基于探究性實驗的農(nóng)業(yè)工程專業(yè)教學實驗室優(yōu)化配置和管理思考

沈明衛(wèi)， 郝飛麟， 何 勇， 馮 雷， 葉章穎

(1. 浙江大學 生物系統(tǒng)工程與食品科學學院， 杭州 310058；2. 浙江樹人學院 生物與環(huán)境工程學院， 杭州 310015)

0 引 言

農(nóng)業(yè)工程屬于綜合性的交叉學科，是現(xiàn)代科學技術(shù)與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化的有機結(jié)合[1]。主要包括農(nóng)田水利建設(shè)，水土保持設(shè)施，農(nóng)業(yè)動力和農(nóng)業(yè)機械工程，設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境工程、農(nóng)業(yè)信息化管理，農(nóng)副產(chǎn)品的加工、儲藏、運輸工程等，并隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容以及技術(shù)手段的發(fā)展，這些領(lǐng)域的內(nèi)容不斷得到拓展。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)范圍廣，包括大田和設(shè)施栽培與養(yǎng)殖，涵蓋產(chǎn)前、產(chǎn)中、產(chǎn)后等各個環(huán)節(jié)，所涉及的學科領(lǐng)域和知識非常廣泛，農(nóng)業(yè)工程專業(yè)本科生培養(yǎng)目標是使學生在掌握工程實踐知識的基礎(chǔ)上具有解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中問題的能力，因此基于知識應用的探究性實驗在專業(yè)課程的實驗教學中起著舉足輕重的作用[2-3]。農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的部分專業(yè)課程如生物生產(chǎn)機器人、精細農(nóng)業(yè)、生物環(huán)境工程等從專業(yè)設(shè)立之初就開始大量采用探究性實驗教學。與傳統(tǒng)的驗證性實驗相比，探究性實驗范圍廣，技術(shù)手段多樣，而且能與時俱進地密切聯(lián)系行業(yè)發(fā)展熱點，如生物環(huán)境工程課程實驗可以選擇對溫室、畜舍、水產(chǎn)養(yǎng)殖等設(shè)施進行設(shè)計、環(huán)境因子調(diào)控并分析設(shè)施環(huán)境成因，探索與設(shè)施環(huán)境相關(guān)的植物、動物生理生長、行為等。對融合了學科交叉內(nèi)容的課程來說，這些實驗的順利開展對學生適應新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式起著舉足輕重的作用。

由于探究性實驗與學科研究內(nèi)容的發(fā)展密切相關(guān)，隨著學科研究領(lǐng)域的拓展和深入，課程探究性實驗內(nèi)容日益豐富，對教學實驗室裝備提出了新的要求[4]。因此，如何對現(xiàn)有的教學實驗室配置和管理進行調(diào)整和優(yōu)化，提升教學實驗室的運行水平，推動課程探究性實驗的可持續(xù)健康發(fā)展，是一個具有現(xiàn)實意義的問題。

1 教學實驗室現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)工程專業(yè)現(xiàn)有教學實驗室是按照2002年專業(yè)合并后根據(jù)課程設(shè)置需求進行建設(shè)，分為專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)方向課程實驗室，主要以驗證性實驗內(nèi)容為主，輔以一定的拓展性實驗。專業(yè)方向課程涉及到農(nóng)業(yè)工程學科下多個二級學科領(lǐng)域，分為核心課程和個性課程，每一門核心課程都建有相應實驗室；個性課程根據(jù)實驗教學的需求進行動態(tài)配置或融合到其他教學實驗室。專業(yè)方向課程實驗教學根據(jù)課程內(nèi)容要求，結(jié)合學科方向，鼓勵并推動學生進行探究性實驗實踐。

(1) 學科實驗室投入大，設(shè)施好。隨著農(nóng)業(yè)工程學科領(lǐng)域的不斷發(fā)展，探究性實驗內(nèi)容和技術(shù)手段也不斷得到延伸，如在生物生產(chǎn)機器人探究性實驗，學生可以設(shè)計播種、收獲、產(chǎn)后處理等不同作業(yè)機器人結(jié)構(gòu)功能和控制系統(tǒng)，也可以參加美國農(nóng)業(yè)生物工程師學會(ASABE)和國內(nèi)每年開展的各類農(nóng)業(yè)作業(yè)機器人競賽項目等，這對專業(yè)教學實驗室的設(shè)施設(shè)備提出了新的要求。專業(yè)教學實驗室雖然近年來設(shè)施設(shè)備投入在加大，但是與學科方面的投入相比還是相差甚遠。如農(nóng)業(yè)工程學科從2017年以來國家和學校投入學科實驗室的設(shè)備設(shè)施建設(shè)經(jīng)費超過5 500萬元，這還不包括科研經(jīng)費在實驗室設(shè)備上的投入。而教學實驗室從2012年以來國家和學校等渠道投入教學設(shè)備費僅有300萬元左右(這包含2017～2018年下達的中央高校改善辦學條件專項資金)，因此在實驗設(shè)施和設(shè)備條件上無法與學科實驗室相比。學科的發(fā)展與實驗教學內(nèi)容的變化是密切相關(guān)的，尤其在探究性實驗中，老師把學科發(fā)展的新思想和方法應用的實驗教學中，學生受到鼓勵和啟迪踴躍進行實驗創(chuàng)新探索，這需要設(shè)備和設(shè)施條件作為支撐[5-6]。由于學科和教學實驗設(shè)施設(shè)備水平差異大，部分指導老師利用學科或科研實驗室的設(shè)施設(shè)備條件，把本科生探究性實驗探索活動放在學科或者科研實驗室進行，學生也更加傾向于使用功能先進的測試儀器設(shè)備，使得學科和科研實驗室負荷加大[7]，相應地教學實驗室的利用率則下降，這種狀況在這幾年的發(fā)展中顯得尤為明顯。

(2) 借助學科實驗室影響研究生科研探索活動。當探究性實驗需要借助學科或科研實驗室的設(shè)施設(shè)備條件來進行實驗探索時，便會產(chǎn)生資源和管理的矛盾。由于學科或科研實驗室承擔科研任務(wù)和壓力，是研究生進行科研探索的主要場所，本科生的加入占用實驗空間和設(shè)備等資源，導致使用和管理出現(xiàn)問題：① 目前的學科和科研實驗室空間都根據(jù)教師承擔課題以及研究生招生等情況進行調(diào)控，而科研實驗室面積核算時并未包含本科生探究性實驗的需求，本科生探究性實驗的加入增加了科研實驗室使用空間上的負擔；② 本科生對實驗設(shè)備的安全使用和操作經(jīng)驗尚不足，在操作功能多、結(jié)構(gòu)復雜的貴重儀器時，需要進行系統(tǒng)、全面地培訓和操作指導下才能順利進行，但科研實驗室的負責老師由于任務(wù)繁多，很少有精力來進行實驗操作指導，而儀器操作使用的研究生難以承擔本科生儀器設(shè)備操作指導的責任和義務(wù)，且流動性大，存在一定的風險。

(3) 未充分發(fā)揮教學實驗室技術(shù)人員作用。相對于科研實驗室，教學實驗室的管理人員是專職的實驗技術(shù)人員，人員流動性小，能夠嚴格遵守儀器設(shè)備的操作規(guī)范，能夠?qū)γ恳粋€進入教學實驗室進行設(shè)備操作的學生都要進行培訓和指導。但由于其工作范圍和職責的劃分，被限定在教學實驗室，而教學實驗室由于設(shè)施設(shè)備方面投入相對少，實驗室硬件條件相對落后，部分設(shè)施設(shè)備條件無法滿足探究性實驗要求，降低了學生的使用意愿，使得教學實驗室的使用率下降，造成實驗教學技術(shù)人員和實驗室空間的嚴重浪費。

2 對策與措施

2.1 優(yōu)化實驗教學資源

(1) 建立校內(nèi)公共教學實驗室。在現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程中，部分課程實驗內(nèi)容與其他學院開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程有一定程度的重復，如機械制造基礎(chǔ)、機械設(shè)計基礎(chǔ)和生物系統(tǒng)傳輸過程的實驗教學內(nèi)容與機械工程學院、能源工程學院的部分課程的實驗教學內(nèi)容相類似。農(nóng)業(yè)工程專業(yè)在充分調(diào)研和遴選的基礎(chǔ)上，通過與其他學院實驗教學合作和共同建設(shè)公共教學實驗室，實現(xiàn)專業(yè)基礎(chǔ)實驗教學資源共享[8]。在拓展實驗資源的同時，可將這部分的實驗室空間和設(shè)施設(shè)備轉(zhuǎn)移到實驗教學的特色項目。

(2) 組建科研與教學一體實驗平臺。農(nóng)業(yè)工程專業(yè)課程雖然具有相對的獨立性，實驗內(nèi)容各有特點。但不同課程的實驗教學也有相通的地方，如生物物料學與生物質(zhì)材料工程、可再生能源工程等課程實驗教學中都需要用到測試生物質(zhì)材料熱學、力學等物料特性的設(shè)備。鑒于此，學院根據(jù)課程實驗教學內(nèi)容交叉融合的特點進行專業(yè)教學實驗室的進一步優(yōu)化調(diào)整，提高資源和資金利用率：① 把課程體系中實驗內(nèi)容完全不同、個性特色明顯的課程單獨建設(shè)或保留原實驗室。把實驗內(nèi)容和技術(shù)手段上有交叉的部分建立共享教學實驗室，如對各課程實驗教學中涉及的機器視覺、信息獲取處理、控制等內(nèi)容建立機器視覺和控制實驗室，對生物質(zhì)材料測試(包括光學、熱學、力學等特性)建立生物質(zhì)材料測試實驗室等，減少各課程實驗空間和設(shè)施設(shè)備上的重復投入，提升空間和儀器設(shè)備的利用效率[9]；② 由于設(shè)施設(shè)備投入差異大，學科或科研實驗室對學生探究性實驗具有更大的吸引力，加大了科研實驗室的運行負荷。對與探究性實驗內(nèi)容有交叉的學科或科研實驗室，通過協(xié)商和建立運行管理機制，將部分探究性實驗使用頻度高的科研儀器設(shè)備轉(zhuǎn)移到相應課程的教學實驗室，由教學實驗技術(shù)人員管理，或者融合科研與教學實驗室的設(shè)施和設(shè)備，組建基于科研和實驗教學于一體的實驗平臺[10]。

2.2 優(yōu)化教學實驗室管理人員

(1) 拓展教學實驗室實驗工作人員的工作范圍。實驗教學人員的考核和管理是學校教學改革的內(nèi)容[11-12]，農(nóng)業(yè)工程專業(yè)必修課程的實驗學生一般在60人左右，選修或個性課程(絕大部分為探究性實驗)的實驗學生一般在20～30人之間。探究性實驗特點是實驗內(nèi)容重復性低，對儀器性能要求高且多樣性，學生樂于使用科研實驗室的儀器設(shè)備和設(shè)施條件，使科研實驗室實驗技術(shù)人員增加了實驗教學工作量。而目前科研實驗室儀器設(shè)備使用和管理基本上以研究生為主，亟需實驗技術(shù)人員投入管理，根據(jù)專業(yè)課程特點和探究性實驗的發(fā)展要求，把部分(30%左右)實驗教學人員的工作職能逐步轉(zhuǎn)移到教學和科研實驗室共享平臺或者科研實驗室的儀器設(shè)備管理和運行，緩解教學和科研共享平臺以及科研實驗室管理壓力，促進科教實驗平臺和實驗室規(guī)范化管理和運行。這項措施實施2年來，大大緩解了實驗教學管理人員配置失衡的現(xiàn)象。

(2) 提高實驗室工作人員綜合素質(zhì)。實驗室是學生進行探究性實驗以及科研探索的場所，有創(chuàng)新思想的碰撞以及新思路和想法不斷涌現(xiàn)，需要實驗設(shè)施和設(shè)備條件去協(xié)助實施和實踐。實驗技術(shù)人員不僅要掌握儀器設(shè)備的操作和維護、運行管理等，還需協(xié)助實驗設(shè)施的設(shè)計和實驗方案的制定等，這需要實驗室工作人員對實驗室所進行的研究探索有相當了解和掌握，對實驗人員也提出了更高專業(yè)要求。通過參加國內(nèi)外學術(shù)會議以及各研究團隊學術(shù)交流沙龍以及儀器設(shè)備的培訓和實驗儀器研發(fā)項目等，多渠道提升實驗室工作人員的專業(yè)技術(shù)水平，更好地為探究性實驗服務(wù)。

3 改革成效

隨著農(nóng)業(yè)工程學科的迅速發(fā)展，探究性實驗內(nèi)容日趨豐富，對儀器設(shè)備多樣化和實驗室管理提出了新的要求[13]。通過現(xiàn)階段的調(diào)整和實施，取得了一些成果。① 農(nóng)業(yè)工程專業(yè)與校內(nèi)其他專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗教學資源進行合作共享，并參與建設(shè)一些高水平的基礎(chǔ)實驗教學中心，為農(nóng)業(yè)工程相關(guān)專業(yè)3門基礎(chǔ)課程提供了國家級實驗教學資源；② 通過基于專業(yè)領(lǐng)域方向的教學實驗室調(diào)整和優(yōu)化，增強了實驗室以及儀器設(shè)備的共享性，減少部分儀器設(shè)備的重復投入，提升了教學實驗室條件，為探究性實驗和學科競賽的順利開展提供支撐[14-15]；同時緩解了探究性實驗對科研實驗室的壓力；③ 通過對實驗教學技術(shù)人員工作內(nèi)容調(diào)整，充分利用實驗技術(shù)人員人力資源，并相應調(diào)整考核等要求提升實驗技術(shù)人員的積極性和科研實驗室的專業(yè)化運行和管理水平。

2021年農(nóng)業(yè)工程專業(yè)本科生探究性實驗探索成果經(jīng)過整理后分別獲得2項發(fā)明專利授權(quán)和2項軟件著作權(quán)。將探究性實驗內(nèi)容與國內(nèi)外學科競賽內(nèi)容相結(jié)合，將優(yōu)秀的實驗探索成果參加國內(nèi)外競賽，分別榮獲2021年ASABE國際農(nóng)業(yè)機器人大賽冠軍和2021全國大學生人工智能與農(nóng)業(yè)機器人競賽一等獎等多個獎項。

4 結(jié) 語

探究性實驗是新工科建設(shè)的重要內(nèi)容，農(nóng)業(yè)工程是交叉性學科，特別著重于知識的綜合運用和實踐。探究性實驗是學生開始進入專業(yè)領(lǐng)域研究探索的階段，需要指導老師啟發(fā)思路和討論實驗方案設(shè)計等，同時需要實驗技術(shù)人員在實驗室安全、設(shè)施設(shè)備操作使用，實驗方案實施等方面進行專業(yè)指導，這對實驗教學專業(yè)技術(shù)人員提出了新的要求，也對配套的實驗室配置和管理機制提出了新的挑戰(zhàn)。從實驗室配置優(yōu)化、與科研實驗室共享運行以及轉(zhuǎn)變實驗技術(shù)人員工作職責等調(diào)整結(jié)果表明，傳統(tǒng)的實驗教學體系存在的問題得到妥善的處理，取得了階段性的成果。要促進這種模式的持續(xù)拓展和深入，需要進一步調(diào)整和優(yōu)化，推動課程探索性實驗課持續(xù)健康發(fā)展。