基于星策略的實驗教學資源重構研究

馮林霞 劉玲

摘 ?要 針對國內高校教育中存在的“實驗課程均憑借于理論課程”“各專業實驗資源建設完全獨立”等導致學生實踐能力較弱、創新能力不足的問題，對高校實驗課程體系和實驗資源建設現狀進行研究，在星策略理論的指導下，提出基于星策略的實驗教學資源重構三層模型：以星策略和知識管理理論為基礎，各實驗星和實驗基礎知識通過星系重構形成專業實驗;專業實驗之間進行跨學科主題發現，構建專業拓展實驗項目;通過實驗形式重構，形成開放創新實驗。通過三層次構建策略，形成完整的實踐體系。

關鍵詞 星策略;實驗教學資源;實驗星;專業實驗;專業拓展實驗;開放創新實驗

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）18-0040-05

Research on Reconstruction of Experimental Teaching Re-sources based on Star Strategy//FENG Linxia， LIU Ling

Abstract In view of the problems of “experimental courses relying on theoretical courses” and “completely independent experimental resources construction” in domestic colleges and universities， the students practical ability is weak and the ability of innovation is

insufficient. The current experimental course system and experimen-

tal resources construction in colleges and universities Based on the

theory of star strategy， this paper proposes a three-layer model of

experimental teaching resource reconstruction based on star strategy：

based on star strategy and knowledge management theory， each ex-

perimental star and experimental basic knowledge form a professio-nal through galaxy reconstruction. Experiments， interdisciplinary topic discovery between professional experiments， construction of

professional expansion experimental projects， reconstruction through

experimental forms， formation of open innovation experiments. Through a three-level construction strategy， a complete practice sys-tem is formed.

Key words star strategy; experimental teaching resource; experimen-

tal star; professional experiments; professional expansion experimen-

tal; open innovation experiments

1 前言

作為未來社會發展人才，高等學校學生在培養中不單要求有踏實的理論根基，還要有較強的科研和創新能力。而實踐能力和科研能力的培養更多地依賴于實踐性教學環節，包括實驗課程、課外活動和社會實踐，其中實驗課程比例居多，且和理論課程聯系更為緊密。目前，高校實驗實踐課程建設存在下面一些問題。

1）各實驗課程均依附于理論課程而設，每門實驗課程追求其體系的完整性、全面性和系統性，導致實驗內容的交叉和漏缺，且彼此之間是孤立和分散的[1]。

2）設計性實驗較少，導致實驗項目常常脫離生產生活實踐[2]。

3）實驗相關數據不完備，實驗學習結果僅包括單一的成績和實驗報告，缺乏對學生試驗前準備、過程的記錄。

4）實驗課程體系設置模式單一，科學素養培養不足。

5）實驗教學手段和方法陳舊，目前雖然很多高校已進行開放式實驗，但還有很多高校仍然要求學生按規定的時間、地點進行實驗，束縛了學生的學習行為和學習方式。

6）實驗室安全教育缺乏。國內985學校率先進行實驗室環保教育，本科一年級學生考核合格后才可以進入實驗室[3]，但大多數高校還沒有實行這一舉措。

綜上，實驗教學資源重構勢在必行。

2 星策略

在廣闊的銀河系中存在許許多多的小星系，包括恒星、行星、衛星等。恒星是一個星系的中心，行星較恒星次一等級，衛星較行星再次一等級。此外，還有運行在星際空間的流星體（通常包括宇宙塵埃和固體塊等空間物質）。這許許多多的星系組成星系結構。趙輝[4]在《基于星策略體系的移動教學平臺設計》一文中，根據實際的星系結構構建了教學內容中的星系結構，且提出星策略的思想：原來的知識組織形式是嚴格的章節順序，現在的形式是星型拓撲結構，每個知識都有自己的廣度延伸和深度拓展，將其進行嵌套和遞歸的不斷組織，形成知識星系。依據體系中節點的關聯強弱和粒度大小等特性，將其分為知識恒星、知識行星、知識衛星和知識流星，其中，不可再分的最小知識點稱為知識星。知識星策略的思想如圖1所示。

恒星是指教科書中的主干類知識，如概念類知識、方法類知識，通常包含的知識大而廣，體積比較大;行星是圍繞在恒星知識周圍的知識，屬于輔助類知識，如概念的具體練習、實驗等，體積相對適中;衛星是圍繞在行星知識周圍的知識，屬于延伸類知識，如概念的引申、同類變式、實驗探究等，體積較小;流星知識是指一些無法與其他類知識聚合在一起的知識，屬于零散類知識，如學生學習經驗、學習方法分享等。

本研究將采用星策略對實驗內容進行拆分與重構[5]。拆分是在原先的根據理論課程設置對應的實驗課程的基礎上，將其所有的實驗內容打散，拆分成不可再分的知識點，即實驗星。實驗星應該包括目的、儀器的使用規則和使用方法、原理、相關注意事項、相關步驟、實驗的內容、實驗過程中的數據記錄、報告內容等。實驗星的特征如下：

1）原子性，即不可分割性;

2）自描述性[6];

3）擴展性，即實驗星是可擴展的，和其他實驗星有著不同程度的深度關聯和廣度關聯[7]。

重構是指從整個學科或專業角度出發，為滿足學生就業需求或者后續開展科研的需求，重構整個實驗課程體系。在重構中，以能力要求為導向去構建一個個主題單元，即實驗星系。根據能力導向和實驗星之間關聯的復雜程度，建立四個類型的實驗星系，分別為認識性實驗、驗證性實驗、操作性實驗和設計性實驗。

3 實驗教學資源重構原則

學科系統性 ?要求實驗課程體系的設計要從全局出發，要站在整個學科或者專業的高度上來看。在傳統的實驗課程中，各門實驗課程都直接依附于某門課程，由于實驗內容設計的專門性知識較少，教師講解以書本上的知識為主，其設計的實驗內容較為偏離實際應用問題，學生對于所學理論知識在實踐中的應用走向不夠了解，導致學生畢業后應聘某些專門領域的應用崗位時能力不足。學生站在一級學科的角度上進行學習，可以理解各二級學科、學科各課程之間本質上的聯系和內在規律，從而綜合運用知識來解決問題。

學科交叉性 ?隨著現代科技和互聯網的飛速發展，科學之間相互結合向綜合性發展，經過不斷地交叉、融合、滲透，形成很多新的交叉邊緣學科。學科交叉有多種交叉方式。此外，創客的如火如荼發展和各界學者對STEAM教育的不斷深入研究，也讓人看到了跨學科知識融合對于教育發展的巨大作用。因此，各學科教師在建設實驗課程體系時，應該遵循學科交叉的原則，讓學生在綜合知識環境下進行學習。

可擴展性 ?一方面指被打散的實驗內容是可擴展的，可以支持很多新的實驗內容的接入，作為新實驗探究的一部分;另一方面是指實驗重構必須在實驗邏輯上進行劃分。當然，這需要課程教師和實驗教師對于本領域的不斷地深入了解和細致分析。

社會需求導向 ?當前用人單位在選人時最能直接體現學生能力的就是學生的職業技能，因此，實驗課程體系的設計應該遵循社會需求導向的原則，拓寬畢業生的就業渠道。根據職業技能來設計課程體系是其中一個發展方向，此外還要體現時代性、前沿性。

基礎技能和創新發展相結合 ?在基礎教學中，要牢牢掌握各種基礎內容，不斷夯實基礎。此外，實驗本身就是一項創新活動，因為實驗讓學生通過自己的實踐，選取合適的實驗器材和實驗方法，并運用所學的理論知識去認識、去驗證，甚至去設計，實驗與創新密不可分。因此，實驗課程體系中要設計更多的研究性實驗項目。

4 基于星策略的三層次實驗教學資源重構模型

基于星策略的三層次實驗教學資源重構模型 ?由于各門學科課程內容千差萬別，實驗教學資源的重構需要各學科專家和教師對教學內容的深度理解、校方資源配置、教師團隊建設等。本研究不去建立某學科具體實驗資源體系，而是尋找各科實驗課程教學共性，建立實驗教學資源重構模型。該模型定位學生培養目標，遵循體系設計原則，從學科/專業角度重新整合和設計實驗教學內容，注重學生實驗過程、認知結構、學習遷移等過程和能力的培養。

本研究從學科體系視角出發[8]，通過文獻綜述和案例分析，對當前高校本科實驗課程體系進行分析，同時發揮星策略在實驗資源重構中的作用，充分利用實驗星體系更符合學生認知需求、利于思維發散、揭示知識間本質聯系和規律等優點，提出基于星策略的三層次實驗教學資源重構模型。該模型包括能力導向、實驗層次和學生中心三個模塊。其中實驗層次是模塊的核心部分，根據不同能力導向需求劃分為三層次，分別是專業實驗、專業拓展實驗、開放創新實驗。具體模型如圖2所示。

模型的最底層是實驗基礎知識、各種類型和內容的實驗星，是模型的先行知識部分。實驗基礎知識方便學生能夠系統地掌握該學科實驗方法和技術的共性，包含基本常識和實驗室安全知識、基本操作、儀器和方法、數據處理（內容預習、過程記錄和結果數據）、實驗設計（主要指統計學中的實驗設計體系，憑借實驗目的、相關的數據分析來選取實驗點，以致在每個實驗點上找到包含最大信息量的數據）、實驗課程相關教育資源（包括工具書、相關網絡實驗資源）。

專業實驗是指打破傳統的按照課程理論知識體系編排的方法，以培養學生扎實的實驗技能為目的，按二級學科分章的方式進行編排而成的實驗模塊，包括認識性實驗、驗證性實驗、操作性實驗、設計性實驗等四種類型。

專業拓展實驗以多專業交叉實驗項目（創新往往產生于學科、專業交叉之間）為核心，以培育跨專業運用知識的能力為目的，以多專業學生作為對象，根據各專業具體情況，為其補充適當的教學或實驗材料。該類實驗中，往往一個實驗項目包含一個學科多專業知識，甚至將多個學科知識有機聯系在一起，其知識面廣、多學科綜合性優勢及較深的專業知識和技術等優勢，使得學生能夠接受系統專業化的訓練，且這些內容與學生將來發展息息相關[9]。此外，教師鼓勵學生自己設計實驗方法，自己選擇實驗途徑和技術來達到實驗目的，一方面豐富教學內容，另一方面提高學生參與熱情，激發其創造性，提高實驗質量。

開放創新實驗是指由學校和企業合作研發，以提高學生創新能力和實際問題解決能力為目的，利用專業實驗相關技術改造實際生產生活的實驗。這類實驗與學生生活情景較為接近，學生興趣濃厚，能夠提高學生科學素養。

各種類型和內容的實驗星通過星系重構成為各種專業實驗，專業實驗通過跨專業主題發現構建成不同的專業拓展實驗主題或項目，在專業拓展實驗的基礎上進行實驗形式重構，即為開放創新實驗。該模型中，專業實驗就在本專業內展開，專業拓展實驗在學校范圍展開，創新實驗由學校單獨或校企合作展開。

學生中心，指不同的學生組合，包括同專業學生組合、相近專業學生組合、不同專業學生組合等三種組合形式。在進行實驗課題時，各個專業學生利用各自的專業背景，從各個角度或維度去分析同一個難點，相互之間進行交流，拓寬知識面。同時，各學生在指導其他非專業學生時進一步深化自己的專業能力。

各個層次資源重構策略

1）專業實驗。圖3所示為專業實驗構建策略圖。

①基礎層，定義了各實驗星、實驗星的含義。一個完整的實驗星包括六部分，分別是名稱、內容、特征詞、類型、來源和作者。類型是指該實驗星在一個課題中的位置，包含儀器的使用規則和使用方法、相關注意事項、相關步驟、過程中的數據記錄格式、實驗報告格式等。來源包括三個維度，分別是現有的實驗（即來自現有的哪個實驗，實驗類型是什么）、課程（隸屬專業和二級學科、一級學科）、文獻（不僅包含理工科類文獻，還包括文科類文獻）。作者是指上傳該實驗星的教師和學生姓名。

②關系層，規定了各實驗星之間的關聯。實驗星之間的關聯分為兩種情形：一種是根據知識繼承性和穩定性，分為相關性、隸屬性、同一性（同一性指兩個實驗星屬于同一層級的相近內容，屬平行關系;隸屬性是指父子關系;相關性指兩個實驗星含有多種關聯）;另一種是根據實驗星具體表現形式，分為主題關聯、實驗項目關聯、二級學科關聯、專業關聯和學科關聯，即將屬于同一表現形式范疇的進行聚合。

③業務模型層，構建了四種類型的實驗星系。一是認識性實驗庫由各種基礎類型的實驗星組成，是最核心的資源，同時也是不同層次實驗庫的最底層和必要基礎。二是驗證性實驗庫是對現有已經經過驗證的實驗現象或原理進行全面梳理，將其按照學科、應用領域、研究問題等不同的方式進行聚類，形成針對某一專業或學科比較完整的實驗資源體系。三是操作性實驗庫是對所有實驗基礎知識和基本技能進行梳理和整合，將其按照能力導向進行聚類，形成一種應用實驗基礎知識和根本技能去打理現實難題的系統。四是設計性實驗是最復雜的一類實驗星系，根據給定的實驗主題去設計實驗方法和步驟。該類實驗星可能是系統中沒有的，但是也和系統中一些實驗星存在一定程度的關聯。

④用戶任務層，能力導向，指根據學校實驗課程培養需求和企業用人需求來設計實驗需求，指導實驗星系設計。在企業用人需求中，按照“職業能力—工作任務—教學內容”的邏輯來設計實驗需求。

2）專業拓展類實驗項目/主題。專業實驗通過跨專業主題發現構建成不同的專業拓展實驗主題或項目，專業拓展類實驗以多專業、多學科交叉實驗項目或主題為核心，實驗類別一般為設計性實驗。那么，這些實驗項目或主題是如何被發現和設計的呢？對此，本研究采用主題相關分析法來進行跨專業/學科主題發現[10]。跨專業/學科主題發現是指從兩個有交叉學科的基礎學科和其交叉學科共三個學科中，選擇其共同主題和獨立主題，對其相似性進行具體分析，了解學科交叉中的主題關聯，作為跨學科設計實驗的依據。具體研究框架如圖4所示。

3）主題發現的具體步驟。

①學科及交叉學科選擇。某學科A（物理）根據研究需要，選擇與其已產生交叉學科C（物理化學）的另外一個學科B（化學），通常來說，交叉學科較多地產生于同一學科領域的多個二級學科之間。研究由跨專業教師團隊共同完成。

②共同主題、獨立主題抽取。對學科主題進行抽取，抽取學科A和學科B的共同主題，即A、B兩者共同存在于交叉學科C中的主題，記為c1，c2，…，cn，共同主題表示兩者的共通探究重點。學科C的獨立主題記為x1，x2，…，xn，學科A的獨立主題記為a1，a2，…，an，學科B的獨立主題記為b1，b2，…，bn。在此過程中，本研究抽取的是出現次數較多的主題詞，因為該類主題詞集合更能反映學科的研究內容。

③相似性計算、相關性矩陣。計算出兩個主題之間的相似程度，首先根據Jensen-Shannon散度計算學科A、B中獨立主題和C中共同主題的分布相似度;其次根據皮爾遜相關系數計算A中獨立主題和C中獨立主題的相似性，以及B中獨立主題和C中獨立主題的相似性，計算結果用相似矩陣來表示。

4）結果分析。提取獨立主題相關性矩陣中正相關且較大的值，因為值越大，說明對應的獨立主題的相關性越大。提取其對應的獨立主題ai、bi、ci進行聯合分析。

5）實驗設計。根據聯合分析的結果進行實驗項目或主題設計，完成專業拓展實驗的選題。

6）開放創新實驗。開放創新實驗以提高學生實際問題解決能力為目的，利用專業實驗相關技術改造實際生產生活。這類實驗與學生的現實生活情景較為接近，學生興趣濃厚，去探究這類問題能夠培養科學修養。本研究在對高校現有創新實驗形式研究的基礎上，根據對學生能力不同層次的培養需求，提出“金字塔式”開放創新實驗體系，分為科研實習、創客空間、大學生創新性實驗項目、各學科類科技競賽等四種實驗形式，體系結構如圖5所示。

5 結論和展望

本研究從現階段高校本科實驗課程體系存在的問題入手，在星策略、知識管理等理論的指導下，對各高校實驗課程體系現狀進行深入研究，提出基于星策略的三層次實驗教學資源重構模型，將星體系與實驗內容的融合、星系實驗內容重構模型、跨專業主題發現作為研究重點，指導各專業教師、學生進行實驗資源設計。研究從學科高度進行資源整合，理論上解決了目前實驗課程依賴理論課程、各學科之間彼此獨立等問題，但是實際效果如何有待考證。因此，本研究下一步方向為：

1）真正在學校中的實踐效果如何，需要進行實證研究以及不斷改進;

2）跨學科主題發現的相關技術、跨學科教師團隊組建策略等需要進行深化研究。

關于實驗教學資源重構的研究還存在很多可以提升的空間，希望通過本課題的研究，為之后進一步研究提供有益借鑒。

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