高校本科生必修科研項目訓練課的改革探索

李 猛， 孫 皖， 馬在勇， 鄭玉杰， 陳珊珊， 孫 寬

（重慶大學能源與動力工程學院低品位能源利用技術及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶400044）

0 引 言

當前，我國經(jīng)濟正在經(jīng)歷轉(zhuǎn)型升級［1］的關鍵時期，經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的實現(xiàn)離不開充沛的高素質(zhì)專門人才隊伍的建立和培養(yǎng)［2］。習近平同志針對教育工作，明確提出了“深化教育改革，推進素質(zhì)教育”［3］的要求。因此，培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才已成為當前階段的歷史趨勢和高等教育的歷史使命。

由于傳統(tǒng)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和新型行業(yè)的不斷涌現(xiàn)，知識更新迭代的速度日趨加快，對高素質(zhì)專門人才的定義和需求已發(fā)生根本性變化。當前形勢下的高素質(zhì)人才已不再是以獲得較高應試分數(shù)為目標的應試型人才，而應是集知識積累、知識應用、知識創(chuàng)造于一體的復合型人才［4］，他們不僅需具備豐富的知識，更應具備較強的實踐能力［5］，不僅應具備應用知識解決實際問題的能力，更應具備一定的知識創(chuàng)造能力［6］。

本科生是我國高素質(zhì)專門人才的核心資源，他們不僅具備較為深入的專業(yè)素養(yǎng)和理論知識，同時也是進一步成長為國家一流頂尖科技人才的后備力量。然而，當前本科生的培養(yǎng)尚不能完全滿足上述要求。以能源與動力類專業(yè)為例，許多高校該類專業(yè)本科生課程設置相對陳舊，仍以傳統(tǒng)的火電廠、汽輪機為主，缺乏關于新能源新技術等能源領域新型前沿技術相關的新課程［7］；在本科階段仍以傳統(tǒng)的知識學習為主，缺乏基本的科研素養(yǎng)，也不能有效地激發(fā)學生的科研興趣和發(fā)現(xiàn)學生在更多方向的愛好和特長；培養(yǎng)出來的畢業(yè)生多為工程師，深造率不高，難以適應新時期國家對一流頂尖科研領軍人才的需求［8-10］，也無法匹配新時代“雙一流”高校的目標定位。為此，應針對能源與動力類專業(yè)本科生設置必修的科研項目訓練環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對本科生科研素養(yǎng)的逐步養(yǎng)成，以彌補當前本科生培養(yǎng)中的短板，激發(fā)本科生的科研興趣和創(chuàng)造力，適應新形勢下本科生培養(yǎng)的更高定位。本文針對現(xiàn)階段本科生開設科研項目訓練必修課的現(xiàn)狀展開了討論，從科研素養(yǎng)的養(yǎng)成機制和養(yǎng)成手段出發(fā)建立開展科研項目訓練課的基本思路，并以新能源科研訓練項目為例，對高校本科生必修科研項目訓練課的可行性進行探討。

1 現(xiàn)狀分析

在原有教學計劃的基礎上新設立本科生的必修科研訓練課項目將涉及學校培養(yǎng)流程和考核方式、學生角色轉(zhuǎn)換、教師具體執(zhí)行等多個方面的問題。

從學校層面來講，我校現(xiàn)階段對本科生進行科研訓練的途徑主要是雙創(chuàng)項目、大學生科研訓練計劃和其他各類專業(yè)競賽，現(xiàn)有的訓練途徑出現(xiàn)學生訓練覆蓋面窄及不成體系等問題，在原有的基礎上建立必修的科研訓練項目課后，需要對整體的本科生培養(yǎng)流程進行梳理，重新設定培養(yǎng)的目標和學生畢業(yè)的考核方式。一方面，為保證在進行必修的科研項目時有充分的基礎知識積累，可采用與相關課程同步進行或滯后進行的方式開展；另一方面，必修的科研訓練項目與傳統(tǒng)的大課堂方式不同，在時間安排上更加自由，在教授方式上可能向一對一、因材施教的方向發(fā)展，在評估方式上由于課題選擇的差異性，將以更加定性的方式呈現(xiàn)。這些都將對學校的整體培養(yǎng)流程和考核方式產(chǎn)生挑戰(zhàn)。

從學生角度講，在必修的科研訓練項目過程中，學生既是被教育的客體，又是科研訓練的執(zhí)行主體，將面臨知識獲取方式上的巨大轉(zhuǎn)變。必修的科研課程勢必要求學生把相關知識或方法掌握到位，并能及時、有效地應用于科研訓練項目。這可能需要學生在短時間內(nèi)完成從知識的學習者向知識的創(chuàng)造者的角色轉(zhuǎn)變，對學生知識積累、知識應用、創(chuàng)造能力、心理素質(zhì)等方面將帶來綜合性的壓力。

從教師的角度講，在必修的科研訓練過程中，將扮演科研“新手”引路人的角色。與一般的課堂教授不同，將面臨對眾多學生的一對一、因材施教的問題，而且可以想象，科研“新手”需要指導的地方極多，這也勢必大大增加教師的工作量。比較理想也比較自然的方式是與當前教師的科研項目結(jié)合，本科生采取旁聽或者類似于學徒的方式開始，以特定的科研任務為目標，在參與教師課題組討論等過程中逐步地潛移默化地完成科研訓練項目。然而這一過程需要教師對每個學生的知識能力綜合評定，對課題的設置拿捏有度，對整體項目的進程心中有數(shù)，需要更高的教授藝術。作為具體課程的負責老師，在必修科研項目訓練課中，應對學校政策和培養(yǎng)計劃進行充分研究分析，對不同學生進行合理規(guī)劃，并完成教師自身教學方式方法的轉(zhuǎn)變。

2 基本思路

文獻［11］中指出科學研究是指對一些現(xiàn)象或問題經(jīng)過調(diào)查、驗證、討論及思維，然后進行推論、分析和綜合，來獲得客觀事實的過程。一般來講，科學研究是一種高級的心智活動，在教育的高級階段才能發(fā)生。因此，開展科學研究的主體通常需具備包括前沿的科研思維、正確的科研方法、可執(zhí)行的實踐能力、高品質(zhì)的科研精神等科研素養(yǎng)［12-13］；另一方面科研素養(yǎng)也可以在科學研究活動中進行訓練、培養(yǎng)、凝練及升華。

對于本科生來說，正處于基礎專業(yè)知識體系剛剛建立、并對科研領域初步窺視的階段；該階段的科研項目訓練課程為其今后的科研發(fā)展、實現(xiàn)自我價值具有重要的奠基作用。過易的科研訓練課程達不到各方面科研素養(yǎng)的培養(yǎng)、凝練與升華；過難的科研訓練課程則不符合本科生科研素養(yǎng)培養(yǎng)初級階段的實際情形。因此，從學校和教師角度來說，在制定科研項目訓練課程的前期，必須明確相應專業(yè)課程的科研素養(yǎng)的養(yǎng)成機制，并結(jié)合專業(yè)課程特點采用有效的科研素養(yǎng)養(yǎng)成手段。

2.1 科研素養(yǎng)的養(yǎng)成機制

科研素養(yǎng)養(yǎng)成機制的中心思想是指課程設計、課程實施及課程訓練成果考核。科研素養(yǎng)可以定義為在研究個體的學術活動過程中，在科研道德品性、科研知識和科研能力等各方面形成的固有的、相對穩(wěn)定的科研內(nèi)在條件［14］。如圖1 所示，可以把科研素養(yǎng)分為3個層面的內(nèi)容，即科研知識層面、科研能力層面以及科研精神層面，而根據(jù)能源與動力類專業(yè)課程特點，每一個層面下又對應了不同的能力培養(yǎng)。

圖1 本科生科研素養(yǎng)養(yǎng)成機制與養(yǎng)成手段

科研知識是指對知識的認知、學習和總結(jié)，是開展科學研究的必備基礎及重要前提，針對能源與動力類專業(yè)，應著重培養(yǎng)學生的文獻閱讀能力、自學能力，拓展能力及總結(jié)能力。不同于專業(yè)基礎課程學習中“教師主講、學生主聽”的模式，在科研項目訓練課程中，學生需具有更強的自學能力，通過主動地對研究課題相關文獻和專業(yè)前沿領域新聞信息的閱讀，尋找到自己的科研興趣點，為下一步科研創(chuàng)新積累必要的知識儲備。

科研能力是指實現(xiàn)科學研究、取得科研成果的手段，是科研素養(yǎng)培養(yǎng)的核心部分，在科研能力層面應著重培養(yǎng)學生的知識應用能力、邏輯思維能力及動手能力。知識應用能力是指在吸取和總結(jié)所學知識在實際科研過程中有所應用的能力；邏輯思維能力則是在科研過程中制定可行科研方案、合理實施科研方法、正確分析實驗結(jié)果的重要保障；對于能源與動力類專業(yè)，實驗是探索未知、驗證思想、實現(xiàn)創(chuàng)新的基本手段，因此動手能力是科研能力培養(yǎng)的重要部分。

科研精神是指敢于探索、刻苦鉆研、誠實守信、勇于創(chuàng)新的精神力量［15］。優(yōu)秀的科研精神是學生在科學道路上不斷探索、正視學術道德規(guī)范的內(nèi)在品質(zhì)。在科研精神層面應注重培養(yǎng)學生的交流能力及學術德道規(guī)范。交流能力是科學問題探討、科學成果展示所必須的前提，學術道德規(guī)范的養(yǎng)成則是形成良性科研氛圍每一個人必須遵守的前提。

2.2 科研素養(yǎng)的養(yǎng)成手段

形成了明確的科研素養(yǎng)養(yǎng)成機制后，還應使用有效的手段，才能夠完成本科生科研素養(yǎng)的培養(yǎng)、凝練與升華。基于科研知識、科研能力和科研精神3 個層面的科研素養(yǎng)，根據(jù)能源與動力類專業(yè)中科研訓練課程的特點，按照科研項目訓練課的時間階段總結(jié)出了以下的主要養(yǎng)成手段。

（1）文獻調(diào)研［16］。通過文獻調(diào)研可以在科研知識層面培養(yǎng)學生文獻閱讀能力、自主學習能力及總結(jié)能力，導師在這個環(huán)節(jié)可以通過簡單的科學實驗或展示最前沿的科學成果，培養(yǎng)學生的科研興趣，盡量多地以啟發(fā)的方式給學生梳理課題的主要方向。

（2）科研實踐與課題討論環(huán)節(jié)。通過具體科研項目訓練課的開展，結(jié)合所學及總結(jié)知識，制定合理的科研方案，采用理論計算或?qū)嶒炑芯康姆椒▽椖窟M行科學研究，而在此過程中，導師則需要因材施教，通過課題討論及啟發(fā)，對學生的知識應用能力、邏輯思維能力及實踐動手能力的建立提供幫助和引導；此外，與學生的課題討論也是促進學生建立良好交流能力的過程。

（3）成果展示與考核環(huán)節(jié)。在論文寫作和答辯中可以培養(yǎng)學生包括表達、寫作等交流能力。在整個科研項目訓練過程中，導師還應關注學生的其他科研精神能力的培養(yǎng)，如在與學生的討論中，要鼓勵學生在科研中勇于探索及大膽創(chuàng)新；在對學生的考核中，則應嚴格執(zhí)行學術道德規(guī)范的標準，使學生養(yǎng)成誠實守信、腳踏實地的品質(zhì)。

3 項目實例

通過討論科研素養(yǎng)的養(yǎng)成機制及手段，將這些內(nèi)容應用在能源動力類專業(yè)中新能源科研訓練項目實例中。項目整體方案構架如圖2 所示，該實例訓練項目為：高效界面型光熱轉(zhuǎn)換材料及零能耗海水淡化裝置研究。項目整體進度讓學生從認識課題、開展課題、課題延展3 個方面完整地完成整個項目，在過程中鍛煉科研能力，加深對新能源知識及科學研究的認識，培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)（包括自學能力、文獻檢索、閱讀能力、實驗設計能力、動手能力、寫作能力和交流能力等）。整個項目進行的過程中可通過組會匯報報告、小組討論、課題周報、結(jié)題報告和學術論文發(fā)表等多種形式考核學生科研素養(yǎng)的養(yǎng)成效果。具體課題的開展包括以下幾個階段：

3.1 認識課題

圖2 新能源科研訓練項目實施方案

在課題的初始階段，應使學生認識到課題的基本背景。即淡水資源在社會生產(chǎn)與居民生活中扮演著重要的角色，通過光熱轉(zhuǎn)換將海水蒸發(fā)為水蒸氣并收集以獲得淡水的方法，相比于傳統(tǒng)的海水淡化方法（冷凍法、反滲透法、多級閃蒸法等）擁有零能耗、不需要建設大型設備等優(yōu)點；然而自然條件下水表面對光的弱吸收性能以及體積系統(tǒng)工作模式制約了光熱轉(zhuǎn)換在海水淡化方向上的應用，因此通過制備高效的界面型光熱轉(zhuǎn)換材料促進蒸發(fā)有著重要意義，結(jié)合冷凝蒸汽收集淡水裝置的設計最終實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換材料與整體裝置的集成與優(yōu)化。整個過程中對學生自學能力提出了新的要求，區(qū)別于傳統(tǒng)的課本學習，在認識課題的過程中，首先由老師或?qū)W長推薦典型的界面光熱轉(zhuǎn)換文獻進行閱讀。由于較為前沿的研究主要集中在英文期刊上，因此該過程對學生的英文閱讀能力進行了鍛煉，主要包括：①全英文文獻閱讀能力的鍛煉，②對專業(yè)名詞的理解，③把握文章的邏輯以及學習文章完整的表達過程。其次，在認識課題的階段，對學生查閱文獻的能力也進行了鍛煉。借助Web of science 核心的“引用”與“被引用”功能，讓學生自發(fā)查閱，使文獻庫從最開始給的1 ～2 篇文章拓展到10 ～20 篇文章，通過歸類后有選擇有目的地閱讀加深對課題的認識，同時為開展課題制定一個初步的方案。

此階段對學生能力獲取的考核方式包括撰寫綜述報告、分組討論、教師評價及小組互評等方式。

3.2 開展課題

在對課題有一定的認識后，正式開展高效界面型光熱轉(zhuǎn)換材料及零能耗海水淡化裝置的研究。初期將小組成員分為基礎研究組和創(chuàng)新裝置組安排不同任務。基礎研究組主要負責材料制備及性能測試，結(jié)合實驗室當前研究較為成熟的碳基材料探究提升光熱轉(zhuǎn)換效率的方案。在該過程中，小組成員通過查閱綜述類文獻發(fā)現(xiàn)目前的光熱轉(zhuǎn)換材料主要可分為碳基材料、半導體和等離子體材料等，然后初步確定在碳氈上負載窄帶隙半導體材料以提升光熱轉(zhuǎn)換能力的方案，這一步驟訓練了知識應用能力。在材料制備過程中涉及電化學沉積、水熱合成、管式爐熱處理、管式爐還原等步驟，充分鍛煉了小組成員的動手能力及團隊協(xié)作能力。材料制備完成后通過對其進行SEM［見圖3（a）］、TEM、ECSA、contact angle、XRD、UV-Vis［見圖3（b）］等實驗學習材料表征常用的方法，并在分析每一個表征結(jié)果后加深對材料特性的認識。常規(guī)表征結(jié)束后再對光熱轉(zhuǎn)換材料的蒸發(fā)速率［見圖3（c）］、對不同光強的適應能力、循環(huán)使用性能等進行測試以進一步評估材料性能。

圖3 光熱轉(zhuǎn)換材料性能分析及測試裝置圖

光熱轉(zhuǎn)換材料在光熱轉(zhuǎn)換機理，材料特性上進行討論和改進，偏向于基礎研究，但將該材料實際應用于淡化海水還涉及整體裝置的設計，因此另一小組便負責裝置的設計和搭建。在此過程中可培養(yǎng)學生將理論與實踐相結(jié)合，基礎研究與實際應用相結(jié)合的意識。小組成員通過獨立思考和文獻調(diào)研確定各自的裝置方案，再通過交流論證對裝置可行性、原料成本和搭建難度等要素進行綜合分析，最終篩選出最佳方案并購買材料進行組裝［見圖3（d）］，此過程鍛煉了學生的邏輯思維、交流協(xié)作能力和動手能力。最后，將光熱轉(zhuǎn)換材料集成并優(yōu)化后制得了風力驅(qū)動曲柄雨刷海水淡化裝置。在室外測試證實了該裝置的可行性［見圖3（e）］后，實驗部分順利完成。

3.3 課題考核

考核方式是以提交綜述報告的方式匯報閱讀進度，并以此督促學生提高閱讀文獻與收集信息的能力；組內(nèi)借助互相討論鍛煉科研交流能力；組員通過互評促進科研能力的提升。除了小組個體成員的考核，還有小組整體的考核，通過組會報告，課題周報和小組匯報的方式讓小組成員以相互協(xié)作的合作方式定期向老師匯報進度。通過對當前數(shù)據(jù)嚴謹且完整的整理，鍛煉小組數(shù)據(jù)分析，團隊協(xié)作，口語表達能力。最后在撰寫結(jié)題報告的過程中規(guī)范學術道德，系統(tǒng)且有邏輯地完成整個工作的匯報，如果工作優(yōu)秀可以發(fā)表論文接受同行評議以進一步鍛煉科研學術能力。

3.4 課題延展

科研訓練課程完成后根據(jù)結(jié)果擇優(yōu)選取科研訓練成果參與大學生雙創(chuàng)項目、大學生節(jié)能減排大賽的評比，同時該成果也可作為本科畢業(yè)設計項目進行進一步深入研究。該過程培養(yǎng)了學生對科研的興趣，鍛煉了自學能力，文獻檢索與閱讀能力，拓展了知識的應用實踐能力，也促進學生之間的交流與合作及學生老師間的溝通。從了解課題到動手實驗并最終寫作完成結(jié)題報告，完整地完成一個課題將培養(yǎng)科研素養(yǎng)，鍛煉科研能力，加深對新能源的認識，乃至提升學生繼續(xù)學術深造的意愿，并為將來繼續(xù)深造打下堅實基礎。

4 結(jié) 語

高校本科生必修科研項目訓練課的開設一定要立足于本專業(yè)的特點，明確科研素養(yǎng)養(yǎng)成機制，使用有效的科研素養(yǎng)養(yǎng)成手段，實現(xiàn)對本科生科研素養(yǎng)的逐步養(yǎng)成，適應新形勢下的本科生培養(yǎng)的更高定位。正確開設必修科研項目訓練課程是培養(yǎng)具有實踐和創(chuàng)新能力本科人才一個十分重要的途徑，對培養(yǎng)新工科復合型人才可發(fā)揮重要作用。