新工科背景下基础学科创新实验室建设实践与探索

2023-12-11赵小刚徐春龙王凤龙

实验室研究与探索 2023年9期

赵小刚，徐春龙，赵煜，张雷，丁健，王凤龙

（长安大学a.理学院；b.实验室与设备管理处）

0 引言

2016 年国家提出“新工科”建设以来［1-3］，许多高校在国家政策的引导下结合自身学科特点开展了新工科背景下的实验室建设与改革［4-5］，借助新工科建设的契机，重视多学科交叉融合［6-7］，加强实验室对学生实践能力和创新能力培养的贡献度［8］，建设了各具特色的创新实验室［9-10］。如何在新工科背景下建设基础学科创新实验室，支撑学校交通运输、国土资源、城乡建设三大主干行业本科创新人才培养所面临的问题，是以工科为主型类似高校基础学科实验室面临的共同挑战。

“新工科”建设的目标是要培养一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的学科交叉复合型卓越工程科技人才［11-13］，创新是“新工科”建设的重要特征，建设创新实验室是培育学生创新能力、开展科研训练的有效渠道和重要保障［14-17］。理学院实验教学中心由物理、力学、化学三大基础学科实验中心组成，面向全校各工科专业承担公共基础实验教学任务。理学院基础学科创新实验室依靠实验教学中心实验设备资源，综合数学、物理、力学、化学等基础学科师资力量，经过多年的探索与实践建设了基础学科创新实验室，形成了创新实验室建设FIND 模式，在工科大学生基础创新能力培养中发挥了重要作用。

1 基础学科创新实验室定位与建设思路

理学院基础学科创新实验室定位于服务全校工科类拔尖人才创新能力培养，实验室功能介于普通教学实验室和专业科研实验室之间，为具有较强实践和创新研究能力的本科生提供实验平台，并通过创新能力培养成果辐射效应带动更多的本科生参与实验项目，形成良好的示范效果。基础学科创新实验室以FIND

模式开展建设，通过制度、平台、师资、项目4 个方面进行建设保障，推动学校各工科专业拔尖本科生基础创新能力提升，利用拔尖人才“聚集效应”形成创新拔尖人才培养的良性循环，不断推进基础学科创新实验室发展。具体内容是：以公共基础教学实验为基础（Foundation），打破学科壁垒将基础物理、工程力学、基础化学教学实验的教学功能交叉融合，满足学生竞赛、项目和研究的设备和场地需求；以学科竞赛和大学生创新竞赛为载体，在创新团体培养中落实跨学科（Interdisciplinary）和创新性（Innovation）培养目标，为拔尖本科生团体及群体提供实验技术指导与支持；为少数拔尖学生提供自由探索（Discovery）项目支持，形成具有“头雁效应”的示范性、标志性人才培养成果。基础学科创新实验室FIND模式结构见图1。

图1 FIND模式创新实验室示意图

2 实验室建设措施

理学院实验教学中心下设物理、力学、化学、科学与工程计算4 个实验教学中心，实验室总面积7 900 m2，设备总资产2 300 余万元，有2 个省级实验教学示范中心和3 个校级实验示范中心，2021 年被授予学校首批标准化实验室。实验中心每年承担全校65 个专业5 000 余名本科生约28 门次的基础和专业实验任务，为部分学科研究生提供科研实验服务，年均实验数超过28 万人时。

基础学科创新实验室按照FIND 模式，进行了组织机构与规章制度、设备与环境、师资配备、支持竞赛与创新训练项目等方面的建设。

2.1 创新组织机构，健全规章制度

基础学科创新实验室为实验室的虚实结合专门机构，由学院主管实验室建设工作的院领导任负责人，统一安排和协调内部各实验中心的协调工作。由物理、力学、化学实验教学中心负责人兼任实验室副主任，除了承担相应学科的学科竞赛以外，共同负责创新实验室的建设和管理。物理类、力学类、化学类学科竞赛指导团队全体老师共同参与创新实验室的工作。

2.1.1 实验室安全制度

实验室安全是各类实验室活动正常开展的先决条件和重要保障，创新实验室参照“长安大学实验室安全管理制度”制定了“创新实验室安全管理办法”，严格落实实验室准入制度。参与实验室工作的师生必须参加学校安全教育平台的培训并取得合格证后方能进入实验室开展实验活动。学院和实验室层层落实实验室安全责任，学院每年和创新实验室负责人签订安全责任书，负责人和实验室使用老师再签订安全责任书。学院按照“高等学校实验室安全检查项目表”项目定期对实验室开展安全检查，每月进行1 次随机安全抽查，每季度开展1 次集中检查，每年至少组织开展1 次应急演练。定期开展安全教育培训，实验室每学期至少集中进行1 次安全培训，全员参加学校组织的相关安全培训。

2.1.2 规范实验室设备管理

创新实验室使用的设备不同于相对固定的教学实验室，设备种类多，流动性大，使用人员交叉性强，容易造成设备流失、损坏、权责不明确。为管理好创新实验室的实验设备，保障正常使用，创新实验室依照“长安大学仪器设备使用管理办法”制定“创新实验室仪器设备管理办法”。管理办法明确了仪器设备的范围、管理权限、使用管理、损坏丢失赔偿等，并对通过“设备管理系统”进行调拨、流转、暂借等具体方式进一步明确责任，要求每个交接环节必须进行三方见证验收等，通过制度保障实验设备正常使用，实现设备使用可追溯，不流失，损坏可追查。

2.2 设备和场地实施动态管理

大学生学科竞赛和创新训练项目的选题是开放性的题目，需开展综合性、设计性实验和交叉学科研究，通常需要使用多个实验室的设备联合开展实验研究，而原有各实验室相对独立的管理模式不利于学生创新训练的需求，经过长期实践和探索，中心建立了相应的设备和场地管理措施。

2.2.1 仪器设备实施动态管理

根据长期管理实践经验，创新实验室将使用的仪器设备根据管理归属性质分3 种类型，进行不同的动态管理。①建账单位为创新实验室，账面负责人为创新实验室老师的仪器设备，这类设备由创新实验室进行管理、使用、维修，设备负责人比较明确，管理相对固定。②建账单位为物理实验中心或其他中心实验室的设备，这类仪器涉及借用或调拨，设备需要离开建账地点移动到创新实验室，此类仪器设备根据流转性质分为调拨和暂借。调拨需要调整设备管理人，由原管理人和交接管理人在资产管理系统中填报变更申请，按照流程完成调拨。若是短时间借用属于暂借，需要使用申请人在设备所属实验中心提出借用申请，经审批后办理纸质版借用和交接记录，使用完毕后及时归还并办理归还交接记录。③使用其他中心不可移动的设备开展实验，须由使用人提出申请，经学院主管领导审批后，在其他实验室管理老师的协助下开展实验。

2.2.2 实验场地专人管理

基础学科创新实验室从物理和力学实验教学中心调配3 间共180 m2实验室作为专用实验场地，由负责学科竞赛的老师作为安全负责人进行管理。实验室按照功能分为综合测试实验室、材料和结构性能测试实验室、自由探索实验室。综合测试实验室主要开展流体、声学、振动、磁光、纹影、激光等测试实验。材料和结构性能测试实验室主要开展各类材料的拉、压、扭转等力学参数测定和结构形变的非接触式全场应变测量等实验。由于这两类实验的设备操作比较专业，甚至有一定的危险性，所以必须通过预约，在管理老师的协助下开展实验。自由探索实验室提供常用实验仪器及测量工具，供学科竞赛小组和自由探索项目学生使用，管理老师选定2 位承担项目或学科竞赛的学生作为协助管理人，负责实验室的日常安全和运行管理，配合老师管理在实验室开展实验的学生。

2.3 组建强大的教师团队，提升创新实验指导水平

基础学科创新实验室组建了由42 名老师组成的专兼职教师队伍，其中教授7 人，副高级职称22 人，具有博士学位35 人，博士生导师1 人，硕士生导师5 人。教学团队教学水平高，科研能力强，成果突出，指导的4 类8 种学科竞赛成绩在西北地区排在前列。近5 年来团队教师在各类教学能力竞赛中获国家级奖3 项，省级特等和一等奖6 项，主持教育部产学合作项目2项，各类教学研究项目12 项，2 门课程被认定为陕西省线上“一流”课程，获陕西省教学成果一等奖1 项，长安大学教学成果一等奖2 项，主持科研项目6 项，获陕西省科技成果二等奖1 项，陕西省教育系统科技成果二等奖3 项。

2.4 全方位支持学科竞赛和大学生创新训练项目

基础学科创新实验室以“提升工科大学生创新能力”为理念，将全国大学生物理学术竞赛、中国大学生物理实验竞赛、国际大学生工程力学竞赛、全国周培源大学生力学竞赛、全国大学生化学实验创新设计大赛等学科竞赛作为培养学生创新能力的重要载体，全方位做好竞赛保障［18-21］。同时，借助大学生创新训练项目激发学生自主研究与创新探索的兴趣，提升创新实践能力。

2.4.1 支持学生参加跨学科的学科竞赛

以物理类学科竞赛为例，基础学科创新实验室承接了中国大学生物理学术竞赛和全国大学生物理实验竞赛（创新赛）两大物理学科实验竞赛，参赛学生为全校所有专业本科生。创新实验室为师生提供场地、设备、培训等支持，学科竞赛教练团队按照竞赛规则和流程，在报名学生中经过筛选、培训、选拔等环节，组成由不同学科学生组成的竞赛团队参加竞赛。这种跨学科的竞赛组织方式（Interdisciplinary）有很多优点，最主要的是为来自不同学科和专业背景的学生提供了相互交流、讨论、切磋和学习平台，学生协作完成的竞赛题目覆盖面广，研究更加深入，对学生专业知识的综合运用能力提升很快。近年来，我校采用该模式承接的两类物理学科竞赛成果比其他高校仅由物理专业学生组成的竞赛队更优异，参赛学生的学习能力、团队协作能力、学业成绩等相比其他学生更加优异和突出。

2.4.2 支持大学生创新训练计划项目

大学生创新训练计划项目是本科生或团队在导师指导下，自主完成创新性研究项目设计、研究条件准备和项目实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等工作，是增强高校学生的创新能力（innovation）、培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才的有效途径。基础物理创新实验室从学科竞赛成果中进一步凝练和提升，鼓励学生在学科竞赛成果的基础上，结合所学专业知识和竞赛团队指导教师团队的研究方向积极申报大学生创新训练计划项目。实验室为每一项获批项目提供充足的实验条件，指导教师协助学生开展进一步研究，形成以科研论文、发明专利等为代表的研究成果。近年来，经过实践和总结，创新实验室现已形成基础实验＋学科竞赛＋大创训练的梯次培养方式。

2.4.3 设立学生自由探索项目

创新实验室设立自由探索项目（Discovery），向在科学研究、实验实践方面有特长的拔尖学生开放申报。创新实验室每年发布的项目指南，覆盖3 年内的优秀竞赛题目，并与教师团队的科研大背景相结合，旨在引导在物理学科方面有潜力的学生提早开展科学研究活动，并取得一定的成绩。项目研究周期为2 年，由个人申请、实验室评审、项目实施、成果鉴定、结题验收等环节组成。创新实验室为自由探索项目设立专用场地，配备一对一指导教师，类似研究生培养模式进行管理，为拔尖型创新人才培养进行有效探索。

3 基础学科创新实验室建设取得的成果

基础学科创新实验室自2017 年建设至今，经过论证探索、建设发展、融合提升等阶段，现在已成为基础实验教学扎实、学科竞赛成绩优异、大创项目成果突出、自由探索实验特色明显的创新实验室。

3.1 开设了特色实验项目

实验室贯彻（Outcome based education，OBE）教育理念，以具有行业特色的工科专业需求为导向，在支持学科竞赛的基础上，结合学校行业特色人才培养需求开设一批创新性实验项目，大幅提升了基础学科实验对专业人才培养的支撑。开设创新实验项目，见表1。

表1 基础物理创新实验室开设实验项目一览表

3.2 学科竞赛不断取得突破，人才培养成效明显

基础学科创新实验室承担的各类学科竞赛中，每年参加宣讲会的学生近2 000 人左右，提交参赛申报书人约800 人，最终经过选拔进入培训的人数为120人左右。近5 年，在物理、力学、化学、图学等学科竞赛中共获全国奖69 项，地区和省级奖189 项，竞赛成绩和获奖学生覆盖面不断取得提升。

近5 年进入创新实验室参加国家级学科竞赛培训队的成员315 人，其中获得国家级奖学金427 人次，获得“长大之星”荣誉称号42 人次，获得其他学科竞赛国家级奖589 人次，

至今已毕业176 人，其中获得优秀毕业生128 人，推荐和考取研究生159 人，升学率达到90.%，出国留学4 人，其余学生全部就业于大中型国有企业或大型上市公司。

3.3 标志性成果不断涌现

创新实验室自2018 年起每年开展具有针对性的大创训练项目申报推介会，鼓励参加完当年竞赛的学生从学科竞赛题目中进行筛选和挖掘，结合公路、汽车、机械、材料、电控、土木工程等行业应用背景凝练研究问题，形成创新训练计划申报项目。创新实验室平均每年有4 个团队获得国家级、省级项目立项，所有立项项目均通过验收并按期顺利结题，形成一批科研论文和发明专利等科研成果。

近4 年来，基础学科创新实验室支撑的大学生创新项目共发表科研论文12 篇，申请获授权发明专利2项，实用新型专利4 项，国家发明专利1 项。

3.4 自由探索项目开花结果

自由探索项目要求比较高，创新实验室采取宁缺毋滥的原则严格审批，并对获批的同学设立一对一导师制，指定个性化项目方案。由于项目要求比较高，自2019年设置以来，仅有3 位学生获得资助。其中有被推免至中科院空间物理所就读硕士研究生、被推免至沈阳自动化所就读硕博连读研究生；和被高新聘请至苏州某软件公司，并自己注册成立了从事仿真模拟计算的工程科技服务公司。