科研試驗平臺反哺教學的實踐與探索

摘要：培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力最直接有效的方法就是將科研與教學融為一體，利用高端科研平臺優(yōu)勢和科研活動所具有的獨特知識體驗功能反哺教學活動，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。西北農(nóng)林科技大學“作物高效用水試驗研究平臺”充分發(fā)揮平臺資源優(yōu)勢，組建跨學院（所）聯(lián)合教學研究團隊，建設農(nóng)業(yè)水利教學科研協(xié)同實驗平臺，將最新的科研成果引入實踐教學，并在創(chuàng)設設計性、探索性實驗項目等方面進行了探索性的實踐，以期促進工程教育發(fā)展及創(chuàng)新人才培養(yǎng)。關鍵詞：科研試驗平臺;反哺教學;創(chuàng)新人才培養(yǎng)如何加強高校學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，推進研究性教學的實施，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力，扭轉目前高校人才培養(yǎng)過程實踐環(huán)節(jié)逐漸弱化的趨勢，是我國高校亟待解決的問題[1]。研究型大學擁有高水平科研平臺，具有高水平的師資力量、科研成果和豐富的科研資源，應充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，在培養(yǎng)創(chuàng)新型人才實踐中擔當重任[2]。多年來，多所高校在利用科研試驗平臺反哺教學方面不斷進行實踐與創(chuàng)新，特別是在反哺機制與制度建設、平臺資源優(yōu)化等方面進行了多項改革，有效促進了科研與教學的良性發(fā)展，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供了充分保障和有效借鑒。筆者所在的西北農(nóng)林科技大學是一所以農(nóng)為特色、多學科協(xié)調(diào)發(fā)展的全國重點大學，辦學目標定位是“突出產(chǎn)學研緊密結合辦學特色、創(chuàng)建世界一流農(nóng)業(yè)大學”。要實現(xiàn)這一目標，就必須加強對在校學生的研究探索能力、科研創(chuàng)新能力和實踐動手能力的培養(yǎng)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[3]。為此學校進行了多項改革，其中一個重要方面就是充分發(fā)揮科研試驗平臺優(yōu)勢進行反哺教學實踐，其核心是將科研平臺優(yōu)勢轉化為教學平臺優(yōu)勢，實現(xiàn)科研平臺反哺教學，科教融合的目標，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供有力支撐。西北農(nóng)林科技大學“作物高效用水試驗研究平臺”（以下簡稱“平臺”）按照學校改革意見，在科研反哺教學，科教融合方面進行了系統(tǒng)性探索和實踐。一、利用科研平臺反哺教學的基礎及優(yōu)勢教學與科研對于高校而言是一體的，是相互協(xié)同與共同提高的，兩者要是能夠融合發(fā)展是優(yōu)化資源配置與科教協(xié)同的最好結果[4]。經(jīng)過多年探索，西北農(nóng)林科技大學結合節(jié)水農(nóng)業(yè)相關專業(yè)特色，整合原有科研資源，建設了相對獨立、多學科共享的作物高效用水科研試驗研究平臺。以該平臺為基礎，匯聚了能夠引領學科前沿的高水平研究人才和團隊，在優(yōu)勢設備和設施的硬件條件支撐下，完成多項國家級研究項目，并不斷創(chuàng)新實驗方法及手段，產(chǎn)生多項高水平科研成果，在反哺教學組織和實施方面優(yōu)勢較明顯。（一）科研平臺反哺教學的學科基礎該平臺重點支撐學科為農(nóng)業(yè)水土工程，從20世紀30年代創(chuàng)建學科時試驗研究平臺就開始建設。多年來在新型灌區(qū)設計，作物非充分灌溉理論與技術、作物對有限水高效利用原理與技術、農(nóng)田雨水高效利用技術、節(jié)水裝備設計理論與快速開發(fā)技術、西北地區(qū)水資源可持續(xù)利用等方面作出了開創(chuàng)性研究和突出成就，為學科的發(fā)展奠定了堅實基礎。現(xiàn)在主要是以開展農(nóng)業(yè)水土工程學科相關研究為主的綜合試驗平臺。為了更大地發(fā)揮資源優(yōu)勢，平臺整合了國家節(jié)水灌溉（楊凌）工程技術研究中心以及旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室等10個重點研究基地，掛靠教育部引智基地1個、國家和省部級實驗教學示范中心2個，并成立了專門管理協(xié)調(diào)機構。通過這樣的優(yōu)勢組合，學科優(yōu)勢的硬件資源得到重組，而且匯聚節(jié)水農(nóng)業(yè)領域高水平科研團隊，并以此為基礎，組建了“具有較高理論水平”與“工程實踐經(jīng)驗豐富”的雙師型教師隊伍，充分發(fā)揮了學科資源優(yōu)勢，為科研試驗平臺反哺教學提供了充分保障。（二）科研平臺反哺教學的條件優(yōu)勢平臺在建設之初就是為充分滿足科研和實踐教學需要，重點是滿足科研需求，統(tǒng)籌建設的公共基礎實驗平臺。重點建設環(huán)境類化學分析實驗室、農(nóng)業(yè)氣象及環(huán)境數(shù)據(jù)中心、土壤物理參數(shù)測試等基礎公共實驗室23個。根據(jù)平臺研究方向建設了節(jié)水灌溉工程技術與裝備，作物蒸發(fā)蒸騰量測試系統(tǒng)、旱作農(nóng)田集雨與水分高效利用技術及產(chǎn)品、農(nóng)田水分循環(huán)及根系監(jiān)測系統(tǒng)等多個專業(yè)性試驗平臺。目前平臺有試驗田230畝，實驗室面積8940平方米，實驗室百萬元以上儀器設備20臺（套），50萬元以上62臺（套），建設了大型測坑系統(tǒng)、根系生長監(jiān)測系統(tǒng)、灌溉水力學測試系統(tǒng)等試驗設施。專業(yè)平臺設備自研率超過60%，設備使用率超過90%，而且大部分科研裝置成為常規(guī)專業(yè)教學實驗儀器，有效提升了學生動手和實踐創(chuàng)新能力。（三）科研試驗平臺反哺教學科研優(yōu)勢試驗平臺反哺教學的一個重要條件就是平臺要有較強的科研水平及研究成果。作物高效用水科研平臺多年來一直從事該領域的相關研究，近五年來，承擔國家和省部級科研項目300余項，橫向項目280余項，總經(jīng)費1.8億元，并取得了多項高水平的科研成果，具有深厚的科研積累。在綠色低耗灌溉產(chǎn)品、區(qū)域綜合節(jié)水技術模式、旱區(qū)蓄水保墑關鍵技術、國家宏觀農(nóng)業(yè)節(jié)水戰(zhàn)略研究方面取得了顯著成果，特別是基于作物生理機制的節(jié)水增效及節(jié)水灌溉技術與產(chǎn)品研發(fā)方面處于國際領先地位。其科研成果與農(nóng)業(yè)水利工程、水文學及水資源、水利水電工程等專業(yè)密切相關，已經(jīng)成為我國旱區(qū)作物高效用水技術的重要研究成果原發(fā)地。這些優(yōu)勢科技資源為科研反哺教學提供了有力支撐。二、利用科研平臺開展反哺教學的探索與實踐（一）組建跨學院（所）聯(lián)合教學研究團隊西北農(nóng)林科技大學通過廣泛討論與論證，以涉水學科為基礎，打破單位體制壁壘，促進學科滲透融合，成立高水平試驗研究平臺——中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，實現(xiàn)資源的優(yōu)勢互補，項目、人才、基地的緊密結合。儀器設備實行統(tǒng)一管理，并對外共享開放。新成立的研究院設有專門的管理團隊及實驗技術團隊，管理及技術支撐崗位為專職人員，人事關系隸屬研究院。科研人員為兼職人員，以流動崗位為主，受聘的研究院科研崗位其人事關系隸屬原單位。在新的體制下進行有機融合，組建統(tǒng)一的教學團隊，共同培養(yǎng)研究生，專職科研人員為學生開設新生研討課，指導本科畢業(yè)論文與創(chuàng)新項目，開設講座，形成協(xié)作育人模式，以彌補學院在農(nóng)業(yè)水利技術與裝備研發(fā)方面培養(yǎng)能力的不足。所以，西北農(nóng)林科技大學以科研平臺為基礎，通過實質(zhì)性融合農(nóng)業(yè)水利專業(yè)力量，形成優(yōu)勢互補的農(nóng)業(yè)與水利有機結合的科研教學團隊，特別是有工程技術背景的師資力量有了明顯的增強，形成了一支包括教授15名、副教授16名、高級實驗師2名和講師9名的高水平科研教學團隊，其中有“長江學者”“萬人計劃”“百千萬人才工程”“陜西省教學名師”“教育部新世紀優(yōu)秀人才”等共8人，90%以上科教團隊成員具有海外學習和工作經(jīng)歷，協(xié)同創(chuàng)新能力及支撐教學能力顯著增強。（二）建設國內(nèi)一流的農(nóng)業(yè)水利教學科研協(xié)同實驗平臺經(jīng)充分調(diào)研論證，基于“教學科研共享，本科、研究生實驗與科研設備于一體，自主研發(fā)與設備購置相結合”的建設思路，統(tǒng)籌資源，系統(tǒng)規(guī)劃，立足當前農(nóng)業(yè)水利專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要，著眼未來學科發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)劃平臺建設，以自主研發(fā)為主，建設具有自動控制功能的灌溉水力學實驗平臺；以自動遮雨棚、大型測坑群與自動蒸滲儀結合節(jié)水灌溉理論的實驗平臺；以PIV、快速成型機等先進設備為主的節(jié)水灌溉設備研發(fā)平臺；以無人機結合紅外成像儀、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為特征的節(jié)水灌溉信息化平臺等，有力支撐了創(chuàng)新高層次人才培養(yǎng)。研究平臺先進的教學科研設施為農(nóng)業(yè)水利人才培養(yǎng)及學科發(fā)展奠定了堅實基礎，也為農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)認證、農(nóng)業(yè)水工程國家級實驗示范中心建設提供了有力支撐。以此為依托，獲批作物高效用水國家工程研究中心和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物高效用水重點實驗室（學科群），牽頭聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)大學、武漢大學等教學科研單位成立了農(nóng)業(yè)高效用水協(xié)同創(chuàng)新中心。平臺研制的“作物根系觀測系統(tǒng)”和“作物水分關系觀測系統(tǒng)”在2016年被美國土壤學大百科全書收錄，并分獲2016、2018年“全國高校第四屆、第五屆自制實驗教學儀器設備大賽三等獎”。國家教育部、科技部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、水利部等部委領導，國內(nèi)外100多名知名專家到研究平臺考察調(diào)研平臺建設運行模式及科研反哺教學經(jīng)驗，產(chǎn)生了廣泛的社會影響。（三）建立基于學生實踐能力和創(chuàng)新能力提升的多層次、開放式實踐教學體系基于“科研支撐教學、教學科研相長”的思想，平臺在針對大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面，建立有效的反哺機制。充分利用科研成果及一體化平臺，建立了有利于培養(yǎng)學生實踐能力和創(chuàng)新能力的“一體化、多層次、開放式”實驗課程體系和“基礎—綜合—專業(yè)—研究設計”多層次的實驗教學體系，實現(xiàn)了多層次和開放式實驗教學。將最新的科研成果和實驗技術手段納入實驗教學內(nèi)容，如將最新研究內(nèi)容灌溉水力學和節(jié)水灌溉新技術研究成果納入教學內(nèi)容，新編與新時代灌溉工程需求匹配的教材《水力學》和《灌溉水力學引論》供本科生專業(yè)基礎課使用。充分利用平臺資源，新設本科綜合實驗，如本科“灌溉實驗與測試技術”實驗課程就是依托平臺最新研究成果及實驗方法開設。在實驗設計上，以田間土壤含水量及作物耗水量測定為基礎，充分利用平臺先進的儀器設備設施，綜合作物生理生態(tài)指標的測定，從而使學生系統(tǒng)掌握節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗最基礎的實驗方法，并隨著平臺成果和硬件條件的提升，可進一步創(chuàng)設設計性、創(chuàng)新性實驗項目。通過多層次、模塊化開放實驗，補充完善了灌溉試驗技術、水文數(shù)據(jù)測試測驗、土壤與物理等課程實驗內(nèi)容和實驗手段。平臺針對創(chuàng)新型學生培養(yǎng)，在實踐中采用教學實驗與科研實驗結合、創(chuàng)新研發(fā)實驗與基礎理論研究實驗結合，使大學生承擔的創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新計劃項目和學科競賽具有更為明確的研究目標，而且學校出臺辦法鼓勵教師利用在研項目立項，讓大學生選報，確保學生能夠參與課題研究，使學生對所學的理論知識有更多的實踐機會。在創(chuàng)新實驗方法設計上，如設計的“新型微灌灌水器開發(fā)”實驗項目，在灌溉水力學實驗平臺實現(xiàn)了從“理論分析—灌水器設計—材料分析—模型制作—水力學性能測試—產(chǎn)品制作”全過程探索；“作物蒸發(fā)蒸騰量測定”實驗能夠在自主研發(fā)的“作物蒸發(fā)蒸騰量系統(tǒng)”實現(xiàn)從“實驗設計—含水量測定—蒸發(fā)蒸騰量計算—參數(shù)修訂—蒸滲儀驗證”等全過程探索性訓練，提高了學生的創(chuàng)新意識和解決實際問題的能力。三、利用科研平臺開展反哺教學的成效（一）培養(yǎng)了一批復合型、創(chuàng)新型農(nóng)業(yè)水利工程專門人才近五年來，平臺充分發(fā)揮科研優(yōu)勢，每年申請國家、省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃相關類項目30項左右，使得農(nóng)水、水資、水工等專業(yè)超過50%的學生參與到科研創(chuàng)新活動中。學生參與教師承擔的科研課題有200余項，學生公開發(fā)表論文73篇，還有多項學生創(chuàng)新科技成果獲得學校獎勵。本科生獲水利設計創(chuàng)新大賽特等獎2項，一等獎3項，二等獎3項。西北農(nóng)林科技大學在2017年中國水利學會、高等教育水利教學指導委員會聯(lián)合主辦的全國大學生水利創(chuàng)新大賽中獲得特等獎，該項目“陶瓷灌水器”就是來自本平臺。目前，平臺已支撐本科生完成畢業(yè)論文400余篇，其中科研人員參與指導135篇。培養(yǎng)博士后8名，研究生270名（博士52名，碩士218名）。在學研究生165名，其中博士生37名，碩士生128名。以平臺為依托完成的“大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目”從2017年的9項增加到2021年的26項，本科生參與人數(shù)達到300多名，多名學生取得了創(chuàng)新性發(fā)現(xiàn)，完成的“粉末、液體原材料自動配比器研制”“一種新型陶瓷貼片式地下滴灌管”獲得國家發(fā)明專利，申報實用新型專利12個。（二）有力地支撐了學科發(fā)展及專業(yè)建設由于農(nóng)業(yè)水利專業(yè)特點，部分教學和科研專業(yè)設備無法直接購置，為了更好地進行教學和科研，充分利用平臺優(yōu)勢，堅持進行設備自主研發(fā)，鼓勵和支持儀器設備改造、設備功能挖掘等工作。主要包括：一是作物蒸發(fā)蒸騰量測定裝置系列設施，具體有作物棵間蒸發(fā)測筒、測坑群、蒸滲儀、巡航式作物蒸發(fā)蒸騰測定裝置等；二是土壤及作物生長類試驗裝置，具體有植物根鉆、植物生長桶、植物生長箱、植物根系觀測裝置、不同類型土壤入滲裝置等；三是基礎類試驗裝置，灌溉水力學試驗系統(tǒng)、渠道量水裝置、水工模型等，共自主研制設備設施40多臺（套），新增了設計性實驗、創(chuàng)新性實驗項目30余項，極大地豐富了實踐教學資源，為教學和科研提供了有力支撐。平臺現(xiàn)已成為專業(yè)建設的重要實踐場所。通過進一步加強對企業(yè)的應用開發(fā)技術成果推廣，以這些應用開發(fā)科技項目（主要是水電設計、節(jié)水灌溉設計、灌溉技術及設備研發(fā)、灌溉新材料等）為主導，以平臺為載體，在校內(nèi)外培育了一批集科研、教學、實習為一體的人才培養(yǎng)基地，每年接待本科生實踐實習1000多人次。這些基地現(xiàn)在既成為節(jié)水農(nóng)業(yè)科研人員進行應用基礎研究、技術及裝備研發(fā)的重要場所，也成為科研反哺教學和學生創(chuàng)新能力提升的實踐場所。（三）成為重要的農(nóng)業(yè)水利實踐教學、培訓及示范基地平臺已成為學校農(nóng)業(yè)水利工程及相關專業(yè)入學教育、專業(yè)教育和實踐教學的重要基地。西安理工大學、陜西師范大學、中國農(nóng)業(yè)大學等高校本科和研究生來平臺開展實踐教學及試驗工作。通過技術交流和舉辦各種技術培訓等方式為社會提供服務、舉辦全國灌溉試驗、非洲國家節(jié)水灌溉技