通過(guò)科研訓(xùn)練促進(jìn)大學(xué)生全面成長(zhǎng)：以基于生物炭的土壤改良研究為例

通過(guò)科研訓(xùn)練促進(jìn)大學(xué)生全面成長(zhǎng):

以基于生物炭的土壤改良研究為例【摘要】大學(xué)生科研訓(xùn)練是貫徹“三全育人”總體要求的重要途徑。通過(guò)引導(dǎo)大學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料、提出科學(xué)問(wèn)題、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、開(kāi)展試驗(yàn)研究、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)、撰寫學(xué)術(shù)論文、發(fā)表研究成果等，培養(yǎng)大學(xué)生求真務(wù)實(shí)、勇于探索的科學(xué)精神，勤奮刻苦、積極有為的處事態(tài)度，以及分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合能力。本文結(jié)合作者近年來(lái)“科研育人”方面的經(jīng)驗(yàn)，以基于生物炭的土壤改良研究為例，對(duì)如何通過(guò)科研訓(xùn)練促進(jìn)大學(xué)生全面成長(zhǎng)進(jìn)行了剖析，旨在為相關(guān)同行提供參考?！娟P(guān)鍵詞】大學(xué)生；科研訓(xùn)練；三全育人；案例研究PromotingtheOveralldevelopmentofCollegeStudentsthrough

ScientificResearch:ACaseStudyforSoilAmeliorationBased

onBiochar【Abstract】Scientificresearchtrainingofcollegestudentsisanimportantwaytomeetthegeneralrequirementof“threecompleteeducation”.Completescientifictraining,includingconsultingliteratures,discoveringscientificquestions,designingandimplementingexperiments,analyzingdata,writingandpublishingacademicpapers,helpstocultivatetherealisticscientificspirit,forgethehard-workingandpositiveattitude,anddevelopthecomprehensiveabilitytoanalyzeandsolveproblemsforcollegestudents.Basedonourexperiencesinthescientifictrainingofcollegestudentsintherecentyears,weprovidedanexample,i.e.theeffectsofbiocharonsoilamelioration,todissectthebenefitsofscientifictrainingoncollegestudents.Wehopethispaperhelpstopromotethescientifictrainingofcollegestudents.[Keywords]CollegeStudent;ScientificResearchTraining;ThreeCompleteEducation;CaseStudy引言基于科學(xué)研究的知識(shí)創(chuàng)新是大學(xué)的重要使命。通過(guò)科學(xué)研究亦能使學(xué)生得到良好的科研訓(xùn)練，培養(yǎng)良好的科學(xué)精神與為人處世態(tài)度，練就扎實(shí)的科研技能，從而促進(jìn)學(xué)生的全面成長(zhǎng)。除完成本科畢業(yè)論文外，科學(xué)研究并非所有本科生的必修課。然而，“科研育人”作為“三全育人”的重要實(shí)現(xiàn)途徑,是培養(yǎng)高質(zhì)量本科生的重要舉措。近年來(lái)，在高校中普遍推行的本科生“導(dǎo)師制”，也涵蓋了科研育人的基本內(nèi)容，然而其實(shí)際效果與預(yù)期尚存在一定差距。與研究生相比，本科生的專業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，其人才培養(yǎng)目標(biāo)也有明顯差異。在引導(dǎo)本科生獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究時(shí)，需要在選題、專業(yè)契合度、難易程度、工作量、研究意義與興趣培養(yǎng)等方面，進(jìn)行充分考慮，既要循循善誘，又要嚴(yán)格要求，讓學(xué)生得到具體而全面的科研訓(xùn)練。本研究以近期開(kāi)展的生物炭改良土壤研究為例，結(jié)合筆者近年來(lái)在“科研育人”方面積累的經(jīng)驗(yàn)，闡明科學(xué)研究在促進(jìn)大學(xué)生全面成長(zhǎng)中的重要作用，為相關(guān)教師指導(dǎo)本科生開(kāi)展科研訓(xùn)練提供參考。一、廣泛查閱文獻(xiàn)資料，凝練科學(xué)問(wèn)題自主查閱文獻(xiàn)資料，是開(kāi)展科學(xué)研究的第一步。在此過(guò)程中不僅要指導(dǎo)學(xué)生查閱中文文獻(xiàn)資料，還要指導(dǎo)學(xué)生查閱外文文獻(xiàn)資料，以全面了解當(dāng)前本學(xué)科領(lǐng)域的進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探索的興趣。首先，學(xué)生需要認(rèn)識(shí)主要有哪些網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可用于獲取文獻(xiàn)資料，如中國(guó)知網(wǎng)、維普期刊網(wǎng)、Springer、Elsever、Wiley等，本領(lǐng)域有哪些重要學(xué)術(shù)期刊？有哪些知名學(xué)者、課題組等。通過(guò)廣泛查閱文獻(xiàn)，初步了解本領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容與進(jìn)展，再引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，提出擬要開(kāi)展的具體的研究?jī)?nèi)容與要回答的科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)研讀英文文獻(xiàn)，亦能使學(xué)生的英語(yǔ)閱讀與寫作水平得到提高。提出問(wèn)題比解決問(wèn)題更重要，而要提出有價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題，需要充分地開(kāi)展文獻(xiàn)調(diào)研，需要有活躍的學(xué)術(shù)思維與科研靈感。對(duì)于大學(xué)生而言，筆者認(rèn)為應(yīng)該留有足夠的時(shí)間，讓學(xué)生自由地思考與探索，同時(shí)也要檢驗(yàn)文獻(xiàn)調(diào)研成效，通過(guò)組會(huì)報(bào)告等方式交流文獻(xiàn)調(diào)研成果，一方面培養(yǎng)學(xué)生的歸納總結(jié)能力，另一方面訓(xùn)練學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力。大學(xué)生入學(xué)后，即可以加入教師研究團(tuán)隊(duì)，一方面促進(jìn)師生之間的相互了解，增進(jìn)新生的學(xué)校歸屬感；另一方面，了解在實(shí)驗(yàn)室已開(kāi)展的研究工作和所具備的科研條件，熟悉使用一些簡(jiǎn)單的儀器設(shè)備，了解一些大型設(shè)備的用途與原理，讓學(xué)生在查閱文獻(xiàn)資料時(shí)，有更切實(shí)際的認(rèn)識(shí)。以促進(jìn)大學(xué)生全面成長(zhǎng)為目標(biāo)的科研訓(xùn)練，在明確科學(xué)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)該注重簡(jiǎn)單、具體、可操作，同時(shí)具備一定的科學(xué)價(jià)值。本案例中，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室已有的研究基礎(chǔ)，通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，我們把選題劃定在生物炭與土壤改良這一領(lǐng)域。生物炭是由生物質(zhì)材料在高溫缺氧環(huán)境下炭化而成，具有密度低、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、不易降解、含碳量高等特點(diǎn)，已成為農(nóng)業(yè)與環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已圍繞生物炭開(kāi)展了大量的研究工作，如何在已有研究的基礎(chǔ)上，挖掘有價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題呢？通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，提出了生物炭對(duì)土壤保水性的影響這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，具有較好的新穎性與應(yīng)用價(jià)值。二、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，開(kāi)展探索研究良好的試驗(yàn)方案應(yīng)該具有較好的可操作性和相對(duì)較小的人力、物力投入。對(duì)于本科生科研訓(xùn)練而言，尤其應(yīng)該考慮研究的可行性。就一般控制試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，應(yīng)該緊密圍繞要解決的科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置若干試驗(yàn)處理，每個(gè)處理設(shè)置一定的重復(fù)。本案例中生物炭的施加量為1%、2%、3%與4%，以不施加生物炭為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)5次（圖1）。學(xué)生需要挖取5kg旱地紅壤，均勻裝入花盆，按試驗(yàn)方案向各花盆中添加對(duì)應(yīng)量的生物炭。為探索施用生物炭對(duì)土壤保水性的影響，一次性向花盆中均勻澆灑1升蒸餾水，在溫室內(nèi)自然放置30天，以模擬自然干旱。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、具體，能以較小的人力物力投入回答需要探索的科學(xué)問(wèn)題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)手能力。圖1由稻米殼高溫限氧炭化而成的生物炭與溫室土培試驗(yàn)情況三、開(kāi)展試驗(yàn)分析，獲得研究數(shù)據(jù)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備，開(kāi)展樣品分析，是本科生進(jìn)行科研鍛煉的直接方式。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐操作相結(jié)合，做到學(xué)以致用。本案例中，經(jīng)過(guò)30天模擬干旱試驗(yàn)后，學(xué)生需要在每個(gè)試驗(yàn)盆中均勻采集1個(gè)土樣，共計(jì)25個(gè)土壤樣品，每個(gè)樣品測(cè)定土壤含水量、pH、電導(dǎo)率、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮與有效磷含量6個(gè)指標(biāo)。鼓勵(lì)多個(gè)本科生以小組的形式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析，以此培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，并通過(guò)交流討論，及時(shí)解決實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題，分享心得體會(huì)，促進(jìn)共同成長(zhǎng)。此外,筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)花較多的時(shí)間，讓學(xué)生深入理解不同分析指標(biāo)的學(xué)科含義，讓學(xué)生不僅要知其然，還要知其所以然，避免將學(xué)生培養(yǎng)成“實(shí)驗(yàn)員”。本案例中，我們選擇了6個(gè)土壤因子進(jìn)行分析，學(xué)生應(yīng)當(dāng)思考為什么要分析這些土壤因子，它們具有哪些土壤學(xué)意義，比如，土壤pH的定義是什么？測(cè)試方法與原理是什么？使用pH計(jì)時(shí)，需要注意哪些事項(xiàng)？有哪些方法可調(diào)節(jié)土壤pH，提高作物產(chǎn)量等，從而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，激發(fā)科學(xué)探索興趣。此外，銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的測(cè)定利用了大型儀器設(shè)備流動(dòng)分析儀（AA3,Sealanalytical,Ltd,Germany）（圖2），這是本科生接觸高端科研設(shè)備的良好機(jī)會(huì),有利于開(kāi)闊學(xué)生視野、培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在應(yīng)用高端設(shè)備時(shí)，同樣應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)備的工作原理，理解科研設(shè)備所利用的物理化學(xué)知識(shí)，比較與探索同類型設(shè)備的改進(jìn)方法等，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。筆者認(rèn)為，本科生科研訓(xùn)練宜簡(jiǎn)單、具體，讓學(xué)生帶著科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要特別注重每個(gè)具體操作的規(guī)范性，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲辛?xí)慣與精益求精的處事態(tài)度；此外，還應(yīng)該特別強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)室安全，培養(yǎng)學(xué)生的安全意識(shí)。圖2SealAA3型流動(dòng)分析儀（本案例中用于土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的測(cè)定。）四、分析科研數(shù)據(jù)，得出研究結(jié)論對(duì)于本科生而言，其數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，亦缺乏科學(xué)圖表的制作經(jīng)驗(yàn)，但是統(tǒng)計(jì)分析作為科學(xué)研究的基礎(chǔ)，其重要性不言而喻。數(shù)理統(tǒng)計(jì)是本科生開(kāi)展科學(xué)研究的難點(diǎn)，也是需要訓(xùn)練的重點(diǎn)；當(dāng)前，不少學(xué)生對(duì)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)望而生畏，沒(méi)有能力分析實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也無(wú)法得出可靠的科研結(jié)論，這是大學(xué)生科研訓(xùn)練中急需解決的問(wèn)題。筆者結(jié)合近年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為讓學(xué)生較快速地入門數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，樹(shù)立學(xué)習(xí)信心，可以從以下幾方面入手：1.自主學(xué)習(xí)一個(gè)統(tǒng)計(jì)軟件，比如SPSS，其具有功能全面、簡(jiǎn)單易學(xué)的特點(diǎn)，基本涵蓋了各類經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析方法，且不需要復(fù)雜的編程。通過(guò)了解SPSS統(tǒng)計(jì)軟件的重要分析功能與操作方法，引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識(shí)有哪些常用的數(shù)據(jù)分析方法、這些方法有哪些具體的應(yīng)用，在使用過(guò)程中需要注意哪些事項(xiàng)等，讓學(xué)生對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)有基本的感性認(rèn)識(shí)。2.給學(xué)生推薦一本與專業(yè)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)軟件教材。比如當(dāng)前已出版了眾多的SPSS教材，其大多具有簡(jiǎn)明易學(xué)的特點(diǎn)，建議將教材中的相關(guān)案例自己計(jì)算一遍，對(duì)照教材內(nèi)容，分析軟件輸出結(jié)果，從而提高SPSS應(yīng)用水平。3.在具備一定的統(tǒng)計(jì)分析知識(shí)的基礎(chǔ)上，再鉆研不同統(tǒng)計(jì)分析方法的數(shù)學(xué)原理，比如什么是概率分布、統(tǒng)計(jì)推斷的基本原理是什么、對(duì)分析數(shù)據(jù)有哪些要求、“P”值的具體含義是什么等，循序漸進(jìn)、由淺入深,引導(dǎo)學(xué)生掌握統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，做到理論與應(yīng)用相貫通,從而全面掌握并正確使用不同數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。本案例中，圍繞生物炭對(duì)土壤改良的影響，用單因素方差分析檢驗(yàn)不同處理之間是否具有顯著差異，如果差異顯著，再利用Duncan法進(jìn)行多重比較。用線性回歸分析與結(jié)構(gòu)方程模型探索生物炭施加量與不同土壤因子之間的關(guān)聯(lián)性。學(xué)生通過(guò)分析本案例產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠較好地掌握單因素方差分析與一元線性回歸分析，初步認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)方程模型，并以點(diǎn)帶面，促進(jìn)對(duì)其他統(tǒng)計(jì)分析方法的理解，提高學(xué)生量化分析的能力與意識(shí)。五、撰寫研究論文，發(fā)表研究成果寫作能力是大學(xué)生綜合素質(zhì)的集中體現(xiàn)?？萍颊撐木哂泻?jiǎn)潔明了的特點(diǎn)，需要邏輯清晰、層次分明，每個(gè)詞句都要字斟句酌。對(duì)于大學(xué)生而言，通過(guò)科技論文寫作訓(xùn)練，不僅可以提高寫作水平，還可以培養(yǎng)邏輯思維能力，提升綜合素質(zhì)。然而，大學(xué)生初次接觸科技論文寫作，需要循序漸進(jìn)、多讀多寫。圖3基于本案例說(shuō)明科研訓(xùn)練對(duì)大學(xué)生全面成長(zhǎng)的影響首先，一定要引導(dǎo)學(xué)生多閱讀本領(lǐng)域重要文獻(xiàn),高質(zhì)量的輸入才會(huì)有高質(zhì)量的輸出；鼓勵(lì)學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述，將所學(xué)所思進(jìn)行總結(jié)梳理，以此熟悉學(xué)科進(jìn)展，培養(yǎng)寫作能力。其次，有了研究數(shù)據(jù)之后，可以先制作圖表，并及時(shí)整理成文，再一次次修改完善。對(duì)于初學(xué)者而言，可以模仿一些重要文獻(xiàn)的寫作方法，以此提高自己的寫作水平。論文修改完畢后，需及時(shí)選擇合適的學(xué)術(shù)期刊投稿，再根據(jù)審稿人與編輯的意見(jiàn)建議進(jìn)行完善。筆者認(rèn)為，與研究生不同，不少本科生由于缺乏足夠的科研時(shí)間，亦難產(chǎn)出重要的科研成果，但是通過(guò)設(shè)計(jì)一些工作量較小的科研試驗(yàn)，回答一些學(xué)生感興趣的、與所學(xué)專業(yè)密切相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，并將研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊上，將是對(duì)學(xué)生極大的鼓勵(lì)，有助于學(xué)生萌生科研思想，激發(fā)科研興趣，為日后成長(zhǎng)成才奠定良好的基礎(chǔ)。本案例中，通過(guò)提出有價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置簡(jiǎn)單可行的試驗(yàn)方案，獲得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與研究結(jié)果，并整理成文，發(fā)表在土壤學(xué)領(lǐng)域知名學(xué)術(shù)期刊《土壤》。這一系