高校实验教学示范中心面向中学生开放的探索

栗 兴， 高 峰， 姚朋君， 张 婷

（北京理工大学a.资产与实验室管理处；b.自动化实验教学示范中心，北京 100081）

0 引 言

高等教育的主要功能体现为人才培养、科学研究、社会服务和文化传承［1-2］。近几年，高校面向社会的科普工作受到越来越重视，建设了大批科普基地，有效利用高校的资源向社会开放，进行科普宣传工作［3-5］。

1996 年，在众多科学家的倡议和支持下，北京市科协开始实施《北京青少年科技后备人才早期培养计划》（以下简称‘后备人才’）［6］。2008 年，国家进一步强调对基础教育的素质教育，由北京市教育委员会牵头，“翱翔计划”正式启动。2016 年为进一步深化教育领域综合改革，构建开放教学模式，培养学生创新精神和实践能力，市教委面向全市初中学生开展开放性科学实践活动（以下简称“初中开放”）［7］。为深入贯彻教育部《关于科研机构和大学向社会开放开展科普活动的若干意见》，充分利用高校实践平台的丰富资源，开拓实验教学示范中心的影响力和辐射功能，自动化实验教学示范中心长期开展面向中学开放活动，逐渐探索出适应于高校为中学开放的途径和方法。

1 实验教学示范中心面向中学开放的意义

1.1 助力中学教育质量提升，加强学生科学素养培养

“翱翔计划”“后备人才”“初中开放”作为基础教育阶段拔尖创新人才培养计划，是北京市落实“人才强国战略”的重要举措，高校实验室作为系列举措的主要载体，发挥着引领学生、发掘创新型人才的作用。2021 年8 月，为提高教育质量，落实立德树人的根本任务，促进学生全面发展、健康成长，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》［8］，将会有更多的中学生进入高校进行科学训练和实习。

1.2 整合高校实验室资源，拓展为社会服务的功能

作为“双一流”高校，在继续加强自身建设的同时，也要推动整个教育体系的发展，肩负起服务社会的责任，真正实现教育强国目标，教育者以开放的胸襟和眼界，积极整合和充分利用实验教学示范中心资源面向中学开放。在2001 年颁发的《国务院关于基础教育改革与发展的决定》中就提出：“有条件的普通高中可与高等学校合作，探索创新人才培养的途径”，由此可见，中学与高校协同合作，助力高中教育质量提升已经成为国内教育突破的重点之一［9］。

2 以能力培养为主线、突出素质教育的培养

中学生进入高校进行创新实验，不仅是提高学生科学技术水平，更应该以创新实践为平台、突出素质教育，增强和完善学生的思想道德素质、能力培养、个性发展、身体健康和心理健康教育，促进学生全面发展［10］，因此要依据“德育为先，能力为重”的教学理念制定培养目标。

（1）培养崇高思想品德，做一个高尚的人。创新实践平台是思想品德培训的重要场所，在创新实践过程中，通过科学家真实案例和学生的亲身体验，逐渐培养学生爱国、爱党的高尚情怀，加强务实肯干、坚持不懈的工匠精神，实事求是、积极探索的科学家精神，提高保护环境、讲究卫生、注重安全意识。

（2）培养科学文化素质，提高创新精神。以科学规范的实验操作、数据处理、项目管理来培养学生求真的科学态度，不盲目盲从，善于采用科学方法来观察和解决自己生活的各种问题；重视科学实践，遵循实践是检验真理的标准，激发学生敢于创新、善于创新思维的能力。

（3）培养健康心理素质，塑造健全人格。“失败是成功之母”，没有失败的创新实践几乎不存在。积极培养中学生勇敢面对挫折、战胜困难的决心和信心，提高学生控制和稳定情绪的能力、抗挫折能力和压力承受能力，培养学生乐观、向上的心理品质，促进学生人格的健全发展，在实践过程中培养学生冷静、谦虚的气质和积极、果断的工作作风。

（4）培养自主学习的素质，养成终生学习习惯。现代人必须终生学习，21 世纪是科技革命、知识爆炸的时代，每个人都不可能在学校学好今后走上社会所需的一切知识。随着社会的发展，每个人都必须在生产实践中根据需要不断学习、充实、完善，因此，应加强培养学生自主学习、善于学习的能力。中学生科技创新实践很多知识需要自学，指导教师要引导学生自主学习，提高自主学习意识和掌握自主学习的方法。

3 面向中学开放形式与途径

3.1 创新研究型课程

根据“德育为先，能力为重”的教学理念，挖掘学生的科学潜质，培养学生的创新意识，尤其是“翱翔计划”“后备人才”具有一定实践能力的学生，制定具有一定的挑战性和难度的创新研究型课题，并始终贯穿思政要素。

（1）关注前沿科技成果，激发学生探索精神。积极鼓励学生关注科技新闻、展览和论坛，尤其是要关注国家重大的“天宫”“蛟龙”“大飞机”“复兴号”等重大科技成果［11-12］，从中提炼与自动化相关、符合中学生特点的技术作为创新项目。高铁的迅猛发展国际瞩目，引起了中学生强烈的好奇心，通过文献查阅和丰台西站实地调研，提出了“铁路调车系统自动控制与优化”项目，设计了操纵机车自动编组和调配方案，以减少调车作业中人工成本、提高调车作业效率。

（2）关注生活服务需求，培养学生创新能力。科技使生活更加便利、安全，鼓励学生以敏锐的洞察力观察生活，让科技为生活服务。如同学们观察到课代表在课间10 min收作业效率很低，设计和制作了“智能收发作业机器人”，自动清点收发作业的数量，并提醒同学们及时交作业；为使学生早晨起床后不至于疲惫不堪，设计并制作了“智能唤醒机”设备，根据人脑的脑电波状况，选择最佳时刻唤醒起床的信号；“便携式可反馈吉他练习器”项目主要解决了初学者对于按弦位置、按弦力度以及位置组合误操作问题，以语音形式反馈给吉他练习者操作信息；青少年近视日趋严重，护眼灯是保护视力的有力保障，但是市场上护眼灯质量参差不齐，学生们设计制作了一套简单实用的测定护眼灯频闪效应装置。这些实验项目来源于生活，又服务于生活，深受学生喜爱。

（3）关注社会热点，提高学生综合素质。“家事、国事、天下事、事事关心”凸显时代特色，关心时事政治，关心改革与发展，把国家的前途命运与个人的成长紧密联系在一起，实验教学应引导学生将注意力关注国家命运前途的重大事件。为了迎接北京冬奥会，引导学生们主动思考、大胆创新，积极开发科技作品以助力奥运，设计了《冰壶运动轨迹追踪与分析系统》项目，融合图像处理和轨迹追踪相关技术，建立冰壶运动轨迹追踪与分析系统，辅助冰壶运动爱好者快速提升技术水平。

3.2 基础性实验课程

“初中开放”项目是让初中学生体验高校的实验课程，每次4 学时，30 人为一个教学班。高校的专业实验往往是具有严谨的逻辑性和很强的理论支撑，中学生很难在短时间内掌握，因此要设计符合初中学生特点的以基础性实验为主的实验项目。

（1）步骤化繁为简，成果以小见大，突出重点。将复杂的、有逻辑性的实验内容进行简化，忽略知识体系的完整性，突出学习重点。以变压器实验为例，变压器实验是自动化专业的必修实验，主要是测试变压器的空载、负载和短路工作特性曲线，实验工作量很大，为此，将实验步骤精简，利用常见的变压器，即手机充电器进行实验，测试充电器空载损耗功率，实验数据说明，充电器在不使用时，有微弱电流通过，并且耗费能量，日积月累，将是巨大的浪费，所以当充电器不工作时，一定要及时将插头从插座拔掉。通过实验，学生们深刻体会到，日常要随时节约用电、安全用电。

（2）体验科技魅力，感受科技服务于生活的力量。初中生参加科技实践活动要从熟悉的实际生活出发，用实验来揭示实际生活中科学技术的奥秘，体验科技给生活带来的方便和迅捷。“传感器实验”中，设计了多项实验项目由学生们分组进行自主选题，如“利用温度传感器制作非接触式体温枪”“压力传感器制作体重计”“激光传感器行测试距离”等，生活中的科技比比皆是，通过实验，鼓励学生要积极观察生活、关注科技动向、寻找科学研究的方向。

（3）亲自动手实践，参与一定竞争性的项目。中学生是富于挑战精神和竞争的，有种冲动的实践欲望，所以在实验题目一定是操作性非常强的实验。例如，“智能小车”，从安装、调试和测试，最终所有小车在同一跑道进行测试和竞赛，该题目以学生兴趣作为切入点，增强学生的竞争意识和探索欲望，符合初中生的年龄特点。

3.3 研学夏令营特色项目

中学的寒暑假十分有意义，能够利用一段相对较长的时间来发展个人的兴趣爱好，研学夏令营为学生提供了科技操作的实践场所，研学夏令营分为体验式和沉浸式两种。

体验式夏令营活动主要是为了培养学生科技兴趣、开拓科技视野、激发想象力，通过倾听科学家讲座、与大学生座谈交流、参观科研实验室、学校校史馆、博物馆，让学生感受科学的魅力；沉浸式夏令营为基于项目的实践学习，培养学生动手实践能力和创新意识，为期1 周的实践学习，和大学教师或者和研究生一起做课题、完成科技制作等活动，以最高效的方式，掌握开启科学智慧的钥匙，激发学生对科学探索的向往［13-15］。

4 合理运用教学方法，充分利用科技手段

（1）尊重规律和积极引领相统一。面向中学生的创新指导要遵循教育教学规律，中学生思想活跃，对科技创新项目的实践充满热情，但是基础薄弱，不能操之过急，指导教师要和学生同向同行，积极引导，在“做中学”“学中做”。中学生和大学生不同，他们需要监督和陪伴，在实验过程中，指导老师不能放任自流，对于“翱翔计划”“人才培养”要坚持进行周例会交流、检查周志报告，“初中开放”实验期间，指导教师也要有一定的小结和检查，来督促学生实验。在实践中要杜绝“手把手”，实验项目应具有一定难度，指导老师要积极采用启发探究式教学方式，引导学生逐渐培养科学方法、科学思维和科学精神［16］。

（2）关心厚爱和严格要求相统一。中学生的心智尚未成熟，进入大学做创新实践项目，也许是人生中的第一次，作为指导教师要关心学生，把握学生的心理动态。在实践过程中会遇到非常多的困难，当学生有懈怠和退缩时，指导老师要做学生的思想引路人，积极鼓励学生不怕困难，使学生在克服困难的过程中不仅享受科学实践的魅力、更能够体验到指导教师的关爱和关注。“严师出高徒”，每一项严格要求都是学生跨越高度的机遇，指导教师要“严字当头”，对于违反安全操作规程和弄虚作假数据处理情况，要给予严厉批评教育。对于具有一定潜力的学生，适当提高创新项目的难度。

（3）线下线上相结合、仿真和现场相结合。互联网与现代教育技术的快速发展为实验教学带来了重大创新与挑战［17］，为实验教学带来了极大便利。实验教学中心为中学生的学习，制作符合中学生特点的实验项目微视频，如“智能小车安装和拆解”“为什么激光能测距”“为什么飞机能飞”等微视频，生动形象地说明实验原理和操作规程。同时，为同学设计一些方便远程线上调试参数的人机交互界面，极大地提高了学生的学习效率。在疫情期间，充分利用互联网，停课不停教、不停学，师生采用线上实验和交流，有效地开展了远程实验教学指导。

5 结 语

经过多年积极建设和研究，探索了高校实验教学中心面向中学开放的途径，建设了一批符合中学生素质发展的实验项目，开放实验平台日益成熟，实验教学示范中心具有一定的影响力和辐射效应。近10 年，自动化实验教学示范中心开发了200 多项适合中学生的实践项目，接待了北京翱翔计划学生60 多人、后备人才150 多人、初中开放1700 多人、30 余个科技实验班。与北京理工附属中学联合共建的“智能控制技术”高端实践课程，共同申请了北京市基础教育教学教改项目，成为理工附中实验科技班的实践基地；与北京八一学校签订联合培养计划，每年寒暑假进行中学生科技实践周；与四川绵阳中学、成都中学共同建立了中学生创新基地。

“少年强，则国强”，高校实验室依托自身的优质师资及技术资源，积极主动参与社会科普服务，让科学知识走进中学，更让科学家精神走进中学，为提高中学生综合素质、提高我国国民科学素养助力，真正起到高校反哺社会的职能。