新工科人才培養(yǎng)中基礎實驗教學改革的探索

王文東　袁小慶　史儀凱　趙妮

[摘 要]該研究針對新工科建設存在的問題，提出了加強創(chuàng)新能力培養(yǎng)、融合多學科實現(xiàn)新工科建設多元化、加快工程教育國際化建設、融合“雙創(chuàng)”提高新工科人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力等新舉措，探索新工科教學模式改革途徑。在此基礎上，重點研究了新工科背景下基礎實驗教學模式的改革方案，具體包括加強創(chuàng)新和綜合型實驗建設適應新工科內涵建設、融合科研競賽和“雙創(chuàng)”設計創(chuàng)新實驗、構建網絡化實驗平臺和仿真實驗室、深度開放實驗室和構建開放式實驗課堂等措施，并提出了綜合創(chuàng)新實驗體系建設的實施方式。

[關鍵詞]新工科;教學模式改革;基礎實驗

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）07-0030-04

“新工科”的概念首次提出是在2016年，教育部組織高校開展深入研討，逐步形成了標志著高等工程教育進入新工科建設階段的文件，比如 “復旦共識”、“天大行動”和“北京指南”。新工科的界定逐漸清晰，不僅要根據經濟和社會發(fā)展需求設置新的專業(yè)，還對傳統(tǒng)專業(yè)進行調整。新工科的內涵具體而言就是以新經濟、新產業(yè)為背景，樹立大工程觀、綠色工程教育、全面工程教育“新理念”，構建新興工科和傳統(tǒng)工科相結合的學科專業(yè)“新結構”，探索實施工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新質量”，建立完善中國特色工程教育的“新體系”[1]。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才，具有戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)化、開放式的特征。新工科建設將按階段推進，需要重點把握教與學、實踐與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、本土化與國際化三個任務，關鍵在于實現(xiàn)立法保障、擴大辦學自主權、改革教育評價體系三個突破[2]。

人才培養(yǎng)是高校發(fā)展的核心目標，創(chuàng)業(yè)能力是新產業(yè)發(fā)展的必備能力，創(chuàng)新能力是產業(yè)和經濟發(fā)展的源泉，是產業(yè)必須具備的核心競爭力[3]。創(chuàng)新教育是一個國家進步發(fā)展的不竭動力，是以培養(yǎng)人的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力為基本價值取向的教育[4]。未來市場競爭激烈，技術更新周期短，產業(yè)發(fā)展模式多樣化，這對復合型工程人才提出了更高要求，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力尤為重要。因此，新工科建設要把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)植入培養(yǎng)方案[5]。實驗室是高等學校培養(yǎng)學生實踐操作能力的重要基地，同樣也是培養(yǎng)學生綜合創(chuàng)新能力的重要場所;開放型實驗室為學生提供必要的儀器儀表設備、場地、指導等軟硬件條件，是開展新工科教育改革的重要內容，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才和實施素質教育的客觀要求。探索基礎實驗教學改革途徑，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，成為新工科背景下教學中的重要問題。

一、新工科改革面臨的問題

新常態(tài)下經濟的快速發(fā)展迫切需要新工科人才支撐，需要高校面向未來布局新工科建設，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程科技人才。但目前我國工程人才培養(yǎng)還不能很好地適應《中國制造2025》提出的新要求。國家需要建立和完善創(chuàng)新驅動戰(zhàn)略背景下的新工科人才標準體系，建立完善的新工科教學質量國家標準，使高校的人才培養(yǎng)定位更加明確，增強人才培養(yǎng)對行業(yè)企業(yè)人才需求的適應性。目前面臨的主要問題可從以下四個方面進行論述[6]。

其一，缺乏頂層的政策引導和設計。新工科人才供給側結構改革、精準對接重點領域人才需求，需要政策的引導和規(guī)劃設計。在政府決策層面，需要制定一系列政策鼓勵具備工程教育背景的人才或者產業(yè)界人才投入工程教育領域。

其二，當前的工程教育體制不夠完善。工程教育的理念落實不足，跨學科交叉融合和跨領域創(chuàng)新人才培養(yǎng)機制不夠完善，導致人才培養(yǎng)的結構和質量不能完全滿足產業(yè)發(fā)展的需求。

其三，產學研結合力度有待加強。因校企合作育人機制不同，科教融合力度不足，導致在協(xié)作育人過程中信息不夠融通，資源無法真正共享，因而難以實現(xiàn)真正意義的協(xié)同發(fā)展目標，企業(yè)、研究機構與高校之間共同創(chuàng)新、協(xié)同育人的生態(tài)系統(tǒng)尚未有效形成。高校對產業(yè)發(fā)展和重大變化的敏感度不夠，不能及時有效地判斷產業(yè)發(fā)展需求，因此培養(yǎng)目標調整不及時。

其四，學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)業(yè)能力有待提高。現(xiàn)階段的工程教育普遍缺乏通識和人文教育，人才培養(yǎng)體系有待進一步完善，需要加強學生創(chuàng)新思維教育，使學生掌握主動、快速適應未來發(fā)展變化的能力。在學科發(fā)展與改革政策制定過程中，應注重產業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展與創(chuàng)新需求相結合，強調人才培養(yǎng)的需求與意義。

二、新工科建設的教學模式改革途徑

中國擁有世界上最大規(guī)模的工程教育，2016年，工科本科在校生538萬人，畢業(yè)生123萬人，專業(yè)布點17037個。工科在校生占高等教育在校生總數(shù)的1/3，我國4200多萬人的工程科技人才隊伍是開創(chuàng)未來的最寶貴資源[7]。

（一）加強人才培養(yǎng)目標中的創(chuàng)新能力培養(yǎng)

新工科背景下的人才培養(yǎng)目標必須與當前經濟發(fā)展需求和工程教育自身發(fā)展特征相結合，創(chuàng)新能力培養(yǎng)是新工科人才培養(yǎng)的核心內容。人才培養(yǎng)過程中必須尊重培養(yǎng)對象自己的思考和選擇，制定有針對性的研究目標，界定研究問題，對研究目標進行分析研討，提出細節(jié)性問題，有針對性地研究問題。在培養(yǎng)過程中，必須提高學生主動表達和展示創(chuàng)新想法的意識，加強溝通交流，并且積極鼓勵其不斷改進完善創(chuàng)新想法。在鼓勵思想方面的創(chuàng)造的同時，需要明確知識的價值，而且是多領域知識的交叉融合。

（二）實現(xiàn)新工科建設的學科交叉融合

學科交叉一般是結合兩個或多個學科的優(yōu)勢，共同解決共同關注的問題，有助于探尋、創(chuàng)建新知識，建設新工科人才培養(yǎng)方案必須主動尋求多學科交叉融合。它將不同學科的工具資源、知識理論和數(shù)據方法等相結合，逐漸形成對復雜問題的統(tǒng)一觀點。在多元融合、多領域融通的新經濟需求背景下，激勵新工科創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，不僅需要多工程領域學科之間的交叉融合，還需要工科與理科、人文社會學科之間的跨界交叉與融通。學科融合是新工科的基本特點，它不僅有助于新工科人才培養(yǎng)，也有助于新工科背景下的師生創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)實踐。

（三）工程教育國際化吸收和整合優(yōu)質國際資源

現(xiàn)在各高校國際交流生的數(shù)量與日俱增，實驗課可以結合研修計劃、國際化目標及國際認證，將國際前沿科技融入實驗內容當中，培養(yǎng)更多具有國際競爭力的復合型人才。在工程教育領域，具有國際化視野的高層次人才，可以緊密圍繞全球工程發(fā)展趨勢并抓住發(fā)展機遇。“一帶一路”國際環(huán)境下的發(fā)展戰(zhàn)略，要求新工科建設要服務于國際化新型工程人才培養(yǎng)目標，使國內的工程教育融入國際工程教育環(huán)境中。高校的培養(yǎng)方案應該提供跨學科、跨國界、跨文化的課程，營造多樣化的文化氛圍，促進多元化協(xié)調發(fā)展。

（四）融合“雙創(chuàng)”提高新工科人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

新工科背景下，“雙創(chuàng)”融合需要滿足國家新經濟與新產業(yè)發(fā)展體系對廣大師生群體的創(chuàng)新活動與創(chuàng)業(yè)實踐融合的要求。改革后的工程教育培養(yǎng)方案必須考慮將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程、通識課程與專業(yè)課程相結合，開展創(chuàng)新性思維訓練與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力培養(yǎng)。通過“雙創(chuàng)”融合，教師可以提高科技創(chuàng)新成果的經濟與社會價值，所獲得的創(chuàng)業(yè)能力與經驗，可以指導學生的科技創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)實踐。學生是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的潛在生力軍，思想活躍，創(chuàng)造力強，敢于實踐與探索，也是未來產業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主體。無論學生階段的創(chuàng)業(yè)實踐能否成功，都可以為其將來積累寶貴經驗。

三、新工科背景下基礎實驗教學改革方案

實驗室是高等學校開展素質教育、培養(yǎng)學生綜合創(chuàng)新與實踐能力的重要基地，實驗教學是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和實踐能力的重要環(huán)節(jié)，以新工科為教育主線創(chuàng)新實驗教學，才能適應新時代人才培養(yǎng)的需要[8]。其關鍵點在于建設綜合創(chuàng)新實驗室[9]，包括綜合實驗開發(fā)、學生自擬實驗題目和開放性實驗三個部分，面向的選課對象為校內全部理工科專業(yè)學生。結合仿真實驗平臺促進綜合創(chuàng)新實驗室建設，增加了學生設計和思考的內容。鼓勵選擇綜合創(chuàng)新實驗的學生自由組隊參加相關的科技競賽。為達到理想的競賽效果，必須要求組隊成員來自不同專業(yè)，各自發(fā)揮專業(yè)所長，共同完成競賽作品。科技競賽成果可以用于更新綜合實驗內容，同時也可以補充開放實驗內容，以實現(xiàn)綜合創(chuàng)新實驗的目標。在學科融合的基礎上，鼓勵科技競賽的優(yōu)秀作品參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，通過創(chuàng)新意識培養(yǎng)、專業(yè)實踐，提高學生的綜合能力和創(chuàng)新能力，實現(xiàn)學生為主體的綜合創(chuàng)新實驗最終目標。

新工科背景下的基礎實驗教學改革基于上述方案，具體開展以下四個方面的建設。

（一）精心設計與優(yōu)化實驗方案，以適應新工科內涵建設

提高實驗課占比，在輔助理論教學的基礎上提升實驗課的效果，發(fā)揮其培養(yǎng)學生動手實踐能力的作用。課時較多的實驗內容可選擇獨立設課，同時在原有基礎上補充創(chuàng)新型和綜合設計型實驗內容，編制新的實驗大綱和指導書，將創(chuàng)新型和綜合設計型實驗的比重提高到30%以上，以促進研究型大學建設、新工科建設及“雙一流”建設。精心設計實驗內容是新工科背景下創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的基本要求，也是提高實驗教學效果的基本前提。目前應用比較多的是基于項目或者問題的實驗內容設計方法，其指導思想為可行性、趣味性、實用性和開放性，注重在內涵、理念上研究創(chuàng)新，讓學生在實驗中體會學有所用。

（二）融合科研、競賽和“雙創(chuàng)”設計創(chuàng)新實驗

隨著“大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)”口號的提出，國內外各種科技創(chuàng)新競賽大大激發(fā)了大學生從事科技創(chuàng)新項目的積極性。可以在創(chuàng)新實驗的過程中發(fā)現(xiàn)儀器設備的不足和缺陷，對其進行改造升級，完善創(chuàng)新實驗室建設。實踐證明，學生通過學科競賽、科研項目等活動可以有效地培育創(chuàng)新意識。在科技競賽的基礎上，鼓勵學生走入實驗室并加入科研團隊，直接參與指導教師的研究課題，除了要求學生提出自己的方案之外還要開展有關的論證報告。對方案設計可行的學生提供經費支持或者相關的立項資助，可以極大地增加學生的興趣和信心。

（三）構建網絡化實驗平臺和仿真實驗室

在實驗中心建立專業(yè)的教學網站平臺，根據全校實驗室大數(shù)據，建立教學云平臺和公眾號，在網站上發(fā)布信息，學生可以通過電腦或手機快速接收信息、預約實驗，可以簡化流程節(jié)約時間。傳統(tǒng)的以實物為基礎的實驗方法，因設備有限、場地限制等多方面原因，不一定能滿足所有學生的實驗要求，而且綜合創(chuàng)新型實驗直接以實物開展會增加風險和失敗率。因此，根據不同學科特點構建仿真實驗平臺可以有效解決這一問題。仿真實驗室有諸多優(yōu)點，比如技術科學、應用經濟、操作安全、節(jié)省時間和場地資源、促進開放共享等。仿真實驗室在一定程度上解決了由于儀器設備不足導致的困擾，不僅學校可以節(jié)約經費投入，而且學生無需擔心儀器設備的損壞，降低了一定的實驗風險。仿真實驗對實驗指導的要求相對較少，甚至可以不受實驗課程地點的限制，這就可以有效地節(jié)約實驗室資源和豐富實驗教學形式。

（四）深度開放實驗室和構建開放式實驗課堂

開放實驗室主要是為學生提供不受時間限制的實驗場所和儀器設備資源，充分利用學校公共資源來鍛煉學生的動手能力和創(chuàng)新意識。因為諸多因素，開放實驗室在很多高校里并未獲得預期的效果。為改變開放實驗室效果不佳的現(xiàn)狀，必須深度開放實驗室，具體措施包括時間與空間開放、教學內容開放、教學方式開放。專業(yè)教師將最新研究成果引入實驗教學課堂，甚至帶領學生親自去體驗實驗室成果，這不僅是一種建設開放式實驗課堂的有效途徑，而且可以優(yōu)化教學內容、提升教學水平，為學生提供多樣化的開放型實驗室。

四、綜合創(chuàng)新實驗體系建設

（一）創(chuàng)新實驗項目知識的綜合性

綜合創(chuàng)新設計型實驗要求綜合應用本門課程的多個知識點，甚至需要其他課程或專業(yè)知識配合才能完成實驗，其目的是培養(yǎng)學生自主學習、設計分析和應用創(chuàng)新的能力。因此，為了提高學生的創(chuàng)新能力，綜合創(chuàng)新型實驗內容不能局限于本課程的基本理論知識，解決方法應該是涉及多學科交叉融合的知識與技能，完成方式鼓勵多學科交叉組隊，這樣有助于學生得到全方面鍛煉，進而提高學生解決實際問題的能力。

（二）綜合創(chuàng)新實驗實施辦法的多樣性

不同于傳統(tǒng)實驗項目，綜合創(chuàng)新實驗的主體是學生，指導教師輔助指導，教師出題與學生自選題目相結合。綜合采用啟發(fā)式、討論式、開放式與混合式的教學方法，使實驗教學活動真正建立在學生自主選擇、主動探索的基礎上，通過查閱資料、討論思考、親身體驗、咨詢探究等方式獲得本實驗的最優(yōu)方案。因此，綜合創(chuàng)新實驗實施辦法是多樣性的。

（三）創(chuàng)新性實驗的管理和考核

從人力資源開發(fā)和管理的角度，建議采用雙向考核，評價與激勵共存的管理模式。雙向考核即指導教師考核課堂學生，監(jiān)督學生實驗效果;課堂上學生同樣考核任課教師，激勵教師通過不斷改進教學方式來提高教學水平。對教師的激勵在于充分調動教師投入新工科專業(yè)建設的積極性和主動性。對教師的考核與評價需要注意以下內容：一是考核評價標準應該與新工科專業(yè)建設的總體目標和階段任務相符。二是應該將考核評價與績效管理相結合，及時反饋評價結果并分析原因、解決問題。對學生的考核與評價可以采取教師評價、學生自我評價、學生互評、結題報告相結合的辦法，按照一定的比例確定最終成績，改變單憑實驗報告定成績的現(xiàn)狀。

針對實驗室的管理建議采取以下措施：為了落實實驗室深度開放政策，對通過認證的學生應該放寬進出實驗室的時間，可以不受指導教師的時間限制。開放實驗室必須落實監(jiān)督和管理實驗室資源的舉措，比如監(jiān)控系統(tǒng)，學生申領物品的規(guī)章制度等。實施師生共管共治，指定時間與區(qū)域負責人，發(fā)揮組長的帶頭作用，同時聘請研究生助教協(xié)助管理與解決現(xiàn)場問題。

五、結論

目前，新工科改革面臨的主要問題有政策方面的頂層設計和引導作用不足，新時期工程教育體制不夠完善，產學研結合未達預期效果，學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力不足等。本文從人才培養(yǎng)目標中的創(chuàng)新能力培養(yǎng)、學科交叉融合、工程教育國際化建設和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力提高等方面分析了改革途徑。

基于實驗室在大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中的重要作用，結合綜合創(chuàng)新實驗室體系建設分析新工科背景下基礎實驗教學模式改革方案，提出的新舉措主要有：通過精心設計與優(yōu)化實驗方案，加強創(chuàng)新和綜合型實驗建設;鼓勵學生參加競賽和科研團隊以及開展“雙創(chuàng)”活動，豐富創(chuàng)新實驗內容;構建網絡化實驗平臺和仿真實驗室，增加實驗形式的多樣性;深度開放實驗室和構建開放式實驗課堂，為綜合創(chuàng)新實驗室建設提供保障等。

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[責任編輯：龐丹丹]