基于PDCA 循環對車輛工程專業開放性實驗教學的改革與探索

汪 震，鄭晉軍，王雨蒙，李 靜

（吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130025）

開放性創新實驗作為培養學生實踐能力、科研思維和綜合素質的重要途徑，在激發學生興趣，培養學生積極性、主動性等方面發揮著重要的促進作用[1-3]。我校2013 年開創了“吉林大學開放性創新實驗”，在培養學生科研思維、動手能力、創新意識等方面取得了一定的成效。然而，通過與學生的交流以及從反饋的教學意見發現，在開放性實驗教學過程中仍有一些不足。在如何提高師資隊伍水平、提升實驗室儀器設備利用率、更好地培養學生的創新能力等方面，需要我們不斷深入探索研究，以便能夠持續提高實驗教學質量，改善教學效果。

1 基于PDCA 循環的教學模型

PDCA 循環又稱“戴明環”，是管理學中的一個通用模型。用于持續改善產品質量的過程，其主要包括4 個階段，即計劃（plan）、執行（do）、檢查（check）、處理（action），基于PDCA 循環的教學模式如圖1 所示。整個過程是按照PDCA 循環在指定的計劃指導下進行周而復始地運轉，每一個循環都會促使關鍵環節控制體系的持續改進，從而促進管理系統不斷完善[4-6]。反思以往開展的開放性實驗教學，多是自上而下的任務布置，缺少對學生科研思維、動手能力和創新意識培養需求的調查與培養結果的反思。對于持續改進實驗教學質量，PDCA 循環的嚴謹科學的工作思路與流程便突顯出其優勢[7]。將PDCA 循環理念借鑒到車輛工程專業開放性實驗教學模式中，運用其嚴謹的合乎邏輯的工作流程，對實驗教學過程進行反思，分析學生培養過程中的問題，提出相對應的解決方案，檢查實施效果并總結經驗，以便促進教學質量的不斷提高。

圖1 基于PDCA 循環的教學模式

2 車輛工程專業開放性實驗現狀調查

結合文獻[8]，我校教務處對 2017 年開放性實驗問卷調查的統計分析結果，對我院車輛工程專業2018年參與開放性實驗的學生進行問卷調查，發放調查問卷43 份，收回有效問卷41 份，調查結果如下。

（1）實驗內容。實驗結束后，有超過50%的學生認為實驗內容“難度不夠”；實驗內容所設計的問題與課內實驗有一些關聯但不重復；有47%的學生認為開放性創新實驗項目對學習理論課及課內實驗有拓展和促進作用；有46%的學生對實驗項目感到“很有興趣”，有 30%的學生感到“一般有興趣”，對實驗項目有興趣的學生超過70%，說明汽車實驗室的開放實驗項目得到了學生的肯定。

（2）實驗條件。從調查問卷中看到，50%以上的學生對實驗設備及實驗條件的期待很高，但現有的一些儀器設備功能老化、使用不方便；有35%的學生反映對部分實驗教學儀器設備并不知曉，導致不同程度的教學內容超出了認知范圍。

（3）實驗學習效果。在調查中發現，對“學習有收獲”“拓展了知識”“分析解決復雜工程問題的訓練”等選項的滿意率均超過50%；但結合以往的學生課后提交的實驗報告內容，我們發現超過60%的學生對實驗的設計很感興趣，但由于學生缺乏一定的科研能力及實踐能力，在很大程度上依然有依賴授課教師的傾向，獨立完成實驗對大部分學生來說有一定難度。

此外，問卷中學生對“實驗動手能力提高”“創新能力培養的滿意度”“教學方式的多樣化”以及“成績評價方法的合理度”等選項的好評均不超過50%。

3 基于PDCA 循環的開放性實驗教學模式探索

3.1 計劃（P 階段）

根據對車輛工程專業參與開放性實驗學生的調查反饋，結合實驗室現有條件，從學生、實驗教師、實驗題目、實驗管理和考核評價方式等多方面進行了以下分析。

（1）學生。有些學生科研能力較弱，實驗設計能力不足，甚至沒接觸過文獻檢索，因此獨立完成實驗設計有較大難度。在學習態度上，一些學生在實驗中缺乏實驗能動性和參與積極性，未理解開放性實驗的教學目的及意義，只是為了完成學分而參與。在開放性創新實驗選題及實驗過程中，大部分學生依賴教師所設計的題目和實驗方案，然后學生“照方抓藥”，遇到問題直接向教師詢問，缺乏自我思考和探索的過程，導致開放性實驗在一定的程度上流于形式，達不到應有的教學效果。

（2）實驗教師。在實驗教學方面，開放性實驗教學大綱及實驗內容更新不及時，沒有將最新的實驗技術、理念等及時融入教學，導致實驗教學內容比較陳舊，無法激發學生的興趣。在教學態度方面，因學生的課余時間主要是晚上、周末、節假日，這就需要實驗教師付出更多的精力與心血。由于是正常工作時間之外的指導工作，常導致部分教師未能付出相應的時間去指導學生，甚至不太愿意承擔指導任務。此外，我們還發現同一實驗不同教師的教學內容、教學方法因人而異，教學效果差別較大，缺少標準化流程和統一標準做參考。

（3）實驗題目。對實驗內容、實驗難易度，以及實驗性質的把握不夠準確，并未根據學生的實際能力進行實驗設計，導致學生不能很好地參與到實驗中來；一些實驗題目未能很好地體現實驗教學目標，達不到應有的實驗教學效果。

（4）實驗室管理。實驗室開放程度不夠，資源設備利用效益較低。由于實驗室儀器設備的采購渠道方式多樣化，很多儀器設備往往只歸屬于某學科、某實驗室，甚至是某課題組，導致這些實驗儀器設備在完成某一課題之后，就被永久地擱置，完全沒有投入到學生的創新實驗中，這不僅造成了實驗資源的浪費，還占據了大量的實驗室空間，不利于實驗室儀器設備資源的共享[9]。

（5）評價考核方式。以往的開放性實驗教學的評價主要依據學生的課后實驗報告，或授課教師所給出的實驗成績，評價形式和方法相對單一，缺少科學、系統、可量化的評價標準，存在諸多弊端[10]，導致學生只重視結果而忽略過程，未能達到良好的實驗教學效果。

3.2 實施（D 階段）

針對車輛工程專業開放性實驗存在的上述問題，提出解決方案，對 2019 年的開放性實驗進行教學改革，具體操作如下。

3.2.1 立足學生，因材施教

對于學生實驗設計能力不足、科研能力弱的問題，有必要針對文獻檢索、科研設計進行指導，使其學會查閱專業文獻，從最基本的國內外研究現狀和背景開始檢索，逐漸達到能夠提出科學問題，獨立擬定研究題目，最后達到能夠制訂詳細的實驗方案的水平[11]。

實驗課題工作量的設定應符合學生個性化需求，要注重實驗的趣味性，寓教于樂，激發學生的學習興趣。同時實驗難度、工作量設置應根據學年不同有所區別，如對高年級學生應注重專業探索，更多考核學生的專業知識，重視學生自主創新能力的培養。實驗項目可適當延長，提高課題深度，但須確保實驗內容在一個學期內完成，避免因實驗周期太長使學生實驗思路中斷而失去興趣，導致實驗半途而廢。

建立有效的師生交流渠道，選課后建立師生工作群，群里的學生可根據自己的年級、專業能力、興趣和關注點自行分組，指導教師根據每個小組的實際情況，逐一分開進行指導。在開放性實驗室的管理中，鼓勵學生參與管理，提高學生的責任感，對于儀器設備申請、預約登記、記錄使用和維護等，均可由學生自行管理，教師定期檢查，如此可以使學生了解實驗室的運行模式，培養學生的主人翁意識，提高學生的參與感[12]。

通過上述過程，使學生能夠真正參與開放性實驗項目，并從中認識到開放性實驗與傳統實驗的區別和獨立自主創新實驗的重要性，通過參與提升其創新能力與科研素質。

3.2.2 規范設計方案格式

針對車輛工程這樣的工科專業，需要規范開放性實驗設計方案的格式，這樣既能引導學生有條理地、逐步地解決復雜工程問題，又能培養學生的科研邏輯思維，增強其自主學習的能力。對于學生來說，規范格式主要體現在實驗報告的形式與內容。考慮到既增加實驗的靈活性，又提高自主學習和創新的能力，實驗報告主要包含課前實驗設計方案和課后實驗結題報告兩部分，開放性實驗報告架構如圖2 所示。

圖2 開放性實驗報告架構

開放性實驗設計方案主要依據實驗大綱，通過學生自主學習相關專業文獻，并根據個人能力、興趣，通過分組方式完成和提交的設計方案，即實驗預習報告。提交報告后，指導教師評價學生所設計方案的合理性、可行性，并對方案提出結論。如果合理可行，則同意按方案實施，并對操作細節、注意事項等實驗問題提出意見、建議；如果方案合理但不可行，指導教師提出對實驗方案的修改意見；若方案不合理或根本無法實現，不同意該實驗方案，指導教師說明原因并給出更改意見[11]。

開放性實驗結題報告是對實驗過程、實驗數據的梳理與總結。以流程圖等形式簡要概括實驗的方法和步驟，以表格的形式記錄實驗過程中出現的實驗現象和數據。結合實驗原理、公式、模型等方面，對實驗數據進行分析與討論，如果與實驗預期相符，利用已知的專業理論知識進行解釋；如果不符，結合實驗現象，分析原因并給出改進措施。最后反思整個實驗教學過程，總結實驗中的收獲與不足，向授課教師反饋需要改進或調整的建議。

3.2.3 提升教師隊伍，完善教學方法

實驗技術人員是保證實驗教學質量的關鍵，他們的綜合素質和教學水平直接影響開放性實驗的設計水平和實驗教學的順利開展[13]。

首先，實驗教師應深刻理解實驗教學目標，注重創新實驗項目，將新技術、新方法引入實踐教學。對于實驗題目的選擇應注重激發學生的興趣，并通過科研項目使學生能夠了解新的理論知識以及前沿研究課題；同時在實驗中盡可能使用新設備，科學地設計實驗課程、實驗項目、實驗類型，使學生能夠積極有效地參與到實驗中[1]。其次，實驗教師應能夠綜合運用各學科知識，在多學科理論課程的基礎上，注重各專業知識點的銜接和綜合應用，使學生通過實驗可以比較完整、系統地將汽車專業的基本理論運用于實踐。通過開放性實驗的應用，達到知識點的融會貫通。此外，實驗教師還應能夠不斷改善實驗教學方法，嚴格要求學生。在實驗方案設計、文獻檢索，以及實際操作過程中，實驗教師應能夠起到拋磚引玉的作用，“授之以漁”，而非“授之以魚”，盡可能突出學生“學”的作用和地位[14]。在學習過程中遇到問題時，鼓勵學生提出疑問甚至是質疑，培養學生的獨立思考和解決問題的能力。在實驗過程中教師應能夠嚴厲督促和靈活掌握指導方法，避免學生過度依賴教師，導致開放性實驗流于形式。

3.2.4 規范標準流程，建立管理制度

規范并建立標準化流程，加強實驗教學質量管理，開放性實驗重點在于教學模式的開放，不等于教師教學流程的開放。統一教學流程，可以有效避免不同教師上課教學內容、教學步驟偏差較大，為教師提供指導方向，確保教學質量。圖3 為改革后的開放性實驗教學流程。

圖3 開放性實驗教學流程圖

在規范開放性實驗教學流程的同時，還要做好實驗室管理工作，其中最重要的是對實驗儀器設備的管理。首先，要對實驗設備進行清查，依據關系及設備種類列出清單，進行資產統計，避免有些新進設備尚未登記，影響了其使用率。然后，針對現有實驗設備進行資源整合，由實驗中心統一管理，可以將實驗設備按照功能、實驗項目進行分組，如整車項目、零部件總成項目、電動車項目等。每臺設備規定使用上限，促使學生選課時可以均勻利用各種設備，避免大部分設備閑置，小部分設備高速運轉，這樣既能提高設備使用率，又能有效保養設備，延長使用壽命。擴大汽車實驗室開放對象，面向全校各專業開放，在不影響正常上課的前提下，為有需求的學生提供更多合理的開放時間和實驗內容。

3.2.5 改進考核方式，形成評價體系

有效的教學評價考核體系直接決定了學生成績評定是否公正、客觀，同時也是指導教學改革方向的重要內容。改進后的評價體系不再僅參考課堂表現成績與實驗報告，還增加了課前實驗方案設計與討論（包括預習報告與文獻調查）、課后實驗總結與團隊合作打分環節，其中課前預習方案設計與討論、課堂表現、實驗總結報告和團隊合作成績在總成績中的占比分別為 20%、30%、40%和 10%。需要指出的是，由于實驗是以小組形式進行的，那么各小組內可能存在少數學生“搭便車”的現象，小組討論與團隊協作占比相對較低，可有效避免不積極思考、不參與討論的成員與其他成員得分差異不顯著的情況[15]。

3.3 檢查（C 階段）

在實施實驗教學改革的過程中，開展質量控制，從學生、教師、教務處三個層面逐級動態監控，反饋實施效果，實現“三位一體”的實驗教學質量監控循環（見圖4）。這三個層面貫穿實驗教學改革全過程，具體可分解為實施前、實施中、實施后等三個階段開展實驗教學質量控制，確保實驗教學順利有效地進行。

圖4 “三位一體”的實驗教學質量監控循環圖

3.3.1 質量前控

為保證所開設的實驗項目能滿足專業設置要求，教務處在課程申報前，收集上學期學生的反饋信息，結合學生的需求和建議，在教學開始前設置合理的教學目標、學習目標，從實驗內容是否規范、新穎，實驗目的是否明確等方面決定本學期要開設的開放性實驗項目，并指導教師針對上一學年出現的問題、新一年的教學要求進行教學改革。

3.3.2 質量中控

通過學生評價、專家評價、院系主管教學領導聽課和同行評價等多種措施，促進教師在教學過程中的嚴格要求，并對教學過程進行認真評估分析，將教學評測結果反饋給授課教師，指導實驗教師實時進行教學改革，為提高教學質量提供可靠保障[6]。

3.3.3 質量后控

在實驗課程結束后，對教師的教學效果、學生的學習成果進行評價。通過綜合成績評價學生的學習效果，同時建立反饋機制，對于達不到基本要求的學生將被退回到上一環節，重新做實驗，直至達標。這種反饋機制的應用，能夠有效防止部分學生“隨大流”“搭便車”，提高學生的自我要求，確保學習質量。教務處通過學生對教學體驗的反饋，考核教師的實驗教學效果，及時收集學生反饋意見，指導教師進行改革。同時教師也可以就教學改革過程出現的管理方面的問題以及具體實施過程中的意見和建議反饋到相關職能部門，形成“教管相長”的良性循環[10]。

3.4 反饋處理（A 階段）

反饋處理是PDCA 循環中決定質量能否持續改進的關鍵環節。在開展開放性實驗的過程中須及時發現問題，總結經驗，對現存的、潛在的問題進行反饋，以促進教學質量的持續改進。在實施過程中出現了新的問題，如缺乏信息中心配套建設，實驗設備、場地的預約缺乏智能化手段，沒有實現實驗室全校范圍的開放與便捷管理；實驗技術人員與理論課教師溝通較少，實驗設計未能實時跟進理論課進度，導致無法全面考查學生理論課的掌握情況，沒有發揮實驗課應有的效能；理論課教師參與實驗較少，在講授理論知識時未能結合實驗課進行講解，導致學生在上實驗課時無法將已有理論知識進行應用，拖延了實驗進展效率；評價方法缺少可量化的指標，有待建立一套行之有效的考核體系，未能結合實驗量和實驗質量的權重進行考核量化評價；有些學生對開放權限認知不足，認為實驗室開放就意味著可隨意進出實驗室，隨意使用各種設備，造成開放實驗室秩序比較混亂，影響了開放實驗室的有序管理等。所有發現的問題都將轉入下一輪PDCA 循環中，將形成持續改進、不斷提高教學質量的良性循環。

4 改革初見成效

基于PDCA 質量控制循環，從學生能力、實驗教學方法、實驗管理流程、考核評價體系等幾個層面進行分析，針對問題提出教學改革措施，分階段實現質量控制。通過2019 年一系列的教改措施，結果表明，與2018 年度相比，2019 年度開放性實驗課程的課時數、申報題目數、大型設備的使用頻次、申報開放實驗的學生人數、學生對課程的滿意度、學生的成績中優秀所占的比例均有明顯提升，具體見表 1，這說明改革初見成效。

表1 改革前后效果對比

5 結語

本文以車輛工程開放性實驗課程為研究對象，基于PDCA 循環理論，從計劃、實施、檢查、處理等4個階段解決教學過程中存在的部分問題，改進了教學方法，修定了教學內容，提高了開放性實驗教學質量，為創新教學管理提供了一定的借鑒。開放性實驗教學改革雖已取得了一定的成績，但在實踐過程中，仍發現了一些新的問題，需要進入下一個循環持續改進。接下來，我們將進一步貫徹落實學校的“拔尖創新人才培養計劃”，拓寬實驗室開放范疇，加大開放力度，以期最大限度地發揮開放性實驗室的作用，實現創新型人才培養的目的。