c+ΔS1+a)+

(1-y)(S1-c+ΔS1)

(1)

U2=y(S1-f)+(1-y)S1

(2)

V1=x(S2-a+ΔS2+R)+(1-x)(S2+f)

(3)

V2=x(S2+ΔS2-F)+(1-x)(S2-F)

(4)

双方的动态复制方程为：

x(1-x)(ya-c+ΔS1+yf)

(5)

y(1-y)(-xa+xR+f-xf+F)

(6)

雅克比矩阵为

x(1-x)(a+f)

(7)

雅克比矩阵的行列式和迹公式分别为:

detJ=(1-2x)(ya-c+ΔS1+yf)·

(1-2y)(-xa+xR+f-xf+F)-

x(1-x)(a+f)y(1-y)(-a+R-f)

(8)

trJ=(1-2x)(ya-c+ΔS1+yf)+

(1-2y)(ya-c+ΔS1+yf)

(9)

分析雅克比矩阵的行列式和迹，其局部稳定性分析如表2所示。复制动态方程有4 个平衡点, 分别是(0,0)、(1,0)、(0,1)和(1,1)。

表2 局部稳定性分析

动态趋势及稳定性如图1所示。由图可见，在A、B、C、D不同的分区中，双方采取不同的策略，但可以改变参数设置，从而改变管理方和科研实验室方的策略收敛值。

(a)

(b)

图1 动态趋势及稳定性

3 博弈双方策略论分析

举例来说，例如当S1=5，c=5，ΔS1=2，a=5，S2=30，ΔS2=10，R=3，f=1，F=1，管理方提供配套的政策的概率分别为0.9和0.1。此时靶点坐标为(0.7，0.5)，科研实验室的策略变化如图2(a)所示。由图2(a)可见，当管理方的策略不同时，科研实验室方的策略的收敛值是不同的。即管理方提供配套政策的概率大于靶点的纵坐标，科研实验室方最终会选择开放。科研实验室方的初始意愿越高(t=0时)，其收敛于1的时间越短。当管理方提供配套政策的概率小于靶点的纵坐标，科研实验室方最终选择不开放。当科研实验室方开放概率分别为0.9和0.1时，管理方的策略变化如图2(b)所示。由图2(b)可见，当科研实验方的策略不同时，管理方的策略的收敛值是不同的。即科研实验室方的开放概率大于靶点的横坐标时，管理方的策略的收敛值为0，而且初始值越高，其收敛于0的时间越长。当科研实验室方的开放概率小于靶点的横坐标，管理方的策略的收敛值为1。以上结果显示，如果开放制度中的支持参数设置不科学，在本位利益的驱动下, 科研实验室方与管理方各自采用了混合策略，双方的策略都处于不确定状态。

(a)(b)

图2 做实验人员策略变化以及管理人员策略变化图

4 理想策略条件

双方的理想策略应该是管理方配套支持制度的概率，以及科研实验室开放的概率都收敛于1。改进配套支持制度的参数设置，例如减少科研实验室开放时付出的人力、财力c值，管理方增加对科研实验室方开放行为的奖励a值，上级单位增加对管理方配套政策行为的奖励R值，增加管理方无配套政策的处罚F值，此时靶点向右下方移动，如图3所示。当S1=5，c=1，ΔS1=2，a=7，S2=30，ΔS2=10，R=6，f=1，F=2，管理方配套支持制度的概率分别为0.9和0.1时，科研实验室方的策略变化如图3(a)所示。由图3(a)可见，当管理方的策略不同时，科研实验室方的策略都收敛于1。当科研实验室方开放的概率分别为0.9和0.1时，管理方的策略变化如图3(b)所示。从图2(b)可以看出，虽然科研实验方的策略不同，当管理方的策略都收敛于1。以上分析表明，合适的参数设置，可以实现理想策略，即管理方配套支持制度，并且科研实验室进行积极开放。

(a)

(b)

图3 做实验人员策略变化以及管理人员理想策略

5 国外一流大学开发科研实验室政策

高校科研实验室对本科生开放，可以利用丰富的、优质的科研资源，促进学生将所学知识转变为能力，促使学生运用所学的理论知识分析问题、提出新思想、新理论，涉及新实验，探索新观点，获得新的技术或发现。另一方面，科研实验室的大型仪器设备的使用状况并不理想，使用率较低，投资效益较差。科研实验室通过加大开放力度，可以提高设备的利用率，提升对学生素质的培养能力，以及提高对外的宣传力度。国内外著名大学都积极开放科研实验室，支持本科生科研活动，如表3所示。从表中可以看出: ① 国外大学对科研实验室方的激励较大。同时，对教师对本科生的科研指导质量也一样重视。有完善的教学与科研考核评价体系。对本科生的科研指导质量与教师的聘用、晋升以及薪资等挂钩。这有力地保障了科研实验室老师的积极性。② 国外大学对学生的资助力度较大。例如美国国家自然科学基金委、政府机构、私人企业到各种基金会以及大学本身，一起提供多种本科生研究机会基金和奖励，确保本科生可以得到多层次全方位的资助，对感兴趣的各种课题进行创新性探索。

表3 国内外著名大学开放科研实验室，支持本科生科研活动计划

6 结 语

基于博弈论分析现有高校关于科研实验室开放的制度，研究结果表明: ① 管理方的配套支持制度中参数的设置对科研实验室的开放效果有显著影响。当参数设置不合理时，科研实验室方与管理方各自采用了混合策略，双方的策略都处于不确定状态。② 通过合理的参数设置，例如减少科研实验室开放时付出的人力、财力c值，管理方增加对科研实验室方开放行为的奖励a值，上级单位增加对管理方配套政策行为的奖励R值，增加管理方无配套政策的处罚F值，可以使得管理方和科研实验室方都采取理想策略，即管理方配套支持制度，同时科研实验室方积极开放。③ 国内相关组织应该积极拓展资金来源，加大对本科生参加科研的支持力度。国内高校应进一步激励教师进行本科生科研指导。完善对教学的考核评价体系，重视教师对本科生指导的工作质量。教师对本科生科研指导工作质量应该被作为聘用、晋升以及薪资评定的重要依据。