新工科背景下工科專業實驗教學體系的構建與實踐

（齊魯工業大學（山東省科學院）生物基材料與綠色造紙省部共建國家重點實驗室，山東 濟南 250353）

新工科（Emerging Engineering Education：3E）是根據目前國家發展需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求等方面提出的我國新時代工科教育發展方向。“新工科”的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化和塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才，具有戰略性、創新性、系統化、開放式的特征。新工科建設重點把握學與教、實踐與創新創業、本土化與國際化三個任務方向［1-2］，其中，實踐與創新創業是新工科的關鍵任務之一。我國傳統產業的轉型升級處在關鍵期，作為工科專業特別是特色工科專業，實踐能力的創新培養已成為新時代工科專業培養的共識。實驗教學是實踐能力培養的重要組成部分，其在工科教學中的地位尤為突出［3-4］。工科實驗教學在培養工科學生專業水平、創新能力和分析解決問題能力等方面都有著理論教學不可替代的作用。當今高校工科教育中實驗課程所占比重越來越大，結合工科專業特點構建實驗課程體系、對新時期實驗課程教學進行改革是值得思考和探索的重要問題。

一、國內外工科專業實驗教學現狀

（一）國外工科專業實驗教學現狀

開放式實驗教學是國外工科實驗教學探索的重點領域和模式，美國在20世紀60年代實驗教學中就開始蘊含開放式實驗教學的思想。英國和日本在20世紀90年代開始探索開放式的教學模式，21世紀以來，發達國家在開放實驗教學方面已經比較普及，主要體現在注重學生獨立設計實驗方案、搭建實驗平臺、完成實驗過程的能力培養［5-6］。現以美國的開放式實驗教學為例加以論述。

1.實驗教學采用循序漸進式三步法。第一步，實驗技術人員組織開展實驗儀器的學習和使用訓練，引導學生掌握實驗儀器基本原理、實驗技能和實驗方法。第二步，實驗課教師進一步展示仿真模擬實驗，引導和啟發學生通過具體實驗來剖析實驗問題、設計實驗方案、分析實驗結果等。第三步，學生設計實驗，教師布置專題供學生選擇，學生需要獨立進行實驗設計、實驗儀器的選配、實驗結果的分析，整個過程由學生或學生小組完成。

2.重視將新方法、新技術、新儀器引入實驗課程。高校教師十分重視將最新的分析方法、分析技術和儀器引入課程，讓學生及時了解和掌握新事物，并從低年級開始接觸先進的儀器和設備，使學生體會到科技進步和競爭，讓學生產生學習的興趣和壓力。同時注重新的教學工具和資源的引入，比如立體教學器件、虛擬實驗等。

3.課程設計與教學方法靈活多變。分層次進行實驗課程體系的建設，從博士到專科每個層次都有自己的教學大綱和模式，層次越高其設計和獨立實驗的成分就越多。實驗課多采取啟發、引導、探討等教學方法，鼓勵學生通過討論歸納總結實驗方法和實驗方案，促進學生積極主動地參與實驗，提高學生的動手能力，使學生樂于思考和敢于實踐，從而圓滿地完成實驗課程的學習任務。

（二）我國工科專業實驗教學現狀

國內的實驗教學一直被認為是大學教學的輔助環節，近年來隨著經濟發展的需要和企業對實踐能力的認識，實驗教學在培養工科大學生科學素養和創新實踐能力方面越來越被重視，但是目前我國的工科實驗教學存在專業間、學校間、區域間發展不平衡的問題，其主要體現在以下幾方面［7-8］。

1.某些工科專業對實驗課程教學重視不夠，設備比較傳統單一，甚至有些工科實驗設備陳舊。

2.受到教學資源和教學團隊條件限制，很多實驗課程內容更新緩慢，實驗內容往往局限于課本，易產生與行業技術發展脫節以及工科實驗落后于目前實際生產水平等問題。

3.實驗課程的過程監控和考核是個難題，目前存在方法單一、考核困難等問題，學生獨立思考、設計、完成實驗的積極性不高，從而影響了實驗教學效果和學生實踐鍛煉能力的提升。

4.實驗教學的方案制訂往往采取與基礎文化課程相同的模式，沒有根據社會需求、企業需求、教師和學生需求等綜合因素進行實驗設計，有些實驗教學效果不理想。

二、新時期工科專業實驗教學體系的構建

以新工科背景為契機，客觀分析國內外實驗教學環節的優勢和缺點，基于我國工科專業發展的特點，構建新時期的實驗教學體系具有重要的意義。下面以行業特色工科專業制漿造紙工程為例，介紹在實驗教學體系構建和改革過程中的一些做法和經驗。

（一）三位一體實驗教學團隊構建機制

為了解決目前實驗課程內容陳舊、更新速度較慢的問題，建立或健全實驗課程內容和條件的更新機制非常有必要。學校牽頭構建由企業技術人員、實驗課教師和學生組成的實驗授課小組，通過對企業的生產線、技術和用人需求的調研整合，獲得行業最實用和最新技術的發展方向，為教學內容和條件的更新提供依據。

每年提前三個月對實驗課進行教學研討，從實驗設備改進與創新、實驗內容設計、學生能力需求、學生自身基礎現狀等方面進行實驗內容的再設計與構建。通過學校、企業、學生三位一體進行課程體系的更新與再構建，達到實驗課程在實驗內容、實驗方法、實驗儀器和與產業和學生契合度等方面實現動態更新，保持了實驗課程的先進性和實用性。

以此為出發點，輕化工程（制漿造紙方向）專業與省內外著名造紙企業山東太陽紙業、泉林紙業、玖龍紙業等十幾家單位產學研合作機制，參與該專業的實驗教學環節培養，并且為實驗課程任課教師的培養鍛煉提供基地。實驗室經山東省發改委批準，由齊魯工業大學牽頭，山東大學、省造紙院、晨鳴集團、華泰集團、太陽紙業、泉林紙業等8家單位組建了山東省第一個工程實驗室（山東省制漿造紙工程實驗室），促成了校院企協同創新、產教創新深度融合機制的形成，為實驗教學提供了基礎的多方資源平臺。

（二）實驗課程模塊化與全過程考核體系探索

為了解決實驗課內容難、實驗課堂效率較低、難考核的問題，筆者對實驗課程教學的分塊單元化與全過程考核體系進行構建與探索。通過對實驗過程合理分塊、優化實驗分組、鼓勵設計創新和加強過程考核等的探索，提高學生獨立完成實驗的興趣和積極性，以及提升實驗教學效果。將教學過程分塊單元化，可實現精準的訂單式培養，使學生從宏觀和微觀上更加全面地了解實驗全過程。在制漿造紙綜合實驗中，我們采取了教學過程中準備階段、設計階段、實驗階段、分析階段的單元任務的模式，提高了預習、實驗和總結的效率，實驗教學效果得到明顯提高。

在模塊化基礎上，為了防止學生對知識進行固化定位，整個實驗采用全過程考核體系，使學生一方面能夠完成模塊化的學習掌握，另一方面又具備全面考慮實驗過程和突發問題的能力。比如，在實驗教學過程中采用學生隨機實驗操作演示、跳躍模塊提問考核、現象原理描述等方式進行全過程考核，實驗教學效果良好，形成了制漿造紙工程專業的實驗課程教學的功能化單元和全過程考核體系。

（三）數字新技術++實驗教學模式的探索

基于虛擬現實技術在實驗教學中的應用實踐，探索解決實驗預習困難、重復成本較高、很多復雜實驗無法進行等問題。利用現代虛擬現實技術，將實驗過程特別是涉及環境和條件較為復雜的實驗，利用虛擬現實技術將其進行數字化構建，學生可以在電腦、手機等端口進行實驗的模擬操作，實現實驗的虛擬設計、虛擬操作、虛擬分析等過程［9-10］。

基于該思路挖掘實驗課程內容，貼合行業實際需要，圍繞工業過程的關鍵環節制作了造紙生產線的虛擬仿真軟件系統，改革了原來的預習模式、練習模式和考核模式，構建虛擬仿真用于實驗教學的探索機制，對其他工科專業的實驗和實踐教學也有重要的參考價值。

（四）實驗室的管理與設計新機制

高校實驗室是開展科學研究、實驗教學、人才實踐能力培養的重要基地，特別是對工科專業顯得尤為重要。因此構建實驗室管理與設計的新模式，對于實驗教學的創新和發展具有重要的意義。圍繞制漿造紙工程專業的特點，從實驗難易程度和學生掌握知識層次等方面考慮，分為專業基礎實驗室、專業綜合實驗室和創新提升實驗室進行實驗課程的教學。

1.專業基礎實驗室是針對專業基礎課設計的實驗室，學生專業基礎課學習階段是基礎課向專業課過渡的關鍵節點，在該階段學生開始從原有的物理、化學公共基礎課知識和思維逐步轉換到專業課思維，實驗教學是該階段學生進行思維方式轉變的重要環節。

該層次實驗室采取學院教學實驗中心統一管理與設計配置，配備專門的實驗室管理人員，為任課教師和學生提供統一標準的實驗設備、儀器和原料試劑等，并在實驗室配備多媒體實驗教學系統，力求展示實驗過程中的細節和重要環節，培養學生的實驗操作能力和嚴謹性。通過該層次的實驗教學達到培養學生基本的專業實驗能力的目的，本專業的理論與實踐知識讓學生能夠初步掌握和運用。

2.專業綜合實驗室是針對專業必修課配套的實驗教學實驗室。學生經歷了專業基礎課和相關實驗的學習后進入專業必修課的學習，此時其知識體系和實驗體系都正式跨入特定的專業和領域，學生將會接觸到特有的實驗內容、設備和方法等，是進行專業知識運用和掌握的階段。

該層次的實驗室采取教學實驗中心和課程講授團隊協同管理的模式，實驗室管理的主體為課程講授團隊，教師根據專業課的進展情況，對實驗室進行管理和設計。特別是在與專業課學習的內容對接上，以輕化工程（制漿造紙方向）專業實驗為例，原來課程體系是按照講授完相關理論課后才開始實驗課學習，通過實驗室的層次建設和設計，講授團隊根據理論課的進度將原來的實驗課進行了拆分，做到了理論知識和實踐實驗的無縫對接。通過實踐發現，該調整實現了理論與實驗的穿插進行，對學生理解專業知識和理論聯系實際都有積極的效果。

3.創新提升實驗室是針對具有專業理論知識和專業實驗技能的高年級學生設置的。高年級學生具備了基本的專業思維，通過該類實驗室學生可以接觸到該領域最新的研究成果和研究趨勢，進而擬定研究題目和實驗內容，運用專業知識和專業實驗技能進行創新性的科研實驗，發現自然規律，培養學生創新實踐思維和科研素養。

該層次的實驗室依托科研平臺設計，由科研團隊進行管理，實驗題目采取科研教師命題或學生自主選題教師審核制，給予實驗內容設計極大的自由度。以我校輕化工程（制漿造紙方向）專業為例，該層次的實驗室設置基于生物基材料與綠色造紙省部共建國家重點實驗室、制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室等十多個科研平臺，科研平臺的科研人員、儀器設備等實驗條件為提升實驗水平提供了保障。學生通過選擇科研團隊老師擬定的創新開放實驗題目，進入實驗室或科研團隊，參與教師和研究生的科研課題，切實達到運用專業知識解決實際問題的目的。

三、結語

新工科背景下，工科專業應用型人才培養尤為重要也面臨嚴峻挑戰，實驗教學作為應用型人才實踐能力培養的重要環節，其培養體系重構迫在眉睫。圍繞新工科的內涵發展要求，對比國內外實驗教學的現狀和問題，以輕化工程（制漿造紙方向）工科專業為例，從實驗教學團隊構建機制、實驗課程模塊化與全過程考核、數字新技術+實驗教學模式和實驗室的管理與設計新機制等方面進行了探索，取得了良好的效果，對新工科環境下工科專業實驗教學的探索和改革具有借鑒作用。