新工科背景下設(shè)計性實驗質(zhì)量提升的探索

夏侯國偉　張曉烽　張　巍

新工科背景下設(shè)計性實驗質(zhì)量提升的探索

夏侯國偉張曉烽張巍

（長沙理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

針對目前設(shè)計性實驗質(zhì)量不佳的現(xiàn)狀，以及設(shè)計性實驗對整個實驗教學(xué)效果的重要影響，本文提出提高設(shè)計性實驗項目“三性”（工程實踐性、時效性及交叉融合性）的改革思路。繼而分析討論了四種可以提高“三性”的方法，以及三種保持設(shè)計性實驗教學(xué)質(zhì)量的輔助措施，為檢驗所提改革思路與措施對實驗教學(xué)的促進作用，筆者在實驗教學(xué)中對這些改革舉措進行了應(yīng)用，獲得了良好的效果，探索表明，本文的研究內(nèi)容對提升設(shè)計性實驗的質(zhì)量，促進新工科背景下實驗教學(xué)的改革具有很好的參考意義。

新工科；實驗教學(xué)；設(shè)計性實驗；改革

為適應(yīng)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革及創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的需要，以2017年2月18日在復(fù)旦召開的高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會[1]為標志，教育部吹響了全國工科院校進行新工科建設(shè)的號角，開啟了工程教育改革的新征程。隨著復(fù)旦共識[1]、天大行動[2]、北京指南[3]的發(fā)布，全國工科院校掀起了傳統(tǒng)專業(yè)改革重生、新興專業(yè)規(guī)劃設(shè)置[4]的建設(shè)高潮，新工科建設(shè)正式鋪開。

建設(shè)新工科，傳統(tǒng)專業(yè)是改革的重點，作為專業(yè)建設(shè)的重要組成部分，實驗教學(xué)必須予以充分重視。眾所周知，實驗教學(xué)中設(shè)計性實驗角色非常關(guān)鍵，尤其是在建設(shè)新工科的當(dāng)下。設(shè)計性實驗涉及多課程、多維度、多學(xué)科的交叉融合，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主觀能動性、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和工程實踐意識，也非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)與工程實踐能力，從而達到培養(yǎng)面向工程實踐、面向未來、面向產(chǎn)業(yè)甚至引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的，具有交叉復(fù)合知識、較高綜合素養(yǎng)、較強工程實踐能力的卓越工程技術(shù)人才的目的，為國家科技進步與社會發(fā)展提供有力支撐。

為此相關(guān)高校對設(shè)計性實驗的設(shè)立做了不少探索。如吳寧等[5]依托虛擬實驗教學(xué)平臺，給學(xué)生開設(shè)設(shè)計性實驗，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能增強其科研能力和探索精神。黎明[6]針對電工電子學(xué)課程，提出教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)由淺入深的實驗教學(xué)的真實情境，在眾多知識點處通過一系列的設(shè)計性實驗，引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”，經(jīng)過循序漸進的良性循環(huán)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。白曉艷等[7]以分析化學(xué)實驗教學(xué)為例，對分析化學(xué)實驗課程中開展學(xué)生自選題設(shè)計性實驗進行了探索，論述了在教學(xué)過程中加強選題指導(dǎo)、方案設(shè)計、過程把控等環(huán)節(jié)對提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力及自主學(xué)習(xí)能力的作用。

上述從平臺或課程角度切入對設(shè)計性實驗項目開設(shè)進行的探索，有其價值，但客觀講還欠缺更高層次的思考與探索，如果能從方法論的角度對其進行探索，無疑將更具普遍意義和應(yīng)用價值。

目前，能動類專業(yè)設(shè)計性實驗的開展還很薄弱，以長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院為例，雖一直宣揚要重視設(shè)計性實驗，但實際情況仍很難令人滿意，如現(xiàn)在開出的104項實驗項目中，演示4項、驗證16項、綜合82項、設(shè)計性2項，而設(shè)計性項目僅占2%，且其內(nèi)容與新工科強調(diào)的工程實踐及學(xué)科融合的要求存在很大差距。

基于新工科建設(shè)要求及設(shè)計性實驗現(xiàn)狀，容易得知，目前設(shè)計性實驗的質(zhì)與量都與新工科的要求相差甚遠。要改變現(xiàn)狀，關(guān)鍵是要提高設(shè)計性實驗的質(zhì)量。思考認為設(shè)計性實驗的質(zhì)量高低應(yīng)由其“工程實踐性、時效性及交叉融合性”來決定，為方便起見，將其稱為“三性”。顯然，要提高設(shè)計性實驗的質(zhì)量就必須提高設(shè)計性實驗項目的“三性”，“三性”越高質(zhì)量越好，這就是本文所述提升設(shè)計性實驗的改革思路。

1　造成設(shè)計性實驗落后的原因分析

為有效提高設(shè)計性實驗項目的“三性”，必須分析設(shè)計性實驗落后的原因。長期以來我國工科教育遵循的是“科學(xué)范式”，致使工科教育理科化，工程教育與工程實踐及產(chǎn)（企）業(yè)間出現(xiàn)隔閡，破壞了理論與實踐的平衡[8-10]。另外，蘇聯(lián)模式的專業(yè)設(shè)置致使專業(yè)細分，使學(xué)科交融變得很難。實驗教學(xué)受此二者的影響與約束，導(dǎo)致與工程實踐的契合度變差，學(xué)科交叉的融合度變低，嚴重制約了實驗教學(xué)的功能發(fā)揮。

由此易知，能否提煉出“三性”突出的設(shè)計性實驗項目，對實驗教學(xué)的改革關(guān)系重大，這也是本文研究的目的所在。

2　提煉“三性”突出的設(shè)計性實驗項目的方法

由上可知，要提高設(shè)計性實驗的質(zhì)量，關(guān)鍵在于提高“三性”，具體就是要讓設(shè)計性實驗?zāi)芫o密聯(lián)系工程實踐、能及時反映新技術(shù)新方法、能較好融合不同學(xué)科知識。根據(jù)多年對實驗教學(xué)改革的思考和教學(xué)經(jīng)驗的積累，筆者認為應(yīng)從本科畢業(yè)設(shè)計、教師科研、研究生畢業(yè)論文及學(xué)科競賽切入，采用濃縮、簡化、抽象、歸納的方法手段，能凝練出高“三性”的設(shè)計性實驗項目，此乃提煉“三性”突出的有效方法，具體論述如下。

2.1 從本科畢業(yè)設(shè)計中提煉

本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本技能，分析與解決實際問題的能力，使學(xué)生得到從事實際工作所需的基本訓(xùn)練和進行科研工作的初步能力。從培養(yǎng)目的看，畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)著重知識的綜合運用及實際問題的解決。作為工科院校，大部分畢業(yè)設(shè)計題目都涉及實驗研究工作，具有一定的綜合性和知識交叉性。為此，可從那些完成質(zhì)量高，榮獲院、校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計的論文中進行篩選，選擇一些與工程實際聯(lián)系緊密、知識交叉明顯、與專業(yè)課程相關(guān)度高的畢業(yè)設(shè)計，對其進行相應(yīng)的歸納整理與提煉，提煉時可特意保留或設(shè)計一些多學(xué)科知識融合交叉及與工程實際相結(jié)合的環(huán)節(jié)，以使學(xué)生能充分了解該實驗在工程實際中的作用，提高學(xué)生選擇及完成該實驗的積極性。

2.2 從教師科研課題中提煉

工科院校中，眾多教師都在積極申報各類政府資助項目或企業(yè)技術(shù)合作項目。前者為縱向項目，后者為橫向項目?？v向注重工程應(yīng)用中的物理現(xiàn)象機理研究，以解決工程中的科學(xué)問題，強調(diào)研究的創(chuàng)新性和共性問題解決，思維多元、視覺寬廣、知識融合度高，知識層次顯著高于本科教育的水平，對此可在保證“三性”基礎(chǔ)上，簡化實驗過程，摘取部分實驗來形成設(shè)計性實驗。橫向則注重生產(chǎn)過程中的技術(shù)進步與實際問題解決，強調(diào)的是技術(shù)與方法的先進性，與本科教育的層次更為接近，同時也與工程實際直接相關(guān)，為此可以從中選擇一些便于抽象濃縮的實驗來形成設(shè)計性實驗。相對而言，橫向項目更適于本科設(shè)計性實驗項目的轉(zhuǎn)化提煉。通過教師科研課題提煉的實驗項目，其工程實踐性、時效性和交叉融合性明顯，是提高設(shè)計性實驗教學(xué)品質(zhì)的有效途徑。

2.3 從研究生畢業(yè)論文中提煉

隨著碩士研究生招生人數(shù)的增加，每年有相當(dāng)數(shù)量的碩士畢業(yè)論文要完成。碩士論文在100%盲審、小于15%重復(fù)率及強調(diào)創(chuàng)新的氛圍下，研究生們往往在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，需要查閱大量國內(nèi)外研究背景，才能提煉出具有明顯創(chuàng)新、跨界融合，及有現(xiàn)實意義的研究課題，然后展開研究，其中大部分題目含有實驗內(nèi)容。基于此，如能對那些盲審評價高，或榮獲校、省級優(yōu)秀碩士論文的相關(guān)實驗進行提煉，容易獲得工作量適中、過程完整的實驗內(nèi)容，然后將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計性實驗項目。顯然，對碩士研究生畢業(yè)論文進行提煉是設(shè)計性實驗項目的一個非常有價值的來源，值得很好重視和加以利用。

2.4 從學(xué)科競賽中提煉

以能動類專業(yè)為例，能動類學(xué)生參加的全國性學(xué)科競賽主要有，“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽”（以下簡稱“節(jié)能減排大賽”）和“挑戰(zhàn)杯”系列競賽。兩項大賽都是“國賽”，層次高、影響大，尤其是前者，深受能動類學(xué)生青睞，每年都有大量學(xué)生報名參加，且競爭頗為激烈?，F(xiàn)以“節(jié)能減排大賽”為例，簡介學(xué)科競賽項目轉(zhuǎn)化為設(shè)計性實驗項目的可行性?！肮?jié)能減排大賽”基于增強大學(xué)生節(jié)能環(huán)保意識、科技創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作精神的目的，非常重視學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力和工程實踐能力，其中實物性作品必須要有實驗驗證。對于既要求創(chuàng)新又要求實驗驗證的作品，其實驗過程往往非常精彩和別出心裁，且思維層次思維特征較符合大學(xué)生胃口，對大學(xué)生而言有較天然的親近感，鑒于此，如能對那些經(jīng)歷了全國性網(wǎng)評、會評的獲獎作品，作進一步的整理完善，很可能會產(chǎn)生頗具價值的設(shè)計性實驗項目。

3 保持設(shè)計性實驗教學(xué)質(zhì)量的輔助措施

基于設(shè)計性實驗需滿足工程實踐性、時效性和交叉融合性的要求，為保證設(shè)計性實驗的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)實施過程中顯然需要采取一些有針對性的輔助措施，具體措施如下所述。

3.1 項目的及時更新

既然設(shè)計性實驗要有時效性，要及時反映新技術(shù)、新方法，則這類實驗項目就應(yīng)保持適度的更新頻率，以使項目保持新鮮活力，防止其滯后于社會與工程實踐的發(fā)展變化，以便學(xué)生接觸新知識，掌握工程技術(shù)的新動態(tài)。

3.2 實驗指導(dǎo)書的綱要式編寫

設(shè)計性實驗指導(dǎo)書應(yīng)與驗證性、綜合性實驗不同，其內(nèi)容宜粗不宜細，以防出現(xiàn)“按圖索驥”的機械性實驗，因此，設(shè)計性實驗的指導(dǎo)書只能綱要式編寫，重點放在明確實驗?zāi)康摹⑻岢鰧嶒炓?，及安全事項的提示上，實驗的原理、方法可由學(xué)生自行思考確定。如此，可更好地培養(yǎng)學(xué)生與工程實踐相結(jié)合的意識，引導(dǎo)學(xué)生加強交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)與思考，促進學(xué)生工程意識與綜合能力的提高。

3.3 實驗方案事前撰寫

為使學(xué)生能順利完成設(shè)計性項目的實驗過程，保證實驗教學(xué)有序進行，有必要要求學(xué)生進行事前預(yù)習(xí)并撰寫實驗方案，這樣做既可以保證教學(xué)進程，也可以保證教學(xué)質(zhì)量，還能培養(yǎng)學(xué)生良好細致的工作作風(fēng)，有利于其未來的工程實踐。

4 實踐效果

為檢驗本文所述設(shè)計性實驗教學(xué)改革的效果，筆者選擇一個“節(jié)能減排大賽”國賽二等獎項目“聚光光伏電池散熱用板式脈動熱管散熱器研發(fā)”，對其進行了設(shè)計性實驗項目的提煉，提煉后的實驗名稱為“具有脈動特性的相變傳熱性能實驗”。該實驗項目結(jié)合了光伏發(fā)電、太陽能、相變傳熱及工程應(yīng)用，較好體現(xiàn)了設(shè)計性實驗項目的“三性”。當(dāng)學(xué)生了解到該實驗可應(yīng)用于熱門的太陽能光伏發(fā)電的芯片冷卻及高熱流密度芯片的散熱冷卻時，都表現(xiàn)得特別興奮，為順利完成實驗積極主動地去查閱資料，并認真撰寫實驗方案，實驗完成后，不少同學(xué)表示新實驗很有趣，不僅能開闊眼界、學(xué)到新知識，還能獲得很好的動手動腦機會，收獲很大，并希望未來能有更多的機會參與到類似的實驗研究與實驗教學(xué)中去。

5 結(jié) 語

基于新工科背景下設(shè)計性實驗對實驗教學(xué)的重要作用，提出了“三性”決定設(shè)計性實驗質(zhì)量的論斷，討論了提煉“三性”突出的設(shè)計性實驗項目的四種方法及確保設(shè)計性實驗教學(xué)運行質(zhì)量的三個輔助措施，并在實驗教學(xué)中對這些改革進行了應(yīng)用與驗證，結(jié)果表明：本文所研究的方法對提煉“三性”突出的設(shè)計性實驗項目有十分良好的效果，所做研究是對新工科背景下工科院校實驗教學(xué)改革的一種有益探索。

[1]教育部高等教育司.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[EB/OL]. (2017-02-23)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建設(shè)行動路線（“天大行動”）[EB/OL].(2017-04-12)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.新工科建設(shè)形成“北京指南”[EB/OL].(2017-06-10) [2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201706/t20170610_306699.html.

[4]教育部.我國工程教育邁入全球“第一方陣”[EB/OL]. (2018-09-27)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/201809/t20180927_350082.html.

[5]吳寧,胡欣,吳遵秋,等.基于虛擬仿真平臺引入綜合性設(shè)計性實驗項目[J].實驗技術(shù)與管理,2017,34(4):6-8.

[6]黎明.設(shè)計性實驗教學(xué)的研究與實踐[J].實驗技術(shù)與管理, 2012,29(4):245-247.

[7]白曉艷,張春生.新建地方本科院校學(xué)生自主選題設(shè)計性實驗教學(xué)研究[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(11):162-165.

[8]葉民,孔寒冰,張煒.新工科:從理念到行動[J].高等工程教育研究,2018(1):24-31.

[9]王武東,李小文,夏建國.工程教育改革發(fā)展和新工科建設(shè)的若干問題思考[J].高等工程教育研究,2020(1):52-55,99.

[10]鄒曉東,李拓宇,張煒.新工業(yè)革命驅(qū)動下的浙江大學(xué)工程教育改革實踐[J].高等工程教育研究,2019(1):8-14,33.

G640

A

1673-2219（2021）03-0102-03

2021-02-26

長沙理工大學(xué)校級教改項目（項目編號XJG20-107）；湖南省教改項目（項目編號HNJG-2020-0273）；2019年長沙理工大學(xué)教改項目（No.69）。

夏侯國偉（1963－），男，江西宜春人，碩士，副教授，研究方向為高效傳熱傳質(zhì)。張曉烽（1988－），男，湖北石首人，博士，副教授，研究方向為分布式能源系統(tǒng)集成與優(yōu)化。張?。?974－），男，湖南常德人，博士，講師，研究方向為高效清潔能源利用及污染物控制技術(shù)。

（責(zé)任編校：宮彥軍）