科教融合背景下專業(yè)綜合實驗教學改革

于賀偉，程屾，張興宇，李歡，劉國富，魏偉

摘? 要：專業(yè)綜合實驗是提升學生專業(yè)綜合素質及創(chuàng)新實踐能力的有效載體?？平倘诤蠟閯?chuàng)新人才培養(yǎng)提供新路徑。基于齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）能源與動力工程專業(yè)培養(yǎng)能適應國家能源領域快速發(fā)展要求的高級研究、應用型人才的培養(yǎng)目標，該文從優(yōu)化課程教學設計、創(chuàng)新教學過程、革新考核方式及拓展實驗成果產出四個方面，對科教融合背景下能源與動力工程專業(yè)綜合實驗的教學模式進行探索，以期為同類專業(yè)綜合實驗課程的有效實施提供參考。

關鍵詞：能源與動力工程專業(yè)綜合實驗；科教融合；教學改革；創(chuàng)新精神；實踐能力

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）18-0139-04

Abstract： Specialized comprehensive experiment is an effective carrier to improveundergraduates' professional comprehensive quality and innovative practice ability. The integration of science and education provides a new way for the cultivation of innovative talents. Based on the training goal of energy and power engineering major of Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences） to cultivate advanced research and applied talents that can adapt to the rapid development of national energy field， this paper explores the teaching mode of Comprehensive Experiment of Energy and Power Engineering Major under the background of science and education integration. In order to provide reference for the effective implementation of the similar professional comprehensive experimental courses， this paper discusses the optimization of curriculum teaching design， innovation of teaching process， innovation of teaching assessment method and expansion of experimental results.

Keywords： Comprehensive Experiment of Energy and Power Engineering; integration of science and education; teaching reform; creative spirit; practical ability

提升創(chuàng)新教育質量是我國高等教育工作中的迫切要求。2018年《教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》中強調，強化科教協(xié)同育人，要“將最新科研成果及時轉化為教育教學內容，以高水平科學研究支撐高質量本科人才培養(yǎng)”[1]。許多高校將為社會培養(yǎng)“創(chuàng)新型”及“應用型”人才作為辦學定位，而如何深化創(chuàng)新教育改革、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力是亟待解決的重要課題。專業(yè)綜合實驗是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維及提升學生創(chuàng)新實踐能力的重要途經，旨在對學生所學理論知識和已有實驗技能進行全面綜合訓練，在培養(yǎng)具備解決復雜工程問題能力的創(chuàng)新型、復合型專業(yè)人才方面發(fā)揮舉足輕重的作用[2]。當前，加強科教融合，以專任教師科學研究促進專業(yè)綜合實驗教學改革與創(chuàng)新越來越受到重視。科教融合將大學的兩項基本職能“教學”與“科研”融合起來，強調研究性教學與學習，科研要反哺教學[3]。教師將科研成果與實驗教學有機融合，構建教學與科研協(xié)同發(fā)展、相互促進的人才培養(yǎng)新體系，對全面提升人才培養(yǎng)質量意義重大[4]。

能源與動力工程學院是齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）（下文簡稱“我?！保┦着闪⒌目平倘诤鲜痉秾W院之一，而能源與動力工程專業(yè)作為科教融合特色工科專業(yè)，采用“院所一體化”的運行方式和“類研究生”的培養(yǎng)模式，著力提升本科生的行業(yè)視野和科技創(chuàng)新能力，為學?！皯醚芯啃汀比瞬排囵B(yǎng)定位提供有力支撐。在貫徹科教融合理念實施人才培養(yǎng)新模式的需求下，迫切需要對實驗課程進行改革，以滿足提升學生創(chuàng)新研究能力及綜合實踐能力的要求。而在傳統(tǒng)實驗教學中，教學內容相對固定，教師提前將實驗設備調試好、實驗條件摸索穩(wěn)定，再要求學生根據實驗指導書完成相關實驗[5]。然而，能源與動力工程專業(yè)綜合實驗具有信息量大、學科交叉多、知識更新快和實踐性強的課程特點[6]，傳統(tǒng)實驗教學模式束縛了學生的創(chuàng)新思維，不能滿足對應用型及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標。因此，本文依據課程特點及實驗教學改革目標，以我校能源與動力工程專業(yè)的實驗教學環(huán)節(jié)能源與動力工程專業(yè)綜合實驗為研究對象，提出科教融合背景下對課程的實驗教學設計、教學過程、考核方式和實驗成果產出等方面的改革舉措。

一? 課程簡介及學情分析

能源與動力工程專業(yè)綜合實驗作為一門獨立設課的核心實驗課程，也是支撐我校能源與動力工程專業(yè)培養(yǎng)應用型高級工程技術人才的辦學定位與人才培養(yǎng)目標的專業(yè)必修課程。其課程內容涵蓋專業(yè)基礎課程如工程化學、工程材料、科技發(fā)展與學科專業(yè)概論，專業(yè)核心課程如流體力學、工程熱力學、傳熱學，以及專業(yè)方向課程如熱力設備原理及系統(tǒng)、熱工智能控制原理與系統(tǒng)等。本課程授課對象為能源與動力工程專業(yè)本科生，課程開設時間是三年級上學期。學生前期已經在先修課程積累了一定的專業(yè)基礎知識及專業(yè)知識，并通過專業(yè)基礎課程的實驗教學環(huán)節(jié)，掌握了一定的實驗操作技能。同時，在學院“類研究生”的培養(yǎng)模式下，學生自進入大學后便參與自己學業(yè)導師的科研項目，得到了一定的科研訓練，具備了查閱文獻的基本技能。此外，部分學生在該階段已經確定了考研意向，對查閱文獻、科研寫作訓練等方面興趣較濃。

二? 教學改革舉措

（一）? 教學設計

在科教融合背景下，根據我校能源與動力工程專業(yè)對應用研究型人才的培養(yǎng)目標，在教學設計中牢牢把握“知識傳授、能力培養(yǎng)、價值塑造”的培養(yǎng)理念，根據不同實驗特點確立相應的知識目標，主要為利用理論課中所學專業(yè)知識理解實驗中涉及的原理、過程、設計等問題，并掌握文獻閱讀方法、文獻綜述、科技論文寫作方法[7]；能力目標主要有培養(yǎng)學生的自主獲取知識能力、分析歸納總結能力、創(chuàng)新實踐能力等；素養(yǎng)目標包括培養(yǎng)學生的可持續(xù)發(fā)展觀、嚴謹細致的科學精神、團隊協(xié)作精神，增強學生對本專業(yè)的認同感，引導學生樹立“矢志創(chuàng)新、科技報國”的遠大志向等。依據教學目標，教研室教師結合自己科研工作，將優(yōu)質科研成果融入到專業(yè)綜合實驗的教學設計中，發(fā)展實驗教學促進科研創(chuàng)新，科研成果提升實驗教學質量的良性循環(huán)模式[8]。實驗內容設計要著力體現實驗訓練的綜合性、探究性及可行性[9]，同時做到內容新、知識面廣。在規(guī)定的教學計劃學時下，教研室精選四個模塊的綜合實驗主題，分別為燃煤電站煙氣脫硝測試實驗、固體酸催化劑的設計合成實驗、催化劑催化降解易揮發(fā)有機物（VOCs）研究、火電機組及其熱工控制虛擬仿真實驗，并精心撰寫了能源與動力工程專業(yè)綜合實驗課堂教學設計?？傮w思路是由教師擬定實驗主題及實驗目標，讓學生依據圖書館電子資源了解實驗課題背景及研究現狀，根據前人研究基礎自主設計詳盡的實驗方案，選定實驗儀器設備，記錄實驗數據并分析實驗結果，撰寫科技論文報告，著力培養(yǎng)學生的科學思維與科研能力[10]。同時在適當教學環(huán)節(jié)設計融入思政元素，落實“立德樹人”根本任務。

以專業(yè)綜合實驗模塊燃煤電站煙氣脫硝測試實驗為例，說明具體教學設計。該實驗主題來源于教研室教師的科研課題。燃煤電站煙氣脫硝測試實驗是能源與動力工程專業(yè)綜合實驗的重點內容之一，該實驗的主要內容包括：

1）了解脫硝催化劑的制備工藝，重點掌握氨法脫硝催化反應原理；

2）根據氨法脫硝工藝，設計脫硝反應實驗過程；

3）掌握反應氣路中配置模擬煙氣的計算方法；

4）掌握溫度控制、催化劑放置等脫硝實驗臺操作方法；

5）掌握脫硝效率測定方法，研究反應條件對脫硝效率的影響機制；

6）理解并掌握團隊協(xié)作與個人的關系，可以合理地分配任務，并高效完成。

鑒于實驗素養(yǎng)提升的重要性，教師在實驗過程中不應僅僅局限于簡單效率測試，通過列舉法、啟發(fā)式引導法等協(xié)助學生了解煙氣脫硝工藝的最新進展，加深學生對氨法脫硝機制的理解，增強對環(huán)境保護的意識。在實驗教學中，教師可在催化劑制備工藝、配置模擬煙氣、反應條件的設計、脫硝效率測定及煙氣脫硝前沿問題等主要環(huán)節(jié)有機融入思政元素，引導學生利用馬克思主義的基本理論與方法分析和解決問題，樹立正確的科學精神與科學思維，增強對本專業(yè)的認同感，引導其牢固樹立“矢志創(chuàng)新、科技報國”的工匠精神與遠大志向。具體的教學設計思路如圖1所示。

（二）? 教學過程

在教學過程中，充分體現以學生為中心的教育理念，激發(fā)學生學習的自主性。學生組成實驗小組，依據實驗主題及實驗目標，自己了解背景知識，調研實驗課題研究現狀，然后進行小組集中討論選定本組的實驗題目并設計出具體實驗方案，同時對實驗采取的原材料、實驗過程及實驗結果給出預判[11-12]；學生將設計的技術路線及實驗方法提交至指導教師，進行可行性審核，教師審核通過后學生可在實驗課時或充分利用課余時間自主開展實驗并采集數據；在實驗過程中遇到問題學生先主動思考解決問題的方法，再與指導教師探討可行性；結束實驗后，學生對采集的數據進行分析，繪制實驗圖表，經組內集中討論得出結論，開始撰寫實驗報告書。教師在實驗教學過程中起到輔導與引導作用。典型教學組織實施過程如圖2所示。這種實驗教學模式，為學生的個性發(fā)展、思維開拓提供了一定的空間，有助于提高學生的專業(yè)實驗技能和科研素養(yǎng)。同時，在教學中可在查閱文獻了解專業(yè)前沿問題、設計實驗方案、小組協(xié)作等主要環(huán)節(jié)有機融入思政元素，培養(yǎng)學生的可持續(xù)發(fā)展觀，增強學生對本專業(yè)的認同感，引導學生牢固樹立“矢志創(chuàng)新、科技報國”的遠大志向，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。比如，在火電機組及其熱工控制虛擬仿真實驗中，通過學生查閱國內外相關公開文獻報道，引導學生思考在“雙碳”背景下火電機組的發(fā)展新動態(tài)，增強學生科技報國的信心與決心。

（三）? 實驗考核方式

傳統(tǒng)的實驗考核方式缺少客觀性，且考核評價機制較為單一，多采用平時成績與實驗報告成績的加權成績作為課程的最終成績。這種實驗考核方式過分強調實驗報告，難以激發(fā)學生的主動探索與創(chuàng)新精神。因此，在設定了明確的教學目標和實施有效組織的教學過程后，有必要革新專業(yè)綜合實驗考核機制（表1）。能源與動力工程專業(yè)綜合實驗課程建立了知識目標、能力目標及素養(yǎng)目標三位一體的教學目標，考核分值分別占到30%、50%和20%[13]。知識目標考核包括實驗方案的設計、課堂提問互動情況、實驗課題背景掌握情況；能力目標考核包含查閱文獻獲取知識能力、實驗操作能力、分析問題與解決問題能力、歸納與總結能力等，體現在實驗操作情況、實驗數據的整理及分析情況、報告撰寫情況等；素養(yǎng)目標考核包括實驗基本素養(yǎng)、團隊協(xié)作情況、組員之間的互評等。特別指出，綜合實驗報告要求學生以科技論文形式撰寫，即包含摘要、關鍵詞、實驗課題研究背景及意義、實驗材料及方法、結果與討論、總結、參考文獻和實驗心得等內容，且需根據實驗過程記錄的數據繪制圖表，同時要求學生對實驗結果進行深入地探討和分析，并得出有效結論。

（四）? 實驗成果產出

通過教師科研與專業(yè)綜合實驗的有機融合，學生經歷一個完整的科學研究過程。在研究過程中促使學生迸發(fā)出新的創(chuàng)意，為學生申報大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目和參加各類科技競賽提供素材[14]。在專業(yè)綜合實驗結束后，學生可以繼續(xù)挖掘值得研究的問題，經過選題、在指導教師的指導和輔助下，確定研究內容和任務、設計實驗實施技術方案，撰寫項目申報書，積極申報校級、省級及國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓練項目。另一方面，在教學過程中可以將實驗內容進行拆解，在“教”中“賽”，在“賽”中“學”[15]，為學科競賽積累素材，學生借助完成專業(yè)綜合實驗產出的科研成果，可參與各項學科競賽，這樣能充分調動學生的積極性。專業(yè)綜合實驗與學生創(chuàng)新項目及科技競賽相結合的方式，對提高學生的自主探究和科研能力，全面提升人才培養(yǎng)質量有著積極促進作用。

三? 實施成效

通過將教師優(yōu)質科研成果融入到專業(yè)綜合實驗的教學設計中，創(chuàng)新專業(yè)綜合實驗內容及教學模式，得到了良好的教學效果。在實驗過程中，充分發(fā)揮了學生的主觀能動性，根據實驗主題查閱課程研究背景，自主獲取知識；同時以小組為單位經過討論設計實驗方案，學生能理解并領會團隊協(xié)作與個人的關系；在實驗過程中動手操作實驗，提升實驗技能；在實驗結束后，學生分析處理實驗數據。學生交上來的實驗報告，不再是雷同的具有實驗目的、實驗原理、實驗過程及實驗結論等板塊的報告形式，而是每名學生獨具特色的包含摘要、課題背景介紹、實驗材料及方法、結果與討論及實驗心得等內容的科技論文形式研究報告，學生的科研實踐能力及綜合素質得到有效提升。另一方面，教學相長，教師在教學過程中不斷思考，促進教師持續(xù)掌握最新科研動態(tài)，拓展教學廣度、加強教學深度，實現實驗教學促進科研創(chuàng)新，科研成果提升教學質量的良性循環(huán)發(fā)展。

四? 結束語

科教融合背景下能源與動力工程專業(yè)綜合實驗課程改革的重要途徑是形成實驗教學促進科研創(chuàng)新，科研成果提升教學質量的良性循環(huán)機制。依托教師科研成果，構建以學生為主體、以實驗課題設計流程為依據的綜合實驗教學模式，引導學生自覺走上提高科研素養(yǎng)的道路。通過對課程教學設計、教學過程、教學考核方式及實驗成果產出等教學模式進行改革，可有效激發(fā)學生的探索興趣和學習自主性，在培養(yǎng)工科專業(yè)創(chuàng)新型及應用型人才中發(fā)揮舉足輕重的作用。

參考文獻：

[1] 教育部關于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見[EB/OL].http：//www.moe.gov.on/sresite/A08/s7056/201810 /d0181017_351887.html.

[2] 鄭超，趙新海，張存生，等.材料成型及控制工程專業(yè)綜合實驗體系改革與實踐[J].實驗室科學，2021，24（5）：158-163.

[3] 魏偉，張興宇，程屾，等.科教融合背景下流體力學課程的教學改革與實踐[J].高教學刊，2021（23）：150-153.

[4] 賀占魁，黃濤，楊九民.高?？茖W研究支撐實驗教學機制探究[J].實驗室研究與探索，2019，38（6）：194-197.

[5] 張小彬，葉宏，程里，等.材料科學與工程專業(yè)綜合實驗課程教學改革初探[J].山東化工，2015，44（23）：108-109.

[6] 賀業(yè)光，李延吉，王偉云，等.應用型轉型背景下的能動類專業(yè)實驗教學改革與實踐[J].科教導刊：電子版，2020（18）：144.

[7] 朱靜，沈國良，班玉鳳，等.專業(yè)認證下《化工專業(yè)綜合實驗》課程目標達成情況的評價與分析[J].廣州化工，2021，49（15）：258-260.

[8] 金元寶，吳麗艷，秦書芝，等.應用型高校藥學專業(yè)綜合實驗教學改革與探索[J].教育教學論壇，2021（35）：104-107.

[9] 張倩，李明，王軍，等.“新工科”培養(yǎng)模式下自動化專業(yè)綜合實驗構建[J].實驗技術與管理，2020（1）：163-166.

[10] 李曉丹，胡心雨.以專業(yè)認證為導向的材料專業(yè)綜合實驗教學改革與實踐[J].廣州化工，2022（22）：168-169.

[11] 周晨亮，赫文秀，吳剛強.工程教育認證對《化工專業(yè)綜合實驗》教學改進的研究[J].廣東化工，2021（2）：197-198.

[12] 歐麗娟，孫愛明，劉開建.化學類專業(yè)綜合實驗教學探索與實踐[J].廣州化工，2015，43（20）：195-196.

[13] 陳林，丁利君，段雪娟，等.OBE教育理念下“食品專業(yè)綜合實驗”教學改革初探[J].農產品加工，2019（20）：117-120.

[14] 王曉東，黃定君.專業(yè)綜合實驗室開放的實踐與探索[J].實驗室研究與探索，2009，28（12）：202-204.

[15] 劉杰慧，張慧潔，陸艷紅，等.引入學科競賽的材料類專業(yè)“專業(yè)綜合實驗”教學改革與實踐[J].成都工業(yè)學院學報，2021，24（2）：101-104.