面向“卓越工程師計劃”開放實驗室建設(shè)探索

杜文遼，李安生，王良文，王新杰

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002）

2010年6月，教育部啟動了“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（以下簡稱“卓越計劃”），該計劃著眼于培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)［1-2］。“卓越計劃”的特點是創(chuàng)立高校與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)人才的新機制，強化大學(xué)生的工程能力與創(chuàng)新能力。開放實驗室在時間、空間、內(nèi)容、方法、手段等方面部分或全面開放，它是聯(lián)系高校與企業(yè)的橋梁，成為促進學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的有效途徑［3］。

鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電學(xué)院在2001年成立了開放實驗室，對機械類及近機械類學(xué)生全面開放。10余年來，該實驗室在“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、全國大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽等代表性學(xué)科競賽中取得了良好的成績［4］。但是在開放實驗室建設(shè)的過程中也遇到了一些挑戰(zhàn)，比較典型的是：實驗室開放模式粗放，軟硬件資源利用效率低；實驗選題盲目、寬泛，研究的深度不足，缺乏可持續(xù)性；實驗室開放機制呆板，學(xué)習(xí)、研究活力不夠。針對這些問題，我們在實踐中不斷探索，取得了很好的成效。

1 集約式開放實驗室的建設(shè)

1.1 傳統(tǒng)開放實驗室的粗放特點

開放實驗室的建設(shè)改變了傳統(tǒng)實驗室的工作重心，也就是從驗證、鞏固和加深理論教學(xué)的內(nèi)容轉(zhuǎn)移到對學(xué)生動手能力、創(chuàng)新能力和解決問題能力的培養(yǎng)［5］。實驗室開放有利于充分利用實驗室的設(shè)備資源，可以調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主觀能動性［6］，更符合素質(zhì)教育培養(yǎng)目標(biāo)的要求。但是，在開放實驗室的建設(shè)過程中，也有開放模式比較粗放的缺點，具體體現(xiàn)在以下2個方面：硬件和軟件資源的使用及管理。

硬件資源使用和管理的粗放體現(xiàn)在實驗儀器設(shè)備的管理，往往存在重復(fù)建設(shè)和過度投資［7］。實驗室開放缺乏統(tǒng)籌設(shè)計，教學(xué)單位的獨立與開放實驗室實驗項目的綜合是其中的主要矛盾。機械設(shè)計專業(yè)開放實驗室的實驗項目往往與機械制造專業(yè)開放實驗室的實驗項目相同或者類似，同一臺設(shè)備、同一個實驗儀器重復(fù)購買［8］。另外一個突出問題是過度投資［9］，片面追求設(shè)備的先進性與綜合性。比如機械效率綜合性能實驗臺，本來要求學(xué)生自己測得數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，但是訂購的一些設(shè)備把這些必要的內(nèi)容和步驟完全忽略，直接給出所測機構(gòu)的效率曲線，這樣對學(xué)生動手能力和分析能力的鍛煉就非常有限。

軟件資源使用和管理的粗放在于實驗項目資源的浪費和實驗指導(dǎo)教師資源管理的無序。開放實驗室所進行的實驗項目往往和教師的科研直接相關(guān)，與實驗內(nèi)容直接有關(guān)的項目技術(shù)報告和各類相關(guān)文檔是實驗室的寶貴財富［10］，但是科研項目的一個顯著特點是時限性［11］，如果這些資料不能夠很好地管理，勢必造成實驗資源的浪費，不利于實驗室的可持續(xù)發(fā)展。開放實驗室軟件資源使用與管理的另一個突出問題是實驗指導(dǎo)教師資源的無序管理［12］。高校教師大多分配在各研究所或中心，指導(dǎo)開放實驗項目時往往是實驗室管理人員根據(jù)自己對院系教師的了解而指定。指導(dǎo)教師選擇的合適與否很大程度上取決于實驗室管理人員對指導(dǎo)教師科研項目的熟悉程度，而很多情況下，他們并不可能對每個教師的科研項目了解得那么深入，這就必然會出現(xiàn)實驗項目找不到合適的指導(dǎo)教師，而指導(dǎo)教師指導(dǎo)的實驗項目又并非是其最擅長的課題。

1.2 集約型精細化開放實驗室建設(shè)

為了克服開放實驗室建設(shè)中的粗放式管理帶來的上述典型問題，我們的思路是建設(shè)集約型精細化開放實驗室，具體包括硬件資源的集約精細化管理和軟件資源的集約精細化管理。

硬件資源的管理主要是實驗設(shè)備的購置、使用、報廢的全生命周期式管理方式的建立。在實驗設(shè)備的購置方面，主要在全院范圍內(nèi)實行二級論證制度，打破原來系、研究所、中心這種條塊分割的局限。每學(xué)年，各教學(xué)科研基層單位提出開放實驗室的設(shè)備購置計劃及論證報告，學(xué)院根據(jù)開放實驗室的功能分工，對設(shè)備購置方案進行整合。主要的思路就是將功能相同或類似的設(shè)備進行優(yōu)選，配置在一個實驗室。在選擇實驗設(shè)備的時候，基本指導(dǎo)思想是要能回答出設(shè)備目前能做什么，以后能做什么，設(shè)備對學(xué)生的動手能力、分析問題能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)體現(xiàn)在哪里。根據(jù)需要開放實驗項目可以按照一個實驗室挑頭，幾個實驗室分工協(xié)作的方式進行組織實施。在設(shè)備使用過程中，制定設(shè)備使用制度，例如對機械創(chuàng)意組合實驗設(shè)備，我們設(shè)計的設(shè)備管理表格如表1所示，隨時可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備使用中的問題。設(shè)備的報廢同樣要經(jīng)過嚴(yán)格的論證，給出是繼續(xù)使用、改造、報廢等幾種結(jié)果，提高設(shè)備的利用率，減少浪費。

表1 創(chuàng)意組合模型構(gòu)件清點情況表

實驗室軟件資源建設(shè)同樣是非常重要的內(nèi)容，其中比較重要的是開放實驗室項目管理和實驗指導(dǎo)教師資源的管理。科技項目資源是實驗室的寶貴財富，如果不能很好地管理和應(yīng)用將是巨大的浪費［13］，對實驗室的可持續(xù)發(fā)展也很不利。根據(jù)項目的類型進行資料的分類存放，建設(shè)項目資源庫。定期對資料進行整理并更新資源庫的內(nèi)容，注意項目的技術(shù)演進。制定資源庫宣傳資料，使大家了解資源庫的內(nèi)容。同時，資源庫對全院師生開放，達到知識共享。對于申報同類型開放實驗的項目，借鑒已有的資料，一方面可以吸取以往的經(jīng)驗，另一方面可以更新了解相關(guān)技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)。

實驗指導(dǎo)教師資源是開放實驗室的另一寶貴資源。由于開放實驗的特點，對實驗指導(dǎo)教師的要求相應(yīng)比較高，對于一個開放實驗項目，如何能夠找到合適的指導(dǎo)教師，這是經(jīng)常碰到的一個問題。建立指導(dǎo)教師資源庫，將分散在各個系、研究所的教師資料進行整合。教師、學(xué)生、實驗管理人員與教師資源庫之間交互關(guān)系如圖1所示。根據(jù)實驗項目的內(nèi)容，實驗課題負(fù)責(zé)人可以在教師資源庫中組織一個教師或多個教師進行指導(dǎo)。

2 開放實驗室實驗選題機制建設(shè)

開放實驗室實驗項目的選題一般具有綜合性、創(chuàng)新性、與教師科研活動結(jié)合緊密等特點。與“卓越計劃”的培養(yǎng)目標(biāo)相結(jié)合，在具體的實驗項目選題中還應(yīng)該從學(xué)生興趣培養(yǎng)、項目選擇內(nèi)容、項目選題導(dǎo)向上進行考慮。

圖1 教師、學(xué)生、實驗管理人員與教師資源庫之間關(guān)系圖

首先，實驗項目選題應(yīng)該貫徹學(xué)生科研興趣與教師科學(xué)引導(dǎo)相結(jié)合。在進行了大學(xué)課程基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)以后，很多學(xué)生都有躍躍欲試的沖動，希望能夠把學(xué)到的知識應(yīng)用到實際課題中去，同時，他們也會有很大的困惑，不知道該怎么將書本的知識與具體的應(yīng)用結(jié)合進來。這時就需要教師進行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)。圖2所示學(xué)生作品“灑水機器人”，就是在學(xué)習(xí)了機械原理、機械控制基礎(chǔ)、液壓與氣動等基礎(chǔ)課程后，教師引導(dǎo)學(xué)生完成的一個開放實驗項目。該作品由機械部分、氣動部分和控制部分組成，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制機器人進行灑水作業(yè)。

圖2 家庭智能機器人

其次，實驗項目選擇內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)知識面的覆蓋與知識點的突破相結(jié)合。作為開放實驗項目，其綜合性體現(xiàn)在能夠覆蓋盡可能大的知識面，通過一個實驗項目鍛煉學(xué)生對多個相關(guān)知識的應(yīng)用和掌握。但是，一個好的實驗項目還應(yīng)該體現(xiàn)先進性。因此，選題不僅僅體現(xiàn)在知識點的簡單累積，還應(yīng)該在某幾個或某一個點上有所突破。如圖3所示，學(xué)生實驗項目“集中驅(qū)動凸輪-連桿組合機構(gòu)”，該實驗項目包含凸輪機構(gòu)、連桿機構(gòu)和二者進行組合的幾何模型，還包括機構(gòu)仿真的運動模型以及機械系統(tǒng)運動循環(huán)圖知識，所鍛煉的還有計算機圖形學(xué)、計算機編程等方面的能力。而學(xué)生在實驗中的突破則是根據(jù)對機構(gòu)運動規(guī)律的要求，正確繪制機構(gòu)運動循環(huán)圖，并進行組合機構(gòu)的計算機輔助幾何設(shè)計。

圖3 集中驅(qū)動凸輪-連桿組合機構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)

另外，在實驗項目選題的導(dǎo)向上應(yīng)與國家的科技發(fā)展方向相結(jié)合。“卓越計劃”旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)。開放實驗項目組織實施就要貫徹“卓越計劃”的這一培養(yǎng)目標(biāo)，實驗的選題方向要有意識地與國家的科技發(fā)展方向相結(jié)合。另外，鼓勵學(xué)生積極參加大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽（“挑戰(zhàn)杯”）、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃及教育部主辦的全國大學(xué)生學(xué)科競賽，如大學(xué)生機械設(shè)計大賽、結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽、工程訓(xùn)練綜合能力競賽等。根據(jù)各項賽事的日程，學(xué)院從多個渠道對學(xué)生進行廣泛動員，分別是學(xué)院—輔導(dǎo)員—班干部—學(xué)生系統(tǒng)、學(xué)院—任課教師—學(xué)生系統(tǒng)，以及實驗室—網(wǎng)站—學(xué)生系統(tǒng)，對學(xué)生報的實驗項目進行實驗室論證，把握項目的先進性和可行性。圖4是學(xué)生在開放實驗室完成的各項賽事中的部分參賽作品。

圖4 開放實驗室部分參賽作品

3 開放實驗室運行機制建設(shè)

3.1 實驗室開放的時間空間機制

在開放實驗室的建設(shè)中，要注意避免為開放而開放的粗放型時間空間機制。在時間上，建立項目實施預(yù)約制度，在項目評審?fù)ㄟ^后，項目主持人向?qū)嶒炇姨岢鲱A(yù)約，由實驗室管理員進行項目的時間安排。在空間上，為了適應(yīng)開放實驗室實驗項目綜合性的特點，突破傳統(tǒng)的“固定式”實驗場所的限制，采用柔性實驗場地，也即根據(jù)實驗項目的需要，由一個或多個實驗場所共同完成整個項目。這就對實驗室管理員提出了更高的要求，即項目進度的把握能力和協(xié)調(diào)能力。

3.2 實驗室開放的項目實施機制

與傳統(tǒng)的實驗?zāi)Ｊ讲煌_放實驗室的實驗項目往往具有綜合性、先進性的特點，其功能主要是在對未知進行合理假設(shè)的基礎(chǔ)上，通過實驗進行方案的驗證。因此如何把握項目的綜合性和先進性是保證實驗項目質(zhì)量的一個重要內(nèi)容，對實驗項目的實施進行過程控制是保證項目可持續(xù)研究的重要環(huán)節(jié)。

（1）在實驗項目選題上采取三級論證模式，即課題組—實驗室—學(xué)院逐級對課題的綜合性和先進性進行把關(guān)。首先組成一個項目小組，在項目小組內(nèi)進行討論和論證，通過實驗項目的提出、實驗方案的篩選，項目組提出項目申請。開放實驗室要根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件對實驗的可行性、實驗指導(dǎo)教師的安排進行論證。然后學(xué)院對實驗項目的綜合性和先進性在全院范圍內(nèi)進行論證，論證的結(jié)果分為同意、方案修改后同意、不同意3種。只有通過論證的項目才能夠組織實驗的實施。

（2）開放實驗室項目探索性的特點，決定了對項目實施的過程控制是保證項目可持續(xù)研究的重要環(huán)節(jié)。項目進行當(dāng)中，要對可能出現(xiàn)的問題做好預(yù)案，特別是項目難以進行下去的時候，要及時進行項目再論證，做出實驗繼續(xù)進行或者終止的結(jié)論。對于繼續(xù)進行的項目，應(yīng)該是通過再論證能夠找到解決辦法的項目。通過再論證，可以避免實驗資源的浪費，同時可以對項目內(nèi)容進行更深入的理解。對于完成的項目，要及時對項目進行總結(jié)，總結(jié)內(nèi)容存儲在教師資源庫中的已完成項目中，作為以后相關(guān)項目的參考。

3.3 實驗室開放的激勵機制

學(xué)校制定開放實驗室管理辦法，對實驗室管理員、實驗指導(dǎo)教師工作量核算等方面做出規(guī)定和要求，為實驗室開放的可持續(xù)性提供制度保障。學(xué)校每年召開學(xué)科競賽表彰大會，對在各項大賽中獲得優(yōu)異成績的教師和學(xué)生給予物質(zhì)和精神獎勵。對于獲得國家級的創(chuàng)新實驗項目進行經(jīng)費配套。另外，由于參與開放實驗項目的學(xué)生在動手能力、創(chuàng)新能力方面均得到很好的鍛煉，他們在找工作時也更能受到用人單位的青睞，學(xué)校也主動利用各種渠道進行宣傳，帶動、鼓勵更多的學(xué)生投入到開放實驗項目中。

4 結(jié)束語

“卓越計劃”的實施，對開放實驗室的建設(shè)水平提出了更高的要求。在開放實驗室建設(shè)過程中，通過不斷探索，鄭州輕工業(yè)學(xué)院機電學(xué)院逐漸建成一個集約型精細化的開放實驗室，在實驗選題機制和運行機制建設(shè)方面摸索出了一套比較成功的經(jīng)驗，為實驗室開放水平的提高奠定了一個良好的基礎(chǔ)。

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