新工科背景下工科專業(yè)實驗教學(xué)體系的構(gòu)建與實踐

（齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）生物基材料與綠色造紙省部共建國家重點實驗室，山東 濟(jì)南 250353）

新工科（Emerging Engineering Education：3E）是根據(jù)目前國家發(fā)展需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求等方面提出的我國新時代工科教育發(fā)展方向?！靶鹿た啤钡膬?nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化和塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征。新工科建設(shè)重點把握學(xué)與教、實踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、本土化與國際化三個任務(wù)方向［1-2］，其中，實踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)是新工科的關(guān)鍵任務(wù)之一。我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級處在關(guān)鍵期，作為工科專業(yè)特別是特色工科專業(yè)，實踐能力的創(chuàng)新培養(yǎng)已成為新時代工科專業(yè)培養(yǎng)的共識。實驗教學(xué)是實踐能力培養(yǎng)的重要組成部分，其在工科教學(xué)中的地位尤為突出［3-4］。工科實驗教學(xué)在培養(yǎng)工科學(xué)生專業(yè)水平、創(chuàng)新能力和分析解決問題能力等方面都有著理論教學(xué)不可替代的作用。當(dāng)今高校工科教育中實驗課程所占比重越來越大，結(jié)合工科專業(yè)特點構(gòu)建實驗課程體系、對新時期實驗課程教學(xué)進(jìn)行改革是值得思考和探索的重要問題。

一、國內(nèi)外工科專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

（一）國外工科專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

開放式實驗教學(xué)是國外工科實驗教學(xué)探索的重點領(lǐng)域和模式，美國在20世紀(jì)60年代實驗教學(xué)中就開始蘊含開放式實驗教學(xué)的思想。英國和日本在20世紀(jì)90年代開始探索開放式的教學(xué)模式，21世紀(jì)以來，發(fā)達(dá)國家在開放實驗教學(xué)方面已經(jīng)比較普及，主要體現(xiàn)在注重學(xué)生獨立設(shè)計實驗方案、搭建實驗平臺、完成實驗過程的能力培養(yǎng)［5-6］?，F(xiàn)以美國的開放式實驗教學(xué)為例加以論述。

1.實驗教學(xué)采用循序漸進(jìn)式三步法。第一步，實驗技術(shù)人員組織開展實驗儀器的學(xué)習(xí)和使用訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生掌握實驗儀器基本原理、實驗技能和實驗方法。第二步，實驗課教師進(jìn)一步展示仿真模擬實驗，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生通過具體實驗來剖析實驗問題、設(shè)計實驗方案、分析實驗結(jié)果等。第三步，學(xué)生設(shè)計實驗，教師布置專題供學(xué)生選擇，學(xué)生需要獨立進(jìn)行實驗設(shè)計、實驗儀器的選配、實驗結(jié)果的分析，整個過程由學(xué)生或?qū)W生小組完成。

2.重視將新方法、新技術(shù)、新儀器引入實驗課程。高校教師十分重視將最新的分析方法、分析技術(shù)和儀器引入課程，讓學(xué)生及時了解和掌握新事物，并從低年級開始接觸先進(jìn)的儀器和設(shè)備，使學(xué)生體會到科技進(jìn)步和競爭，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)的興趣和壓力。同時注重新的教學(xué)工具和資源的引入，比如立體教學(xué)器件、虛擬實驗等。

3.課程設(shè)計與教學(xué)方法靈活多變。分層次進(jìn)行實驗課程體系的建設(shè)，從博士到?？泼總€層次都有自己的教學(xué)大綱和模式，層次越高其設(shè)計和獨立實驗的成分就越多。實驗課多采取啟發(fā)、引導(dǎo)、探討等教學(xué)方法，鼓勵學(xué)生通過討論歸納總結(jié)實驗方法和實驗方案，促進(jìn)學(xué)生積極主動地參與實驗，提高學(xué)生的動手能力，使學(xué)生樂于思考和敢于實踐，從而圓滿地完成實驗課程的學(xué)習(xí)任務(wù)。

（二）我國工科專業(yè)實驗教學(xué)現(xiàn)狀

國內(nèi)的實驗教學(xué)一直被認(rèn)為是大學(xué)教學(xué)的輔助環(huán)節(jié)，近年來隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和企業(yè)對實踐能力的認(rèn)識，實驗教學(xué)在培養(yǎng)工科大學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新實踐能力方面越來越被重視，但是目前我國的工科實驗教學(xué)存在專業(yè)間、學(xué)校間、區(qū)域間發(fā)展不平衡的問題，其主要體現(xiàn)在以下幾方面［7-8］。

1.某些工科專業(yè)對實驗課程教學(xué)重視不夠，設(shè)備比較傳統(tǒng)單一，甚至有些工科實驗設(shè)備陳舊。

2.受到教學(xué)資源和教學(xué)團(tuán)隊條件限制，很多實驗課程內(nèi)容更新緩慢，實驗內(nèi)容往往局限于課本，易產(chǎn)生與行業(yè)技術(shù)發(fā)展脫節(jié)以及工科實驗落后于目前實際生產(chǎn)水平等問題。

3.實驗課程的過程監(jiān)控和考核是個難題，目前存在方法單一、考核困難等問題，學(xué)生獨立思考、設(shè)計、完成實驗的積極性不高，從而影響了實驗教學(xué)效果和學(xué)生實踐鍛煉能力的提升。

4.實驗教學(xué)的方案制訂往往采取與基礎(chǔ)文化課程相同的模式，沒有根據(jù)社會需求、企業(yè)需求、教師和學(xué)生需求等綜合因素進(jìn)行實驗設(shè)計，有些實驗教學(xué)效果不理想。

二、新時期工科專業(yè)實驗教學(xué)體系的構(gòu)建

以新工科背景為契機(jī)，客觀分析國內(nèi)外實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的優(yōu)勢和缺點，基于我國工科專業(yè)發(fā)展的特點，構(gòu)建新時期的實驗教學(xué)體系具有重要的意義。下面以行業(yè)特色工科專業(yè)制漿造紙工程為例，介紹在實驗教學(xué)體系構(gòu)建和改革過程中的一些做法和經(jīng)驗。

（一）三位一體實驗教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建機(jī)制

為了解決目前實驗課程內(nèi)容陳舊、更新速度較慢的問題，建立或健全實驗課程內(nèi)容和條件的更新機(jī)制非常有必要。學(xué)校牽頭構(gòu)建由企業(yè)技術(shù)人員、實驗課教師和學(xué)生組成的實驗授課小組，通過對企業(yè)的生產(chǎn)線、技術(shù)和用人需求的調(diào)研整合，獲得行業(yè)最實用和最新技術(shù)的發(fā)展方向，為教學(xué)內(nèi)容和條件的更新提供依據(jù)。

每年提前三個月對實驗課進(jìn)行教學(xué)研討，從實驗設(shè)備改進(jìn)與創(chuàng)新、實驗內(nèi)容設(shè)計、學(xué)生能力需求、學(xué)生自身基礎(chǔ)現(xiàn)狀等方面進(jìn)行實驗內(nèi)容的再設(shè)計與構(gòu)建。通過學(xué)校、企業(yè)、學(xué)生三位一體進(jìn)行課程體系的更新與再構(gòu)建，達(dá)到實驗課程在實驗內(nèi)容、實驗方法、實驗儀器和與產(chǎn)業(yè)和學(xué)生契合度等方面實現(xiàn)動態(tài)更新，保持了實驗課程的先進(jìn)性和實用性。

以此為出發(fā)點，輕化工程（制漿造紙方向）專業(yè)與省內(nèi)外著名造紙企業(yè)山東太陽紙業(yè)、泉林紙業(yè)、玖龍紙業(yè)等十幾家單位產(chǎn)學(xué)研合作機(jī)制，參與該專業(yè)的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)培養(yǎng)，并且為實驗課程任課教師的培養(yǎng)鍛煉提供基地。實驗室經(jīng)山東省發(fā)改委批準(zhǔn)，由齊魯工業(yè)大學(xué)牽頭，山東大學(xué)、省造紙院、晨鳴集團(tuán)、華泰集團(tuán)、太陽紙業(yè)、泉林紙業(yè)等8家單位組建了山東省第一個工程實驗室（山東省制漿造紙工程實驗室），促成了校院企協(xié)同創(chuàng)新、產(chǎn)教創(chuàng)新深度融合機(jī)制的形成，為實驗教學(xué)提供了基礎(chǔ)的多方資源平臺。

（二）實驗課程模塊化與全過程考核體系探索

為了解決實驗課內(nèi)容難、實驗課堂效率較低、難考核的問題，筆者對實驗課程教學(xué)的分塊單元化與全過程考核體系進(jìn)行構(gòu)建與探索。通過對實驗過程合理分塊、優(yōu)化實驗分組、鼓勵設(shè)計創(chuàng)新和加強(qiáng)過程考核等的探索，提高學(xué)生獨立完成實驗的興趣和積極性，以及提升實驗教學(xué)效果。將教學(xué)過程分塊單元化，可實現(xiàn)精準(zhǔn)的訂單式培養(yǎng)，使學(xué)生從宏觀和微觀上更加全面地了解實驗全過程。在制漿造紙綜合實驗中，我們采取了教學(xué)過程中準(zhǔn)備階段、設(shè)計階段、實驗階段、分析階段的單元任務(wù)的模式，提高了預(yù)習(xí)、實驗和總結(jié)的效率，實驗教學(xué)效果得到明顯提高。

在模塊化基礎(chǔ)上，為了防止學(xué)生對知識進(jìn)行固化定位，整個實驗采用全過程考核體系，使學(xué)生一方面能夠完成模塊化的學(xué)習(xí)掌握，另一方面又具備全面考慮實驗過程和突發(fā)問題的能力。比如，在實驗教學(xué)過程中采用學(xué)生隨機(jī)實驗操作演示、跳躍模塊提問考核、現(xiàn)象原理描述等方式進(jìn)行全過程考核，實驗教學(xué)效果良好，形成了制漿造紙工程專業(yè)的實驗課程教學(xué)的功能化單元和全過程考核體系。

（三）數(shù)字新技術(shù)++實驗教學(xué)模式的探索

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)在實驗教學(xué)中的應(yīng)用實踐，探索解決實驗預(yù)習(xí)困難、重復(fù)成本較高、很多復(fù)雜實驗無法進(jìn)行等問題。利用現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將實驗過程特別是涉及環(huán)境和條件較為復(fù)雜的實驗，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將其進(jìn)行數(shù)字化構(gòu)建，學(xué)生可以在電腦、手機(jī)等端口進(jìn)行實驗的模擬操作，實現(xiàn)實驗的虛擬設(shè)計、虛擬操作、虛擬分析等過程［9-10］。

基于該思路挖掘?qū)嶒炚n程內(nèi)容，貼合行業(yè)實際需要，圍繞工業(yè)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)制作了造紙生產(chǎn)線的虛擬仿真軟件系統(tǒng)，改革了原來的預(yù)習(xí)模式、練習(xí)模式和考核模式，構(gòu)建虛擬仿真用于實驗教學(xué)的探索機(jī)制，對其他工科專業(yè)的實驗和實踐教學(xué)也有重要的參考價值。

（四）實驗室的管理與設(shè)計新機(jī)制

高校實驗室是開展科學(xué)研究、實驗教學(xué)、人才實踐能力培養(yǎng)的重要基地，特別是對工科專業(yè)顯得尤為重要。因此構(gòu)建實驗室管理與設(shè)計的新模式，對于實驗教學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展具有重要的意義。圍繞制漿造紙工程專業(yè)的特點，從實驗難易程度和學(xué)生掌握知識層次等方面考慮，分為專業(yè)基礎(chǔ)實驗室、專業(yè)綜合實驗室和創(chuàng)新提升實驗室進(jìn)行實驗課程的教學(xué)。

1.專業(yè)基礎(chǔ)實驗室是針對專業(yè)基礎(chǔ)課設(shè)計的實驗室，學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)階段是基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的關(guān)鍵節(jié)點，在該階段學(xué)生開始從原有的物理、化學(xué)公共基礎(chǔ)課知識和思維逐步轉(zhuǎn)換到專業(yè)課思維，實驗教學(xué)是該階段學(xué)生進(jìn)行思維方式轉(zhuǎn)變的重要環(huán)節(jié)。

該層次實驗室采取學(xué)院教學(xué)實驗中心統(tǒng)一管理與設(shè)計配置，配備專門的實驗室管理人員，為任課教師和學(xué)生提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的實驗設(shè)備、儀器和原料試劑等，并在實驗室配備多媒體實驗教學(xué)系統(tǒng)，力求展示實驗過程中的細(xì)節(jié)和重要環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作能力和嚴(yán)謹(jǐn)性。通過該層次的實驗教學(xué)達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生基本的專業(yè)實驗?zāi)芰Φ哪康?，本專業(yè)的理論與實踐知識讓學(xué)生能夠初步掌握和運用。

2.專業(yè)綜合實驗室是針對專業(yè)必修課配套的實驗教學(xué)實驗室。學(xué)生經(jīng)歷了專業(yè)基礎(chǔ)課和相關(guān)實驗的學(xué)習(xí)后進(jìn)入專業(yè)必修課的學(xué)習(xí)，此時其知識體系和實驗體系都正式跨入特定的專業(yè)和領(lǐng)域，學(xué)生將會接觸到特有的實驗內(nèi)容、設(shè)備和方法等，是進(jìn)行專業(yè)知識運用和掌握的階段。

該層次的實驗室采取教學(xué)實驗中心和課程講授團(tuán)隊協(xié)同管理的模式，實驗室管理的主體為課程講授團(tuán)隊，教師根據(jù)專業(yè)課的進(jìn)展情況，對實驗室進(jìn)行管理和設(shè)計。特別是在與專業(yè)課學(xué)習(xí)的內(nèi)容對接上，以輕化工程（制漿造紙方向）專業(yè)實驗為例，原來課程體系是按照講授完相關(guān)理論課后才開始實驗課學(xué)習(xí)，通過實驗室的層次建設(shè)和設(shè)計，講授團(tuán)隊根據(jù)理論課的進(jìn)度將原來的實驗課進(jìn)行了拆分，做到了理論知識和實踐實驗的無縫對接。通過實踐發(fā)現(xiàn)，該調(diào)整實現(xiàn)了理論與實驗的穿插進(jìn)行，對學(xué)生理解專業(yè)知識和理論聯(lián)系實際都有積極的效果。

3.創(chuàng)新提升實驗室是針對具有專業(yè)理論知識和專業(yè)實驗技能的高年級學(xué)生設(shè)置的。高年級學(xué)生具備了基本的專業(yè)思維，通過該類實驗室學(xué)生可以接觸到該領(lǐng)域最新的研究成果和研究趨勢，進(jìn)而擬定研究題目和實驗內(nèi)容，運用專業(yè)知識和專業(yè)實驗技能進(jìn)行創(chuàng)新性的科研實驗，發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐思維和科研素養(yǎng)。

該層次的實驗室依托科研平臺設(shè)計，由科研團(tuán)隊進(jìn)行管理，實驗題目采取科研教師命題或?qū)W生自主選題教師審核制，給予實驗內(nèi)容設(shè)計極大的自由度。以我校輕化工程（制漿造紙方向）專業(yè)為例，該層次的實驗室設(shè)置基于生物基材料與綠色造紙省部共建國家重點實驗室、制漿造紙科學(xué)與技術(shù)教育部重點實驗室等十多個科研平臺，科研平臺的科研人員、儀器設(shè)備等實驗條件為提升實驗水平提供了保障。學(xué)生通過選擇科研團(tuán)隊老師擬定的創(chuàng)新開放實驗題目，進(jìn)入實驗室或科研團(tuán)隊，參與教師和研究生的科研課題，切實達(dá)到運用專業(yè)知識解決實際問題的目的。

三、結(jié)語

新工科背景下，工科專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)尤為重要也面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，實驗教學(xué)作為應(yīng)用型人才實踐能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，其培養(yǎng)體系重構(gòu)迫在眉睫。圍繞新工科的內(nèi)涵發(fā)展要求，對比國內(nèi)外實驗教學(xué)的現(xiàn)狀和問題，以輕化工程（制漿造紙方向）工科專業(yè)為例，從實驗教學(xué)團(tuán)隊構(gòu)建機(jī)制、實驗課程模塊化與全過程考核、數(shù)字新技術(shù)+實驗教學(xué)模式和實驗室的管理與設(shè)計新機(jī)制等方面進(jìn)行了探索，取得了良好的效果，對新工科環(huán)境下工科專業(yè)實驗教學(xué)的探索和改革具有借鑒作用。