依托重點實驗室構建地方高校研究生實驗教學體系

趙 琴, 江啟峰, 劉小兵

(1. 西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室, 四川 成都 610039；2. 西華大學 研究生部, 四川 成都 610039)

依托重點實驗室構建地方高校研究生實驗教學體系

趙 琴1, 江啟峰1, 劉小兵2

(1. 西華大學 流體及動力機械教育部重點實驗室, 四川 成都 610039；2. 西華大學 研究生部, 四川 成都 610039)

地方高校在研究生招生面臨巨大壓力的局面下,應借助優勢學科和重點實驗室提升研究生培養質量,突出自身特色,進而吸引更多的優秀生源。通過利用重點實驗室先進的實驗平臺、設備、儀器,整合重點實驗室的協同創新中心、國際研究中心等資源,并將最新的科研成果提煉引入實驗教學,建立包括基礎實驗、專題實驗、創新實驗的多層次研究生實驗教學體系。實驗教學強化自主性、開放性,教學方法多樣化,從而促進研究生創新實踐能力和科研素質的提高。

地方高校； 重點實驗室； 研究生； 實驗教學

目前我國地方高校研究生招生面臨巨大壓力,研究生生源的競爭相當激烈, 部分優秀的本科生會選擇報考重點高校,地方高校調劑生源過多,優秀生源不足[1]。只有確保研究生培養質量,突出地方高校的學科優勢和專業特色,才能招到優秀學生,保證地方高校的立足及發展。然而在研究生的培養中,各高校普遍存在著“重理論、輕實踐”、“重知識傳授、輕能力培養”的現象,工科研究生實驗技能的培養被弱化,甚至淡化。培養單位重視理論學習和論文水平,在培養方案和學位授予細則中對理論學習和學位論文都有詳細、具體的要求,制定了可以量化的標準,而對實驗能力培養環節卻很少有明確的規定和可操作性的衡量標準,對實驗教學存在不同程度的忽視[2]。我校作為以工科為主的地方高校,研究生的培養也存在上述問題。輕視實驗教學環節的后果便是研究生的實踐創新能力較差,科學素養不夠,難以出現高水平的學術論文和研究成果。

學科是研究生教育的重要載體,優勢特色學科是吸引優質生源的關鍵,也是提升研究生創新能力的重要資源[3]。因此,多數地方高校在學科建設中對個別優勢學科在改革、經費、精力等方面加大投入,部分優勢學科水平迅速發展，并建立起高水平的科研平臺,如省部級重點實驗室[4]。這些重點實驗室集中了學校的優勢資源,為學校特色名片,應充分利用重點實驗室的先進研究平臺,發揮重點實驗室在人才培養中的作用,提升研究生培養質量。

本文將探討如何依托我校的流體機械優勢學科和流體及動力機械教育部重點實驗室,建立科學合理的研究生實驗教學體系,包括總體思路構建、實驗教學內容設置、教學模式改革,以及整合協同創新中心、國際研究中心等資源為教學服務。

1 重點實驗室基本情況

我校的流體機械工程是傳統的優勢學科,流體及動力機械教育部重點實驗室是西南地區流體及動力機械領域唯一的教育部重點實驗室,具有良好的研究基礎和學科平臺,擁有動力工程及工程熱物理一級學科碩士點,建有四川省流體機械及工程重點學科、能源動力重大裝備及技術協同創新中心、四川省泵行業協同中心、西華大學—Andritz國際水力機械研究中心等。本實驗室研究團隊為四川省科研創新研究團隊,目前共有專職研究人員30人,其中教授4人、副教授9人、享有國務院特殊津貼專家2人、四川省學術技術帶頭人2人、四川省學術技術帶頭人后備人選1人。實驗室擁有大型流體機械實驗臺、多相流動實驗臺、1.2 m×1.2 m風洞實驗臺、空蝕與泥沙磨損實驗臺、水力機械及水電站模型實驗臺以及PIV系統、LDV、掃描電子顯微鏡、手持式三維數字掃描機測量系統、高性能集群服務器等大型測試儀器與設備,儀器設備總值4 000余萬元。

實驗室一方面強調科學研究,通過近些年的建設投入已具備較完善的科研硬件條件,另一方面牽頭組建2個協同創新中心和一個國際研究中心,可以更好地為地方經濟建設服務。實驗室的最主要功能應是人才的培養,因此，具有較強創新實踐能力的高素質能教學的科研人才是實驗室發展的根本。提升研究生培養質量是一個涉及面很廣的復雜系統工程,本文僅就如何利用實驗室現有資源建立研究生的實驗教學體系以提高研究生的創新實踐能力予以闡述。

2 研究生實驗教學體系構建

2.1 鞏固理論基礎，融入科研成果，加強交流合作的實驗教學體系的構建思路

已有部分高校在加強研究生理論教學和學位論文研究的同時, 特別重視研究生實踐能力的培養,增加了研究生教學實驗環節, 確立了跨一級學科的研究生公共實驗課程和一級學科框架下的研究生專業實驗體系, 通過將前瞻性、先進性、典型性、綜合性和學科交叉性的科研成果高質量地轉化到研究生實驗教學上, 實現研究生實踐能力的寬領域培養。

夯實研究生實踐能力“寬口徑”的基礎, 再通過研究生學位論文研究, 在其研究方向上實現“點上提高”, 從而形成研究生實踐能力的立體全方位培養[5]。這里借鑒其他高校先進經驗[6-8],結合本重點實驗室特點,提出構建流體及動力機械專業研究生實驗教學體系的總體思路。

將實驗教學分為與理論課程教學內容配套的基礎實驗、融入團隊科研成果的專題實驗及創新實驗3個層次。基礎實驗與理論課程內容配套,應用前沿的測試技術手段,激發學生學習興趣,培養學生掌握堅實的基礎知識,提高學生的動手能力；專題實驗內容根據實驗室4個研究方向團隊的科研成果以及實驗室現有的實驗平臺進行設計,也可以是與協同創新中心、國際研究中心各單位交流合作的課題,重在培養學生的科研素質；創新實驗位于整個實驗體系的頂層,實驗內容可以是學生參加各級學科競賽、創新基金的項目,也可以是專題實驗項目的創新擴展,重在培養學生的創新性思維, 提高學生自主研發能力。基礎和專題實驗室面向所有研究生開設,創新實驗針對更具科研潛力的部分研究生開設。實驗教學體系的構建思路見圖1。

圖1 實驗教學體系構建思路

2.2 重點實驗室先進實驗設備應用于基礎實驗教學

重點實驗室配備有PIV、LDV先進測試系統的多個實驗臺、3D打印設備、高性能集群服務器、專用流動軟件等,除了用于科學研究以外,還可以用于研究生的實驗教學。

“高等流體力學”、“計算流體力學”等課程是流體及動力機械專業研究生的學科基礎課,該專業研究生在本科階段都做過流體力學基礎實驗,但限于對流動的平均壓強、平均流速等參數進行測量,而沒有關注具體的流場分布。研究生階段的流體力學從簡單的一維流動深化為復雜的三維流場分析,理論課程以三維流動微分方程的分析為主,內容抽象、深奧,學生普遍反映理解困難。將流動形象化可以將抽象內容直觀化,便于學生理解。然而目前多數高校并未設置與高等流體力學課程內容相關的實驗項目。作者根據在美國艾奧瓦大學訪學體會,提出相應的實驗設置。

國外研究型大學本科階段的流體力學實驗普遍為綜合性、設計性實驗,如艾奧瓦大學將流體力學的前沿主流研究方法——計算流體動力學技術(CFD技術)和粒子成像測速系統(PIV系統),融入本科實驗,開設了流體黏度、有壓管流和翼型繞流3個綜合測試項目[9]。目前,PIV在國外大學流體力學的實驗教學中被廣泛應用,本科生可以利用該實驗儀器開展感興趣的實驗研究。而在國內,盡管不少大學也購置有該設備,但由于PIV系統本身較為復雜,對教師及學生的要求均較高,因而更多的是被用于研究生的論文及科研工作,至今還很少有將該設備用于本科生教學[10]。作為地方高校,在本科階段開設融入CFD、PIV等技術手段的流體力學實驗難度更大,因而在研究生階段才開設高等流體力學實驗課。

PIV測試系統需要測試對象部分透明,便于投射光源,如另建一套用于流體力學基本理論的測試平臺成本高,因此,擬將本科流體力學有機玻璃材質的實驗臺加以運用。如現有的能量方程實驗臺流動有水平均勻流段、擴展收縮段及彎曲流段等,流動形態多樣,本科階段只是測量沿程平均水頭變化情況。研究生階段應對流動細節予以關注,可以利用PIV系統測試速度場、渦量場等,同時運用商用軟件開展數值模擬,將實測值和計算值對比分析。這樣既鞏固了對流動理論、控制方程等基礎知識的認知,更重要的是對學生科研能力的培養,從而使學生更快進入科研狀態。利用現有的實驗臺,可以設計有壓管流、柱體(或翼型)繞流、明渠流及射流等多個綜合性實驗項目。

另外,在流體動力機械狀態監測與故障診斷、流體動力機械現代測試技術、壓力脈動及水力機組振動、流體動力機械數字化設計與制造技術、流體動力機械結構動力學等專業選修課程中,配套有相應學時的實驗。實驗可在實驗室的大型流體機械實驗臺、多相流實驗臺等平臺上開展,配合運用高速攝像、PIV/LDV測試系統、3D打印設備等先進設備儀器。先進前沿設備的運用更能培養學生的學習興趣,激發學生的創新潛能。

2.3 研究團隊科研成果引入至專題和創新實驗

重點實驗室目前有4個研究方向:流體動力機械的流體動力學理論研究；流體動力機械的數字化設計與制造；流體動力工程優化及自動控制技術；流體及動力機械抗磨蝕材料及表面處理技術。在每個方向上有優秀的研究團隊，并取得了代表性成果。考慮上述研究方向的科研成果和現有的實驗平臺對研究生專題、創新實驗項目進行設計。

“流體動力機械的流體動力學理論”研究方向,設計以水輪機、水泵為代表的流體動力機械空化空蝕、泥沙磨損的專題實驗,可在實驗室的多相流實驗臺、泥沙磨損實驗臺,應用高速攝像、PIV/LDV測試系統等對流場展開可視化實驗；“流體動力機械的數字化設計與制造”研究方向,設計葉輪類等復雜零部件的數字化設計專題實驗,配合三維數字掃描機測量系統、3D打印設備等的使用；“流體動力工程優化及自動控制技術”研究方向,安排在水電站模型實驗臺開展電站故障診斷分析方面的模擬實驗；“流體及動力機械抗磨蝕材料及表面處理技術”研究方向,開展材料表面抗磨蝕的特性實驗。專題實驗的開設重在培養研究生的科研能力,將教師的科研成果提煉后引入實驗教學中，可以讓研究生更直觀地了解將要進入的研究領域,以利于研究生未來科研工作的開展。

此外,還可借助協同創新中心、國際交流中心等資源平臺,將研究生在協同、合作單位交流參與的課題作為專題實驗項目,專題實驗項目也可以是在學習、研究過程中提出問題,利用協同單位的研究平臺予以提煉。總之,專題實驗的形式多樣,目的在于培養學生分析解決問題的能力。

實驗教學體系中還設有創新實驗來面向學有余力的部分學生。創新實驗項目主要來源于以下2個途徑:一是研究生參與的各級競賽，如“西華杯”、“登峰計劃”、“挑戰杯”和研究生創新基金；二是由前面的專題實驗延伸擴展而來。創新實驗項目是整個實驗體系的頂層,學生完成課程基礎實驗、專題實驗后,專業知識已達到一定的融會貫通,科研素養有所提高,在此基礎上對學生創新能力提出更高要求,因而設置創新實驗環節是很必要的。

3 實驗教學模式創新

3.1 實驗教學重在強化自主性

由于教育資源短缺,部分研究生在本科階段做實驗機會不多,同時教學模式比較單一。通常是課前有關人員將實驗全部準備好,課上教師交代好實驗的目的、原理、要求,然后學生按教師說的完成實驗,這種實驗教學模式教師熟悉,實驗技術人員有經驗,學生不用多思考,導致學生既不用自己動腦設計,也無需仔細觀察,就可完成實驗報告,根本談不上什么科研創新能力的培養[11]。

在研究生實驗教學體系的課程基礎實驗教學環節中,應強調學生的自主學習能力的培養。可參照國內外一些高校的教學方式,在動手做實驗之前,安排幾次理論講座,主要是介紹實驗臺構造、實驗原理以及實驗儀器設備的使用。之后,將學生分組,教師交代實驗目的、要求,讓學生自己制訂實驗方案，并由各組學生討論確定最佳實驗方案。為了讓每個學生都有動手操作的機會,采用開放式教學。實驗室將開放時間段網上公布,學生預約實驗時間。學生做實驗期間,教師或實驗室工作人員應予以相應的技術指導。

3.2 利用協同創新中心等資源,擴展實驗教學廣度

2012年,教育部、財政部啟動實施“高等學校創新能力提升計劃”(“簡稱2011 計劃”),該計劃是繼“211 工程”和“985工程”之后,中國高等教育系統又一項體現國家意志的重大戰略部署,是推進高等教育內涵式發展的現實需要,是深化科技體制改革的重大行動和提升高校創新能力支撐創新型國家建設的戰略舉措。面向行業的協同創新中心是對地方行業資源的有效整合,通過高校與高校、與科研院所,特別是與大型骨干企業的強強聯合，成為支撐我國行業產業發展的核心共性技術研發和轉移的重要基地[12]。

我們實驗室積極響應號召,依據學科優勢,牽頭組建2個面向行業產業的協同創新中心。2014年,四川省泵行業協同創新中心獲準成立,同年,能源動力重大裝備及技術協同創新中心被批準為第二批“四川省2011協同創新中心培育基地”。協同創新中心的重要職能之一是培養創新型人才,為地方經濟建設服務,在本實驗教學體系中充分考慮了協同創新中心的人才培養職能。部分研究生在完成基礎理論課程學習后,可根據需要安排到相應的協同單位交流合作或進行課題研究。一方面是利用協同單位的技術平臺進行指定課題的研究,另一方面是協助協作單位開展項目研究,所做的研究工作可作為專題或創新性實驗項目。協同創新平臺擴展了實驗教學體系,實驗內容更加豐富、實踐性更強,既開闊了視野,又鍛煉了分析解決問題的能力。

同時,我們實驗室還和國際流體機械行業龍頭企業奧地利安德里茲集團共建有西華大學—Andritz國際水力機械研究中心,高精度的大型流體機械實驗臺正在籌建中。利用該平臺,可將國際化因素引入實驗教學體系,進而提升教學層次。

4 結束語

本文對如何依托重點實驗室構建地方高校工科研究生實驗教學體系以及創新教學模式予以詳細闡述。提出構建實驗教學體系的基礎實驗、專題實驗及創新實驗3個層次,并介紹了其側重點、實驗內容來源、教學方法等。借助實驗室的先進儀器設備、融入科研團隊的研究成果、利用協同創新中心等資源,擴展實驗教學內容,培養學生的創新實踐能力。通過上述措施,在地方高校研究生招生壓力大、生源質量不高的大背景下,強化優勢學科研究生培養力度,提高培養質量,進而能更好地為地方經濟服務。

References)

[1] 蔣四華. 地方高校研究生招生困境及對策研究[J].科技創業月刊，2005(6):52-53.

[2] 李彥文,張娜,尹華,等. 環境專業碩士研究生實驗教學探索[J]. 實驗技術與管理,2010,27(7):148-150.

[3] 徐洪吉. 基于創新能力提升的地方高校研究生培養機制改革[J]. 浙江工業大學學報：社會科學版,2011,10(4):447-451.

[4] 勤星,李倩,王利霞,等. 重點實驗室在教研型高校人才培養中的作用[J]. 實驗室研究與探索,2012,31(10):207-209.

[5] 鄭冬梅,王悅. 構建研究生實驗教學體系 培養研究生創新能力[J]. 實驗技術與管理,2010,27(7):146-148.

[6] 呂永康. 重點實驗室研究生培養的實踐與思考[J].太原理工大學學報：社會科學版,2002,20(2):42-43.

[7] 李樹茁,靳小怡,劉慧君,等. 基于國際科研平臺的團隊學習型研究生培養模式[J]. 學位與研究生教育,2008(4) :14.

[8] 王紅美, 史佩京, 張偉,等. 發揮重點實驗室優勢, 培養研究生創新能力[J]. 實驗室研究與探索,2009,28(3):187-190.

[9] 趙琴. 國外本科流體力學實驗教學：以艾奧瓦大學為例[J]. 力學與實踐,2014,36(5):660-662.

[10] 胡江, 蘭艷萍, 陳陽. PIV在本科流體力學實驗教學中的應用[J]. 科技創新導報,2013(24):116-117.

[11] 孫臘珍,張增明,葉邦角,等.科研能力培養和研究生實驗教學體系的構建[J]. 學位與研究生教育,2010(6):58-60.

[12] 吳紹芬. 協同創新與高校科技創新能力的提升[J]. 高校教育管理,2012,6(6):16-19.

Construction of postgraduate experimental teaching system of local universities based on key laboratories

Zhao Qin1, Jiang Qifeng1, Liu Xiaobing2

(1. Key Laboratory of Fluid and Power Machinery, Ministry of Education, Xihua University, Chengdu 610039, China; 2. Graduate Affairs Office, Xihua University, Chengdu 610039, China)

The leading disciplines and key laboratories should be applied to improve the quality of the postgraduate education of the local universities, whose enrollments face some trouble. The local universities should pay attention to their characteristics to attract more excellent students. The scientific multi-level postgraduate experimental teaching system, including fundamental experiments, project experiments and innovative experiments, is constructed according to the advanced instruments, equipment and platforms of the key laboratory. The achievements of the research teams are brought into the system, meanwhile the collaborative innovation centers and international cooperative research center are integrated. The teaching mode is flexible and diverse, which emphases on training the ability of independent thinking and innovation. Based on the experimental teaching system, the practice and scientific research ability of postgraduates would be enhanced.

local university; key laboratory; postgraduate; experimental teaching

2015- 05- 26

西華大學校級重點教改項目“基于卓越工程師培養的流體力學課程改革模式的探索”(2013)；西華大學校級重點教改項目“基于提升學生實踐創新能力的教學與科研平臺互動研究”(2015)

趙琴(1975—)，女，四川成都，博士，副教授，主要研究方向為流體力學、流體及動力機械.

E-mail：zhaoqin7579@163.com

G643.2

A

1002-4956(2015)12- 0022- 04