實驗室開放管理的新工科人才培養探索

王文成, 侯崇升, 吳小進, 杜 德, 任啟迎

(1.濰坊學院 信息與控制工程系，山東 濰坊 261061；2.北京新大陸時代教育科技有限公司，北京 100044)

0 引 言

隨著物聯網技術、工業機器人、大數據和云計算技術等為代表的第四次工業革命的到來，創新已經成為經濟和社會發展的主要驅動力量。主動服務國家創新驅動發展和“中國制造2025”等重大戰略實施，加快工程教育改革創新，培養造就一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，已成為高校新工科教育改革的一項重要任務。2014年，我國教育部公布的改革措施：全國1 200所普通本科高等院校中，將有600余所逐步向應用技術型大學轉變。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設。

作為高等教育的重要組成部分，實驗教學為學生鞏固課堂知識提供了有效保障，在培養大學生這種綜合素質方面起著不可替代的作用[1-6]。但是對于工科專業，企業越來越青睞于有一定實踐經驗的人才，傳統的實驗教學方法已經在很大程度上難以滿足當今社會對實踐性人才的培養要求[7]。推進和擴大實驗室開放的力度，提高學生實踐能動性，是實驗教學改革的有效途徑[8-11]。相對于傳統的封閉式實驗，開放性實驗就是把實驗室的資源向學生開放，讓學生在課余時間根據自己的興趣和知識掌握情況自主設計實驗。在該過程中，學生成為了實驗的主導者，科學地規避了不同學生學習能力的差異，提高了實驗設備的有效利用。因此，探索新工科人才培養形勢下的開放實驗室管理模式具有重要的現實意義。

1 傳統實驗教學存在的問題

傳統實驗教學是理論教學的拓展和延伸，為人才培養起到了舉足輕重的作用，但也存在一定的問題[12]：

(1) 實驗模式固定。傳統的實驗中，實驗內容已經基本確定，實驗指導書中對于實驗項目的步驟和方法描述非常詳細，學生按照教師和實驗指導書的要求按部就班地操作就可以完成，測出的數據千篇一律，實驗報告大致相同。導致學生在實驗過程中處于被動學習和機械操作的狀態，遏制了創造性思維的發揮和創新能力的提高。

(2) 實驗內容陳舊。在傳統的實驗教學中，實驗環節只是理論知識的補充和實踐，大部分實驗項目屬于半定量或定性實驗，采用驗證性的實驗方法為主，學生只是按標準的程序在實驗臺上驗證原理和定律。這類實驗與產業最新技術聯系不多，內容枯燥乏味，難以激發學生的學習興趣和創造欲望，影響了學生對課程內容的理解及解決實際問題能力的培養。

(3) 實驗課時偏少。傳統的課程教學體系往往對實驗課時有明確規定，課程實驗時間有限，要培養出具有一定動手能力的學生，難以在有限的實驗課時內實現。加上近幾年招生規模的擴大，校內各種教學資源的建設也跟不上。大多數實驗是2人一組，甚至是4人一組，學生不能對每一個實驗環節都親自動手去完成，學生動手能力的培養受到一定限制。

(4) 實驗模塊孤立。傳統實驗主要根據章節內容安排實驗，以孤立的單元性操作實驗為主，綜合設計性實驗和創新性發揮的實驗少。對于專業綜合課程設計、畢業設計以及學生自主性大學生創新競賽活動，由于時間不固定或需要用特定實驗設備，在缺少實驗室管理人員的情況下，實驗很難進行。這樣的實驗設置不利于學生思維能力、獨立能力和創新能力的培養。因此，擴大實驗室開放的力度并完善實驗室管理準則勢在必行。

2 開放實驗室建設的措施與建議

開放實驗室是工科專業實驗教學的一種新的運行模式，對其進行建設的舉措和建議如下。

2.1 搭建網絡化信息管理系統

信息化和網絡化技術的迅速發展及普及，為傳統的實驗室管理模式向開放的實驗室管理提供了契機，通過實驗室網絡化信息管理系統解決教師與學生、學生與實驗項目之間的溝通瓶頸具有顯著的現實意義[13-16]。一方面，根據實際需求合理地安排實驗室開放時間和實驗室資源，提高資源的利用率；另一方面提高管理人員的工作效率，保證開放實驗室的安全有序運行。實驗室信息管理系統的運行采取“學生預約，老師審核”的原則，使用人員包括實驗室管理員，指導教師和學生。其權限分配規則為：①管理員具有最高的權限，主要負責對整個實驗室活動的設備協調和管理，可以對指導教師和學生用戶分配權限、增加或刪除用戶、發布公告、對后臺系統數據進行維護。②指導教師主要負責對實驗項目的管理，包括實驗設置、實驗安排、預約批復、學生考核管理、學生考勤、實驗情況查看等。③學生通過賬號登錄到系統，查詢實驗項目開放的相關信息，并進行實驗預約。在預約被批準前，可以對預約信息進行修改。如果預約成功而后續實驗缺勤，將會被計入個人誠信系統。

管理系統工作如圖1所示，實驗管理員根據實驗室活動安排，制定相關實驗計劃，協調其他實驗室設備。開放實驗室指導教師根據實驗設備安排實驗項目，并通過網絡發布。學生根據自身情況查看實驗進行提前預約，由實驗教師批復后在規定時間進行實驗。實驗進行前需要通過校園卡進行考勤，分配實驗臺后進行實驗。學生實驗后需要提交實驗記錄由實驗教師進行管理。

圖1 實驗室信息管理系統運行原理

2.2 引導學生參與實踐活動

開放實驗室作為產學研結合的重要基地，其開放的模式遵循“學生為主體、教師做引導”的實驗教學理念，為學生營造良好的實踐環境。

(1) 強化創新學分為抓手。設立創新學分與引導學生參與開放實驗室的實踐活動相互支撐，是高校實施創新教育、培養高素質人才的舉措之一。目前，濰坊學院的多個工科專業已經將自主創新學習納入人才培養方案，并科學地建立實踐學分認定標準。對于學生參加課外創新實踐活動并獲得科技成果者，按規定獲得創新學分，成果形式包括學生利用開放的實驗室資源開展各類科技開發、第二課堂活動、綜合性實踐項目、申請專利、發表學術論文、參加社會實踐等。這種讓學生帶著問題開展實驗實踐活動，促進了大學生創新能力的培養，實現了開放實驗室和創新學分改革的有機結合，在校園內營造了良好的創新學習氛圍。

(2) 組織開展大學生學科競賽活動。大學生學科競賽是培養學生動手能力和創新意識的有效途徑，是課內外實踐教育相互融合的重要環節。開放實驗室為學生參與大學生競賽提供了良好的環境和平臺，通過參與各類競賽，學生的綜合運用知識的能力大幅提高，一批優秀人才脫穎而出。學院除了參加每年國家或山東省舉辦的電子設計大賽、數學建模、機器人比賽、挑戰杯、軟件設計大賽等。還與著名公司合作舉辦帶有學院專業特色的大賽，例如與飛思卡爾、臺灣凌陽、新大陸集團、青島英谷教育等企業聯合組織的單片機大賽、嵌入式系統設計競賽、物聯網應用技術大賽等。2016年以來，濰坊學院學生參加學科競賽榮獲國際大獎2項，獲國家級一等獎30項、國家級二等獎46項、國家級三等獎54項，獲省級一等獎82項、省級二等獎95項、省級三等獎128項。打破2017世界大學生超級計算機競賽總決賽國際超算競賽世界紀錄，獲得最高計算性能獎。獲得競賽獎項的學生除了能夠提升自身的專業技能，還為升學或就業增加籌碼，這條途徑與極大地調動了學生參與實驗室開放的熱情。

(3) 鼓勵學生積極參與科研項目。工科類專業的高校教師具備一定的科研能力和學術水平，能夠組織開展課題研究。對于有科研潛力的學生，教師在開展的課題研究的過程中，積極吸引學生參與，踐行“科研導師制”。指導老師根據科研項目情況從自己承擔的科研項目中選出適當的子課題，提出實驗要求，由實驗室定期發布開放研究題目。對項目內容感興趣且有思路的學生將會與老師聯系，在導師的指導下搜集資料、設計方案并進行實驗。在此過程中，導師負責該實驗耗材的費用，傳授科技資料的整理、實驗方案設計及科技論文的寫作等知識，讓學生親歷科研活動，激發學生的創新精神，同時也減輕了指導老師的負擔。學院季濤博士的科研團隊在開展“高校能源監管平臺”項目的過程中，吸引多名學生參與，將課堂中學習的PLC技術、工控組態、現場總線技術在項目中得到了應用，為走向工作崗位積累了寶貴的經驗。

(4) 建立校企合作實驗室。目前，許多高校特別是地方高校都成立校企合作專業，并且相關專業技術代表著當前新興產業的發展方向。若高校與企業聯合共建開放實驗室，既可發揮高校學科專業優勢，又能利用企業市場優勢與資金優勢。實驗室實施開放性教學，學生將提前了解企業的業務范圍，并以職業人的身份在企業的實際工作崗位上得到培訓和專業訓練，提升了大學生的走向工作崗位的競爭力。學院與青島英谷教育有限公司就自動化(車聯網)方向開展校企合作，且籌建車聯網實驗室，學生可直接利用企業開發的設備進行科技制作，為后期介入該行業奠定了基礎。

2.3 完善實驗室管理政策和制度

對于開放實驗室的管理和運行除了常規的制度、配備專門的管理人員和兼職指導教師之外，還有一些積極措施起到錦上添花的效果。

(1) 采用繼承與創新相結合的多層次管理模式。對于開放性實驗室，由于學生更換較快，難以實現由指導教師帶領每一批學生由技術入門到精通。實驗室的運行應確定以“學生為主，教師為輔”的思路，自身形成長期的自我管理模式。在運行初期，由專職教師值班指導學生的實驗、傳授科研研究的基本思路，充分發揮其引領和帶動作用。當開放實驗室連續運行到一定程度后，則可以培養一批具有較強實踐動手與創新能力的學生。該批學生將承擔部分導師的責任，以老帶新，協助剛進入實驗室的學生盡快熟悉實驗設備和實踐流程，相互之間對遇到的小問題可隨時協助解決，最終形成連續可以繼承的科研模式，從而將開放實驗室的運行進入學生自主管理的良性循環。

(2) 設立開放實驗室專項基金。開放實驗室的運行必然會導致低值儀器設備損耗和耗材的增加，如電子類實驗需要電子元器件消耗，而化工類實驗需要大量藥品消耗。因此，為保證開放式實驗室的長期開放和實驗項目的順利開展，設立開放式實驗室專項基金至關重要。有了專項基金的保障,教師可結合實驗室現有條件,設置一些課外實驗項目,如代表學術發展前沿的、先進的、綜合性或設計性的實驗項目等,通過自由選課、預約開放等形式,吸引有興趣或特長的學生進入實驗室學習。同時，可以以項目申報的形式獲得一定的實驗經費支持。項目申報的內容可以是指導教師提供的一些綜合性和創新性的實驗項目，也可以是學生自擬的科技開發、科技發明與制作、設備改造等課題。對于學生自主申報課題，需要學生獨立提出技術方案和實驗規劃，統一經實驗室組織審定資助適量的經費，并根據研究的情況進行評審結題。例如，地方院校為調動學生在科研創新活動中的自自主參與性，綜合自身實踐情況，設立了大學生科技訓練計劃(SRTP)實踐活動專項資金，根據項目的不同給予2 000元左右的支持，并制定了基金使用和項目結題相關規定。為學生開放性實驗項目的實踐提供了有力的物質支持，有利于促進創新創造性人才的培養。

(3) 制定合理有效的激勵措施。實驗室的開放必然會導致實驗教師工作量增加，僅憑他們的奉獻精神與責任感來維持正常持續運轉并不現實，這需要從責、權、利的政策上通盤規劃。科學的政策是開放實驗室良性循環的動力，既激發指導教師和實驗室管理人員的工作熱情，更能激發學生的創造熱情，增強師生的歸屬感和自豪感，使這項工作可持續開展，培養更多具有創新能力的高級人才。為此,學院對實驗崗位的聘用采用專兼職結合和公開招聘的方式，吸引專業技術人員進入開放實驗室。對于參與實驗室開放的教師，實行坐班政策，確定工作量補貼和薪酬發放，從政策上保證實驗人員的工作積極性。對一些實驗任務多、實驗項目簡單且實驗技術人員缺乏的實驗室，聘請優秀高年級學生從事實驗室管理、入門輔導和值班的任務，既能解決因實驗項目開放帶來的管理人員不足，又可鍛煉學生的管理能力，既為家庭困難的學生提供幫助，又可相對減少人員經費的支出。此外，對教師指導學生科技課題、學科競賽等項目學校優先支持，對于取得科研成果的學生，針對其成果的層次分別進行表彰獎勵。12年來,信息與控制工程學院的創新實驗室為國家培養了一批批具有創新意識和創新能力的人才。

3 結 語

加強開放實驗室建設，是學生實踐能力和創新能力的培養有效途徑，也是實驗教學改革的重要課題。幾年來,濰坊學院作為地方性的普通高校,遵循應用型人才培養的辦學思路,充分發揮開放實驗室的作用，從設立大學生科技創新基金、開展SRTP大學生科技訓練、設立創新學分、組織參加大學生科技競賽等方法，既注重培養學生的“工匠精神”，更著力培養創新精神和創造能力，學生實踐創新能力成績顯著。總之，實驗室開放模式的創新和改革，不但充分調動學生進行實踐創新的主動性，而且可以減輕實驗室管理人員的工作強度，為培養高素質工科人才探索出一條新的途徑。