创新（实验）思维在高校研究生教育中的应用实践

王怡淼，刘桂林，陶秀梅，严诸颖，谢广喜，聂延光

（1.江南大学 食品科学与资源挖掘全国重点实验室，江苏无锡 214122；2.江南大学 理学院，江苏无锡 214122）

研究生科研实验是高校研究生科学训练的基本工作之一，是学生培养科学思维能力、提高科学素质的重要载体，在提高学生高阶思维能力方面具有不可替代的作用[1-3]。但是，高校研究生的实验培养环节在基础性实验与综合设计性实验阶段都存在诸多问题：（1）在基础性实验阶段，研究生存在对实验讲义简单模仿，独立完成实验的能力较差，不重视实验的内在思想等问题[4]；（2）在综合设计性实验阶段，研究生的独立思维、创新意识不强，综合运用所学知识和技能分析、判断、解决实际问题的能力较差[5]。

目前，众多高校仍采用验证性实验作为研究生实验教学的基础培训课程，把已有的实验设计方案直接提供给学生，从而达到快速教学、批量化培养的目的[6]。然而，这种方法的弊端同样显著：成熟的实验方案缺乏思维引导，导致研究生往往熟悉机台，但在实验中不能主动创新。创新思维在21 世纪显得尤为重要，创新思维是人才培养与产业发展升级的核心理念之一[7]。因此，需使人才形成创新思维观念，使我国在创新发展过程中不断涌现新观点、新方向，进而推动社会与国家的发展。基于此，重视对研究生创新思维的培养是研究生教育培训体系中具有重要意义的研究课题[8-11]。

1 创新（实验）思维的培养设计

当前，教育理论将教育目标设定为知识、领会、运用、分析、综合和评价6 个等级[12]，前3 个等级是对认知的记忆与简单复现，创新思维则是后3 个等级在记忆基础上的高级运用。笔者以气相色谱机组为教育教学实验平台，在传统演示实验基础上增加高阶思维过程。主要的培养方式是在研究生实验过程中追加变量，引导学生独立思考，提高学生的主观能动性（如图1 所示）[13-14]。

图1 研究生实验课程设计

1.1 综合实验的设置方法

传统的基础实验由教师对学生进行简单讲解，主要介绍气相色谱的仪器型号、色谱柱类型与系统自带升温程序，并带领学生对已知物质成分的样品（如无水乙醇与去离子水溶液共混样品）进行简单操作演示。

综合实验仍以基础实验作为培训绪论课，在学生了解气相色谱性能的基础上，进一步设计综合实验，综合实验分为基础与高阶实验两个版本。指导教师通过引入组分未知（研究生为盲样）物质，引导学生在色谱柱选择、进样方式以及升温程序3 个方面展开探索，鼓励学生独立自主地开展实验，实验机时相对增加。

进阶实验则是进一步增加实验的复杂度，以脂肪酸原始样品为实验基础，要求研究生独立开展组分分离、预处理、气相色谱条件选择等实验设计，在学生独立操作实验的基础上，进一步自主展开数据标准参照物对照、峰面积积分与未知产物分析等工作，实验技术人员根据学生对数据的分析与处理，评判学生的操作能力。同时，进阶实验与综合实验设计呼应，不定期对学生实验能力进行复核和检测，强化学生的高阶思维能力。进阶实验的使用机时进一步增加，实现机组运行量的最大化。

1.2 实验分析的考核方式

在以往基础实验的基础上，学生通过教材查找已知物质的物化性质，并将物化性质与基础实验对已知物质的检测结果进行对比。对于指导教师来讲，采取该方法易于实现批量教学，但教学效果不佳。笔者在综合实验基础上进一步引入实验分析与数据处理的考核方式，引导研究生对综合实验中的设置参数进行反推：从分析化学的定理公式出发，对照气相色谱的测试参数展开思考与计算，并在此基础上给出可能物质的推断。随后，让研究生使用标准品验证分析结果，并对结果进行对照。

进阶实验的评价包括实验技术人员评测与学生互评两种方式：（1）实验技术人员主要评测学生的测量结果与机器运转效率，根据学生的测试结果与技术人员的已知经验，判断学生对实验掌握和理解的程度，并通过问答与讨论的形式进一步引导学生对实验过程的细节回忆，强化学生的高阶思维意识；（2）学生互评主要是按照学生的上机顺序，通过前后上机学生的工作交接，对当前使用气相色谱的学生运用设备的能力进行评判，对用机效果进行第三方评价，并设置学生之间的问答，技术人员作为观察员评价学生之间的交流效果。学生间的主观评价与技术人员的客观评价共同决定进阶实验的评价结果。

1.3 反馈评价体系的建立

以往的基础实验不设置评价体系，在创新（实验）思维的设计下，气相机组推出了实验反馈与评价环节。

首先，在基础与综合实验中，技术人员要求学生在实验完成后，对实验结果的满意度、机器的运行状态、实验结果与思维过程等方面进行评价，最后根据学生的整体评价修正综合实验与考核方式，获得积极的反馈效果。

随后，在进阶实验中，由被考核学生组成团队，通过团队讨论交流的方式给出反馈报告。在该环节中，技术人员会针对实验目的、实验内容、实验过程与实验结果4 个方面设置大纲，学生团队根据大纲框架撰写报告。在该报告中，要求学生反思整个实验过程，指出特点与细节，进而反馈实验流程的不足之处，从而为后续实验升级与改进提供依据。

1.4 综合实验的综合应用设计

在前期设计的基础上，将综合实验的各个环节贯通，在综合实验、考核与反馈的基础上形成制度，通过每月的培训过程，获得学生操作实效的统计性数据。在学生开展气相色谱实验研究的过程中，不断提高综合实验的难度与工作量，对申请用机的研究生开展不定期测试，检验学生对仪器性能、实验条件、标品与样品处理等方面的掌握程度。最终，研究生具备独立操作、独立实验、独立分析的全过程能力。

2 创新（实验）思维的教学效果

在教学设计基础上，本文不仅重组了现有的基础气相实验，还推出了反思教学课程，训练学生的高阶思维能力，补足了研究生培养过程中的短板，从实验端缩短了研究生教育教学从被动吸收到主动探索的周期，最终实现了较好的科研效果。

2.1 综合实验的效果

通过创新（实验）思维的指引，教师引导学生积极进行实验反推，以此提高实验效率。机组使用时间与申请样品数量的季度统计结果如图2 所示。从图2 可以看出，在2022 年第一季度设置创新（实验）思维的相关培训后，学生的实验热情与实验效率均显著提升。每季度机组的送样时间从原有的2 000 h 提升至年底的7 800 h，送样数量也提升至2 200 个/季度。从这一趋势来看，学生在气相色谱上的投入热情更高，有更强的意愿在相关实验上开展分析运用与综合思考。从统计结果来看，大部分学生从以往的“测完不管”转变为“测完分析”的状态，气相色谱的工作状态从2.6 h/样品拉伸至3.6 h/样品。

图2 气相色谱机组的机时与测试样品数量统计图

同时，学生的讨论时间显著增加。在以往的实验过程中，实验技术人员基本只对机组维护与技术展开交流讨论。将进阶实验引入创新（实验）思维训练后，学生讨论时间显著增加，学生交流的目的性、效率也显著提升。学生能够主导实验，改变了过去对技术人员过于依赖的现象。

2.2 实验分析的质量评价

按照本文的反馈环节设计，在研究生教学设计中引入团队讨论与实验报告反馈，提升学生的写作与思考能力。学生在报告框架中展开思索，相当于进行了学术论文的预学习过程，结合开设的研究生学术论文写作课程，学生有了学术论文写作实际操练的平台。在实验报告中科学规范地撰写，进一步提升了学生的思维能力与辨识效果，研究生的学术写作能力得到提升。

虽然测试时间相应增加，但学生的数据分析与思维辩证能力得到显著提升。根据Web of Science的检索结果（如图3 所示），研究生基于气相色谱相关研究的论文发表数量与质量均显著提升，在实施创新（实验）思维训练一年后，学生季度发表论文数量接近50 篇。作为对比，在未进行相关培训前，虽然学生的气相色谱测试速度很快，但欠缺对实验数据的整理与思考，学术训练相对匮乏，导致学生论文发表状况不佳。因此，从气相色谱机组的实践来看，积极有益地引导学生开展学术训练并培养创新（实验）思维意义重大。

图3 基于气相色谱实验的论文发表数量

2.3 反馈评价体系的作用

为公正评价气相机组的教学效果，笔者按季度分析了气相色谱的仪器收费状态，相关数据如图4所示。从图4 来看，气相色谱业绩不断攀升，测试业绩从非引导训练前的不足4 万元/季度攀升至10 万元/季度。这说明创新（实验）思维的相关设计具有正向引导作用,研究生在接受相关培训后有意愿以气相色谱为平台开展科学研究，气相色谱相关检测与分析的动力更强。因此，气相色谱的业绩收费不断提升，仪器的使用人数、测试样品数与使用机时都不断提升，得到了正向、有益的反馈结果。

图4 气相色谱机组的业绩收费情况统计图

3 创新（实验）思维的探索与总结

经过高阶（实验）思维能力的引入，研究生独立思考分析、创新研究的能力显著提高。研究生经过创新训练与系统逻辑思维的培训后，高阶思维能力显著提升，参加科研的主动性与原创性也显著提升。

在气相色谱机组使用该方法后，气相色谱机组的送样量与测试时间均显著提升，说明研究生的测试意愿与分析能力都得到了加强。从结果来看：学生基于气相色谱发表论文的数量显著提升，2022 年第四季度研究生基于气相色谱机组设备发表SCI 论文41 篇，与2021 年第一季度相比提升122%。与之相对应，气相色谱机组的收费效益也实现了量化提升，机组业绩提升至10 万元/季度，有效地实现了气相色谱机组的正收益，使机组从仪器购置、维护的持续投入转变至营收、扩大的积极方向。对机组人员培养来说，技术人员与研究生的工作也提升了机组人员的业务能力与服务水平，机组人员的工作效率也显著提升。

本研究方法可进一步在高校分析测试中心进行推广，通过实验技术人员对研究生进行创新（实验）的高阶思维能力培训，提高研究生的学术能力与实验效率，这对高校研究生培养有重要意义。从“三全育人”的角度来看，高阶（实验）思维能力补齐了研究生在实验与分析之间的短板。通过实验师队伍在实验过程中的直接交流，填补了导师负责制中的制度短板，使学生点对点地将理论点与实践点贯通，在科学研究中可以做到有的放矢。