高中開放式創新實驗室的構建與實踐

摘要：構建開放式的創新實驗室是培養學生的創新素養與實踐能力的重要途徑。上海市上海中學構建的土木工程創新實驗室立足于工程領域拔尖創新人才的早期培育，為對土木工程領域感興趣的學生搭建了自主探究的空間，旨在培養學生的工程素養和實踐能力。學校基于該實驗室形成了體驗類課程、選修基礎類課程、STEM課程和專門課程，滿足了學生的不同發展需求。通過實驗室的構建，提升了學生課題研究的專業性和規范性，豐富了學校的課程體系，為對土木工程領域感興趣的學生提供了發展平臺。

關鍵詞：土木工程;創新;開放實驗室;校本課程

作者簡介：陳希，上海市上海中學一級教師，博士，主要從事STEM課程教學與土木工程課程教學研究。

《中國教育現代化2035》指出，“加強創新人才特別是拔尖創新人才的培養，加大應用型、復合型、技術技能型人才培養比重”。創新人才的培養是一項系統工程，需要著眼于人的各個發展階段。普通高中作為從中小學階段“基礎教育”走向大學階段“專業教育”的銜接點，是拔尖創新人才培育的重要環節，如果能夠為學生志趣的聚焦創設更多的開放性平臺，則有利于學生在高中階段學術志趣的聚焦和未來專業發展領域的選擇。創新實驗室作為學校一個重要的開放平臺，是利用現代技術加快推動人才培養模式改革的探索。本文以上海市上海中學（以下簡稱“上海中學”）構建的土木工程創新實驗室為例，從實驗室構建的背景與意義、定位與功能、課程開發與實踐、建設成效等方面，對創新人才早期培育背景下開放式創新實驗室的構建進行了思考。

一、實驗室的建設背景與意義

2008年上海中學在上海率先開展“高中生創新素養培育實驗項目”，該實驗以“聚焦志趣，激發潛能”為導向，大力培育高中生的創新素養。在實踐探索過程中，上海中學構建了獨特的“專門課程”唐盛昌：《普通高中專門課程：一種特殊形態的新課程》，《人民教育》2014年第13期，第64-66頁。，即學生從自身的興趣出發，自主地選擇一項課題，通過兩年時間，經歷“開題、中期、結題”的科學研究全過程，完成一項課題研究。上海中學與同濟大學于2013年底合作設立了“土木工程”專門課程，由同濟大學專家團隊與本校教師共同指導學生課題研究。考慮到課題研究需要，上海中學構建了土木工程創新實驗室，該實驗室于2017年起籌建，2018年正式投入使用。

當前我國工程類人才缺口巨大，尤其是 “拔尖人才”奇缺。邱晨輝：《工科教育再不“升級”就拖產業發展后腿了》，《中國青年報》2014年4月8日。造成這種“供不應求”局面的一個重要因素是，我國基礎工程教育長期缺失，學生在上大學前少有接觸工程學科的機會。唐小為，王唯真：《整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析》，《教育研究》2014年第9期，第61-68頁。因此，在高中建設工程創新實驗室，并依托實驗室開設工程類課程，具有重要的價值。土木工程作為一門成熟的工程學科，融合了數學、技術、物理、化學、地理等學科知識。在高中依托實驗室創設土木類課程，可有效地培養學生“技術意識”“創新設計”“工程思維”“圖樣表達”“物化能力”等核心素養，提高學生跨學科解決問題的能力。

二、實驗室的定位與功能

土木工程是建造各類工程設施的科學技術的統稱。土木工程學科目前主要包括建筑工程、橋梁工程、道路工程、巖土工程、地質工程、水利工程等。土木工程需要解決的根本問題是工程的安全，使結構能抵抗各種自然或人為的荷載作用。

土木工程專業對于高中生來說相對陌生，高中土木工程創新實驗室要求兼具“專業科普”與“創新實踐”的功能。該實驗室既是一個為學生提供感覺、感悟、感知本領域專門知識的場所，又是一個自主探究的創新平臺。實驗室的構建立足于高中生的知識技能基礎及研究能力提升要求，以高等學校的土木工程實驗室為參考，采用開放管理模式，以滿足學生的自主學習需求，旨在培養學生工程創新和實踐能力。

結合功能定位和學校師資、建設場地等實際情況，上海中學土木工程實驗室配置了小型模擬地震振動臺、伺服控制系統、萬能試驗機、數據采集系統、數據控制系統、多維度光學掃描儀、位移傳感器、加速度傳感器、力傳感器等實驗儀器和設備，能實現諸多功能，如表1所示：

三、與實驗室匹配的課程開發與實施

基于土木工程創新實驗室，學校構建了多層次的課程，這些課程指向不同，有體驗類課程，有基礎類課程，也有充滿挑戰性的STEM課程和專門課程，滿足學生的不同發展需求。

1體驗式課程

體驗式課程面向高一學生，學生可以選擇參加，為學生打開進入“土木工程”的大門，培養學生的專業興趣。體驗式課程以獨立的單次主題活動形式開展，主要分為兩種形式：一種由教師進行演示實驗（例如木材的拉壓試驗、地震下結構響應試驗、地震下沙土液化試驗等），學生作為觀察者觀察實驗現象，在實驗過程中和教師進行交流，形成對本專業的初步認知;另一種方式借助于學校每年科技節舉行的“結構承重大賽”，教師給出賽題和簡單的基礎知識培訓，學生動手實踐完成結構模型的設計和制作并進行測試，在此過程中體驗土木工程的魅力。

2選修性基礎課程

選修性基礎課程面向高一（下）和高二（上）的學生，以學習特定的實驗技能和方法為主。選修性基礎課程的學習，有助于學生掌握基礎的專業技能和科學的研究方法，形成良好的科學素養和思維品質。例如，實驗室目前開設了選修性基礎課程“MATLAB與數值計算”，相較于其他土木相關的有限元分析軟件，MATLAB軟件對高中生更加適宜，初學者可通過較低的學習成本快速掌握MATLAB的基本功能，并應用到探究過程和解決實際問題中，并且因其高效、準確、可靠的特性，在科學研究中應用廣泛。

“MATLAB與數值計算”課程以提升學生的計算能力和抽象能力、培養學生的邏輯思維能力和嚴謹的科學態度，從而提高學生解決實際問題的能力為目標。課程內容涵蓋矩陣的概念及簡單的運算規則，MATLAB基本操作（矩陣的創建、運算、元素提取等），MATLAB結構化程序的編寫，描述統計學量數的概念及其MATLAB求解方法，一元線性回歸的原理及其MATLAB求解方法，MATLAB的基本繪圖方法等方面。

根據課程內容，教學按順序分MATLAB與矩陣入門、MATLAB矩陣運算、M代碼的編寫、MATLAB與統計、MATLAB與回歸擬合五個專題實施。學生在聽講的同時，可以實時通過計算機進行自主操作，有助于其及時發現問題并實時解決，從而將理論知識轉化為能力，讓學生掌握解決問題的技能技巧。教學過程中教師綜合運用情境教學法、問題驅動法、探究式學習等教學方法，激發學生的學習興趣，鞏固學生的知識技能。課程最后要求學生借助MATLAB，對一個真實情境簡化而來的工程問題進行數據處理和分析，從而評價學生的知識掌握情況和運用知識技能解決問題的能力。

3基于項目式學習的STEM課程

基于項目式學習的STEM課程面向高二（下）的學生，在這個階段，學生經過體驗式課程、選修性基礎課程的學習，對土木工程專業的認識從感性走向初步理性，感興趣的學生希望能汲取更多的相關專業知識。基于工程設計的STEM課程“建筑結構設計”，以解決工程問題為主線，以項目驅動為抓手，融入技術設計、數學和科學知識，以達到鍛煉學生的邏輯思維、培養學生的動手能力和協作能力、提升學生解決問題的綜合能力、激發學生學習工程的興趣、加固學生專業直覺的目標。陳希，程林：《基于工程設計的高中STEM課程設計與實踐——以“建筑結構設計”課程為例》，《現代教育技術》2019年第2期，第122-127頁。

課程內容主要分為理論與實踐兩部分。在理論部分，教授與課程任務相關的理論知識，包括荷載的概念及其分類、常見建筑結構形式的分類、工程設計圖的繪制方法、結構受力與變形、框架結構在豎向荷載和水平荷載下的變形和內力特征、影響構件變形能力和承載力的因素、結構抗震的思路和方式、力學分析軟件的應用等。實踐部分安排在理論學習的前和后，學生分別圍繞課程任務進行兩次實踐操作，設計制作符合課程任務要求的建筑結構模型，并進行承重測試。

“建筑結構設計”課程采用“6E”設計型學習模式，教學流程分為五個階段：

（1）參與（Engage）階段：教師創設情境，提出課程任務，學生3-4人組隊，針對課程任務進行資料收集和調研;

（2）探索（Explore）和工程（Engineering）階段：學生根據收集的信息確定設計方案，進行結構模型的設計制作與測試，并總結反思;

（3）解釋（Explain）階段：基于學生在初次實踐中發現的問題，采用師生互動探究的教學方式，從“受力與變形、結構的承載力、地震與結構耗能”三個方面開展專題式的理論教學;

（4）深化（Enrich）與工程（Engineering）階段：在專題理論學習后，學生將重新改進和優化模型設計方案，并用力學軟件輔助分析，再一次付諸實踐操作;

（5）評價（Evaluate）階段：各組學生展示自己的作品，闡述設計思路和要點，小組間進行作品評價與加載表現預測。學生觀察加載過程，分析受力現象及破壞的原因，撰寫測試報告，總結課程心得。課程學習評價主要側重于過程性評價，兩次結構模型設計制作作為對學生知識掌握情況的主要評價載體，評價內容包括學生對結構模型設計理念的介紹、模型制作的工藝和外形創意、模型的加載表現、學生撰寫的加載測試報告（包括對模型加載成功或失敗原因的分析、反思、改進措施的提出等）。

4專門課程

專門課程面向科技班、工程班學生，旨在讓學生在課程選擇中認識自身的興趣、潛能，找到與自身發展匹配的專業學習領域，從而形成“階段最佳發展取向”。學生對學校開設的研究方向（包括物理、化學、醫學、計算機科學、生命科學、工程、通訊、環境、能源、海洋）進行概覽式學習，每個方向學習3個課時，邀請專家介紹該領域的前沿發展與學科結構，吸引學生去選學。馮志剛：《以課程選擇為突破口的高中階段學校學術高度提升》，《現代基礎教育研究》2019年第2期，第62-68頁。學生在對這些專業領域有一定的初步理性認識后，選擇一個感興趣的專門領域進行深入的研究性學習。選擇土木工程方向的學生，將在6-7周中對土木工程領域做進一步的專業學習，由校內外教師合作指導。例如，本校科技指導教師教授專業基礎知識、課題研究技能等，高校專家采用講座或座談方式，與學生交流土木學科的研究熱點。結合校內外教師的講授，學生進行文獻調研，明確未來一年多的研究課題。選定研究課題后，學生經歷完整的“提出問題—設計實驗方案—操作實驗—處理分析實驗數據—撰寫研究報告”的科學研究過程，完成一項課題研究。

專門課程更關注學生在研究過程中的學習體驗，要求學生完成開題報告及開題答辯、中期報告及中期答辯，最終形成課題研究論文，并完成結題答辯。學生還將帶著自己的研究課題參與上海市青少年創新大賽、明日科技之星、“上中杯”科技論壇等科技創新比賽，在賽事中展示自己的研究內容和成果。

四、實驗室的建設成效

1提升了學生土木工程創新研究的專業性和規范性

2016—2017年，土木工程實驗室尚未建成，學校共有13位學生選擇土木工程方向作為自己的專門課程研究領域，完成了10項創新課題的研究（見表2）。

從上述課題研究情況可見，土木工程實驗室建成之前，由于實驗類的課題需要借助同濟大學的實驗室，便利性有限，大多學生會選擇以數值仿真模擬或方案設計為主的課題，有些學生也會選擇建筑學、城市規劃專業相關的調研類課題。實驗室建成之后，借助專業的實驗設備，學生的研究選題更貼近土木工程專業，且選取的研究方法、獲得的實驗數據及分析手段都更為科學規范。

2豐富了學校的課程體系，為學生的土木工程志趣提供了發展平臺

基于土木工程實驗室開設的一系列課程，為對土木工程領域感興趣的學生提供了發展平臺。據統計，自實驗室建成以來，參與該實驗室課程的學生每年約為150名。其中，STEM課程“建筑結構設計”每學期的選課人數都達到課程承載上限。因為有了土木工程實驗室，學校科技節的傳統項目“結構承重大賽”，在組織形式、賽題設計、測試設備等方面都比以前更為專業，學生對比賽的熱情也更為高漲，優秀作品越來越多。通過土木工程類課程的學習，激發了更多學生對該專業領域的興趣，每年的同濟大學全國中學生結構設計大賽，從曾經的無人問津到現在的競爭選拔，學生的參賽作品設計既科學專業又大膽創新，并在比賽中逐漸嶄露頭角。

五、實驗室的建設經驗與反思

土木工程創新實驗室的建設是高中階段土木工程領域拔尖創新人才早期培育的一個重要途徑。開放式實驗室有利于提高學生利用科學手段解決實際問題的能力，全面培養學生的科學態度、創新思維和工程實踐素質吳桂云，杜旭，田思慶：《加強開放式實驗教學模式的建設與管理 培養學生工程素質與創新能力》，《實驗室科學》2008年第3期，第139-141頁。，促進了學生個性和潛能的發展，提升了學生的工程素養。

在普通高中建設土木工程創新實驗室是一個從無到有的過程，在建構與實踐過程中，學校形成了一些經驗與反思：

1立足于高中生已有的知識和技能基礎， 配置應留有彈性空間

高中生的力學和數學知識基礎較為薄弱，基礎課程也幾乎未涉及土木工程專業知識，所以高中土木工程創新實驗室的定位更多傾向于為學生提供一個感覺、感悟、感知本領域專門知識的場所，同時又能為對該專業領域特別感興趣的學生搭建一個可以進行創新研究的平臺。這就決定了高中土木工程實驗室的配備并不需要像高等學校實驗室那樣“專、尖、深”，而是需要既能夠讓學生操作容易、又能在一定程度上反映學科研究和測量方法的前沿，讓學生打下基礎的同時能夠了解到先進的研究工具和方法，且隨著學科的發展，設備不至于很快被更替，為實驗室更新留有一定的彈性空間。

2滿足土木工程領域自主探究需求，采取開放的教學與管理模式

為了給學生營造一個寬松的創新實踐的環境，滿足學生的自主性學習和研究的需求，土木工程創新實驗室采用開放式實驗室的模式，主要體現在：

（1）管理方式開放。實驗室的所有資源包括實驗設備、數據資源、圖書文獻資料等面向學生開放，合作大學的相關專業實驗室也面向學生開放，所有年級任何班級的學生都可預約使用實驗室，實驗室的使用時間根據學生的需求進行預約開放;

（2）教學內容開放。實驗室教學內容除了土木工程基礎知識之外，教師會根據學生所選課題的不同選擇不同的教學內容，進行專門指導;

（3）指導過程開放。跳出傳統實驗的框架，土木工程實驗室的實驗設計與學生的課題探究緊密結合，指導教師與學生共同設計，完成實驗，遇到問題一起解決。

開放式實驗室離不開制度建設，“開放”的程度也可根據學校和學生的實際情況進行分層次適度“放權”。目前學校土木工程創新實驗室的管理制度還在完善過程中，在未來將考慮針對不同的活動和不同的設備儀器進行分層次“放權”。

3激活實驗室功能，加強與實驗室匹配課程的開發與實施

課程是實驗室的靈魂。專門課程之學生課題研究的需求，促使了土木工程創新實驗室的構建。依托于該實驗室，上海中學又開發了校本課程，涵蓋了體驗式課程、選修性基礎課程、基于項目的STEM課程、研究性的專門課程，形成了多層次遞進式的課程體系。從課程實施情況來看，土木工程類課程深受學生的喜愛，學生學習積極性高，激發了對該專業領域的興趣。為滿足各個階段學生的學習需求，基礎類課程和基于項目式的探究類課程的多樣性還有待進一步開發，以形成更加豐富的土木工程課程體系。

實驗室的功能需要通過課程來激活，課程是實驗室可持續發展的內在動力。因此，實驗室的構建要以課程為基準，以課程為支撐。學校應鼓勵教師進行基于創新實驗室功能的校本課程開發，加強課程編制和課程實施力度，構建豐富的配套課程，逐步形成學校自己的優勢學科領域。

4加強師資培養，發揮大學與中學合作教學的優勢

土木工程創新實驗室能夠充分發揮作用的關鍵在于教師，而普通高中大多不具備土木工程領域的專業師資。學校可以采用與大學合作的方式，邀請大學專家與學校教師共同開發課程，共同開展教學，初期可以以大學教授授課為主，然后逐漸培養校內教師團隊，最終形成不同層次課程的不同師資組合。