基于學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的工科創(chuàng)新型實驗探索與實踐

王文奇, 劉保縣, 宗蓮松, 田榮燕, 王 澤

(1. 西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610039； 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031；3. 西華大學(xué) 教務(wù)處, 四川 成都 610039； 4. 西藏大學(xué) 工學(xué)院, 西藏 拉薩 850000)

基于學(xué)生綜合能力培養(yǎng)的工科創(chuàng)新型實驗探索與實踐

王文奇1,2, 劉保縣1, 宗蓮松3, 田榮燕4, 王 澤1

(1. 西華大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610039； 2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031；3. 西華大學(xué) 教務(wù)處, 四川 成都 610039； 4. 西藏大學(xué) 工學(xué)院, 西藏 拉薩 850000)

針對工科實驗現(xiàn)存的問題,為了培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力,尤其是創(chuàng)新能力,有必要開設(shè)創(chuàng)新型實驗。以土木工程專業(yè)的瀝青路面材料實驗為例,研究開設(shè)創(chuàng)新型實驗的措施及其注意事項。以具體實例分析了如何指導(dǎo)、啟發(fā)學(xué)生完成創(chuàng)新型實驗,列舉了實驗的保障措施,闡述了培養(yǎng)學(xué)生能力的效果。研究結(jié)論是開設(shè)綜合創(chuàng)新型實驗可以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,尤其是培養(yǎng)創(chuàng)新能力,目前已經(jīng)取得了一定成績。利用虛擬仿真實驗教學(xué)和云技術(shù)等方式可以更好地開展綜合創(chuàng)新型實驗。

綜合能力； 創(chuàng)新型； 實驗； 措施

實驗可以提高學(xué)生的理解問題和解決問題的能力,發(fā)展批判性思維,發(fā)展合作的技能[1]。對于工科專業(yè),實驗是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)。

我國工科專業(yè)學(xué)生占本科在校人數(shù)的1/3,但是學(xué)校教育與社會發(fā)展和經(jīng)濟發(fā)展需求脫節(jié)[2]。目前用人單位對大學(xué)畢業(yè)生的評價往往是:談理論可以高談闊論,但是不能有效地發(fā)現(xiàn)并解決實際問題[3]。實踐是土木工程專業(yè)的重要特點[4],但是部分學(xué)生存在著吃苦耐勞不足、動手能力差、“眼高手低”等問題,一定程度上影響了畢業(yè)后在就業(yè)市場的競爭力。

用人單位看重學(xué)生的創(chuàng)新能力,但是部分高校實驗傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)模式[5],不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。解決這些問題意義重大。本文以西華大學(xué)土木工程專業(yè)(交通土建方向)的瀝青路面材料實驗為例,分析工科專業(yè)實驗面臨的問題,其中部分問題是同類高校相關(guān)專業(yè)同樣存在的,問題及解決方案的研究有一定的普遍意義。以下探索開設(shè)創(chuàng)新型實驗的措施及其注意事項。

1 實驗教學(xué)現(xiàn)存的問題

1.1 教學(xué)模式

傳統(tǒng)實驗基本上是演示型或者驗證型的實驗,主要目標是讓學(xué)生學(xué)會儀器的操作,不能有效培養(yǎng)學(xué)生能力。

(1) 以教師、教材為中心。教學(xué)中教師“一言堂”，學(xué)生只是根據(jù)給定實驗方案、給定具體步驟進行實驗[6],全過程缺少獨立思考、實踐的機會。如此死板的教學(xué)模式面對個性張揚的90后學(xué)生,其效果可想而知,根本不利于激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力和主動性。

(2) 部分學(xué)生對實驗熱情不高。土木工程專業(yè)實驗給人的感覺往往是塵土飛揚、操作不當(dāng)還有一定的危險性。有些實驗，比如瀝青路面材料實驗是高溫情況下的瀝青實驗,學(xué)生對于瀝青蒸氣是否對健康有害、甚至是否致癌心存顧慮。

(3) 實驗成績評定方式不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。完全依據(jù)實驗報告評定成績,但是有創(chuàng)新、有特色的實驗報告難得一見。教師面對基本雷同的實驗報告，也很難給出公平合理的成績評定[7]。死板教條的成績評定的方式不能有效培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,尤其是創(chuàng)新能力。

1.2 實驗條件

由于西華大學(xué)的課程設(shè)置是10個學(xué)時要完成6個實驗,學(xué)生人數(shù)多,加之部分大型設(shè)備臺套數(shù)太少,使得愿意動手參與實驗的部分學(xué)生的愿望也不能夠充分滿足。

1.3 實驗效果

部分學(xué)生對待實驗應(yīng)付了事,做完實驗不記得自己做了什么,不知道如何處理數(shù)據(jù)[7]。傳統(tǒng)實驗容易養(yǎng)成學(xué)生的學(xué)習(xí)惰性,甚至因為學(xué)生人數(shù)多、教師忙于確保學(xué)生操作大型儀器的安全,存在無法發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗過程中的問題和學(xué)生找他人代簽到并獲得實驗成績等問題。

2 開設(shè)創(chuàng)新型綜合實驗的必要性

2.1 開設(shè)綜合實驗全方位培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

普通高校應(yīng)屆畢業(yè)生缺乏工程實踐的問題影響了就業(yè)[8]。因為土木工程專業(yè)工程背景的專業(yè)特點,無論從事設(shè)計、施工、甲方還是監(jiān)理工作,用人單位都要求學(xué)生具備較強的工程實踐能力,這些都是需要通過土木工程專業(yè)實驗等實踐教學(xué)解決的問題[9]。土木工程的企業(yè)要求學(xué)生具有創(chuàng)新能力、科研能力、動手能力、工程實踐能力、現(xiàn)場管理能力以及溝通能力[10]。當(dāng)前，乃至今后，高校必須面對的重要問題是提高工科學(xué)生的實踐能力,培養(yǎng)綜合素質(zhì)高的技術(shù)人才，但傳統(tǒng)實驗形式對于培養(yǎng)學(xué)生綜合能力作用有限。

2.2 開設(shè)創(chuàng)新型實驗培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

實現(xiàn)“中國創(chuàng)造”，關(guān)鍵是培養(yǎng)大批高層次創(chuàng)新型工程技術(shù)人才[11]。缺乏創(chuàng)新型工程技術(shù)人才,將會影響國家走新型工業(yè)化道路。工程技術(shù)日新月異,創(chuàng)新型人才最受用人單位歡迎,為了讓學(xué)生有創(chuàng)新能力，能解決在工作中面臨的問題,需要對實驗方式等進行改革。

創(chuàng)新實驗?zāi)繕耸墙⒁詣?chuàng)新為核心的教學(xué)模式,以學(xué)生為主進行實驗教學(xué),調(diào)動學(xué)生的主動性和創(chuàng)造力,培養(yǎng)其創(chuàng)新能力。實驗不是僅僅簡單的驗證理論,而是啟發(fā)和鼓勵學(xué)生自己設(shè)計并完成實驗。學(xué)生參與創(chuàng)新型實驗后,教師鼓勵他們按照期刊論文的格式和寫法來撰寫實驗報告。

3.1 開設(shè)創(chuàng)新型實驗探索與實踐

西華大學(xué)的土木工程專業(yè)(交通土建方向)的瀝青路面材料實驗開設(shè)創(chuàng)新型實驗。比如教師從瀝青酸堿性入手,啟發(fā)學(xué)生選擇瀝青混合料的集料要遵循“堿性石料最佳,中性石料次之,酸性石料最后”的原則。從集料磨光值入手,啟發(fā)學(xué)生為什么同是堿性集料,玄武巖比石灰?guī)r好。從瀝青抗剝落入手,啟發(fā)學(xué)生為什么酸性集料需要添加消石灰和抗剝落劑。讓學(xué)生做添加消石灰和抗剝落劑與不添加的對比試驗,使學(xué)生對此類問題的認識更加深入,大大鍛煉了創(chuàng)新能力。

再比如根據(jù)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響因素,啟發(fā)學(xué)生用哪種集料級配類型、選擇何種標號的瀝青、瀝青用量應(yīng)該偏多還是偏少,最后學(xué)生開展正交試驗設(shè)計,進行對比分析,自然對此類問題有了更深刻的認識,培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。

3.2 開設(shè)綜合實驗探索與實踐

西華大學(xué)瀝青路面材料的實驗是集料篩分和級配組成設(shè)計實驗、馬歇爾試件成型實驗、馬歇爾試件體積參數(shù)測定實驗、測定馬歇爾穩(wěn)定度和流值實驗、確定最佳的瀝青用量及配合比調(diào)整實驗、瀝青混合料的性能檢測實驗的系列實驗。

確定最佳瀝青用量及配合比調(diào)整設(shè)計實驗，需要統(tǒng)籌5個組的前面幾個實驗的數(shù)據(jù),同時學(xué)生需要學(xué)習(xí)繪圖軟件,繪制出圖1、圖2瀝青混合料各項性能與用油量的關(guān)系曲線,同時綜合各項性能的要求，確定最佳瀝青用量。

圖1 穩(wěn)定度與用油量曲線

圖2 流值與用油量曲線

3.3 開設(shè)綜合創(chuàng)新型實驗經(jīng)驗

(1) 設(shè)置研究探索型、自主創(chuàng)新型實驗。研究探索型實驗主要是在教師指導(dǎo)建議下,學(xué)生對新材料、新工藝、新方法進行探索。自主創(chuàng)新型實驗主要是學(xué)生提方法和思路,教師對學(xué)生所提方案給予指導(dǎo)。實驗流程主要是學(xué)生撰寫實驗計劃書,教師仔細評閱后給予通過或修改后通過、建議重新撰寫等不同意見,然后學(xué)生經(jīng)過自我努力完成實驗。

(2) 創(chuàng)新團隊建設(shè)。構(gòu)建教師、研究生、本科生三位一體的創(chuàng)新團隊。本科生主要負責(zé)提出創(chuàng)新實驗的想法,研究生主要負責(zé)確認方案有無創(chuàng)新性,教師主要負責(zé)判斷方案的可行性。

(3) 以社會需求、工程應(yīng)用為導(dǎo)向。以實際應(yīng)用為導(dǎo)向的創(chuàng)新最有價值,企業(yè)作為經(jīng)濟活動中最為活躍的細胞,向來重視創(chuàng)新,對新技術(shù)也最為敏感。中小企業(yè)自身科研人員較少、科研力量比較薄弱,也希望同高校師生合作進行創(chuàng)新研究。有了社會需求的驅(qū)動,學(xué)生進行創(chuàng)新實驗動力更足,成就感更強。利用教師橫向項目為依托,師生共同為企業(yè)解決實際問題。學(xué)生通過對比實驗為瀝青拌合場解決塵土污染混合料的問題,企業(yè)得到了幫助,學(xué)生得到了鍛煉和培養(yǎng)。

(4) 以競賽為平臺和載體。積極組織學(xué)生參加創(chuàng)新競賽,通過學(xué)生自由組隊,設(shè)置“夢想導(dǎo)師”,師生雙向選擇,校內(nèi)“海選”,確定代表學(xué)校參賽隊伍。激勵機制有頒發(fā)獎狀、證書、授予學(xué)分以及物質(zhì)獎勵等,利用學(xué)生榮譽感和競賽獲獎對就業(yè)、深造的促進作用,使得學(xué)生對創(chuàng)新型實驗積極性非常高,往往在學(xué)校為其安排的競賽專用教室工作到深夜。

3.4 實驗保障措施

通過積極協(xié)調(diào),落實綜合創(chuàng)新型實驗的各項保障措施:

(1) 資金方面。學(xué)校設(shè)立專項基金,大力支持學(xué)生創(chuàng)新實驗。鼓勵學(xué)生參與教師科研項目,學(xué)生可以得到鍛煉,同時資金也有了來源。尤其是橫向課題,企業(yè)提供資金或者耗材,積極配合學(xué)生的創(chuàng)新型實驗。

(2) 場地方面。目前可將學(xué)校的本科生、研究生實驗室加以整合，成為創(chuàng)新型實驗的場所。同時西華大學(xué)為學(xué)生設(shè)立創(chuàng)新型實驗專業(yè)教室,24小時通電通網(wǎng)。

校企聯(lián)合共建實驗基地是個解決場地問題的好辦法。企業(yè)的實驗室、生產(chǎn)車間、施工工地都可以為學(xué)生提供實驗場所。

(3) 設(shè)備方面。校際共享創(chuàng)新實驗中心是一個發(fā)揮不同高校不同的優(yōu)勢學(xué)科、共享優(yōu)良軟硬件資源的好選擇。同時也可以利用企業(yè)的設(shè)備開展實驗。學(xué)校設(shè)備臺套數(shù)少,可以在大三大四開設(shè)創(chuàng)新型實驗選修課,本科生通過選課、預(yù)約等方式獲得一段時間的實驗室使用權(quán)。獨立設(shè)課的選課人數(shù)比必修課少,每個學(xué)生可以獲得動手機會,自行設(shè)計并完成實驗。

(4) 人員方面。開放實驗室必然涉及到實驗室管理人員的問題,一方面要安排好實驗室專職、兼職教師；另一方面文獻[12] 中渤海大學(xué)設(shè)置開放實驗室學(xué)生協(xié)管員的做法值得推廣。

4 綜合創(chuàng)新型實驗效果分析

4.1 培養(yǎng)了學(xué)生的綜合能力

開設(shè)綜合創(chuàng)新型實驗以來,學(xué)生將來工作中所需的各方面能力得以鍛煉和提高。集料篩分和級配組成設(shè)計實驗鍛煉了學(xué)生吃苦精神。學(xué)生學(xué)會用ORIGIN等專業(yè)軟件畫出如圖3所示級配曲線,得到鍛煉,也為進一步深造或工作奠定了基礎(chǔ)。

馬歇爾試件成型實驗、測定馬歇爾試件體積參數(shù)實驗使用溢水天平、電子天平、游標卡尺等精密儀器,鍛煉了學(xué)生動手能力和操作儀器的能力。測定穩(wěn)定度、流值實驗鍛煉了學(xué)生嚴謹認真的態(tài)度。確定最佳瀝青用量及配合比調(diào)整設(shè)計實驗鍛煉了學(xué)生的協(xié)調(diào)能力、處理數(shù)據(jù)能力。確定最佳瀝青用量,培養(yǎng)了學(xué)生的統(tǒng)籌能力、分析解決問題能力。瀝青混合料性能檢測實驗培養(yǎng)了學(xué)生嚴謹?shù)膽B(tài)度,鍛煉了綜合分析實驗結(jié)果的能力。

圖3 級配曲線

4.2 培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力

西南交通大學(xué)精心策劃、周密組織、認真輔導(dǎo)學(xué)生參加全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)四川賽區(qū)競賽,并取得了優(yōu)異成績。筆者指導(dǎo)西華大學(xué)學(xué)生參加西南交通大學(xué)第四屆暨西華大學(xué)第一屆力學(xué)創(chuàng)新實驗競賽決賽,獲得了一等獎(特等獎空缺)。

由于發(fā)表論文學(xué)生對就業(yè)、保研、國家和學(xué)校獎學(xué)金評定等有幫助,學(xué)生樂于參與創(chuàng)新型實驗后,撰寫科研論文。鍛煉了學(xué)生收集、閱讀、利用文獻能力、拓寬了視野,鍛煉和提高了學(xué)生獨立思考及寫作的能力。鼓勵學(xué)生寫科研論文投稿,學(xué)生積累了經(jīng)驗,又鍛煉了創(chuàng)新能力。現(xiàn)在已經(jīng)有為數(shù)不少的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下,撰寫科研論文并發(fā)表在相關(guān)高校學(xué)報上。

5 更好地開展創(chuàng)新型綜合實驗的措施

虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)的重要應(yīng)用,在目前得到了越來越廣泛的推廣。在瀝青路面材料實驗中開展虛擬實驗減少實驗材料消耗,符合“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”建設(shè)需求。同時也避免了學(xué)生對高溫的瀝青材料安全性不必要的擔(dān)心。

利用云技術(shù)開展創(chuàng)新型實驗,教育云是高校資源共享和協(xié)同創(chuàng)新的重要途徑,對于西部地區(qū)的高校與國內(nèi)外高校的實驗優(yōu)質(zhì)資源同步,將會顯著促進本校的綜合創(chuàng)新型實驗發(fā)展。

6 結(jié)論

(1) 目前高校實驗存在著一定現(xiàn)實問題,有必要進行改進,其中開設(shè)綜合創(chuàng)新型實驗是一個重要方面。本文列舉了開設(shè)綜合創(chuàng)新型實驗的必要性、開設(shè)方式和注意要點,以及保障措施。

(2) 以西華大學(xué)的瀝青材料實驗為例,說明開設(shè)創(chuàng)新型綜合實驗可以培養(yǎng)學(xué)生綜合能力,尤其是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力,學(xué)生已撰寫并發(fā)表了數(shù)篇學(xué)術(shù)論文。

(3) 利用虛擬仿真實驗教學(xué)和云技術(shù)進一步開展創(chuàng)新型綜合實驗的前景良好。

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Exploration and practice of innovative experiments of engineering education based on cultivation of students’ comprehensive ability

Wang Wenqi1,2, Liu Biaoxian1, Zong Liansong3, Tian Rongyan4, Wang Ze1

(1. School of Architectural and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China;2. School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu 610039, China;3. Office of Academic Affairs,Xihua University, Chengdu 610039, China;4. College of Technology, Tibet University, Lhasa 850000, China)

In order to improve the existing situation and cultivate the students’ comprehensive ability, especially innovative ability,it is very necessary to carry out the innovative experiment. Taking the experiment of civil engineering bitumen pavement material as an example,the approaches and cautions of the setting up are studied . There are specific examples about how to instruct and inspire the students to accomplish the experiments,some supporting measures are also listed and the effects are illustrated. The conclusion is made in the end that the innovative comprehensive experiments can effectively cultivate the students’ comprehensive ability. Meanwhile,the experiment can be more helpful if such approaches as virtual simulation experiment teaching and cloud technology are adopted.

comprehensive ability; innovation; experiments; measures

2015- 01- 04 修改日期：2015- 03- 09

四川省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410623041);西華大學(xué)2013年校級教改項目校企共建大學(xué)生實踐教育基地運行機制探索與實踐；西藏大學(xué)教學(xué)研究與改革項目(XZDX2013JG06 )

王文奇(1980—)，男，遼寧朝陽，博士研究生，講師，研究方向為道路工程

E-mail：wwq1999@126.com

劉保縣(1972—),男,河北唐縣, 博士,教授,研究方向為巖石力學(xué)與工程.

E-mail：jzytmlbx@mail.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)9- 0026- 04