創(chuàng)新研究性實(shí)驗教學(xué)模式　提高解決復(fù)雜工程問題能力

馬小玲　譚宏斌

[摘 要] 以工程教育專業(yè)認(rèn)證所提出的提高學(xué)生創(chuàng)新與解決復(fù)雜工程問題能力為出發(fā)點(diǎn)，從專業(yè)綜合實(shí)驗環(huán)節(jié)著手討論了傳統(tǒng)實(shí)驗環(huán)節(jié)的設(shè)置弊端，提出基于復(fù)雜工程問題的實(shí)驗教學(xué)設(shè)計改革，敘述了研究性實(shí)驗教學(xué)模式的積極作用，以本?！盁o機(jī)非金屬綜合實(shí)驗”課程為例，討論了基于復(fù)雜工程問題的實(shí)驗教學(xué)設(shè)計，為學(xué)生創(chuàng)新思維與復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)提供參考和借鑒。

[關(guān)鍵詞] 工程教育;復(fù)雜工程問題;創(chuàng)新能力;研究性實(shí)驗教學(xué)

[中圖分類號]G642? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號] 1008-2549（2021） 04-0084-02

2016年教育部評估中心發(fā)布的《中國高等教育質(zhì)量報告》和2017年“新工科”計劃等重大戰(zhàn)略部署中，指出我國工科生應(yīng)具備的工程教育的核心能力——創(chuàng)新和解決復(fù)雜工程問題的能力嚴(yán)重不足。本科生在校期間的實(shí)驗?zāi)K設(shè)置是此項綜合能力獲得培養(yǎng)的主要載體和形式之一。而現(xiàn)有的實(shí)驗環(huán)節(jié)有諸多不完善和急需改進(jìn)之處。本文結(jié)合專業(yè)實(shí)驗體系，對如何提高本科生工程教育的核心能力進(jìn)行探討。

一、傳統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗課程設(shè)置

專業(yè)實(shí)驗課程是專業(yè)理論課程的補(bǔ)充，同時也是理論的有效驗證方式之一。從抽象理論到實(shí)際實(shí)驗操作可以為后續(xù)生產(chǎn)實(shí)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的展開打下實(shí)踐能力基礎(chǔ)。但是，目前很多高校人才培養(yǎng)體系中，實(shí)驗課程設(shè)置傳統(tǒng)保守，典型實(shí)驗設(shè)計就是指導(dǎo)教師講解實(shí)驗原理、實(shí)驗儀器、實(shí)驗步驟，學(xué)生完全是出于被動地位的照搬操作，傳統(tǒng)模式很難激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣，從而限制了學(xué)生的主動探索和創(chuàng)新思維精神，制約了解決復(fù)雜工程問題能力的提升。因此，為適應(yīng)工程教育專業(yè)認(rèn)證和“新工科”計劃新要求，以實(shí)驗課程項目為主線，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新協(xié)作精神、提高解決復(fù)雜工程問題能力的教學(xué)設(shè)置改革勢在必行。而實(shí)踐過程中，研究性實(shí)驗學(xué)習(xí)模式的創(chuàng)建是培養(yǎng)學(xué)生復(fù)雜工程問題解決能力的核心要素。實(shí)驗項目的設(shè)置要以解決問題為切入點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生對問題的興趣和探索激情，通過團(tuán)隊合作交流分析和解決問題，提高綜合素質(zhì)。這是與傳統(tǒng)驗證性實(shí)驗本質(zhì)區(qū)別所在。

二、基于解決復(fù)雜工程問題的實(shí)驗教學(xué)設(shè)計

（一）實(shí)驗項目開發(fā)

復(fù)雜的工程問題，并不一定是在技術(shù)層面復(fù)雜難解，更多的是多方紛雜的因素，多學(xué)科領(lǐng)域的知識摻雜在一起，構(gòu)成以往未曾出現(xiàn)的場景或者不常見的問題，沒有成熟的解決方法和標(biāo)準(zhǔn)。工程教育培養(yǎng)的目的就是需要學(xué)生能在復(fù)雜問題中找出平衡的解決方案。

解決問題的能力主要通過開設(shè)專業(yè)性的知識教學(xué)和實(shí)踐來加以培養(yǎng)，但很多高校的實(shí)踐環(huán)節(jié)由于輔助條件有限，很難搭建一個能夠覆蓋工程全流程環(huán)節(jié)的實(shí)踐平臺。所以，依據(jù)學(xué)校自身條件和工程能力培養(yǎng)要求，專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)的設(shè)置要盡可能創(chuàng)造出能讓學(xué)生從基本原理出發(fā)，通過抽象的、創(chuàng)造性的分析和合適的建模，超越現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量要求和操作規(guī)程，從新的角度、采取新的技術(shù)路線和工程方法去解決問題的真實(shí)完整的工程場景環(huán)境。為研究性實(shí)驗學(xué)習(xí)模式的展開創(chuàng)造條件。

以本校“無機(jī)非金屬綜合實(shí)驗”課程為例，課內(nèi)所開設(shè)的水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性及膠砂強(qiáng)度測試都屬于驗證性實(shí)驗，可以加深學(xué)生對課程學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)專業(yè)上基本動手能力的培養(yǎng);混凝土配合比設(shè)計及拌合物性能測試屬于綜合實(shí)驗，可以加深學(xué)生對課程多個知識點(diǎn)的綜合理解和應(yīng)用，加強(qiáng)問題解決能力的培養(yǎng)。上述實(shí)驗項目都是傳統(tǒng)水泥基材料設(shè)計與基本性能的檢測，都屬于材料的常規(guī)制備方法及設(shè)計手段，實(shí)驗項目中包含復(fù)雜工程問題屬性不高，學(xué)生對實(shí)驗項目本身的興趣點(diǎn)不高。在本專業(yè)通過工程認(rèn)證后，為了從專業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)落實(shí)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的目標(biāo)，將增材制造新技術(shù)（水泥基材料的3D打印）實(shí)驗作為儲備項目，將次研究性實(shí)驗項目作為有效載體，使學(xué)生通過知識、技術(shù)、方法的綜合應(yīng)用，提高學(xué)生利用所學(xué)專業(yè)知識設(shè)計新方法、制備新材料的創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)體驗復(fù)雜工程構(gòu)建的經(jīng)歷。

3D打印混凝土及砂漿作為一種新型成型技術(shù)，在原材料的選擇、配合比設(shè)計和配制理論、外加劑的使用等方面都突破了現(xiàn)有的工程實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，實(shí)驗項目中涉及材料、設(shè)備和軟件多學(xué)科方向的知識點(diǎn)，問題本身具有諸多不確定性因素，已有的工程問題解決方案參考和借鑒價值小。引入水泥基材料3D打印實(shí)驗項目，恰恰能夠依托上述問題，通過提升實(shí)驗課程高階性、突出課程創(chuàng)新性、增加課程挑戰(zhàn)度，從而使研究性實(shí)驗項目在課內(nèi)實(shí)驗中得以實(shí)施，學(xué)生的創(chuàng)新思維、原創(chuàng)性分析、抽象建模等解決前沿性復(fù)雜工程問題的能力得以培養(yǎng)。

通過課內(nèi)研究性實(shí)驗項目的學(xué)習(xí)，還可以提高學(xué)生參與科技競賽創(chuàng)新活動的積極性和自信心，而這類活動具有明顯的學(xué)科交叉性、綜合創(chuàng)新性，而且需要學(xué)生在相對獨(dú)立的情況下，完成團(tuán)隊建立、自主選題、自行設(shè)計方案，對于學(xué)生綜合創(chuàng)新和解決復(fù)雜問題能力的提升有很大的促進(jìn)作用。研究性實(shí)驗項目的開發(fā)使專業(yè)課內(nèi)實(shí)驗同時具備了開放創(chuàng)新、項目實(shí)踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科研訓(xùn)練的性質(zhì)，集“專業(yè)實(shí)踐能力、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力”的培養(yǎng)于一體。

（二）教學(xué)活動設(shè)計

任何一個好的教學(xué)項目實(shí)施，都離不開科學(xué)合理的教學(xué)設(shè)計，研究性實(shí)驗項目的實(shí)施要摒棄傳統(tǒng)老師講解演示，學(xué)生照搬操作的灌輸式實(shí)驗?zāi)Ｊ?，?qiáng)調(diào)要采用導(dǎo)學(xué)互動式的教學(xué)方法。具體實(shí)施步驟如下：

教師首先發(fā)布實(shí)驗任務(wù)，任務(wù)來源可以是多方位的，學(xué)生根據(jù)興趣和自身專長選擇實(shí)驗任務(wù)，自行組隊（4～6人為一組），指導(dǎo)教師啟發(fā)學(xué)生自主設(shè)計實(shí)驗方案。而后通過師生互動和生生互動討論確定方案，方案的確定要經(jīng)過簡要的論證答辯環(huán)節(jié)。設(shè)計此環(huán)節(jié)的主要目的是，檢驗學(xué)生在實(shí)驗方案設(shè)計前期自主查閱文獻(xiàn)能力、解決復(fù)雜問題的全局判斷力，溝通表達(dá)能力。為后面畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)的順利展開奠定基礎(chǔ)。接著在教師指導(dǎo)下完成實(shí)驗，在前期實(shí)驗設(shè)計和實(shí)施實(shí)驗的過程中，學(xué)生會了解新技術(shù)、新方法在工程應(yīng)用方面的優(yōu)越性，既可以拓寬學(xué)生的創(chuàng)新思維，又能使學(xué)生充分體會到嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲兴季S和邏輯推理在實(shí)驗設(shè)計中的重要作用，將科研項目類的實(shí)驗任務(wù)引入實(shí)驗課堂，更能激發(fā)學(xué)生的興趣點(diǎn)和科研熱情，吸引學(xué)生主動走進(jìn)實(shí)驗室，為培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)創(chuàng)造了環(huán)境條件。最后，學(xué)生分析總結(jié)實(shí)驗設(shè)計與結(jié)果，并在教師指導(dǎo)下總結(jié)改進(jìn)措施。真正實(shí)現(xiàn)OBE理念中以學(xué)生為主體的變教為導(dǎo)、以導(dǎo)促學(xué)、學(xué)思結(jié)合、導(dǎo)學(xué)互動的實(shí)踐模式。

從實(shí)驗任務(wù)發(fā)布開始到實(shí)驗結(jié)果的分析與總結(jié)全過程中，教師都要進(jìn)行過程評價，因為過程評價可以促使學(xué)生對學(xué)習(xí)過程的重視和投入，另外可以及時發(fā)現(xiàn)實(shí)驗設(shè)計方案中的問題，隨時溝通調(diào)整，鼓勵和支持學(xué)生創(chuàng)新性地解決問題，改善學(xué)習(xí)效果。過程評價中還應(yīng)注意小組中成員分工與合作情況，依據(jù)貢獻(xiàn)大小給予過程評分。在整個教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施過程中，教師不再是單一的知識傳授者，更主要的是做啟發(fā)學(xué)生自主探索，解決問題的引導(dǎo)者和支持者。

另外，實(shí)驗指導(dǎo)教師應(yīng)將實(shí)驗項目進(jìn)行過程中學(xué)生遇到的典型理論知識瓶頸案例總結(jié)反饋至理論課教師，通過交流溝通，提出改進(jìn)方法，做到理論與實(shí)踐協(xié)同發(fā)展。學(xué)生創(chuàng)新與解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)可以持續(xù)改進(jìn)。促進(jìn)理論課教師與實(shí)踐教學(xué)教師的相互交流，形成兩類教師參與學(xué)生培養(yǎng)的協(xié)同效應(yīng)。

研究性實(shí)驗教學(xué)項目的實(shí)施是實(shí)驗教學(xué)改革發(fā)展的必然趨勢，既要求學(xué)校配套足夠的教學(xué)資源輔助該實(shí)驗改革的進(jìn)行，還要求指導(dǎo)教師要有扎實(shí)的工程技術(shù)能力和先進(jìn)的教育理念和模式，學(xué)生要掌握基本的理論知識和實(shí)驗操作，才能最大限度發(fā)揮出研究性實(shí)驗項目對學(xué)生創(chuàng)新和復(fù)雜工程問題解決能力的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彥丹.提高工科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力的研究[D].西南科技大學(xué)，2018.

[2]蔣智杰，李文波，羅美香，等.在專業(yè)實(shí)驗中培養(yǎng)本科學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力[J].化纖與紡織技術(shù)，2018（3）.

[3]孟慶民，張立強(qiáng)，龍紅明，等.基于培養(yǎng)復(fù)雜工程問題能力的實(shí)驗教學(xué)改革研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2017（3）.

[4]林健.運(yùn)用研究性學(xué)習(xí)培養(yǎng)復(fù)雜工程問題解決能力[J].高等工程教育研究，2017（2）.

[5]周權(quán)，宋寧，倪禮忠，等.聚焦“復(fù)雜工程問題”的復(fù)合材料與工程專業(yè)課程體系構(gòu)建[J].化工高等教育，2018（6）。

[6]楊毅剛，孟斌，王偉楠.如何破解工程教育中有關(guān)“復(fù)雜工程問題”的難點(diǎn)[J].高等工程教育研究，2017（2）.

[7]朱正偉，儲開斌，焦竹青，等.以解決復(fù)雜工程問題能力為導(dǎo)向的電子信息類實(shí)踐育人模式[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2019（7）.

[8]朱倩，朱麗麗，余芳.多元化藥物分析實(shí)驗考核方法建立的探索[J].山東化工，2018（15）.

[9]陳平，吳祝武.著眼學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)[J].實(shí)驗技術(shù)與管理，2019（6）.

（責(zé)任編輯：王義祥）