“创新性”实验对大学生科研能力的培养研究

王 燕，李金辉，徐志峰，王瑞祥，刘晋彪，王 颖

(江西理工大学 冶金与化学工程学院，江西 赣州 341000)

随着全球社会高速的发展，新时代大学教育的教学目标发生了重大的改革。2006年11月，教育部启动了“国家大学生创新性实验项目计划”，旨在探索和建立以问题和课题为核心的教学模式，进行以本科生为主体的创新性实验改革，强调实验过程中的自主性学习，独立思考，鼓励学生进行创新性设计，加强思维和方法训练，力争培养一批具有潜力的拔尖型创新人才[1]。只有培养出大批具有创新思维和创新能力的创新型大学生，才能使我们有能力参与日趋激烈的国际竞争，并保证在竞争中立于不败之地，大学生创新性实验计划是教育部为了提高本科教育质量、培养创新型人才的一项重要举措[2]。随后，各大高校相继根据自身实际制订了新的教学方案，开展了大量的前沿的试验项目，引进了新型硬件实验设备，构建了适合自身状况发展的创新性实验模式。通过此项目的顺利进行，给本科生提供了一个进入国家(省)实验室和创新实验室深入学习的机会，帮助学生养成独立思考、勇于动手、自主实践的创新意识。当然，在此实验模式的开展中也要求教师拥有较硬的条件，知识基础深厚、实验视野开阔、科研阅历丰富。而在拥有国家政策、学校项目、老师指导的情况下，创新性实验对大学生科研能力培养的成效如何，主要是由学生这个主体所决定的。对此，笔者结合具体的创新性实验例子，分析和探讨创新性实验对大学生这个主体科研能力培养研究的理解与认知。

1 创新性实验的特点

1.1 创新性

创新性实验旨在充分发挥学生自主学习和创新实验的能力，鼓励学生结合学科专业，引导学生深入了解实验、参与实验，在其过程中调动了学生学习的积极性、主动性，激发了学生的创造性思维与创新能力的意识[3]，特别注重实验的创新点或是其创新性理念与实验方法的提出。

1.2 主导性

在创新性实验中许多教师对“创新”的认识不够深刻，简单地认为只要科研设施和实验条件满足学生的需求，就可以让学生自由发挥。实际上学生专业基础不够深厚，盲目设计缺乏一定的可行性，甚至有些学生在遇到问题时得不到及时的解决，失去新奇感和耐心。教师应当及时跟进发现学生存在的问题并给予一定的指导，帮助学生克服困难，调动学生的科研兴趣和自主创新意识。

1.3 主体性

主体性即实验的每一步都是由学生自己参与完成，即实验课题的确定、资料的查阅、方案的制作、仪器的操作、数据的记录与处理及实验报告、论文专利的撰写等，指导教师则是负责给予适当的实验课题方向、实验操作技术上的建议提示，还有因学生知识的不完整性、不系统性和不全面性，指导教师要负责学生实验尝试过程的安全性，以免发生不必要的伤害与损失。

1.4 过程性

以往的实验大多是对书本上成熟的理论知识进行验证，帮助学生深刻理解和加强记忆，不能有效地培养学生的学习兴趣和创新能力。但是，创新性实验很好地弥补了不足，鼓励学生在实验过程中不怕困难、勇于探索。它促使学生不仅充分运用课本上的基础理论知识，而且还学会查找课本以外的图书、著作等，让学生亲自实践科学探索的过程。

2 创新性实验应遵循的实验原则

2.1 安全性原则

设计创新性实验时应避免使用危险品和易挥发试剂，考虑实验过程中潜在的危险并做出应对方案。例如，在实验中用到酒精灯加热这一环节，学生要清楚酒精灯的规范安全操作和应急处理措施，提前准备好湿毛巾等灭火工具，远离易燃易爆物品，使用完毕后严禁用嘴吹灭火焰，必须用灯帽盖灭。

2.2 科学性原则

创新性实验不是毫无根据地任意想象，而是以正确的、完备的理论知识为依托，并及时更正以往错误的、落后的知识体系，保证创新的科学性。

2.3 可行性原则

设计创新性实验时综合考虑现有的条件，尽量选择常用的药品、仪器及可行的设计方案。如在生物体中几种元素的鉴定实验项目中，学生对鉴定磷元素进行了创新设计，利用元素分析仪测定生物体中磷元素的含量，实验中把磷元素转换成为磷钨酸，由于磷原子在磷钨酸中作为杂原子，含量很低，此创新设计测定的磷元素的含量误差较大，故该创新设计不可行[4]。

2.4 前沿性原则

在创新性实验设计中优先选用尖端的测试技术。比如将硫酸亚铁铵的制备实验增设成为创新性实验时，学生利用傅立叶变换红外光谱仪在4000～400cm-1范围内测定了产品的红外光谱，利用TG/DTA7300综合热分析仪将制备的样品置于特定环境中改变其温度或维持在固定温度，由高灵敏天平观察样品重量变化及温度差电偶测量相变化状况，进而推测材料特性与组成比例[4]。

3 创新性实验过程中学生科研能力的培养

3.1 更新观念，教学手段多样化

良好的创新活动，离不开扎实的知识基础，学校应重视基础课程，选派经验丰富的教师担任重担；教学中，使用多媒体辅助教学；与此同时，引入慕课平台，提供给学生与重点学校共同学习的机会，互相交流，开拓眼界；对学生定期开展分析测试课程培训，提高专业实践技能；一些操作简易，10万以下的仪器，适当加大学生的参观和开放使用，激发学习热情；加大教师对科技社团的指导，制定教学计划和活动策划，并保障正常开展的基础条件。总的来说，科研创新是一个持久的过程，引入丰富的教学方法，可以较少学生的疲劳感和烦躁感，多种教学方法的实施，也可以促使学生选择一套适合自己的学习方案。

3.2 培养学生独立思考、自主学习、敢于质疑的科研精神

独立思考，自主学习是科学研究工作者的基本素质，质疑精神，是科研工作者取得创新性成果的必备要求。在老师的指导下，培养学生独立思考、独立分析、自主学习新的实验知识或技能的能力，并勇于质疑常规，批判不合理之处，运用多角度的思维去剖析问题、解决问题，从而帮助学生树立求异意识和培养质疑能力。创新性实验的设计过程，是创造性思维能力锻炼的过程，实验探索过程中有利于激发人的各种思维如形象思维、抽象思维、辩证思维、灵感思维和直觉思维等[5]。与以往实验课程相比，创新性实验更具有探索性，在创新性实验中指导老师只会给一个大致的方向，剩下的需要学生和自己团队进行思考实验的课题及内容。这里笔者以浙江大学临床医学一组参加“创新性”实验的学生为例，导师在开始时给出了“钙蛋白酶，炎症，学习记忆”三个关键词，要求课题的选择与这三个词语有关。根据查阅的资料显示：钙蛋白酶在炎症的发病机制中发挥了重要作用；并且，炎症，尤其是神经炎症和学习记忆能力间密切相关。但是，钙蛋白酶与学习记忆能力间的关系不明确。经过一个星期的阅读、分析、讨论，最终确定以“探究钙蛋白酶抑制剂对内毒素(LPS)诱导的神经炎症小鼠学习记忆功能的影响”作为小组课题，采用LPS建立神经炎症模型，以小鼠为实验研究对象，用Morris水迷宫评价小鼠的学习记忆能力[6]。

3.3 培养学生严谨的科研态度

化学是以实验为基础的一门科学，利用化学方法合成的产品给社会带来便利的同时也具有危险的一面，如实验用品储存、使用方法、实验操作，整个过程中都需要严格按照规定进行，否则引发的后果是非常严重的。严谨的科研态度既是对自己负责又是对他人负责。一次实验的失败并可怕，由于化学的高危性，一时疏忽大意，危及的是自身和他人的生命安全。这里以西北农林科技大学学生参加“创新性”实验项目为例，起初，学生们认为课本上的基础实验步骤很简单，因此不用心学习，但在实验时，污染试剂、误扔实验试剂等错误频犯。甚至有一次，学生连续几天DNA的提取量都较少，始终找不到原因，最后在老师的指导下，发现没有冷冻离心，然而在实验方法上清楚地写明了4℃离心[7]，所幸的是这个失误没有造成其他的伤害，只是实验失败，但一个小的错误可能延迟你的实验进度或让你与真正的实验结果擦肩而过。因此，想要在有限的时间内得到正确的实验结论就必须保持严谨的科学态度。但现状并不乐观，尤其体现在学生上实验课程时常常迟到早退、甚至不认真做实验，抄写别人的数据或胡编乱写做假数据，像这种不正之风一定要坚决纠正[8]。因此，指导教师要严格把关，鼓励和监督学生保质保量地完成任务，端正学习态度树立现代大学生的良好形象，为他们将来走向社会，承担更大的责任打下良好的基础[8]。

3.4 培养学生坚韧的创新创造精神

坚韧的创新创造精神是实现创新的保障。创新不是一蹴而就，在创新过程中，将遇到各种艰难扰乱学生从事科研的心志，所以教师需要培养其探寻真理的乐趣，不怕吃苦的勇气。化学是一门需要实验的学科，是一个不断解决问题、继续前进的过程，许多原理上已经非常完备的内容，在试验中多次尝试却始终存在未知原因导致最终失败。面对屡次的失败，一方面通过搜寻各种资料寻求原因，并且尝试改进; 另一方面要有乐观坚毅的精神，相信自己、坚持做下去[9]。英国心理学家G·Wallas在《The Art of Thought》中将创造归结成四个过程：准备期、酝酿期、明朗期、印证期。而创新性实验教学的实践过程则包括有：前期资料搜集、根据资料提出假设、分析可行性、实验验证、分析试验结果得出结论。可以看到整个实验教学的过程基本符合创造的四个阶段，即学生在经历探索性实验教学时就已在潜移默化中进行着自我创造与创新。并且因而从形式上来看，创新性实验教学完全可以作为一种创造力和创新能力的培养教育模式[10]。

3.5 提升学生参与科研的积极性

目前大多数学生上实验课时懒懒散散，甚至认为是浪费时间草草完成任务。为了准确了解学生的实际情况，武汉大学的专家们发起了对科研兴趣的问卷调查。表1为部分调查结果，结果显示参与者的兴趣是大于未参与者的。对此，填写问卷调查的学生表示老师在课堂中侧重理论知识的讲解，枯燥无味，没能感受到科研实验的无穷魅力，所以毫无兴趣可言。

表1 对科研兴趣的大学生人数

兴趣是最好的老师，培养科研的积极性，可以从培养兴趣开始。通过定期开展科普公开日、竞赛实验周、科研文化月等系列活动，向大家展示科研的魅力，并设计相应的奖励制度，激发学生参与的积极性。此外，对指导教师赋予更多的自主权，让其有展示自己科研课题的平台和机会，从而吸引更多的学生参与，并对老师给予相应绩效的奖励。科研是探索真知的途径。然而受当今教育体制限制，学生虽然考试成绩高，但是难以体会到科研探索的乐趣，而产生乐趣是参与科研并取得一定成果的关键所在11。

3.6 培养学生的团队合作精神

科研是一项集体工程，仅靠一个人的智慧单干不会有太大成就。目前大多数大学生学生都是独生子女，从小就是生活在温室里的花朵，不擅长与人相处，缺少独立组织活动或开展实验项目的能力，团队意识也较为薄弱8。而实验项目的实施离不开队员的相互合作，团队精神不仅在大学生创新性实验中起重要作用，长远来看，对学生毕业后的工作与生活也有着极大的益处12。比如开展测量土壤中元素的含量的简单探索实验时，土壤标本的野外采集更需要协调合作，有负责选取、采集土壤样品的、负责记录的、负责照相贴标签的等。参与课题开展的学生，其团结协作能力都得到了极大的锻炼与提高，他们懂得如何分配每项任务，充分发挥各自的特长与优势。于此同时，研究进程的顺利开展还离不开老师们的悉心教导，以及研究生师兄师姐们的热情帮助。

3.7 加强学生的思想道德建设

在创新性实验过程中，还要注重学生的思想道德建设。特别是从事化学领域的学生，不做危害国家、社会、他人的科研创新，不追逐个人名利，损人利己，加强集体主义的使命感和成就感，引导他们学习老师不求回报只讲奉献的大无私精神。另外，在此过程中，还需处理好经济效益与科研之间的关系。打破传统观念“重理论、轻应用，重研究、轻开发”的影响，注重与社会的接轨。我国是一个人口大国，要想推动国民经济快速发展，必须依靠科技创新。作为学生、教师，用自己智慧的结晶，造福于人民，服务于社会，这是我们的责任和义务，也是我们努力的动力源泉。例如针对腐蚀造成的巨大经济损失、停产停工、设备损坏、环境污染等问题，化学人士开始从事此方面的研究，先后利用环氧树脂涂层、石墨烯涂层等到纳米粒子ZnO修复的复合涂层，经过一代代的刻苦钻研，努力用自己的智慧和汗水改善现状。

4 对进行创新性实验出现问题的认知

目前各个高校开展的创新性实验，总体已经取得了预期的结果，但其中也存在一些问题。笔者总结有以下几方面：(1)宣传不到位、学生参与比例不高；(2) 指导老师布置的任务不切实际；(3)学校给予创新性实验的科研条件有限。针对以上问题，提出三点建议：a.加大宣传力度。现在大部分学校基本采用一到两种传统方式进行宣传，笔者认为不仅利用学校的报纸、宣传栏、网站等传统媒介，而且结合微信公众号、微博等新媒体进行宣传，吸引更多的学生们了解创新性实验项目的目的、意义，并且积极参与到活动中来。与此同时，一个好的奖励机制对宣传可以做到事半功倍，各大高校可以针对创新性实验项目对学生和老师分别采取多层次、多方面的奖励制度[13]。b.与教师科研相融合，缩小选题范围。对于第一次接触科研的本科生，知识面有很大的欠缺，直接给学生一个大题目，即使他们有想法，但还是会让学生们不知从何处着手准备，这时如果没有教师的指导，就会降低他们刚萌发的兴趣，从而放弃比赛。c.学校应加强硬件设施的投入。比如学校应加强图书馆，电子阅览，实验室等硬件、软件(各种数据库)设施的投入，建立专门创新性实验室和开放性的实验平台，提供充足的资金，进而使学生在创新性实验中可以全身心的投入，提高自身的创新实验能力。

5 小结

创新是一个国家进步的灵魂，尤其我国处于快速发展的时期，更加需要发挥科技人才的积极性、主动性和创造性[14]，而将专业学科与创新性实验项目结合正是培养这类本科生成为其人才后备军的有效途径[15-16]。具体来说，大学生创新性实验项目将来源课本和其他途径的理论知识实践应用起来，有助于开发学生的创新潜能和帮助学生养成独立实践的科研素养，如今，我们仍需要根据实际情况进行摸索尝试，在尝试中进步，在进步中创新，只有这样才能更好的实现创新性实验的目的，为市场输送更多的优秀的综合性创新人才。

目前，各大高校开展创新性实验，结合当地优势，打造出一套具有专业特色的培养方案。例如我院各班级都配有具有一定学术水平的兼职班主任，各年级有专职辅导员。积极参与组织和策划学生科研活动，我校近几年不断吸纳各方人才，包括留学回国人员等，这无疑为学校的科研注入了新的活力，也为大学生本科生们带来了大批学术精深、思想活跃的好老师、好榜样，对学生们的科研素质培养无疑会起到巨大的作用[17]。此外，我院还利用当地的地理优势，开展利用以稀土元素离子综合利用为核心的创新性实验项目，结合当地的地理优势，提高了资源的循环利用率，让参与创新性实验的同学在参与过程中，明白自己是引领人，有效的推动当地特色矿产资源综合研究利用，比如我院在稀土上转换荧光材料方向就取得的进展，为上转换材料后续的深入研究提供了理论基础，也对其相应的材料应用及拓展具有重要的指导意义。