“新工科”背景下工科物理實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與探索

孫 超，姚 燁，胡長(zhǎng)城，段 彬，2

(1.吉林大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.吉林大學(xué) 公共物理教學(xué)與研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130012)

為進(jìn)一步謀求工程教育新發(fā)展，開(kāi)拓工程教育改革新路徑，實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)的宏偉藍(lán)圖，2018年4月，教育部辦公廳印發(fā)關(guān)于《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》的通知，以鼓勵(lì)中國(guó)高校推進(jìn)“新工科”建設(shè)[1-3]。吉林大學(xué)公共物理教學(xué)與研究中心以“新工科”建設(shè)發(fā)展要求為改革切入點(diǎn)，立足于地方高校工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)辦學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀，以培養(yǎng)新世紀(jì)創(chuàng)新性工程人才為教學(xué)目標(biāo)，借力本?！半p一流”學(xué)科建設(shè)發(fā)展規(guī)劃，從大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的理念、團(tuán)隊(duì)建設(shè)模式及軟環(huán)境等方面深入探討“新工科”背景下大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室改革的新方向、新模式，通過(guò)建立“立體化分級(jí)教學(xué)體系”“混合式教學(xué)模式”“學(xué)-研研究平臺(tái)”等實(shí)際行動(dòng)出發(fā)，為“新工科”背景下地方高校實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)創(chuàng)新性卓越工程人才提供思路。

1 建設(shè)“創(chuàng)新性工科類物理實(shí)驗(yàn)室”的歷史背景

在現(xiàn)有高校工程類人才培養(yǎng)體系中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育系統(tǒng)內(nèi)最為重要的教學(xué)手段，也是構(gòu)架學(xué)生課堂理論知識(shí)學(xué)習(xí)和走向工作崗位的過(guò)程中的重要“橋梁”[4]。高校實(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的“主陣地”，肩負(fù)著培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)、工程實(shí)踐動(dòng)手能力，以及創(chuàng)新思維的重要任務(wù)。

首先，實(shí)際調(diào)研地方高校的工科實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)存在較大的不足，具體體現(xiàn)在儀器與設(shè)備更新不及時(shí)、管理人員素質(zhì)不達(dá)標(biāo)、教育內(nèi)容系統(tǒng)性不強(qiáng)、教學(xué)內(nèi)容落后及深度不足和學(xué)生參與度低等問(wèn)題[5]。

其次，實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)過(guò)程中存在極大的資源浪費(fèi)，可以經(jīng)常發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室儀器與教學(xué)場(chǎng)地閑置現(xiàn)象。在本校過(guò)去的工程類學(xué)生教學(xué)大綱中，為了便于對(duì)工程類學(xué)生的管理，本校的工科實(shí)驗(yàn)課程往往只集中于本科一年級(jí)下學(xué)期，這要求學(xué)生需要在短時(shí)間內(nèi)接受實(shí)驗(yàn)知識(shí)，并熟練掌握實(shí)驗(yàn)技能，這就為工程類學(xué)生的實(shí)際教學(xué)帶來(lái)的極大挑戰(zhàn)。

最后，地方高校除了要完成人才培養(yǎng)任務(wù)，同時(shí)還肩負(fù)著為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供科技支撐的重要責(zé)任。這也意味著地方高校工科類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)不應(yīng)該僅滿足于對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)，同時(shí)也應(yīng)該為地方的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮積極作用。然而，現(xiàn)有的高校實(shí)驗(yàn)室在建設(shè)過(guò)程中，存在著“學(xué)-研”融合不足的問(wèn)題，即對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)教育與科研被人為分割。這不僅導(dǎo)致了地方高校實(shí)驗(yàn)室極易發(fā)生“重理論、輕實(shí)踐”的現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高校的“產(chǎn)教學(xué)研用”的深度融合，更使得高校在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中難以培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新思維[6]。

2 建設(shè)“創(chuàng)新性工科類物理實(shí)驗(yàn)室”對(duì)地方高校發(fā)展的實(shí)際意義

為了更好地落實(shí)“科教興國(guó)，人才強(qiáng)國(guó)”的發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)建設(shè)工程教育強(qiáng)國(guó)的宏偉藍(lán)圖。這就要求高校應(yīng)主動(dòng)適應(yīng)“新工科”背景下為祖國(guó)培育具有高素質(zhì)工程人才的任務(wù)[7]。高校工程類專業(yè)實(shí)驗(yàn)室作為培養(yǎng)高素質(zhì)工程人才的“搖籃”也更應(yīng)適應(yīng)時(shí)代要求，主動(dòng)做出改變[8]。如為實(shí)驗(yàn)人員營(yíng)造良好的教學(xué)環(huán)境，積極創(chuàng)造優(yōu)質(zhì)的科研條件，大力倡導(dǎo)實(shí)驗(yàn)成果與地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合，注重成果的創(chuàng)新性與實(shí)用性，在實(shí)驗(yàn)室成果“走出去，引進(jìn)來(lái)”的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)高校-社會(huì)-企業(yè)的深度融合，以此推動(dòng)地方高校的發(fā)展，與此同時(shí)，在高校工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，不僅要兼顧學(xué)科發(fā)展，也要倡導(dǎo)高校在培養(yǎng)高素質(zhì)工程類人才的過(guò)程中，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐教育。

3 建設(shè)“創(chuàng)新性工科類物理實(shí)驗(yàn)室”的具體內(nèi)容

3.1 教育資源與教學(xué)內(nèi)容重新整合

為了響應(yīng)“新工科”建設(shè)對(duì)實(shí)驗(yàn)室“綜合化，專業(yè)化”的建設(shè)要求。吉林大學(xué)公共物理教學(xué)與研究中心針對(duì)學(xué)生個(gè)體差異問(wèn)題，從學(xué)科發(fā)展和學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)角度出發(fā)將中心實(shí)驗(yàn)室資源改革重整，組建了“立體化分級(jí)教學(xué)體系”，即在利用MOOC、虛擬實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、多媒體演示和現(xiàn)場(chǎng)講解答疑等多種立體式多維教學(xué)基礎(chǔ)上，對(duì)一些具體的基礎(chǔ)性、經(jīng)典性、先進(jìn)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分級(jí)體系的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到因材施教、因?qū)I(yè)施教、因興趣試施教的目的。由于每個(gè)學(xué)生的具體情況不同，層次不同，吉林大學(xué)公共物理教學(xué)與研究中心將物理實(shí)驗(yàn)分為三級(jí)，一級(jí)為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合性實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)校教學(xué)大綱，針對(duì)不同專業(yè)需求設(shè)立相關(guān)實(shí)驗(yàn)，組建基礎(chǔ)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室；二級(jí)為拓展實(shí)驗(yàn)，根據(jù)學(xué)生興趣愛(ài)好，由教師提出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生獨(dú)立自主完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)主要依托學(xué)校開(kāi)放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育課程建設(shè)項(xiàng)目完成；三級(jí)為創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，由中心優(yōu)質(zhì)教師根據(jù)自己研究方向結(jié)合學(xué)科前沿知識(shí)，提出研究性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)主要依托于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目和科研基金項(xiàng)目完成。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)校組織校內(nèi)外各學(xué)科專家教授將授課內(nèi)容進(jìn)行重新編寫，將教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深度拓寬。通過(guò)融合各學(xué)科前沿知識(shí)，著重對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，制定了一系列內(nèi)容連續(xù)的綜合性實(shí)驗(yàn)，使一級(jí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更為豐富，與二級(jí)實(shí)驗(yàn)連接更為緊密。在二級(jí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)自主化學(xué)習(xí)探究，提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，誘導(dǎo)學(xué)生由“被動(dòng)”學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)”學(xué)習(xí)[9]，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)，為三級(jí)實(shí)驗(yàn)打下良好基礎(chǔ)。在三級(jí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生進(jìn)入科研實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，接觸前沿科技和思想，將所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為研究成果。“立體化分級(jí)教學(xué)體系”培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新能力與科研能力，加強(qiáng)了科研與人才培養(yǎng)的密切關(guān)系，將“學(xué)-研”相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高校的“產(chǎn)教學(xué)研用”的深度融合，為最終實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)具有交叉學(xué)科背景的創(chuàng)新性工程人才提供了具體思路。

3.2 優(yōu)化教學(xué)模式

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入教學(xué)過(guò)程已成為一種有效手段。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生存在著良莠不齊、綜合能力不均的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，以傳統(tǒng)教學(xué)模式授課，不僅影響了教學(xué)質(zhì)量，還降低了效率，同時(shí)也壓抑和束縛了學(xué)生對(duì)知識(shí)的好奇心、積極性、創(chuàng)造性和思維的多向性，這在很大程度上影響了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[10,11]。針對(duì)此問(wèn)題，吉林大學(xué)公共物理教學(xué)與研究中心提出多元化“混合式教學(xué)模式”，依托吉林大學(xué)在線學(xué)堂平臺(tái)開(kāi)展線上教學(xué)活動(dòng)，運(yùn)用立體化分級(jí)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施課堂教學(xué)活動(dòng)，通過(guò)兩種教學(xué)組織形式的有機(jī)結(jié)合，可以把學(xué)生由淺到深地引向深度學(xué)習(xí)。

“混合式教學(xué)模式”是學(xué)校教育教學(xué)改革和校園信息化建設(shè)的重要組成部分，將教學(xué)需求普遍性和特殊性相結(jié)合，推動(dòng)了信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，促進(jìn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”條件下人才培養(yǎng)的新模式，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)基礎(chǔ)性和前瞻性相結(jié)合。

3.3 建設(shè)教學(xué)研一體化實(shí)驗(yàn)室

“新工科”建設(shè)過(guò)程中要求地方高校對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)起到支撐作用，這就要求高校在建立專業(yè)實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中要充分考慮到建立“學(xué)-研”研究平臺(tái)[12]。即在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，一方面考慮學(xué)生的發(fā)展問(wèn)題以及學(xué)科、專業(yè)的建設(shè)問(wèn)題，另一方面則要考慮到實(shí)驗(yàn)室的搭建可以開(kāi)展哪些實(shí)際項(xiàng)目以方便地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以此避免高校實(shí)驗(yàn)室“學(xué)-研”融合不足這一現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。為了徹底實(shí)現(xiàn)以科研促進(jìn)教學(xué)，將研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，并最終服務(wù)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展這一“新工科”建設(shè)目標(biāo)。吉林大學(xué)公共物理教學(xué)與研究中心依托于本校優(yōu)勢(shì)學(xué)科專業(yè)，充分發(fā)揮高校的科研優(yōu)勢(shì)，利用本校國(guó)家自然基金獲得者直接參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的機(jī)會(huì)，加強(qiáng)科研與人才培養(yǎng)的密切關(guān)系，以此達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力與科研能力的目標(biāo)。

4 創(chuàng)新性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有成果

自創(chuàng)新性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的本科生多次在全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、全國(guó)大學(xué)生“挑戰(zhàn)杯”大賽和“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中斬獲佳績(jī)。僅以2019年所獲獎(jiǎng)勵(lì)為例，本科生共發(fā)表SCI論文1篇；獲大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)科研項(xiàng)目1項(xiàng)；授權(quán)國(guó)家實(shí)用新型專利2項(xiàng)；獲全國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽國(guó)賽二等獎(jiǎng)、東北地區(qū)賽一等獎(jiǎng)、吉林省賽一等獎(jiǎng)；獲首鋼京唐杯第十二屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽三等獎(jiǎng)等。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)構(gòu)建創(chuàng)新性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室，工科類學(xué)生在創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面已經(jīng)取得了良好效果。該創(chuàng)新性大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的建立，不僅有助于將學(xué)生培養(yǎng)成符合“新工科”發(fā)展要求的創(chuàng)新性卓越工程人才，更益于地方高校在區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中發(fā)揮支撐作用，從而促進(jìn)“新工科”與高等工程教育改革的深入結(jié)合，為祖國(guó)培養(yǎng)更多的創(chuàng)新型工程人才。