創(chuàng)新（實驗）思維在高校研究生教育中的應(yīng)用實踐

王怡淼，劉桂林，陶秀梅，嚴(yán)諸穎，謝廣喜，聶延光

（1.江南大學(xué) 食品科學(xué)與資源挖掘全國重點實驗室，江蘇無錫 214122；2.江南大學(xué) 理學(xué)院，江蘇無錫 214122）

研究生科研實驗是高校研究生科學(xué)訓(xùn)練的基本工作之一，是學(xué)生培養(yǎng)科學(xué)思維能力、提高科學(xué)素質(zhì)的重要載體，在提高學(xué)生高階思維能力方面具有不可替代的作用[1-3]。但是，高校研究生的實驗培養(yǎng)環(huán)節(jié)在基礎(chǔ)性實驗與綜合設(shè)計性實驗階段都存在諸多問題：（1）在基礎(chǔ)性實驗階段，研究生存在對實驗講義簡單模仿，獨立完成實驗的能力較差，不重視實驗的內(nèi)在思想等問題[4]；（2）在綜合設(shè)計性實驗階段，研究生的獨立思維、創(chuàng)新意識不強，綜合運用所學(xué)知識和技能分析、判斷、解決實際問題的能力較差[5]。

目前，眾多高校仍采用驗證性實驗作為研究生實驗教學(xué)的基礎(chǔ)培訓(xùn)課程，把已有的實驗設(shè)計方案直接提供給學(xué)生，從而達到快速教學(xué)、批量化培養(yǎng)的目的[6]。然而，這種方法的弊端同樣顯著：成熟的實驗方案缺乏思維引導(dǎo)，導(dǎo)致研究生往往熟悉機臺，但在實驗中不能主動創(chuàng)新。創(chuàng)新思維在21 世紀(jì)顯得尤為重要，創(chuàng)新思維是人才培養(yǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展升級的核心理念之一[7]。因此，需使人才形成創(chuàng)新思維觀念，使我國在創(chuàng)新發(fā)展過程中不斷涌現(xiàn)新觀點、新方向，進而推動社會與國家的發(fā)展。基于此，重視對研究生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)是研究生教育培訓(xùn)體系中具有重要意義的研究課題[8-11]。

1 創(chuàng)新（實驗）思維的培養(yǎng)設(shè)計

當(dāng)前，教育理論將教育目標(biāo)設(shè)定為知識、領(lǐng)會、運用、分析、綜合和評價6 個等級[12]，前3 個等級是對認(rèn)知的記憶與簡單復(fù)現(xiàn)，創(chuàng)新思維則是后3 個等級在記憶基礎(chǔ)上的高級運用。筆者以氣相色譜機組為教育教學(xué)實驗平臺，在傳統(tǒng)演示實驗基礎(chǔ)上增加高階思維過程。主要的培養(yǎng)方式是在研究生實驗過程中追加變量，引導(dǎo)學(xué)生獨立思考，提高學(xué)生的主觀能動性（如圖1 所示）[13-14]。

圖1 研究生實驗課程設(shè)計

1.1 綜合實驗的設(shè)置方法

傳統(tǒng)的基礎(chǔ)實驗由教師對學(xué)生進行簡單講解，主要介紹氣相色譜的儀器型號、色譜柱類型與系統(tǒng)自帶升溫程序，并帶領(lǐng)學(xué)生對已知物質(zhì)成分的樣品（如無水乙醇與去離子水溶液共混樣品）進行簡單操作演示。

綜合實驗仍以基礎(chǔ)實驗作為培訓(xùn)緒論課，在學(xué)生了解氣相色譜性能的基礎(chǔ)上，進一步設(shè)計綜合實驗，綜合實驗分為基礎(chǔ)與高階實驗兩個版本。指導(dǎo)教師通過引入組分未知（研究生為盲樣）物質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生在色譜柱選擇、進樣方式以及升溫程序3 個方面展開探索，鼓勵學(xué)生獨立自主地開展實驗，實驗機時相對增加。

進階實驗則是進一步增加實驗的復(fù)雜度，以脂肪酸原始樣品為實驗基礎(chǔ)，要求研究生獨立開展組分分離、預(yù)處理、氣相色譜條件選擇等實驗設(shè)計，在學(xué)生獨立操作實驗的基礎(chǔ)上，進一步自主展開數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參照物對照、峰面積積分與未知產(chǎn)物分析等工作，實驗技術(shù)人員根據(jù)學(xué)生對數(shù)據(jù)的分析與處理，評判學(xué)生的操作能力。同時，進階實驗與綜合實驗設(shè)計呼應(yīng)，不定期對學(xué)生實驗?zāi)芰M行復(fù)核和檢測，強化學(xué)生的高階思維能力。進階實驗的使用機時進一步增加，實現(xiàn)機組運行量的最大化。

1.2 實驗分析的考核方式

在以往基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生通過教材查找已知物質(zhì)的物化性質(zhì)，并將物化性質(zhì)與基礎(chǔ)實驗對已知物質(zhì)的檢測結(jié)果進行對比。對于指導(dǎo)教師來講，采取該方法易于實現(xiàn)批量教學(xué)，但教學(xué)效果不佳。筆者在綜合實驗基礎(chǔ)上進一步引入實驗分析與數(shù)據(jù)處理的考核方式，引導(dǎo)研究生對綜合實驗中的設(shè)置參數(shù)進行反推：從分析化學(xué)的定理公式出發(fā)，對照氣相色譜的測試參數(shù)展開思考與計算，并在此基礎(chǔ)上給出可能物質(zhì)的推斷。隨后，讓研究生使用標(biāo)準(zhǔn)品驗證分析結(jié)果，并對結(jié)果進行對照。

進階實驗的評價包括實驗技術(shù)人員評測與學(xué)生互評兩種方式：（1）實驗技術(shù)人員主要評測學(xué)生的測量結(jié)果與機器運轉(zhuǎn)效率，根據(jù)學(xué)生的測試結(jié)果與技術(shù)人員的已知經(jīng)驗，判斷學(xué)生對實驗掌握和理解的程度，并通過問答與討論的形式進一步引導(dǎo)學(xué)生對實驗過程的細(xì)節(jié)回憶，強化學(xué)生的高階思維意識；（2）學(xué)生互評主要是按照學(xué)生的上機順序，通過前后上機學(xué)生的工作交接，對當(dāng)前使用氣相色譜的學(xué)生運用設(shè)備的能力進行評判，對用機效果進行第三方評價，并設(shè)置學(xué)生之間的問答，技術(shù)人員作為觀察員評價學(xué)生之間的交流效果。學(xué)生間的主觀評價與技術(shù)人員的客觀評價共同決定進階實驗的評價結(jié)果。

1.3 反饋評價體系的建立

以往的基礎(chǔ)實驗不設(shè)置評價體系，在創(chuàng)新（實驗）思維的設(shè)計下，氣相機組推出了實驗反饋與評價環(huán)節(jié)。

首先，在基礎(chǔ)與綜合實驗中，技術(shù)人員要求學(xué)生在實驗完成后，對實驗結(jié)果的滿意度、機器的運行狀態(tài)、實驗結(jié)果與思維過程等方面進行評價，最后根據(jù)學(xué)生的整體評價修正綜合實驗與考核方式，獲得積極的反饋效果。

隨后，在進階實驗中，由被考核學(xué)生組成團隊，通過團隊討論交流的方式給出反饋報告。在該環(huán)節(jié)中，技術(shù)人員會針對實驗?zāi)康摹嶒瀮?nèi)容、實驗過程與實驗結(jié)果4 個方面設(shè)置大綱，學(xué)生團隊根據(jù)大綱框架撰寫報告。在該報告中，要求學(xué)生反思整個實驗過程，指出特點與細(xì)節(jié)，進而反饋實驗流程的不足之處，從而為后續(xù)實驗升級與改進提供依據(jù)。

1.4 綜合實驗的綜合應(yīng)用設(shè)計

在前期設(shè)計的基礎(chǔ)上，將綜合實驗的各個環(huán)節(jié)貫通，在綜合實驗、考核與反饋的基礎(chǔ)上形成制度，通過每月的培訓(xùn)過程，獲得學(xué)生操作實效的統(tǒng)計性數(shù)據(jù)。在學(xué)生開展氣相色譜實驗研究的過程中，不斷提高綜合實驗的難度與工作量，對申請用機的研究生開展不定期測試，檢驗學(xué)生對儀器性能、實驗條件、標(biāo)品與樣品處理等方面的掌握程度。最終，研究生具備獨立操作、獨立實驗、獨立分析的全過程能力。

2 創(chuàng)新（實驗）思維的教學(xué)效果

在教學(xué)設(shè)計基礎(chǔ)上，本文不僅重組了現(xiàn)有的基礎(chǔ)氣相實驗，還推出了反思教學(xué)課程，訓(xùn)練學(xué)生的高階思維能力，補足了研究生培養(yǎng)過程中的短板，從實驗端縮短了研究生教育教學(xué)從被動吸收到主動探索的周期，最終實現(xiàn)了較好的科研效果。

2.1 綜合實驗的效果

通過創(chuàng)新（實驗）思維的指引，教師引導(dǎo)學(xué)生積極進行實驗反推，以此提高實驗效率。機組使用時間與申請樣品數(shù)量的季度統(tǒng)計結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，在2022 年第一季度設(shè)置創(chuàng)新（實驗）思維的相關(guān)培訓(xùn)后，學(xué)生的實驗熱情與實驗效率均顯著提升。每季度機組的送樣時間從原有的2 000 h 提升至年底的7 800 h，送樣數(shù)量也提升至2 200 個/季度。從這一趨勢來看，學(xué)生在氣相色譜上的投入熱情更高，有更強的意愿在相關(guān)實驗上開展分析運用與綜合思考。從統(tǒng)計結(jié)果來看，大部分學(xué)生從以往的“測完不管”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽y完分析”的狀態(tài)，氣相色譜的工作狀態(tài)從2.6 h/樣品拉伸至3.6 h/樣品。

圖2 氣相色譜機組的機時與測試樣品數(shù)量統(tǒng)計圖

同時，學(xué)生的討論時間顯著增加。在以往的實驗過程中，實驗技術(shù)人員基本只對機組維護與技術(shù)展開交流討論。將進階實驗引入創(chuàng)新（實驗）思維訓(xùn)練后，學(xué)生討論時間顯著增加，學(xué)生交流的目的性、效率也顯著提升。學(xué)生能夠主導(dǎo)實驗，改變了過去對技術(shù)人員過于依賴的現(xiàn)象。

2.2 實驗分析的質(zhì)量評價

按照本文的反饋環(huán)節(jié)設(shè)計，在研究生教學(xué)設(shè)計中引入團隊討論與實驗報告反饋，提升學(xué)生的寫作與思考能力。學(xué)生在報告框架中展開思索，相當(dāng)于進行了學(xué)術(shù)論文的預(yù)學(xué)習(xí)過程，結(jié)合開設(shè)的研究生學(xué)術(shù)論文寫作課程，學(xué)生有了學(xué)術(shù)論文寫作實際操練的平臺。在實驗報告中科學(xué)規(guī)范地撰寫，進一步提升了學(xué)生的思維能力與辨識效果，研究生的學(xué)術(shù)寫作能力得到提升。

雖然測試時間相應(yīng)增加，但學(xué)生的數(shù)據(jù)分析與思維辯證能力得到顯著提升。根據(jù)Web of Science的檢索結(jié)果（如圖3 所示），研究生基于氣相色譜相關(guān)研究的論文發(fā)表數(shù)量與質(zhì)量均顯著提升，在實施創(chuàng)新（實驗）思維訓(xùn)練一年后，學(xué)生季度發(fā)表論文數(shù)量接近50 篇。作為對比，在未進行相關(guān)培訓(xùn)前，雖然學(xué)生的氣相色譜測試速度很快，但欠缺對實驗數(shù)據(jù)的整理與思考，學(xué)術(shù)訓(xùn)練相對匱乏，導(dǎo)致學(xué)生論文發(fā)表狀況不佳。因此，從氣相色譜機組的實踐來看，積極有益地引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)術(shù)訓(xùn)練并培養(yǎng)創(chuàng)新（實驗）思維意義重大。

圖3 基于氣相色譜實驗的論文發(fā)表數(shù)量

2.3 反饋評價體系的作用

為公正評價氣相機組的教學(xué)效果，筆者按季度分析了氣相色譜的儀器收費狀態(tài)，相關(guān)數(shù)據(jù)如圖4所示。從圖4 來看，氣相色譜業(yè)績不斷攀升，測試業(yè)績從非引導(dǎo)訓(xùn)練前的不足4 萬元/季度攀升至10 萬元/季度。這說明創(chuàng)新（實驗）思維的相關(guān)設(shè)計具有正向引導(dǎo)作用,研究生在接受相關(guān)培訓(xùn)后有意愿以氣相色譜為平臺開展科學(xué)研究，氣相色譜相關(guān)檢測與分析的動力更強。因此，氣相色譜的業(yè)績收費不斷提升，儀器的使用人數(shù)、測試樣品數(shù)與使用機時都不斷提升，得到了正向、有益的反饋結(jié)果。

圖4 氣相色譜機組的業(yè)績收費情況統(tǒng)計圖

3 創(chuàng)新（實驗）思維的探索與總結(jié)

經(jīng)過高階（實驗）思維能力的引入，研究生獨立思考分析、創(chuàng)新研究的能力顯著提高。研究生經(jīng)過創(chuàng)新訓(xùn)練與系統(tǒng)邏輯思維的培訓(xùn)后，高階思維能力顯著提升，參加科研的主動性與原創(chuàng)性也顯著提升。

在氣相色譜機組使用該方法后，氣相色譜機組的送樣量與測試時間均顯著提升，說明研究生的測試意愿與分析能力都得到了加強。從結(jié)果來看：學(xué)生基于氣相色譜發(fā)表論文的數(shù)量顯著提升，2022 年第四季度研究生基于氣相色譜機組設(shè)備發(fā)表SCI 論文41 篇，與2021 年第一季度相比提升122%。與之相對應(yīng)，氣相色譜機組的收費效益也實現(xiàn)了量化提升，機組業(yè)績提升至10 萬元/季度，有效地實現(xiàn)了氣相色譜機組的正收益，使機組從儀器購置、維護的持續(xù)投入轉(zhuǎn)變至營收、擴大的積極方向。對機組人員培養(yǎng)來說，技術(shù)人員與研究生的工作也提升了機組人員的業(yè)務(wù)能力與服務(wù)水平，機組人員的工作效率也顯著提升。

本研究方法可進一步在高校分析測試中心進行推廣，通過實驗技術(shù)人員對研究生進行創(chuàng)新（實驗）的高階思維能力培訓(xùn)，提高研究生的學(xué)術(shù)能力與實驗效率，這對高校研究生培養(yǎng)有重要意義。從“三全育人”的角度來看，高階（實驗）思維能力補齊了研究生在實驗與分析之間的短板。通過實驗師隊伍在實驗過程中的直接交流，填補了導(dǎo)師負(fù)責(zé)制中的制度短板，使學(xué)生點對點地將理論點與實踐點貫通，在科學(xué)研究中可以做到有的放矢。