基于實驗室開放的力學實驗教學改革研究與實踐

張學義, 夏興有, 蘆 頡, 潘信吉

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

實驗教學研究

基于實驗室開放的力學實驗教學改革研究與實踐

張學義, 夏興有, 蘆 頡, 潘信吉

(哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

介紹了哈爾濱工程大學依托力學實驗室開放,搭建大學生創新平臺、進行力學實驗教學改革的研究與實踐。基于實驗室開放的力學實驗教學,營造出有利于大學生自主創新的氛圍,利于培養學生的創新設計能力和團結協作精神,拓展學生的創新思維；構建的力學實驗課程群,使學生在有限的時間內學習和掌握更多的力學知識；創建力學實驗考核體系,對實驗教學進行全方位考評,調動學生參與力學實驗的積極性,全面提升力學實驗教學質量。

實驗室開放； 教學改革； 創新能力

為了適應當代科學技術、經濟和社會發展的需要,高等學校的人才培養模式發生了很大變化。培養具有一定知識儲備、有較高科研素質和科研技能且具有創新精神和創新能力的學生，是當今高等學校的教育培養目標[1]。實驗教學能夠拓展學生思維、培養學生創新精神、提高實踐技能,是培養高素質大學生的重要教學方式。但是,實驗教學受實驗條件、實驗教師隊伍和實驗環境等因素的影響較大,這些條件的欠缺會直接影響高素質人才的培養。開放實驗室是高校緩解這些矛盾的重要舉措之一,但也面臨一些問題,例如:實驗室開放后的實驗內容體系、授課方式和實驗成績考核等均與現行的教學模式和實驗室管理體制不適應。為了最大限度地發揮開放實驗室在教學和人才培養中的作用,哈爾濱工程大學航天與建筑工程學院堅持以培養學生實踐動手能力和創新精神為目標,構建實驗教學平臺和學生創新平臺,構建新的力學實驗課程群和力學實驗成績考核體系,提高開放實驗室的實驗教學質量,發揮開放實驗室在人才培養中的重要作用。

1 以培養學生實踐動手能力和創新精神為目標

培養大學生的創新精神和創新能力既是高校實驗教學的重要任務,也是實驗教學的永恒主題[2]。哈爾濱工程大學在實驗教學改革中,以培養學生實踐動手能力和創新精神為目標,突出“因材施教,個性培養”的理念,在實驗教學中采取強調整體、注重個體的分層次實驗教學模式。“強調整體”是在實驗教學中注重對全體學生進行實踐動手能力和創新精神的培養，“注重個體”是針對能力較強的學生,重點培養其創新能力,使其能發揮自身的優勢[3],最終使所有的學生都能得到鍛煉,使優秀學生脫穎而出。

2 搭建實驗室開放平臺

搭建實驗教學平臺和學生創新平臺,所有的實驗教學資源向學生開放,讓學生成為實驗的主體[4],調動學生參與實驗的積極性,營造有利于創新的氛圍,吸引學生參與開放實驗。鼓勵學生通過實驗發現問題、解決問題,培養學生的創新思維和創新技能,全面提升學生的創新能力。

2.1 實驗教學平臺

立足本科生實驗教學和研究生教學,按照整體時間開放、個體內容開放的原則開放實驗室,激發學生的學習興趣,調動學生參與實驗探索的積極性,鼓勵學生到實驗室參加科學實驗。

整體時間開放是面向全校學生,從低年級學生開始就改變以前被動的實驗學習方式,使學生能夠從被動接受變為主動參與,從要求學生學習變成學生主動學習,體現實驗教學中學生的主體作用[5]。以實驗室開放管理系統為平臺,學生可以根據自己的能力和興趣愛好,在教學計劃的框架下選擇適合自己的實驗項目,就如同按菜單選擇適合自己口味的菜肴(實驗項目)一樣。學校為學生提供寬松的學習環境,學生不受學年、專業和時間的限制,根據自身的實際選擇時間進行實驗。

個體內容開放包括學生參與科研和科技活動型開放以及自選研究課題型開放。這個層面的開放意在鼓勵學生參與科學研究活動,重點培養學生獨立解決實際問題的能力,提升學生的科研能力。

(1) 學生參與科研和科技活動型開放。實驗室依據科研項目以及各類學科競賽活動的需要發布實驗目錄,此類實驗要求學生運用多門課程的綜合知識進行一些較復雜的科研實驗,具有一定的探索性。學生可以綜合所學知識,觀察、分析一些簡化了的技術問題,在學習過程中受到科學研究的初步訓練,培養分析問題和解決問題的能力[6]。

(2) 學生自選研究課題型開放。學生依據興趣和愛好，結合實驗室條件完成綜合性、設計性實驗項目的設計和研究,還可進行實驗軟件開發、實驗軟件制作和實驗教學網站建設等。以學生為主體的實驗模式,面向優秀學生,重視學生的個性培養,體現因材施教、個性發展。

2.2 學生創新平臺

學生創新平臺是課堂教學的延伸,是理論與實際、知識與能力的融合點,能全面培養學生的創新意識和創新精神。在學生創新平臺,學生有機會使自己的設想變成現實,使自己從科學知識型向科學知識創新型轉化。在這里,強化對學生創新能力培養,使學生在濃厚的創新氣氛中成長,不斷擴大視野,了解更多的前沿知識,提高分析問題和解決問題的能力[7]。

大學生競賽平臺是學生創新平臺的重要組成部分,各類競賽對學生而言既是自主學習的過程,又是培養創新能力的載體[8-9]。競賽能激發學生的學習興趣、加強基礎知識和專業知識的綜合運用。學生在參與競賽的過程中,要創新思路,構思出各種參賽方案,要進行各種科技制作。學生在參賽過程中會遇到很多問題,這些問題激勵學生去思考、去解決,當一種方法行不通時,需要嘗試用其他方法去解決。不斷發現問題、提出問題、努力求解問題的過程,將促使學生從被動學習轉變為主動學習,鍛煉發現問題,解決問題的能力。

在我校的大學生結構設計大賽中,參賽學生精心設計出可以記錄載荷和位移的加載裝置,巧妙地利用激光筆進行非接觸式位移測量,顯示出學生的創新思維和解決實際問題的能力。學生通過參賽,既豐富了理論知識,又培養了科研能力、動手實踐能力、創新設計能力和團結協作精神,同時也拓展了學生的創新思維[10]。

3 構建力學實驗課程群

力學實驗課存在課程內容分散、課程學時少、實驗教學資源不能充分利用等問題,建設力學實驗課程群解決了制約這類實驗課的瓶頸問題。我校按目標培養模式,構建了分層次的、可使更多學生受益的實驗課內容體系。力學實驗課程群是把多門單一的力學實驗課進行科學整合和優化,充分發揮課程資源優勢,以產生“1+1>2”的效果。構建力學實驗課程群,不是簡單的實驗內容的疊加,而是找出各個力學實驗項目之間的內在聯系,進行科學的構建,建立多個課程入口和出口,使學生根據專業需要和興趣進入力學實驗課程群學習。學生能在有限的時間內了解、學習和掌握更多的力學實驗知識,提升實驗能力。

構建力學實驗課程群可以實現優質實驗教學資源共享,使不同層次學生都有機會享受最好的資源——實驗教師資源、實驗儀器設備資源和實驗課程資源。建設課程群可以開闊學生視野,豐富學生的實驗知識,提升學生的實驗能力,還可以挖掘實驗教學內涵、豐富實驗教學理念、拓展實驗內容體系、完善實驗手段和方法。構建力學實驗課程群可以提高實驗課程教學的效果,提升實驗教學質量,在傳授知識的基礎上,使學生掌握力學實驗課程的完整框架和思維方法。

4 創建力學實驗考核體系

考核的目的不僅在于了解學生對知識掌握的情況,更重要的是調動學生學習的積極性,使考核成為教學的中間環節而不是終結環節。因此,如何評定實驗成績至關重要。

在實驗室完全開放的情況下,綜合性設計實驗等新的實驗形式占的比例越來越大,特別是構建力學實驗課程群之后,學生選擇不同的實驗內容,對這些實驗的成績評定具有一定難度,客觀上必須建立一套多元、公平、合理的實驗成績考核體系。新的考核體系不僅要考核學生實驗的全過程,又要能反映學生掌握知識和運用知識的能力,而且應該是動態的和全方位的考評。這種考評方法要能統籌考核實驗能力和創新能力,同時又應該成為激發學生學習熱情的動力。

基于上述思想,應建立以實驗技能測試為主、包括現場隨機抽題筆試等多種考核模式在內的動態考核體系,重點考核學生的實驗操作能力與基本實驗技能。考核內容主要以基本實驗和綜合性設計實驗為主。考核前幾周在實驗室網站上公布考核的典型實驗測試項目,學生可以在實驗室網站上預習,也可以到實驗室學習。學生在實驗室網站上下載2份實驗成績評定表,填好姓名學號等基本信息,考核時交給教師。

采取2名教師考核1名學生的考核方式,學生到實驗室抽出題簽,每個題簽包括3個實驗項目,學生按照實驗項目進行操作、測試并回答教師的提問。實驗成績評定表中包括實驗基本知識、操作技能、實驗原理、實驗結果和問題回答5項,每項20分,每項中有若干小項,每個小項都有具體成績評定標準和分值。2名教師根據學生的表現逐項給出分值,其平均值就是學生的最后成績。

5 實驗教學改革效果顯著

力學實驗教學改革取得了顯著成效。改革之前,實驗課的通過率為83%左右,2011年實施教學改革,當年學生實驗課的通過率提高到87%,2012年和2013年學生實驗課的通過率分別達到93%和96%,學生成績中“優秀”和“良好”的比例明顯提高。2010年以來,力學實驗室相關的實驗課程連續4年獲得哈爾濱工程大學示范實驗課程。以實驗技能測試為主的實驗成績考核方法得到國內同行的高度認同,多次在全國相關會議上交流,國內多所高校同行到力學實驗室進行過調研。

在2010年黑龍江省首屆大學生基礎力學實驗競賽中,我校力學創新實驗室教師指導的學生代表隊獲得特等獎1項、二等獎1項；在2010年首屆全國大學生基礎力學實驗競賽中,我校代表隊獲得了二等獎；在2011年第八屆全國周培源大學生力學競賽個人賽中，我校學生取得優異成績,在團體賽中獲三等獎；在2012年第六屆全國大學生結構設計競賽中,我校力學創新實驗室教師指導的代表隊獲得二等獎。

6 結束語

實驗室開放使學生更多地了解實驗室,體驗科學研究的氛圍,對實驗室和實驗教學的認識有很大的變化,更加主動地參與實驗,有更多機會思考和感悟實驗的科學內涵,學習積極性明顯提高。學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力都有較大提高,勇于實踐、勇于探索的精神普遍增強,一些優秀人才脫穎而出。實驗室開放為實驗教學改革提供了新的平臺,優化了實驗課程內容,建成既相互依托、又相對獨立的力學實驗內容體系,全面提高了實驗教學質量。

References)

[1] 鄒廣平,夏興有.試論大學生創新能力培養模式[J].黑龍江高教研究,2010(3):128-129.

[2] 閆杰,張成路,靳奇峰,等.PBL教學法在精細化學品合成實驗教學改革中的應用[J].實驗技術與管理,2010,27(7):151-153.

[3] 王曉紅,李琳.以工程素質培養為目標的實踐教學平臺的建設[J].實驗室科學,2012,15(6):151-153.

[4] 白云,柴鈺.加強開放式實驗教學 培養學生的創新能力[J].實驗室研究與探索,2010,29(8):109-112.

[5] 秦娟,袁其平.搭建科研實踐平臺 培養電信與通信專業創新人才[J].實驗室科學,2009,12(5):12-14.

[6] 包本鋼,朱湘萍.依托創新實驗室,構建“五元一體”實踐教學模式[J].實驗技術與管理,2012,29(8):145-147.

[7] 王芳,李濱,宋瑛琳.國外高校實驗教學經驗及啟示[J].實驗室科學,2012,15(5):1-3.

[8] 馬曉平,龔振明,孟和.加強課程建設,提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索,2009,28(5):115-117.

[9] 由繼紅.實驗室與創新教學研究[J].實驗技術與管理,2010,27(9):16-17.

[10] 吳樟榮,章明卓,章旭健.以結構設計競賽為載體 培養大學生創新能力[J].實驗室科學,2010,13(2):6-8.

Experiment teaching reform research and practice based on opening mechanics laboratory

Zhang Xueyi, Xia Xingyou, Lu Jie, Pan Xinji

(School of Aerospace and Civil Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China)

Open laboratory is a platform to cultivate the innovative consciousness and innovative ability of college students. The main teaching aims are to structure the innovation platform and to create the conducive independent innovation in open mechanics laboratory for students. The teaching missions to train students innovative design ability and foster the spirit of unity and cooperation and innovative thinking are completed. Through studying mechanics experiment course group, the students can learn and master the knowledge of mechanics more in the short time. The quality of experimental teaching is improved by creating experimental assessment system of mechanics and comprehensive evaluation of experimental teaching,and arousing the enthusiasm of students to participate in the mechanics experiment.

open laboratory; teaching reform; innovative ability

2015- 03- 24

哈爾濱工程大學教學研究項目(SYJG20140202)

張學義(1972—),男,山東沂南,博士,副教授,力學實驗教學示范中心主任,主要研究方向為工程力學與力學實驗教學.

E-mail：zhangxueyi@hrbeu.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2015)10- 0161- 03