開展探索性實驗 促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)

鄧曉燕， 高紅霞， 黃道平， 孫宗海， 哀 薇

(華南理工大學(xué) 自動化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641)

0 引 言

實驗教學(xué)是大學(xué)教學(xué)的一個重要組成部分，如何更有效地開展本科實驗教學(xué)作為高校教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一，一直受到眾多學(xué)者和教師們的重視。近幾年，各高校對實驗項目類型的重新定位和改革都做了大量工作，其中探索性實驗項目的建設(shè)尤為突出。2014年我校組織開展了首批“探索性實驗教學(xué)項目”建設(shè)，目的是通過將教學(xué)與科研相融合，進(jìn)一步深化實驗教學(xué)內(nèi)容和體系改革，實現(xiàn)實驗室的開放共享，提高學(xué)生實踐創(chuàng)新能力。本文正是針對本專業(yè)實驗教學(xué)存在的問題，研究針對工程類專業(yè)如何開展探索性實驗，以更好地促進(jìn)實驗課程的改革和促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 開展探索性實驗的意義

在實驗教學(xué)中，大部分都是以驗證性實驗和設(shè)計性實驗為主，學(xué)生一般只需要把教師所教授的知識進(jìn)行驗證，從而內(nèi)化為自己的知識，或把所學(xué)的知識稍加擴(kuò)展就可以完成相關(guān)實驗要求，學(xué)生學(xué)習(xí)缺乏積極性和挑戰(zhàn)性，也使得教師缺乏改進(jìn)實驗教學(xué)的動力，即使有教師對教學(xué)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，但也脫離不了基本的教學(xué)形式，長期以來導(dǎo)致實驗教學(xué)方法呆板，重知識傳授，輕能力培養(yǎng)，學(xué)生的主體地位不高，動手機(jī)會少，實驗報告形式化，實驗考核不合理、實驗儀器設(shè)備更新慢等問題[1～3]。

探索性實驗是指針對某項或某個方面與某個領(lǐng)域有關(guān)的未知或未全知的問題, 采用科學(xué)思維方法, 進(jìn)行大膽設(shè)計, 探索研究的一種開放式教學(xué)實驗, 實驗實施的基本程序與科研過程基本一致[4]。探索性實驗與驗證性實驗、設(shè)計性實驗有著明顯的區(qū)別[5]：① 從學(xué)生的認(rèn)知水平來說，探索性實驗屬于研究層次的實驗，與驗證性和設(shè)計性實驗來比較，屬于較高層次認(rèn)知水平的實驗；② 探索性實驗一般由學(xué)生自主立題和設(shè)計，學(xué)生參與度更高，與科研工作緊密結(jié)合，并指定方案加以實現(xiàn)；③ 探索性實驗在過程特征中表現(xiàn)為問題空間不確定、解決方案不確定；④ 在學(xué)習(xí)結(jié)果上，學(xué)生不僅需要內(nèi)化原先學(xué)到的知識、自行補(bǔ)充新知識、而且在解決過程中有可能創(chuàng)生一些新知識。

探索性實驗給學(xué)生提供了一個自主設(shè)計獨立完成實驗的教學(xué)平臺，從選題到項目的總結(jié)都需要學(xué)生全程參與，極大地激起了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，調(diào)動了學(xué)生勇于探索、敢于創(chuàng)新的積極性, 培養(yǎng)了學(xué)生科研創(chuàng)新的意識和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲凶黠L(fēng)[6]，因此，開展探索性實驗對促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有重大現(xiàn)實意義。

2 探索性實驗實施過程

相對于驗證性實驗，探索性實驗中學(xué)生的參與程度更高，需要在實驗實施的各個階段充分發(fā)揮主觀能動性。針對工程類專業(yè)的實驗來說，本文將探索性實驗分為選題、知識儲備、實驗方案擬制、實驗方案審核、實驗實施、成果分享、總結(jié)等7個階段,如圖1所示。

圖1 探索性實驗實施流程圖

(1) 選題。工程類專業(yè)的探索性實驗一般來說不可能完全利用工程項目中的實驗環(huán)境和設(shè)備，因此由于受到實驗環(huán)境和條件的制約，所以在選題時一定要具備可行性和實用性?？尚行允侵柑剿餍灶}目結(jié)合設(shè)計者的學(xué)術(shù)水平、技術(shù)水平和實驗室條件，使實驗?zāi)軌蝽樌靡詫嵤粚嵱眯允侵柑剿餍詫嶒烆}目應(yīng)具有明確的理論意義和實踐意義[4]。在設(shè)計探索性實驗項目時一般要考慮現(xiàn)有的實驗軟硬件條件，提出任務(wù)目標(biāo)，學(xué)生自行選擇實驗方法和相關(guān)儀器設(shè)備，教師也可以提供實驗題目和方法以及相關(guān)的儀器設(shè)備讓學(xué)生自行選擇。

(2) 知識儲備。選題后，可以采取以小組為單位，讓學(xué)生認(rèn)真研究討論實驗項目內(nèi)容，分析需要解決的問題以及可能用到的實驗技術(shù)和儀器設(shè)備，這主要是要學(xué)生通過查閱大量的文獻(xiàn)資料，學(xué)習(xí)積累有關(guān)專業(yè)知識和參考已有的實踐成果，把所需的知識點弄明白，將實驗所需儀器設(shè)備、軟件等功能、用法搞清楚。在這個過程中，學(xué)生可能沒有科研經(jīng)驗，沒有認(rèn)識到查閱文獻(xiàn)的重要性，還沒有掌握查找文獻(xiàn)的方法，教師應(yīng)該及時對學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，使學(xué)生掌握快速查找文獻(xiàn)的技巧[7]。當(dāng)學(xué)生具有一定的知識儲備后，形成初步方案。

(3) 實驗方案擬制。實驗方案擬制一方面能反應(yīng)學(xué)生所做的工作和對相關(guān)知識的掌握程度，另一方面對實驗步驟、方法等進(jìn)行具體的設(shè)計，因此實驗方案要以報告的形式提交，內(nèi)容主要包括：選題意義(研究背景和意義、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀等)、實驗原理(實驗涉及的理論和軟硬件等知識)、實驗方案(實驗的整體思路、方法、步驟、線路圖、程序等)、預(yù)計取得的效果、項目組成員分工、參考文獻(xiàn)等。

(4) 實驗方案審核。實驗方案審核主要是教師對學(xué)生前期工作的評估和對實驗方案可行性、合理性進(jìn)行審查，以學(xué)生現(xiàn)場答辯形式進(jìn)行。當(dāng)學(xué)生完成實驗方案擬制后，提交給教師，并做好幻燈片對實驗方案進(jìn)行闡述，教師對相關(guān)知識點和問題提問，學(xué)生進(jìn)行解答，教師對存在的問題提出修改意見建議。如果實驗方案通過審核，可預(yù)約實驗，如果不通過，則修改后重新提交進(jìn)行審核。

(5) 實驗實施。實驗實施是整個探索性實驗的關(guān)鍵，是學(xué)生對所設(shè)計的實驗方案的驗證，也是提高學(xué)生實踐操作能力和激發(fā)創(chuàng)造性思維能力的過程。實驗實施分為仿真實驗和實物實驗。仿真實驗自行安排時間進(jìn)行，主要是對相關(guān)程序進(jìn)行調(diào)試和修改。仿真實驗達(dá)到預(yù)期效果后可進(jìn)行實物實驗，學(xué)生按照自行設(shè)計方案，選擇實驗儀器設(shè)備，連接電路，有步驟地展開實驗。在這個過程中，鼓勵學(xué)生討論解決問題，也可以與教師討論交流，學(xué)生要把遇到的問題以及解決的方法記錄下來，以便進(jìn)行總結(jié)。不要求學(xué)生在預(yù)定的時間內(nèi)完成實驗，也允許學(xué)生實驗失敗。

(6) 成果梳理與分享。實驗完成后，學(xué)生對實驗過程出現(xiàn)的問題以及解決方法等進(jìn)行梳理，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，與預(yù)期效果進(jìn)行比較，沒能完成實驗的要查找失敗的原因，總結(jié)經(jīng)驗。待各組都完成實驗后，在規(guī)定的時間內(nèi)完成成果梳理，教師約定時間，各組以報告形式匯報本組實驗成果，各組成員和老師可以對匯報成員進(jìn)行提問和提出意見建議，各組匯報完后，教師對各組進(jìn)行講評和總結(jié)。

(7) 總結(jié)?？偨Y(jié)以總結(jié)報告的形式提交，在實驗方案報告的基礎(chǔ)上根據(jù)實驗過程、教師和同學(xué)提出的意見建議等進(jìn)行修改，增加實驗數(shù)據(jù)處理分析，實驗效果對比以及實驗心得等。主要匯報實驗進(jìn)展結(jié)果，實驗過程中存在的問題及提出解決方法等[8]，鼓勵學(xué)生以此為基礎(chǔ)撰寫學(xué)術(shù)論文并得到錄用發(fā)表。

3 探索性實驗的應(yīng)用實例

探索性實驗的內(nèi)容不僅僅是對新理論的研究，對于工程類專業(yè)來說，更多的是體現(xiàn)在實驗方法、技術(shù)和儀器設(shè)備的改進(jìn)和革新、大型軟件的開發(fā)或二次開發(fā)等方面上[5]。下面，將通過過程控制工程系列實驗課程如何開展探索性實驗項目的應(yīng)用實例進(jìn)行說明。

3.1 驗證性實驗、設(shè)計性實驗變探索性實驗

探索性實驗在教學(xué)活動的主體上應(yīng)該是學(xué)生，教師作為引導(dǎo)。因此原有實驗內(nèi)容通過教師的引導(dǎo)，教學(xué)方式的不同，也可將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生探索性實驗的內(nèi)容。也有學(xué)者曾提出[9-10]，將驗證性實驗轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿餍詫嶒灒_(dá)到“一個實驗，兩種效果”。驗證性實驗的教學(xué)模式通常是固定的，按照“結(jié)論-驗證-應(yīng)用”的模式進(jìn)行，但對于探索性實驗來說，則應(yīng)該是一個反向過程，即“問題-探索-結(jié)論”。將驗證性實驗變探索性實驗，意思是將原來的驗證性實驗進(jìn)行反向設(shè)計變成探索性實驗，也就是學(xué)生從問題出發(fā)，探索問題存在的本質(zhì)，并得出結(jié)論，產(chǎn)生不同的實驗效果。

例如在過程控制工程實驗當(dāng)中，其中一個很重要的實驗是掌握調(diào)節(jié)器PID特性的實驗，原有的實驗方法和步驟等都是由教師擬定和設(shè)計，在過程控制實驗裝置上面完成相應(yīng)的實驗內(nèi)容，學(xué)生甚至早已經(jīng)知道實驗的結(jié)論，做實驗的時候只需要按照教材中的步驟就能完成，最后將相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和解釋。因此在開展的過程中，學(xué)生表示興趣不大。

改革后的實驗過程基本是由學(xué)生進(jìn)行設(shè)計方案和假設(shè)、實驗探索設(shè)計、反思交流和報告總結(jié)。具體的操作是：

(1) 提出問題。教師告知學(xué)生探索的實驗問題，即比例(P)、積分(I)和微分(D)對系統(tǒng)有怎樣的控制作用？并提供可解決問題所需的實驗設(shè)備和儀器；

(2) 探索設(shè)計。這一階段是整個實驗開展的關(guān)鍵，由學(xué)生自行選擇實驗器材和元件，自主設(shè)計步驟和方案。根據(jù)自己的設(shè)計方案進(jìn)行實驗，分析實驗結(jié)果和進(jìn)行歸納。

(3) 反思交流。各小組在實驗結(jié)束后進(jìn)行組員間和小組間的交流和探討經(jīng)驗教訓(xùn)。在討論結(jié)束后，要求小組在進(jìn)行實驗后提出改進(jìn)的方案。

(4) 報告總結(jié)。分析實驗現(xiàn)象和遇到的問題，撰寫實驗報告，并得到比例、積分和微分對控制系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)的影響，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.2 將科研項目轉(zhuǎn)化為探索性實驗內(nèi)容

探索性實驗存在一種探究性的特點，可以將科研項目轉(zhuǎn)化為探索性實驗的內(nèi)容。將科研項目的成果轉(zhuǎn)化為計劃內(nèi)實驗教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生學(xué)會探索并運用科研項目的新技術(shù)新方法進(jìn)行實驗研究，進(jìn)一步拓展學(xué)生理論知識的應(yīng)用實踐，力爭使學(xué)生在實踐中做出創(chuàng)新設(shè)計和創(chuàng)新實驗作品，提高創(chuàng)新能力。一般不要求學(xué)生在規(guī)定的學(xué)時下完成，允許學(xué)生失敗。指導(dǎo)老師根據(jù)實驗過程中的表現(xiàn)，對學(xué)生進(jìn)行考核，更多地是看重學(xué)生積極參與到實驗當(dāng)中。

例如對于目前的工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，大多數(shù)工業(yè)對象都存在較大的滯后時間，將基于產(chǎn)學(xué)研項目(注塑成型組裝生產(chǎn)線技術(shù)研發(fā))的科研成果引入教學(xué)課堂當(dāng)中，設(shè)計了大時滯溫度系統(tǒng)的控制方法實驗。要求學(xué)生了解了該產(chǎn)學(xué)研項目的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗室的基本條件進(jìn)行相應(yīng)的改裝和設(shè)計，并可結(jié)合常用的仿真軟件Matlab和組態(tài)軟件(如組態(tài)王)開展相應(yīng)的實驗。

實施的過程中，學(xué)生自行分為3或4人一組，預(yù)約時間在實驗室進(jìn)行實驗。從學(xué)生提交的實驗方案來看，學(xué)生根據(jù)自己的理解和自己的興趣方向，在課題背景下，選擇了不同的研究主題。一些學(xué)生主要從人機(jī)界面出發(fā)，自行掌握了組態(tài)軟件和Matlab的操作設(shè)計，以組態(tài)王作為系統(tǒng)主控，進(jìn)行動態(tài)工藝圖顯示、PLC參數(shù)設(shè)置和實時數(shù)據(jù)采集等操作，以Matlab作為后臺應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)控制系統(tǒng)分析、設(shè)計和曲線繪制等功能；一些學(xué)生則選擇不同的控制方法設(shè)計相應(yīng)的控制器，例如運用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等方法，并制定了相應(yīng)的實驗方案；一些學(xué)生則從現(xiàn)場總線出發(fā)，對上下位機(jī)通信進(jìn)行了設(shè)計。從第一批的8組學(xué)生實驗來看，基本都能按要求做好實驗方案設(shè)計，其中有6組能夠在第一次預(yù)約時間內(nèi)完成實驗，有2組需要重新修改實驗方案。在實驗實施整個過程中了解到，學(xué)生通過實驗?zāi)軌蚋玫卣莆账鶎W(xué)知識并能夠靈活運用相關(guān)知識自行解決實際問題，學(xué)會了做科研項目的一般方法，提高了自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新實踐能力。

4 結(jié) 語

從探索性立項到實施的過程中，我們發(fā)現(xiàn)相比以往的實驗類型來說，學(xué)生對探索性實驗的研究積極性和參與度有較明顯的提高，學(xué)生對課程的教學(xué)評價也較高。通過探索性實驗，學(xué)生申報了1項實用新型專利，投稿論文2篇，并完成了相關(guān)的課程論文若干。但我們也發(fā)現(xiàn)還存在著一些問題，如：學(xué)生對文獻(xiàn)的查閱重視不夠，對一些知識點沒有掌握透徹便展開實驗設(shè)計；對報告的撰寫不規(guī)范；在實驗過程中還存在著依賴教師的現(xiàn)象，對出現(xiàn)的問題沒有深入研究便輕易問教師等。下一步，將進(jìn)一步規(guī)范探索性實驗開展流程和相關(guān)要求，細(xì)化評價標(biāo)準(zhǔn)，并將探索性實驗匯編成實驗指導(dǎo)書，以便取得更好的效果。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 常春耘,陸南.實驗教學(xué)存在的問題及改革措施[J].實驗室研究與探索,2006,25 (2):235-237.

[2] 趙希文,尹海潔,吳菊花,等.高校實驗教學(xué)存在的主要問題與改革對策[J].黑龍江教育,2011(6):76-78.

[3] 田 紅.高校實驗教學(xué)存在的問題與對策[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2014,12(1):91-93.

[4] 孟慶繁,逯家輝,王貞佐等.探索性實驗是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的有效途徑.[J].實驗室研究與探索,2004,23(1):85-88.

[5] 陸國棟. 關(guān)于實驗教學(xué)改革的思考與探索[EB/OL].http://www.doc88.com/p-27786293442.html,2010-11-26.

[6] 林 興,張士軍,付書捷,等.開展藥理學(xué)探索性實驗培養(yǎng)未來學(xué)術(shù)之星[J].教育教學(xué)論壇,2012(35)：213-214.

[7] 姚 芬,張艷美.探索性實驗教學(xué)的體會與思考[J].當(dāng)代醫(yī)學(xué),2009,15(13):154-155.

[8] 王 力,劉 輝,吳守偉，等.結(jié)合在線學(xué)習(xí)進(jìn)行探索性實驗的體會[J].現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生,2012, 28(13): 2056-2057.

[9] 曹洪昌.變驗證性實驗為探索性實驗[J].濰坊教育學(xué)院學(xué)報,1995(1,2):85-88.

[10] 張流柱.探索性實驗和驗證性實驗有哪些不同[J].實驗教學(xué)與儀器,2004(1):16-17.

[11] 韓云海,吳煥周,丁曉玲.化學(xué)探索性實驗的教學(xué)過程設(shè)計[J].實驗室研究與探索,2007,26(1):148-150.

[12] 黃品梅, 黃道平, 梁錦燊. 開發(fā)綜合設(shè)計性實驗 促進(jìn)創(chuàng)新人才之培養(yǎng)[J]. 實驗室研究與探索, 2010, 29(6):93-95.

[13] 鄧曉燕, 高紅霞, 黃道平,等. 過程控制工程實驗課程教學(xué)改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2017, 36(2)：214-217.

[14] 程金林, 吳斌, 靳曉枝,等. 高校實驗教學(xué)考核模式的改革與實踐[J]. 實驗室研究與探索, 2005, 24(4):76-78.

[15] 傅 奕, 龔衛(wèi)娟, 季明春,等. 開展大學(xué)生探索性實驗項目優(yōu)化創(chuàng)新性人才培養(yǎng)模式[J]. 中國高等醫(yī)學(xué)教育, 2011(3):61-62.