船舶動力技術實驗教學中心內涵建設探索

費景洲，張 鵬，馬修真，路 勇，李淑英

(哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

高校實驗室作為大學生創新精神和實踐能力培養的重要基地，已成為人才培養環節的重要組成部分。自1999年高校擴招以來，隨著“211工程”、“985工程”等建設項目實施，大規模資金投入到實驗室建設中，實驗室的數量和規模迅速增加，實驗教學條件已經得到很大程度的改善。近年來，隨著國家對高校辦學質量要求的不斷提高，這種依靠增加實驗室數量和擴大實驗室規模的外延式發展已經不能滿足社會對創新型人才培養的需要。國家 “十一五”規劃提出“提高高等教育質量，把高等教育發展的重點放在提高質量和優化結構上”，表明高等教育重點已經從數量規模擴張的外延式建設轉向提高教學質量和人才培養質量的內涵式建設。教育部、財政部《關于實施高等學校本科教學質量與教學改革工程的意見》(教高[2007]1號)明確提出：要以提高本科教學質量為目標，加強內涵建設，提升高等教育的教學質量和實力。因此，推進實驗室建設轉型升級，加強實驗室內涵建設已經成為當前實驗室建設的重要任務[1-3]。

實驗室內涵建設包括教學質量建設、制度建設、隊伍建設和文化建設等多個方面[4-7]。具體的實驗室內涵建設內容應針對各個實驗室的自身特點進行。我校船舶動力技術實驗教學中心(以下簡稱中心)2012年被批準為國家級實驗教學示范中心建設單位。中心以國家優勢學科創新平臺(現代艦船與深海工程)、國家重點學科(輪機工程)、國防特色專業(熱能與動力工程專業)為依托，面向熱能與動力工程(分內燃機、燃氣輪機、蒸汽動力方向)、輪機工程、核科學與技術等專業方向開設實驗課程，課程體系覆蓋船舶動力裝置的全部門類。中心開設的實驗項目多為傳統動力技術類實驗項目，這類實驗項目所使用的實驗設備多為大型動力機械，其特點是體積大、造價高、運行貴、維護難。而高校實驗室受空間、經費、安全等因素制約，難以開展針對大型動力機械本體的實驗教學工作，學生缺少大型動力裝置本體方面的實驗認知途徑，無法對大型動力裝置形成全面系統的認識。根據中心大型動力實驗設備多的實驗教學特點，采用以問題研究為導向的內涵建設研究方法，利用虛擬現實技術建立了船舶動力系統虛擬仿真實驗平臺，解決了制約中心內涵建設的關鍵問題，形成了虛擬仿真與物理實驗相結合的實驗教學特色，不斷豐富與發展了實驗室內涵建設內容，提高了實驗教學質量。

1 內涵建設目標

中心內涵建設以提高人才培養質量為根本目標，以國家級實驗教學示范中心建設為契機，貫徹實施“三注重，三結合”的實驗教學新理念。“三注重”是指培養目標注重素質，實驗內容注重綜合，創新教育注重個性；“三結合”是指教學與科研相結合，虛擬與現實相結合，課內與課外相結合。搭建“專業素質培養、科技創新實踐、校企聯合拓展”的進階式實驗教學平臺，著力打造并提升“虛擬仿真與現實設備互動、科研支撐與校企合作聯動”的實驗教學新特色，研究并推廣虛擬與現實相結合的交互式實踐教學新模式。通過實驗室內涵建設，將中心建設成為適應國家船舶動力自主研發戰略需求和社會發展需要的高素質工程技術人才的重要培養基地。

2 主要問題分析

2.1 參照系選取

為全面客觀地分析目前影響和制約中心發展的主要問題，選取兩所國內院校的能源動力工程實驗教學中心作為參照系，通過對比分析的方法查找中心存在的主要問題。所選擇的這2個實驗教學中心的學科門類與我中心相同，都屬于動力工程及工程熱物理一級學科，二者在實驗室建設方面都取得了很好的成效，目前都已經通過驗收成為國家級實驗教學示范中心。其中參照系A學校為“985工程”院校，所屬學科為國家重點學科；參照系B學校是一所市屬院校，既不是“985工程”院校，也不是“211工程”院校，其動力工程及工程熱物理一級學科也不是國家重點學科。

2.2 中心存在的主要問題

以參照系A和參照系B為主要參照系，從教學內容、教學體系、教學模式和師資隊伍等幾個方面對比分析中心目前存在的主要問題：

(1) 基礎實驗項目少，實驗內容知識點覆蓋面低。實驗項目根據人才培養方案及課程大綱要求通常分為基礎性實驗、綜合性實驗和創新性實驗，其中基礎類實驗項目是前提和根本。在實驗教學過程中，學生通過基礎類實驗項目加深對理論知識的理解，進而提高動手能力，培養良好的科學實驗習慣。基礎類實驗項目對學生基礎知識的掌握和基本的科研實驗能力培養具有重要作用[8-9]。

中心實驗設備多為大型旋轉動力機械，受實驗設備造價、空間和實驗安全等條件制約，目前開設的基礎類實驗項目數量較少，難以滿足實驗教學需要。以中心的專業基礎實驗課程熱工實驗(該課程包括工程熱力學和傳熱學課程的相關實驗內容，是國內院校能源動力類專業廣泛開設的專業基礎課)為例，目前該課程開設的基礎類實驗項目只有15個左右，知識面覆蓋率較低，而參照系A和參照系B開設的同類實驗項目數量都在25個以上。中心實驗項目數量也低于同類國家級實驗教學示范中心的平均水平，實驗內容不能全面涵蓋課程的重要知識點，不利于學生養成基礎扎實的科學實驗能力，不能滿足中心內涵建設提出的人才培養目標的需要。

(2) 缺乏創新性實驗項目，實驗教學環節沒有形成完整的教學體系。基礎性實驗、綜合性實驗和創新性實驗在人才培養的各個階段發揮不同作用，三者相互結合，構成完整的實驗教學體系。其中綜合性實驗和創新性實驗因其在學生綜合能力和創新意識培養方面的重要作用，在實驗項目中所占比例越來越大[10-11]。

參照系A的綜合性、設計性、創新性實驗項目比例占整個實驗項目的大多數，參照系B也設有多個與學科前沿緊密相關的設計性實驗。相比之下，本中心綜合性、設計性實驗數量與參照系相比有很大差距，也低于動力工程及工程熱物理學科同類專業國家級實驗教學示范中心的平均水平。中心近年來缺少用于教學的新增實驗，課內實驗項目中缺乏創新性實驗內容，現有實驗內容不能反映學科的前沿研究情況。創新性實驗項目缺乏，實驗教學環節不能形成“基礎、綜合、創新”的層次化實驗教學體系，不利于培養具有創新意識的新型人才，也不符合中心提出的“三注重”的實驗教學新理念。

(3) 教學手段單一，教學模式僵化，網絡教學資源匱乏，制約了自主式、開放式實驗教學模式的開展。自主式、開放式實驗教學方法可以將傳統的驗證性實驗轉化為創新性實驗，同時學生在實驗時間、實驗內容等方面具有一定的自由選擇權利，有助于培養學生的綜合實踐能力和創新能力，已經成為實驗教學模式改革的熱點[12-14]。豐富的網上實驗教學資源是開展自主式實驗教學、開放式實驗教學等先進實驗教學模式的前提和基礎，實驗教學網站已經成為學生完成實驗課程的重要載體。

參照系和其他相關的國家級實驗教學示范中心的教學網站上都有豐富的實驗教學資源，包括實驗教程、實驗視頻、實驗課件、虛擬實驗等內容。本中心除了內燃機拆裝實踐課程等國家級精品課程外，其他多個實驗課程的主要教學手段是板書，受實驗室硬件條件限制，沒有全面實現實驗課程的多媒體課件教學。教學模式主要沿襲傳統實驗教學模式，即教師先講解演示，學生隨后動手模仿。受實驗臺架數量、實驗運行費用和實驗操作安全等因素制約，中心在開放式教學、研究式教學等方面取得的教學研究成果，難以進行全面的推廣和深化。

(4) 缺少高素質人才，實驗教學師資隊伍整體水平偏低。實驗教學師資隊伍是實驗室的重要組成部分，實驗室內涵建設的實質就是主要依靠實驗隊伍不斷改善來提升實驗教學的功能和作用[5]。在實驗教學示范中心建設、實驗教學改革和實驗管理體制改革中，人的因素是第一位的，教師是決定性的因素[15]。與學校科研院所中的教學科研崗位相比，實驗教學中心在職稱晉升、出國培訓、職業發展等方面明顯缺乏吸引力，難以留住高素質人才。實驗教學崗位缺少高素質人才已經成為國內研究型大學的實驗教學中心面臨的普遍問題。

2個參照系的實驗教學中心教學隊伍整體素質較高，其中參照系A的實驗教學隊伍中含有多位獲得 “國家百千萬人才”和“教育部跨(新)世紀人才” 等榮譽稱號的高素質人才，有高素質人才隊伍，才能有高水平的教學成果。參照系A在國家級精品課、國家級規劃教材和國家級教學成果獎等方面取得了豐碩的成果。與之比較，本中心缺少上述各類型的高水平人才，在教學成果、教改研究、教材建設等方面有明顯差距。

3 建設思路及措施

為更好地完成國家級中心的建設任務，發揮國家級教學示范中心的示范引領作用，中心以實驗室內涵建設為核心，針對船舶動力技術實驗教學的特點，建設船舶動力系統虛擬仿真大平臺，形成虛擬仿真與物理實驗相結合實驗教學特色。

3.1 建設船舶動力系統虛擬仿真大平臺，解決實驗內容欠缺、實驗手段單一、教學模式落后的問題

虛擬實驗在實驗場地、實驗消耗和實驗時間等方面具有明顯優勢，建立虛擬仿真實驗環境已成為目前高校實驗教學的重要發展方向，教育部在關于開展“十二五”高等學校實驗教學示范中心建設工作的通知(2012第33號)中明確指出，打造貼近實際的模擬、虛擬、仿真實驗環境。

利用虛擬現實技術建設船舶動力裝置(包括內燃機、燃氣輪機、增壓鍋爐等動力形式)及聯合動力裝置的虛擬仿真模型和半物理模型，形成船舶動力系統虛擬仿真大平臺。根據實際教學需要，在該平臺上開展系列實驗實踐課程，解決前述大型旋轉動力機械在實驗運行經費、實驗操作安全等方面的實驗教學難題；基于該平臺開發、拓展各種類型實驗項目，不斷豐富實驗內容，解決實驗內容欠缺問題；改革實驗教學手段，結合虛擬實驗的優勢和特點，深入開展自主式、開放式實驗教學研究與實踐；將現有實驗內容與虛擬仿真實驗深度融合，根據實際船舶動力裝置開發具有高仿真度的實驗模擬器，形成虛擬仿真與實際操作相結合的船舶動力技術實驗教學新特色。

3.2 整合資源，優化課程體系，構筑進階式實驗教學平臺，解決創新性實驗項目缺乏，實驗教學體系不完整的問題

構建“專業素質培養平臺→科技創新實踐平臺→校企聯合拓展平臺”的進階式實驗教學平臺。優化現有專業基礎實驗課程體系，增加創新性實驗項目，提高熱工基礎實驗、測試技術實驗、自動控制原理實驗等專業基礎實驗課程中創新性實驗項目比例，形成基礎深厚的專業素質培養平臺；將學生科技創新項目和教師科研項目相結合，形成教學科研緊密結合的大學生科技創新實踐平臺；在工廠實習實踐等環節基礎上，進一步深化校企合作，建設校企聯合實驗室和人才培養基地，形成學校企業間無縫連接的校企聯合拓展平臺。

進階式實驗教學平臺突出“實驗室資源有效整合，教學科研緊密結合，校企聯合”特色，形成循序漸進的層次化實驗教學體系，實驗操作過程符合大學生認知發展規律，有利于學生科研能力和創新意識培養。

3.3 建設網絡實驗室，豐富網絡教學資源，支撐開放式實驗教學模式改革，解決教學手段僵化落后問題

在船舶動力系統虛擬仿真大平臺基礎上，引入網絡遠程控制技術，將虛擬實驗和網絡技術結合起來，建立網絡實驗室，學生通過網絡可隨時進行相關實驗操作，進一步發揮虛擬實驗在實驗場地、實驗時間等方面的優勢。

參考借鑒國內同類實驗教學中心網站建設經驗，豐富中心網站的網絡教學資源，實現網上學習、網上教學、在線虛擬實驗等功能。在網絡實驗室和網絡教學資源支撐下，進行自主式、開放式實驗教學模式改革，改變教師先演示、學生后模仿的實驗教學模式。除基本的教學功能外，網站還應具有大量能夠反映中心自身特色的內容，以便于更好地發揮中心的示范引領作用。目前網絡傳播已經成為國家級實驗教學中心示范輻射功能的重要實現手段。

3.4 加強實驗教學隊伍建設，提高實驗教學水平，解決實驗教學隊伍缺乏高素質人才和高水平教學成果的問題

高素質的實驗教學隊伍是提高實驗教學水平的前提和基礎。通過培養青年教師、引進人才、聘請兼職教授和企業講師等途徑，逐步提高中心的實驗教師隊伍素質；在學校的教師崗位分類管理等相關文件指導下，中心設立實驗教學型教授崗位和實驗教學型副教授崗位，為實驗教師提供與教學科研崗位同等的職稱評定通道，確保實驗教師隊伍穩定；制定相關制度，鼓勵理論課教師承擔實驗教學課程，鼓勵實驗教師參與科研項目，提高實驗教學隊伍的教學科研水平；圍繞自主式、開放式教學模式改革，研究探索新型教學模式下實驗教師自身能力的提升途徑；結合實驗室內涵建設項目開展，鼓勵教師參與實驗教改立項和實驗課程建設，產出高水平的實驗教學成果，提升實驗教學水平。

4 內涵建設方案

4.1 教學理論研究

中心圍繞制約船舶動力技術實驗教學發展的主要問題，凝練教學理念、完善教學體系、改革教學模式、創新教學手段，不斷探索實踐中心的特色發展道路。教學理論研究主要包括中心的內涵建設模式研究、實驗課程體系優化研究、實驗教學模式改革研究、培養方案論證與制定等研究內容。

4.2 船舶動力系統虛擬仿真大平臺建設

建設船舶動力裝置(包括內燃機、燃氣輪機、增壓鍋爐等動力形式)及聯合動力裝置的虛擬仿真模型和半物理模型，形成船舶動力系統虛擬仿真實驗大平臺。船舶動力系統虛擬仿真大平臺建設內容主要包括燃氣輪機虛擬拆裝平臺建設、蒸汽動力虛擬拆裝平臺建設、船舶動力裝置原理與性能虛擬實驗平臺建設、高仿真船舶輪機機艙模擬器建設、動力裝置測試與控制系統虛擬實驗平臺建設等內容。

4.3 進階式實驗教學平臺建設

構建“專業素質培養平臺→科技創新實踐平臺→校企聯合拓展平臺”的進階式實驗教學平臺。從增加創新性專業基礎實驗項目、科研項目與科技創新結合、深化校企合作3個主要方面進行建設。(1)專業素質培養平臺主要建設內容包括熱工實驗課程基礎平臺建設、自動控制原理實驗課程基礎平臺建設、測試技術實驗課程基礎平臺建設等內容；(2)科技創新實踐平臺主要是電控單體泵和高壓共軌柴油機實驗臺等科研臺架實驗教學轉化；(3)校企聯合拓展平臺主要是校外實習實踐基地建設。

4.4 網絡實驗室和網絡教學資源建設

建設中心實驗教學網站，使中心具備網上教學、網上虛擬實驗等功能；豐富網絡教學資源，支撐自主式、開放式實驗教學模式改革；突出船舶動力技術實驗教學特色，發揮示范引領作用。網絡實驗室和網絡教學資源建設的主要內容包括船舶動力裝置虛擬網上實驗系統、實驗室開放條件保障建設和中心網站建設等內容。

4.5 實驗教學團隊建設

以中心現有的內燃機國家級教學團隊為示范，組建熱工基礎、內燃機、燃氣輪機專業實驗教學團隊，在此基礎上，整合優勢資源，打造船舶動力技術國家級教學團隊。

5 結束語

船舶動力技術實驗教學中心內涵建設以培養基礎雄厚、專業扎實的創新型人才為根本目標，結合國家級實驗教學示范中心建設項目，針對船舶動力技術專業實驗教學特點，從教學理論研究、教學平臺建設、教學團隊建設等幾個方面的進行實驗室內涵建設探索與實踐。中心的內涵建設預期在以下幾方面取得實效：凝練以“三注重，三結合”實驗教學新理念為代表的若干具有高競爭力的教學理念；形成“船舶動力系統虛擬仿真實驗大平臺項目、虛擬與現實相結合的交互式實踐教學模式、基于網絡虛擬實驗的開放式實驗教學模式”等若干具有高顯示度的特色項目；推廣“船舶動力系統虛擬仿真實驗大平臺項目、進階式實驗教學平臺項目”等若干具有高輻射度的示范項目；建設“船舶動力專業實驗教學團隊”等若干具有高影響力的名師及精品課程。這些研究成果對提高人才培養質量、豐富實驗室內涵建設內容和加強國家級實驗教學示范中心的示范引領作用具有積極的促進作用。

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