實驗教學相關問題的再認識

呂念玲, 秦慧平, 孟維亞, 殷瑞祥

(1. 華南理工大學 電子與信息學院, 廣東 廣州　510630； 2. 華南理工大學 教務處, 廣東 廣州　510630)

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實驗教學相關問題的再認識

呂念玲1, 秦慧平1, 孟維亞2, 殷瑞祥1

(1. 華南理工大學 電子與信息學院, 廣東 廣州510630； 2. 華南理工大學 教務處, 廣東 廣州510630)

以進一步明確實驗教學的目標和任務為前提,從把握實踐教學規律、完善實驗課設計、重視基礎實驗教學以及做好實驗課與工程對接等方面闡述了相關的思考與探索。

實驗教學； 實驗課與工程對接； 認知規律

在實驗技術日新月異,實踐模式日趨多元,對人才創新能力需求日益迫切的當下,對實踐教學根本問題的反思,有助于我們進一步明確人才培養目標,采取更為有效的手段,切實達到提高人才培養質量的終極目標。

1　明確實驗教學的任務

高校實驗教學的目標主要是提高學生專業動手能力、健全學生的專業知識結構、培養學生解決工程問題的素養[1]。

1.1訓練學生實施“實驗”的能力

實施實驗,先是實驗方案設計,然后才昰實驗操作。實驗方案設計的過程主要包括先對測試任務進行分析,弄清楚要在實驗室進行的測試內容具體是什么(解決“測什么”的問題),再根據實驗室的設備條件選擇滿足測試要求的儀器(解決“用什么測”的問題),然后擬定實驗步驟(解決“怎樣測”的問題)。經過此過程,實驗任務才由測試任務書抽象的文字敘述,真正落實到了實驗臺上的具體操作中。科學、完備的實驗方案設計和嚴謹、規范的實驗操作,是實驗成功的重要條件。因此,教會學生實施實驗,是實驗教學的一項基本任務。

1.2鍛煉學生科學處理“實驗”數據的能力

實驗用數據“說話”，數據在專業的處理下,其價值和意義才得以顯現。訓練學生客觀、完整地記錄數據,以合適的方法處理數據,用專業的眼光研判數據,并在數據里尋找規律、發現問題,最后形成實驗結論,以技術文檔形式呈現出來。鍛煉學生科學處理數據的能力,是實驗教學的第二層任務。

1.3教會學生設計“實驗”的能力

實驗是科學研究的一種方法。面對科學問題,用實驗的方法展開研究,是較高層次的研究方法。工程問題往往是通過實驗的方法來解決的。設計實驗解決工程問題,是實驗應用的重要方面,特別是在產品開發過程當中,是一種不可缺少的能力。教會學生設計實驗解決問題,是實驗教學的較高目標[2]。

2　總結實施實驗教學的有效途徑

學生學習做實驗,是一種習得性經驗,有其特定的規律。尊重學生實驗學習的認知規律,根據學生實際需要實施教學,令實驗教學更具針對性。學生實驗實踐學習要經過4個階段[3],如圖1所示。

(1) 認知階段。此階段主要了解為什么要開設這樣一門實驗課,用什么手段或工具進行實驗。一般是概念性的了解,以實驗環境、實驗設備及實驗器材為認知對象。

(2) 操作階段。此階段主要通過實驗操作,學習使用儀器設備、模仿怎樣解決具體測試問題。認知階段和操作階段沒有嚴格的區分,通常交替進行或以并行方式開展。操作階段結束,學生可掌握基本實驗理論并具備基礎操作能力。

(3) 方法階段。此階段的重點是學會設計實驗方案,把在認知階段和操作階段學到的技能用于解決實際的測試問題。方法階段結束,學生具備單元電路調測能力。

(4) 系統階段。此階段的實驗對象以系統或小系統為主,強化對電路模塊的調測技能,初步訓練學生對系統的設計和聯調能力,具備工程電路設計和實驗設計能力。

圖1　實踐學習的4個階段

從教學實施的角度看,圖1由認知到系統的4個階段也是實施實驗教學的分級目標,每級目標有其鮮明的特點和規律性。明確各階段教學目標,做好實驗培養方案的頂層設計,并分析學生需求,對每一門實驗課進行系統定位,才可能取得好的教學效果。

3　上好每一堂實驗課

優質的實驗課是教學內容建設、教學資源支撐與教學管理優化三位一體協調運作的結果。教學內容是載體,若沒有資源支撐、缺少到位管理,內容再好都實施不了；教學資源是重要條件,沒有好的內容令其充分發揮作用就是一種浪費；教學管理則是確保教學與改革有序、高效實施的助推器[4-5]。這或許可以解釋能夠在書店買到頂尖學校的實驗教材,但卻無法達到和對方一樣的培養質量,可以模仿外校的實驗項目,但教學效果往往不盡如人意的原因。實驗教學改革是牽一發則動全身的過程[6-8]。

3.1做好實驗課定位是首要

每一門實驗課程都是由若干次實驗課(實驗項目)組成,因此實驗課定位要考慮2個方面。第一方面是在培養計劃層面,即實驗課要服務于實踐能力培養整體目標。第二方面是在課程層面,即實驗課要服務于本課程特有的實驗理論與實踐能力目標。針對上述2個層面,準確定位實驗課:

(1) 實驗課程定位。我國高校通常將實驗課程劃分為3個大類,即公共基礎實驗課程、專業技術基礎實驗課程和專業領域實驗課程。上述3個類別分別對應不同的培養階段(見圖1)。公共實驗階段主要是完成認知階段和操作階段基本能力的訓練；專業技術基礎實驗階段主要是滿足操作訓練和基本實驗方法的教學需要；專業實驗階段則側重于實驗方法熟練應用,并解決系統問題。實驗課程定位,就是要明確實驗課程屬于上述3類實驗課程的哪一類,進而明晰所對應的培養階段。應對階段培養目標統籌分配學時數,做到在重點處著力。

(2) 實驗課規劃。明確實驗課程定位后,著手實驗課的整體設計。此過程應注意把握由認知、操作、方法到系統的難度進階,做到循序漸進,明確教學重點與難點,做到科學分配學時,挖掘實驗項目之間的關聯與內涵,強化教學效果。

經過準確定位,實驗課擁有明確目標指向,后續的實驗課設計依此而展開。

3.2實驗課設計要點

實驗課的主要目的不是要學生驗證理論,因為即使不驗證,那理論也是顛撲不破地擺在那里；實驗課的根本目標也不是創新,因為絕大多數學生達不到那個高度。只要令學生手、腦并用地參與進來,通過認知、模仿從而學會獨立做實驗,實驗課的目的就達到了。實驗課的內涵,要通過設計去挖掘與呈現。完美的實驗課設計,主要包括4個方面:

(1) 選擇合適的實驗項目。實驗教學項目的選擇應以目標為導向，在體系上包含3個層次:體現測量方法的訓練(最低層次要求)；體現測量數據處理(中等層次要求)；體現實驗方案的設計(較高層次要求)。對于具體的實驗項目,其選擇重點主要在于是否留出學生思考和發揮的空間,即:測試任務多樣,彼此關聯緊密,滿足學習測試方法的要求；使用的儀器不單一,滿足各種儀器操控的要求；實驗現象可見,滿足可調整、可觀測、引發思考的要求。比如在設計功率放大電路實驗項目時,考慮了集成電路功放調測和分立元件功放調測2個實驗內容,最后,放棄了電路構成比較簡單的集成功放實驗電路,保留了電路原理較為復雜、實驗裝置維護工作量較大的分立元件實驗電路。兩者相比較,分立元件電路具有更豐富、更強的可調整性和可觀測性,更適用于訓練學生動手能力。

(2) 合理配備實驗設備。在教學實驗室里,評判實驗儀器的“好”與“不好”的標準不在于價格的貴、賤,不在乎智能化水平的高、低,只要能讓學生更多地參與動腦、動手的就是好儀器。比如模擬示波器不如數字示波器“高級”,但其操控性更強,更適合基礎實驗教學使用。在我校電路實驗室全部配備模擬示波器(無AUTOSET功能),每個學生必須在示波器手動操控技能上過關。再比如,我校的電子技術應用實驗室仍保留著用模擬萬用表檢測電容、判別三極管極性及測量放大電路直流工作點的實驗內容。簡單的儀器,也能鍛煉學生。實驗設備的配置與使用,考量著實驗課設計者對實驗內涵的理解。

(3) 采用高參與度的實驗形式。實驗參與度是指學生在實驗方面的投入程度。工科實驗,以實物操作實驗任務的含量作為實驗參與度的重要標志。演示實驗,學生的實驗參與度幾乎是零；實物實驗,學生的參與度比虛擬實驗高。由學生自行動手進行實驗系統構建,比使用固定實驗裝置更鍛煉動手技巧和嚴謹作風。應盡可能創建一人一組開展實驗的環境,讓學生有更多的動手機會。

(4) 啟發式的實驗指導。實驗學時寶貴,課堂時間安排應以盡量把動手時間留給學生為原則。實驗課堂上,如果必須集中講授的話,時間最好控制在20min之內。必需的提示只有2項:一是對于實驗安全的提醒；二是對于實驗方法的點撥。怕學生做不完、擔心學生做錯而在實驗課堂講很多、很細的做法是不合適的。一來,學生的實驗時間被占去很多；二來,在教師諸多“注意事項”的“保護”下,學生“避”過了該次實驗的困難,代價是限制了學生思維的空間,打消了探索的欲望,學生連認識錯誤的機會都沒有了。實驗教學因此失去其本來的意義,變成機械操作。因此,在確保安全的前提下,實驗指導應以啟發為主,對于實驗中出現的問題,引導學生以實驗的方式尋找答案。

(5) 工程或科學研究的實際問題能有效提高實驗教學水平。工程或科學研究的實際問題具有更強的實用性或前瞻性,代表著先進的研究理念。將工程或科學研究的實際問題進行消化、吸收并轉化,才能成為課堂實驗教學項目,實現實驗教學與業界的“緊密跟隨,動態融入”,有助于切實提高實驗教學水平。在此需求下,傳統教學實驗室的實驗器件、實驗模塊及實驗設備面臨及時升級、更新等問題,可借助信息技術與互聯網平臺來解決。

3.3實驗項目數與實驗能力的辯證認識

實驗課學時數少,是實驗教學面對的共性問題。在此情況下,要以高質量的實驗項目和更為有效的教學手段來彌補實驗學時的不足。真正對學生實驗能力產生影響的,不是做過多少實驗項目,而是做過什么樣的實驗項目。我們不可能,也沒必要帶學生做完所有的實驗項目；但我們可以帶著學生把幾個典型實驗項目做懂、做通,令學生學會正確地、規范地處理實驗問題的基本技能,才能應對無數實驗任務的考驗。歸根到底,實驗課教的是實驗的思維和實驗的方法。沒有實驗目標、不講究教學方法、只拼實驗項目數量的做法,是低層次的重復,是沒有效果的。

4　重視基礎實驗

時下,在各種評估、評比的支撐材料里,把“三性實驗”(設計性實驗、綜合性實驗、探索性實驗)的占比作為體現實驗教學高水平的標志,被放在分子位置,越多越好；而基礎實驗則被放在統計數據的分母位置,似乎越少越好。在這種導向之下,許多學校減少了基礎實驗的學時數。

基礎性實驗是檢驗課程中某一理論或者原理的實驗,即基本實驗方法或基本技術操作的基礎認知性實驗。此類實驗是我國實驗教學實踐中一種傳統的、 常見的原理性質和基本方法、技能性的實驗類型[9]。基礎實驗的基本特點是原理簡單、步驟明確,是學生在認知階段和操做階段最適合的實驗項目類型。基礎實驗的內涵不在于獲得實驗的結果,而在于其示范性的實驗方法展示,可以讓學生“依葫蘆畫瓢”地去模仿。基礎實驗項目是學習實驗的重要先導,其載體功能對學生實驗技能的培養影響重大、意義深遠。因此,基礎實驗不但要做,而且要高質量完成[10]。忽視基礎實驗一味追求實驗內容高、難的做法,不具遠見。教師要不斷完善基礎實驗項目的設計,令其在展示實驗設計方法、規范實驗過程方面發揮更為有效的作用。

5　實驗教學要與工程對接

5.1工程測試流程的關鍵點

工程測試流程見表1右列所示,從接到測試任務書(測試藍圖)至得到測試結論,要經過7個步驟。其中關鍵步驟在于分析測試指標和測試藍圖、構建測試系統、繪制測試系統架構圖,即應對實際的測試目標做實驗設計。上面3個問題考慮完善之后,實驗步驟也就基本擬定。

表1　教學實驗項目流程與工程測試項目流程的比較

5.2提早做好鋪墊

高校的實驗項目操作流程與工程項目測試流程有所不同,特別是在學生認知和操作能力培養階段,很多實驗項目配有詳細的實驗步驟,作為實驗設計的樣例提供給學生參考。在此階段,教師要在課堂上向學生強調高校實驗項目與工程測試的不同之處,將學會自行設計實驗方案作為目標明確提出。同時,教師必須將解讀實驗步驟作為教學重點,帶領學生一邊操作一邊思考為什么要這樣做、還可以怎么做,幫助學生模擬設計實驗的方法和要領,加速實驗理論與實驗知識的內化[11],為后續開始獨立設計訓練并與工程測試對接做好必要的鋪墊。

5.3及時把握轉折

參照實驗指導書上的實驗步驟依葫蘆畫瓢地模仿做實驗,是學生學習實驗的必經過程,但不能總是這樣。在完成實驗認知和實驗操作教學過程后,實驗方式和實驗要求要做轉變,將與工程接軌的實驗方式導入實驗課堂。以我校為例，在完成基礎實驗之后,后續的實驗項目只有測試任務,沒有了測試步驟，與之配套,我們用工程測試報告(格式見表1右列)取代實驗報告,要求學生將自行設計的實驗步驟和形成實驗步驟的思考過程全部寫進測試報告。以此,逐漸建立起工程實驗思維,培養學生對工程測試方式、方法的熟練掌握,取得了很好的教學效果。

6　結語

我們對實驗內涵的認識,在不斷的教學實踐過程中改變、提升。沒有教育技術的進步、沒有正確的教學理念、沒有好的教學方法,提高人才培養質量就是一句空話。

References)

[1] 傅宇.高等工程教育的工程能力結構及其培養途徑[J].高等理工教育,2006(3):79-80.

[2] 李玲.從工程的實踐及創新能力培養談電子技術實驗教學改革[J].高校實驗室工作研究,2005(3):9-10.

[3] 于歆杰.以學生為中心的教與學[M].北京:高等教育出版社,2015.

[4] 石懷偉,孫德明,張美生.高等學校實驗教學管理問題研究狀況探析[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):155-158.

[5] 魏威.胡瑋.高校實驗教學管理系統的創新與實踐[J].實驗技術與管理,2014,31(11):130-132.

[6] 馮志江,張利,王巧玲.電子技術實驗教學的思考[J].實驗室研究與探索,2012,31(7):330-332.

[7] 譚建川,耿大勇.試分析電子技術實驗教學與改革[J].計算機教學,2015(3):135-136.

[8] 王春霞,陳艷麗.卓越工程師培養目標下汽車專業電工電子實驗教學改革[J].實驗室科學,2014,17(6):116-118.

[9] 熊宏齊,戴玉容,鄭家茂.教學實驗項目類型及其“開放其內稟性” [J].實驗技術與管理,2008,25(1):5-6.

[10] 熊宏齊.論高校實驗教學如何適應學生自主選擇的要求[J].實驗技術與管理,2013，30(1):1-4.

[11] 左鐵鏞.高等學校實驗室建設的作用與思考[J].實驗室研究與探索,2011,30(4):1-5.

Reunderstandingofrelevantproblemsofexperimentalteaching

LüNianling1,QinHuiping1,MengWeiya2,YinRuixiang1

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China; 2.Dean’sOffice,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510641,China)

Thisarticleexpoundsonthethinkingandexplorationtofurtherclarifythegoalsandtasksofexperimentalteachingasthepremise,fromgraspingtheprinciplesofpracticalteaching,andimprovingexperimentalcoursedesign,basedontheexperimentalteaching,aswellastheexperimentalclassandengineeringdockingaspects,etc.

experimentalteaching；experimentalclassandengineeringdocking；cognitivelaw

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.045

2016-01-20修改日期：2016-03-22

2015年華南理工大學教學研究項目(X2DX/Y1151290)

呂念玲(1970—),女,廣東湛江,碩士,高級實驗師,研究方向為電子技術實驗教學與實驗室管理.

E-mail：nllv@scut.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2016)7-0181-04