創新（實驗）思維在高校研究生教育中的應用實踐

王怡淼，劉桂林，陶秀梅，嚴諸穎，謝廣喜，聶延光

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

研究生科研實驗是高校研究生科學訓練的基本工作之一，是學生培養科學思維能力、提高科學素質的重要載體，在提高學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環節在基礎性實驗與綜合設計性實驗階段都存在諸多問題：（1）在基礎性實驗階段，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，不重視實驗的內在思想等問題[4]；（2）在綜合設計性實驗階段，研究生的獨立思維、創新意識不強，綜合運用所學知識和技能分析、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的基礎培訓課程，把已有的實驗設計方案直接提供給學生，從而達到快速教學、批量化培養的目的[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，導致研究生往往熟悉機臺，但在實驗中不能主動創新。創新思維在21 世紀顯得尤為重要，創新思維是人才培養與產業發展升級的核心理念之一[7]。因此，需使人才形成創新思維觀念，使我國在創新發展過程中不斷涌現新觀點、新方向，進而推動社會與國家的發展?；诖?，重視對研究生創新思維的培養是研究生教育培訓體系中具有重要意義的研究課題[8-11]。

1 創新（實驗）思維的培養設計

當前，教育理論將教育目標設定為知識、領會、運用、分析、綜合和評價6 個等級[12]，前3 個等級是對認知的記憶與簡單復現，創新思維則是后3 個等級在記憶基礎上的高級運用。筆者以氣相色譜機組為教育教學實驗平臺，在傳統演示實驗基礎上增加高階思維過程。主要的培養方式是在研究生實驗過程中追加變量，引導學生獨立思考，提高學生的主觀能動性（如圖1 所示）[13-14]。

圖1 研究生實驗課程設計

1.1 綜合實驗的設置方法

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

綜合實驗仍以基礎實驗作為培訓緒論課，在學生了解氣相色譜性能的基礎上，進一步設計綜合實驗，綜合實驗分為基礎與高階實驗兩個版本。指導教師通過引入組分未知（研究生為盲樣）物質，引導學生在色譜柱選擇、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雜度，以脂肪酸原始樣品為實驗基礎，要求研究生獨立開展組分分離、預處理、氣相色譜條件選擇等實驗設計，在學生獨立操作實驗的基礎上，進一步自主展開數據標準參照物對照、峰面積積分與未知產物分析等工作，實驗技術人員根據學生對數據的分析與處理，評判學生的操作能力。同時，進階實驗與綜合實驗設計呼應，不定期對學生實驗能力進行復核和檢測，強化學生的高階思維能力。進階實驗的使用機時進一步增加，實現機組運行量的最大化。

1.2 實驗分析的考核方式

在以往基礎實驗的基礎上，學生通過教材查找已知物質的物化性質，并將物化性質與基礎實驗對已知物質的檢測結果進行對比。對于指導教師來講，采取該方法易于實現批量教學，但教學效果不佳。筆者在綜合實驗基礎上進一步引入實驗分析與數據處理的考核方式，引導研究生對綜合實驗中的設置參數進行反推：從分析化學的定理公式出發，對照氣相色譜的測試參數展開思考與計算，并在此基礎上給出可能物質的推斷。隨后，讓研究生使用標準品驗證分析結果，并對結果進行對照。

進階實驗的評價包括實驗技術人員評測與學生互評兩種方式：（1）實驗技術人員主要評測學生的測量結果與機器運轉效率，根據學生的測試結果與技術人員的已知經驗，判斷學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學生對實驗過程的細節回憶，強化學生的高階思維意識；（2）學生互評主要是按照學生的上機順序，通過前后上機學生的工作交接，對當前使用氣相色譜的學生運用設備的能力進行評判，對用機效果進行第三方評價，并設置學生之間的問答，技術人員作為觀察員評價學生之間的交流效果。學生間的主觀評價與技術人員的客觀評價共同決定進階實驗的評價結果。

1.3 反饋評價體系的建立

以往的基礎實驗不設置評價體系，在創新（實驗）思維的設計下，氣相機組推出了實驗反饋與評價環節。

首先，在基礎與綜合實驗中，技術人員要求學生在實驗完成后，對實驗結果的滿意度、機器的運行狀態、實驗結果與思維過程等方面進行評價，最后根據學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。在該環節中，技術人員會針對實驗目的、實驗內容、實驗過程與實驗結果4 個方面設置大綱，學生團隊根據大綱框架撰寫報告。在該報告中，要求學生反思整個實驗過程，指出特點與細節，進而反饋實驗流程的不足之處，從而為后續實驗升級與改進提供依據。

1.4 綜合實驗的綜合應用設計

在前期設計的基礎上，將綜合實驗的各個環節貫通，在綜合實驗、考核與反饋的基礎上形成制度，通過每月的培訓過程，獲得學生操作實效的統計性數據。在學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，檢驗學生對儀器性能、實驗條件、標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 創新（實驗）思維的教學效果

在教學設計基礎上，本文不僅重組了現有的基礎氣相實驗，還推出了反思教學課程，訓練學生的高階思維能力，補足了研究生培養過程中的短板，從實驗端縮短了研究生教育教學從被動吸收到主動探索的周期，最終實現了較好的科研效果。

2.1 綜合實驗的效果

通過創新（實驗）思維的指引，教師引導學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量的季度統計結果如圖2 所示。從圖2 可以看出，在2022 年第一季度設置創新（實驗）思維的相關培訓后，學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，送樣數量也提升至2 200 個/季度。從這一趨勢來看，學生在氣相色譜上的投入熱情更高，有更強的意愿在相關實驗上開展分析運用與綜合思考。從統計結果來看，大部分學生從以往的“測完不管”轉變為“測完分析”的狀態，氣相色譜的工作狀態從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量統計圖

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

2.2 實驗分析的質量評價

按照本文的反饋環節設計，在研究生教學設計中引入團隊討論與實驗報告反饋，提升學生的寫作與思考能力。學生在報告框架中展開思索，相當于進行了學術論文的預學習過程，結合開設的研究生學術論文寫作課程，學生有了學術論文寫作實際操練的平臺。在實驗報告中科學規范地撰寫，進一步提升了學生的思維能力與辨識效果，研究生的學術寫作能力得到提升。

雖然測試時間相應增加，但學生的數據分析與思維辯證能力得到顯著提升。根據Web of Science的檢索結果（如圖3 所示），研究生基于氣相色譜相關研究的論文發表數量與質量均顯著提升，在實施創新（實驗）思維訓練一年后，學生季度發表論文數量接近50 篇。作為對比，在未進行相關培訓前，雖然學生的氣相色譜測試速度很快，但欠缺對實驗數據的整理與思考，學術訓練相對匱乏，導致學生論文發表狀況不佳。因此，從氣相色譜機組的實踐來看，積極有益地引導學生開展學術訓練并培養創新（實驗）思維意義重大。

圖3 基于氣相色譜實驗的論文發表數量

2.3 反饋評價體系的作用

為公正評價氣相機組的教學效果，筆者按季度分析了氣相色譜的儀器收費狀態，相關數據如圖4所示。從圖4 來看，氣相色譜業績不斷攀升，測試業績從非引導訓練前的不足4 萬元/季度攀升至10 萬元/季度。這說明創新（實驗）思維的相關設計具有正向引導作用,研究生在接受相關培訓后有意愿以氣相色譜為平臺開展科學研究，氣相色譜相關檢測與分析的動力更強。因此，氣相色譜的業績收費不斷提升，儀器的使用人數、測試樣品數與使用機時都不斷提升，得到了正向、有益的反饋結果。

圖4 氣相色譜機組的業績收費情況統計圖

3 創新（實驗）思維的探索與總結

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

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。從結果來看：學生基于氣相色譜發表論文的數量顯著提升，2022 年第四季度研究生基于氣相色譜機組設備發表SCI 論文41 篇，與2021 年第一季度相比提升122%。與之相對應，氣相色譜機組的收費效益也實現了量化提升，機組業績提升至10 萬元/季度，有效地實現了氣相色譜機組的正收益，使機組從儀器購置、維護的持續投入轉變至營收、擴大的積極方向。對機組人員培養來說，技術人員與研究生的工作也提升了機組人員的業務能力與服務水平，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，通過實驗技術人員對研究生進行創新（實驗）的高階思維能力培訓，提高研究生的學術能力與實驗效率，這對高校研究生培養有重要意義。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，填補了導師負責制中的制度短板，使學生點對點地將理論點與實踐點貫通，在科學研究中可以做到有的放矢。