面向新工科的高校實驗平臺建設模式研究

任光輝, 付 威, 吳金棟, 黃東鍵

(中國民航大學 實驗室及設備管理處, 天津 300300)

2017年,教育部積極推進新工科建設,先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”,并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》以及《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》,全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式與中國經驗,助力高等教育強國建設[1]。2018年,中國民航大學在2個專業入選教育部首批“新工科”研究與實踐項目之際[2],對新工科背景下實驗室建設模式進行了積極探索。借力學?！笆濉币巹潓嵤?通過梳理現有學科體系、完善實踐教學體系等舉措,在全校逐步形成一套從實驗室構架、實驗室環境建設到實驗技術隊伍建設等多維度、全方位的、更為適合學校發展和提升、可復制推廣的實驗室建設新模式。

1 存在的問題

新一輪世界科技革命和產業變革帶來的影響是巨大的,高校尤其是行業高校應積極面對挑戰,培育出適應新需求和新變化的高素質工程科技優秀人才來支撐產業轉型與升級。實驗室作為高校主要機構之一,對傳統工科的支撐和新興交叉學科的形成都有促進作用。為主動適應新工科背景下國家對新型戰略人才的需求,中國民航大學在實驗室建設和布局方面的投入持續加強,但目前仍存在以下幾個方面的問題。

首先,實驗室技術隊伍職業素質不達標,主要表現在對實驗室的建設與責任體系認識不足,很多實驗室儀器與設備老舊缺失,更新換代不及時,管理工作落實不到位,導致了實驗室的科學研究很難加深和拓寬,運用實驗手段解決實際問題的能力也相應弱化。對此,學校已經制定相關制度,以完善實驗技術人員培訓機制。

其次,實驗室教學與科研成果相關度和系統性不夠,經?？梢姾芏鄬嶒炇覂x器設備閑置,使用率低,技術含量落后。目前亟需為實驗研究人員營造良好的教學、科研環境,大力倡導產出成果與實際需求相結合,并在實踐中加以運用,鼓勵研究者沉下心來以解決國家、社會、企業面臨的現實問題為出發點,加強研究成果的獨創性與創新性,注重成果的運用,推動科學技術的發展。

再次,高校實驗室科研學術研究成果交流、推廣、共享及轉化機制不成熟,重理論、輕實踐、閉門造車現象仍然存在,科研、教學和應用極易脫節,很難相互促進和推動,無法形成“走出去,引進來”的循環格局。為了實現“產教學研用”深度融合,只有通過在機制上不斷創新,積極鼓勵通過搭建多學科滲透、交叉的知識體系加深校企合作,創建一個開放、共享、綠色的交流平臺。

最后,實驗室信息化建設與管理手段不足,表現在儀器設備種類多、數據共享效率低、實驗網絡教學資源缺乏、安全管理平臺混亂等方面,導致實驗室開放率和利用率得不到提高[3]。高校應借助高性能計算技術、移動式智能終端技術、大數據技術,實現實驗室的信息、教學、開放、儀器設備和安全管理。

2 面臨的機遇

我校作為民航局直屬的一所典型行業性高校,在面臨民航高速發展的同時,正處在一個發展瓶頸期,目前面臨諸多機遇：一是成為教育部、天津市和民航局3方共建高校,在今后發展中擁有更多的資源；二是在雙一流建設過程中,學校的安全科學與工程學科、航空宇航科學與技術被天津市列為特色一流建設學科,將有利于學校集中力量進行學科內涵提升；三是教育部啟動新工科建設工作,學校2個專業進入被支持范圍；再有就是民航局已經啟動實施《中國民用航空發展第十三個五年規劃》和《推進民航科技教育創新發展意見》。

為適應人才培養模式改革的需要,學校實驗室平臺的建設也將迎來新機遇。首先是國家教育投資在逐年增加,逐步解決高校在“雙一流”和“新工科”建設過程中的條件提升；其次是各行業高校自身在教育教學改革中的內生動力,促使實驗室建設水平不斷提高；再次是新時期高校教師的責任感和使命感,為高標準實驗室建設提供了原動力；最后是創新機制的深化實施和新技術的高速發展為實驗室綜合化、立體化提供契機。

綜上,只有打破學校原有的實驗室建設模式,借鑒學?，F行CDIO工作坊建設模式和運行經驗,打通人才培養過程中的專業限制,實現學科交叉融合,方能適應和滿足學校發展需求,為學校的復合型人才培養提供更為科學、合理的實踐環境[4]。

3 實驗室建設模式

實驗室建設重在頂層設計和統籌規劃。世界著名的實驗室,如英國卡文迪什實驗室、莫斯科大學的物理實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室等,在創建伊始就比較完整地提出和明確實驗室的宗旨、任務和方針政策,確定實驗室定位,并沒有將采購設備、招募學生等作為實驗室的首要任務[5]。一個好的實驗室可以引發各層使用者在實驗室里發掘和研究自己感興趣的項目。只有各類人員不斷創新,才能迸發出新思想、新方向,但前提是大方向不能過于偏離。因此,準確定位和堅守初衷,是提高實驗室核心地位的重要前提,也是新工科類實驗室建設時的關鍵點。

3.1 做好實驗室定位

3.1.1 瞄準科學發展前沿

依照新工科對學科的創新實用性、交叉綜合性與成果導向性的高要求,尤其與信息通信、電子控制、軟件設計等新技術緊密結合,其實驗室建設的起點將遠高于現有實驗室建設水平。此類實驗室規劃建設初期就應瞄準科學發展前沿,確保實驗室承擔的研究方向具有前瞻性和原創性,且能夠保持穩定,由此也會為教育教學的發展和變革帶來潛移默化的滲透[6]。實驗室研究方向也要隨著科學技術的發展和趨勢適時調整,一個大的實驗平臺應該設立幾個具有探索性的研究方向,作為未來的主攻方向,這也就保證了實驗室的可持續發展。

3.1.2 突出行業發展目標

新工科建設方案中的一個元素就是企業或行業在人才培養中應發揮作用。當前,航空、航海等行業均迎來了前所未有的機遇,這些行業所對應的高校實驗室,如民航業對應的中國民航大學,緊密圍繞我國民航事業發展 “一二三三四”發展思路以及民航強國戰略的戰略目標,著力在內涵水平、條件平臺等方面進行建設,同時在科學研究等方面加大力量進行專項攻關,以解決民航高速發展過程中遇到的關鍵難點,實現行業與高校之間的高度融合。

3.1.3 厘清學校學科體系

新工科是由新技術結合相關學科專業相融合的產物。學科體系清晰、培養方案科學,實驗室建設方能成體系、有規模、高水平地開展[7]。目前的民航業需要的是既有技術、又懂管理的復合型人才,雖然距離現有定義的新工科有一定差距,但已基本明確了行業人才需求。中國民航大學作為國內民航人才培養的搖籃,在“十三五”規劃中明確提出了“一體兩翼三支撐”學科體系,涵蓋了學?，F有的學科組成。在 “雙一流”和“新工科”緊鑼密鼓的建設時期,學校實驗室建設將不能再延續以往的建設模式,必須優化和重構實驗室建設體系,方能實現多方面的突破,如圖1所示。

圖1 實驗室建設體系轉變圖

3.2 優化實驗室結構

傳統實驗室建設模式基本上都是以教學和科研相分離,但投資上又剝離不清,在教師和職能部門之間造成很多不必要的誤會。隨著新工科的提出,學科交叉融合勢必帶來實驗室的綜合化,教育模式上的變革也要求實驗室一體化，但又功能層次分明。

3.2.1 做到頂層設計、統籌規劃

實驗室建設在學校各類建設項目中屬于涉及面最廣、技術含量最高的一項工程,其建設質量的高低直接影響到學校用戶的使用體驗和產出效益。實驗室建設是學科、專業建設的重要內容之一,因此,實驗室如何建設、建成什么樣都取決于學科專業的規劃發展。新工科的實施,首先考慮的就是如何搭建實踐平臺,可以開展哪些項目,只有做到提前謀劃、調研充分,才能著手啟動實驗室建設。

3.2.2 形成教學科研一體化實驗室結構

新工科的特點要求實驗室必須綜合化、專業化。一個好的高校實驗平臺應包括基礎實驗平臺、專業實驗平臺、高端實驗平臺及產品體驗或展示中心[8]。學生的不同學習階段將分別在這幾個平臺里度過,既能通過低層次實驗平臺完成學習任務,又可以通過高層次實驗平臺參與教師科研；教師則需要改變現有的教學模式來適應平臺的綜合化,也需要不斷地通過科研成果轉化成豐富教學內容,提升實驗教學效果。

3.2.3 做到新技術的即時引用

隨著科學技術的進步發展以及實驗手段與設備的不斷更新,利用現代信息技術,特別是計算機技術、網絡技術和通信技術,借助模擬、仿真手段和虛擬環境,根據不同教學和科研的性質、任務和要求,探索建設虛擬實驗室、綠色實驗室和仿真實驗室等模式的現代化實驗室[9]。

3.3 強化實驗室軟環境建設

在新工科建設過程中,實驗室建設更應注重實驗文化素養、實驗治學環境及實驗管理平臺等軟環境的建設。

3.3.1 實驗文化素養

實驗文化素養應包括習慣養成、文化傳承、成果共享等方面。具體而言,習慣養成即教師或學生在實驗室必須養成遵守規章制度、緊扣操作規程、保留實驗記錄、留存技術檔案等行為習慣,一是能夠保證實驗室內人員財產安全,二是能夠確保實驗室工作有條不紊開展；文化傳承則指的是在實驗室團隊建設過程中,前輩應通過言傳身教,將實驗室已經形成的良好文化傳遞給新人們,以幫助他們早日融入團隊,踏踏實實地為實驗室工作作貢獻；成果共享則主要體現在團隊成員之間的利益均衡,以幫助團隊成員共同成長[10]。

3.3.2 實驗治學環境

新時期的實驗室在嚴謹實踐、科學合理的同時,也應為學生提供更為活躍的學術氛圍,為教師提供舒適的科研環境。一種好的治學環境直接影響廣大師生在實驗室的學習興趣和學習效果,如英國劍橋大學培育了69位諾貝爾獎得主和7位首相,牛津大學培養了20多位諾貝爾獎得主和10多位首相,都是在不急不躁、寧靜致遠的治學氣氛中誕生的[11]。這種氛圍有利于科學家全身心地投入原始創新研究,去攀登科學的頂峰。

3.3.3 實驗管理平臺

實驗室一體化必須依靠物聯網等新技術來進行管理,從實驗室預約、使用、預警、自評估等多方面形成閉環式管理,方能最大化發揮實驗室的整體效能,達到實驗室初始設計的目標[12]。學?，F已著手推行信息技術與實驗室建設、管理的深度融合,建立集門禁系統、閉路監控系統、電源與照明智能系統、儀器試劑藥品采購系統、安全準入開放系統于一體的管控平臺,并與學生和教師工號、密碼綁定,實現實驗室運行與管理的動態監測,從而達到降低管理成本和提高管理效率的目標。

3.4 加大實驗技術隊伍建設

由于實驗技術隊伍會參與到實驗室建設項目的規劃、論證、建設、驗收和使用等全周期工作中,所以實驗技術隊伍的水平也就直接決定了實驗室建設的質量和使用效益[13]。新工科下的實驗室建設,需要的是具有更為專業、更有自信的隊伍參與其中,從帶頭人到充滿活力的青年員工,都應在業務素養和管理水平上更高一層,且是一支相對穩定、精力充沛、思想開放的實驗技術隊伍。

4 結語

新工科背景下,高校要加快培養當前產業急需人才,主動布局面向未來技術和產業的人才培養體系。中國民航大學2018年獲批2個項目進行新工科項目建設,結合學?！笆濉睂嶒炇医ㄔO規劃的實施,設計了一套在服務國家戰略需求的同時,又能主動服務民航行業需要的實驗室建設新體系,以此成為新工科人才培養的切入點,引導實驗室建設在建設目標上實現了由單一設備采購到全環境建設,在建設路徑上由使用導向轉變為平臺導向,在建設模式上由設備以購買為主過渡到自主開發與購置相結合的全新模式。目前該模式在我?！笆濉睂嶒炇医ㄔO規劃實施過程中,已得到學校各層人士的肯定和支持,對學校的新工科建設起到積極的推動作用。