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

馬小玲 譚宏斌 （西南科技大學(xué)材料學(xué)院）

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重不足。本科生在校期間的實驗?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)有的實驗環(huán)節(jié)有諸多不完善和急需改進之處。本文結(jié)合專業(yè)實驗體系，對如何提高本科生工程教育的核心能力進行探討。

一、傳統(tǒng)的專業(yè)實驗課程設(shè)置

專業(yè)實驗課程是專業(yè)理論課程的補充，同時也是理論的有效驗證方式之一。從抽象理論到實際實驗操作可以為后續(xù)生產(chǎn)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計的展開打下實踐能力基礎(chǔ)。但是，目前很多高校人才培養(yǎng)體系中，實驗課程設(shè)置傳統(tǒng)保守，典型實驗設(shè)計就是指導(dǎo)教師講解實驗原理、實驗儀器、實驗步驟，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)認證和“新工科”計劃新要求，以實驗課程項目為主線，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。而實踐過程中，研究性實驗學(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。實驗項目的設(shè)置要以解決問題為切入點，激發(fā)學(xué)生對問題的興趣和探索激情，通過團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)驗證性實驗本質(zhì)區(qū)別所在。

二、基于解決復(fù)雜工程問題的實驗教學(xué)設(shè)計

（一）實驗項目開發(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準。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)和實踐來加以培養(yǎng)，但很多高校的實踐環(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)標準、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完整的工程場景環(huán)境。為研究性實驗學(xué)習(xí)模式的展開創(chuàng)造條件。

以本?！盁o機非金屬綜合實驗”課程為例，課內(nèi)所開設(shè)的水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性及膠砂強度測試都屬于驗證性實驗，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驗，可以加深學(xué)生對課程多個知識點的綜合理解和應(yīng)用，加強問題解決能力的培養(yǎng)。上述實驗項目都是傳統(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，實驗項目中包含復(fù)雜工程問題屬性不高，學(xué)生對實驗項目本身的興趣點不高。在本專業(yè)通過工程認證后，為了從專業(yè)實踐環(huán)節(jié)落實學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力培養(yǎng)的目標，將增材制造新技術(shù)（水泥基材料的3D 打印）實驗作為儲備項目，將次研究性實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)有的工程實踐標準和規(guī)范，實驗項目中涉及材料、設(shè)備和軟件多學(xué)科方向的知識點，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 打印實驗項目，恰恰能夠依托上述問題，通過提升實驗課程高階性、突出課程創(chuàng)新性、增加課程挑戰(zhàn)度，從而使研究性實驗項目在課內(nèi)實驗中得以實施，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)生在相對獨立的情況下，完成團隊建立、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作用。研究性實驗項目的開發(fā)使專業(yè)課內(nèi)實驗同時具備了開放創(chuàng)新、項目實踐、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)和科研訓(xùn)練的性質(zhì)，集“專業(yè)實踐能力、工程實踐能力、創(chuàng)新實踐能力”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)項目實施，都離不開科學(xué)合理的教學(xué)設(shè)計，研究性實驗項目的實施要摒棄傳統(tǒng)老師講解演示，學(xué)生照搬操作的灌輸式實驗?zāi)Ｊ?，強調(diào)要采用導(dǎo)學(xué)互動式的教學(xué)方法。具體實施步驟如下：

教師首先發(fā)布實驗任務(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)生在實驗方案設(shè)計前期自主查閱文獻能力、解決復(fù)雜問題的全局判斷力，溝通表達能力。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)下完成實驗，在前期實驗設(shè)計和實施實驗的過程中，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)生充分體會到嚴謹?shù)目蒲兴季S和邏輯推理在實驗設(shè)計中的重要作用，將科研項目類的實驗任務(wù)引入實驗課堂，更能激發(fā)學(xué)生的興趣點和科研熱情，吸引學(xué)生主動走進實驗室，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)實驗設(shè)計與結(jié)果，并在教師指導(dǎo)下總結(jié)改進措施。真正實現(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)互動的實踐模式。

從實驗任務(wù)發(fā)布開始到實驗結(jié)果的分析與總結(jié)全過程中，教師都要進行過程評價，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)貢獻大小給予過程評分。在整個教學(xué)環(huán)節(jié)的實施過程中，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，實驗指導(dǎo)教師應(yīng)將實驗項目進行過程中學(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，提出改進方法，做到理論與實踐協(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。促進理論課教師與實踐教學(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)。

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