大學實驗教學的四重境界

居沈貴 薛峰 石麗蕓 湯吉海

[摘 要]該研究探討建立大學實驗教學初學級、熟練級、競賽級、專業級四重境界人才培養模式，進而建立引導大學生在實驗過程中從初學者到熟練者，再進一步成為競賽級選手，最后成為具有設計能力和專業素養的技術人員以及具備工匠潛質的人才的培養機制;通過提出用戶體驗的概念來強化“以學生為中心”的教學思想;并在新時代背景下以及“金課”高階性、創新性和挑戰度的建設框架下，對打造實驗教學四重境界的重要性、四重境界結構設計原則進行了有益的探索。

[關鍵詞]實驗教學;賽教融合;金課;用戶體驗

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2020）12-0037-03

2018年頒布的《教育部關于加快建設高水平本科教育 全面提高人才培養能力的意見》和《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》明確提出強化人才培養的核心地位，“雙一流”建設的核心是人才培養，同時明確了一流本科教育在“雙一流”建設中的基礎性地位[1]。要全面落實黨的教育方針，以學生全面發展為目標，強化基礎、突出重點、建立規范、落實責任，形成全員全過程全方位育人格局，切實提高工作親和力和針對性，建立學院“三全育人”改革實施目標管理制度。課程是人才培養的核心要素，專業是人才培養的基本單元。學生從大學里受益的最直接、最核心、最顯效的是課程[2]。要“合理提升學業挑戰度、增加課程難度、拓展課程深度，切實提高課程教學質量”，也就是“金課”要具有高階性、創新性和挑戰度三個顯著特征。《教師專業標準》的基本理念是“師德為先”“學生為本”“能力為重”“終身學習”。精品課程建設就是要有示范性課程的標桿、一流的師資隊伍、一流的課程體系、一流的教學方法以及一流的教學成果[3-4]。根據上述要求和化工原理課程作為南京工業大學的“國家精品課程”相關要求以及化工原理實驗教學實際，本文提出了以打造化工原理實驗教學的四重境界為核心的人才培養模式來對標金課建設。

一、大學實驗教學四重境界的打造

（一）打造四重境界的重要性

1.這是對傳統教學的理論拓展

傳統的儒家教學思想主張教和學相統一、理論與實踐相結合、重視發展學生的思維能力[5]。我們探討如何繼承和發展這些有價值的教學思想有著深遠的意義。其一，教和學相統一，既重視教的原則方法，也重視對學的啟發指引，注重發揮學生的主體作用和強調正確引導學生在學習過程中的態度問題。其二，理論與實踐相結合。宋代的朱熹在他的教學實踐活動中強調理論與實踐相結合，“為學大抵窮理以致其知，反躬以踐其實”。他主張教學中的讀書窮理與躬行實踐并重，讀書窮理是手段，躬行實踐是目的。其三，發展學生的思維能力，必須要廣于見聞。按認識論的理解，沒有廣博的間接經驗和豐富的感性認識，人的認識不可能由感性認識上升到理性認識，思維水平也不可能由感性階段上升到理性階段。儒家教育家很早即認識到了這一點，孔子提倡學生“多聞，擇其善者而從之，多見而識之”“多聞闕疑，慎言其余，則寡尤;多見闕殆，慎行其余，則寡悔”。明代大儒王陽明[6]倡導“學、問、思、辯、行”的教學理念，注重師生互動，學生主動學，主動問;思考和辯論質疑，最后統一到實踐行動中來，著重點在于如何調動學生學習的主觀能動性，拓展學生的創新思維能力。因此，為了實現教學統一，知行合一，發展學生的創新思維，需要對傳統教學理論做進一步的創新和探索。

2.這是賽教融合的發展需求

賽教融合有助于加強本科院校的“金課”建設。目前全國范圍內的競賽項目有化工設計大賽、Chem-E-Car能源小車大賽、化工原理實驗大賽、數學建模大賽等。學科競賽是學生知識綜合運用的比拼，比賽的內容會涉及數門甚至數十門課程，需要學生掌握扎實的理論基礎知識，并能將這些知識靈活應用于比賽中。而傳統的課堂教學，每門課程都由不同的教師講解，相對較為獨立，學生通常很難理解課程之間的聯系，這就容易使學生感覺自己所學的許多專業基礎課用處不大。通過參與學科競賽，學生和指導教師在解決問題的過程中，將用到的各科知識串起來，形成系統的知識體系。在高校“金課”建設中，教師可以借鑒學科競賽的經驗，改變課程體系的孤立性，實現“金課”建設中的課程融合。

3.這是對遞進式進階思維的拓展

增強終身學習的意識，感悟的質變過程需要強化定向量變的不斷積累。清代詩人王國維提出遞進式思維的佳句備受后人推崇。“獨上高樓，望盡天涯路。”此情此景，有所感悟，尚處于初級學徒級人員要注重基礎知識的學習積累。“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴。”通過對學習過程中碰到的一個又一個難題進行不斷思考和學習，最終成功跨越，逐漸深入，熟練掌握本門技巧和方法，成為一名熟練的操作人員。“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在，燈火闌珊處。”此時漸入佳境，有所領悟，并為之著迷，從而變成具備較強能力的競賽級別的人員。“行到水窮處，坐看云起時。”忽然開朗，打通任督二脈，融會貫通，最終成為該行業領域的專家級人員，并且在原有設備裝置的基礎上更上一層樓，設計或創造出新模型、新裝置或提出新理論，從而成為本領域的專業技術人員。受此啟發，我們提出遞進式教學模式。

（二）四重境界結構設計的基本原則

1.符合“金課”建設的高階性、創新性和挑戰度設計原則

高階性注重學生知識、能力和素質的有機結合，是學生解決復雜問題的綜合能力和先進思想，更應該注重能力和思維的訓練[2]。創新性應體現在課程應當定位前沿，能反映出時代特征;教學形式應體現先進性、創造性和互動性;學習成果應具有創造性、個性和前瞻性。挑戰度則是指課程必須有一定的難度和深度，學生需要付出一定努力之后才能達到學習目標。

2.遵循“以學生為中心”的教學基本原則

用戶體驗是用戶在使用產品過程中形成的一種純主觀感受[7]。傳統教學重視知識傳授，忽視學生體驗。學生作為學習主體，可以將學生視為客戶群體，實驗儀器為使用對象，學生實驗過程為人機模式的交互式體驗。學生體驗的共性能夠經由良好設計實驗來認識。計算機技術和互聯網的發展，使技術創新形態正在發生轉變，以用戶為中心、以人為本越來越得到重視，用戶體驗也因此被稱作創新2.0模式的精髓。在中國面向知識社會的創新2.0模式探索中，更應該將重視學生體驗作為創新機制的嘗試。

以學生為中心的思想強調體驗舒適度。實驗教學要按照學校的培養計劃、辦學要求以及社會對人才的要求對學生進行因材施教。實驗教學的內容、方法、手段等必須適應因材施教和培養高素質人才的需要。整合優化過程中強化“以學生中心”，注重引導學生的個性化發展，發揮學生的主觀能動性，這符合教育規律和人才成長規律[8]。

3.以培養學生的實踐操作能力和創新能力為基本原則

理工科學生在接受知識教育的同時還應該樹立工程意識以及培養實踐操作能力和創新能力，使自身的整體知識結構、工程素養、創新能力得到全面優化[9]。基于問題導向的訓練，要求學生主動尋求知識的理解、應用和創新，在遇到問題、分析問題時注重問題分析的系統性;力求讓學生深刻體會理論與實踐的關系，工程思路嚴謹性與創新思維靈活性的關系。這種模式不僅能使學生學到有用的知識，而且可以培養其思考、分析和解決問題的能力，有助于其科研訓練實效和創新能力的提升。實驗教學通過以學生的綜合素養、操作水準和實踐創新能力以及發現、提出、分析和解決問題能力的提高為主線，建立起專業性、系統性、全面性、科學性的實驗教學模式。

（三）四重境界的內涵

創新型大學生是創新型教育的產品，需要對學生的個性特征、行為特征加以引導，將學生培養成為聰明的人、有思想的人、完善的人以及科學、人文、藝術等方面全面發展的人。教師在實驗教學實踐中可引用《荀子·儒效》 中的名言即“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之”，不斷加強理論和實踐的融合，達到知行合一。

1.第一重境界：“懵懂無知，學藝于師”（初學級）

學生通過系統的理論學習后，對具體實驗項目的原理已經有所掌握。教師概括性講述實驗教學的原理和實驗目的，重點介紹實驗裝置和具體的工藝流程，重要的觀察點和測量點，以及如何對操作技能技巧和控制進行精準把握，最后進行實驗操作，精確測量實驗數據，處理和分析實驗數據，撰寫實驗報告，總結方式方法。要求教師做到一邊演示一邊講解，一邊實驗一邊引導，讓學生慢慢達到由生疏到熟練的狀態。

2.第二重境界：“熟能生巧，無師自通”（熟練級）

這一階段不再需要教師進行現場指導，學生自己根據實驗目的和要求進行反復練習，以做到實驗操作嫻熟、記錄實驗數據準確翔實;對于不合理的數據，能夠及時發現并思考問題所在，能夠分析問題和解決問題，熟練完成實驗報告。這一階段要注重學生動手能力的培養，引導學生做到高度自律和主動思考，自我提高，不需要教師過多介入。

3.第三重境界：“融會貫通，巧為人師”（競賽級）

讓學生充當教師角色，根據自身掌握的知識進行講解。學生這個時候會發現自己對原理和概念的掌握似乎不太清晰，對專業語言和詞匯的表達似乎不太準確，理解能力還不夠透徹，理論和實驗操作水平還無法一致，從而思考自己和老師講述的內容還有哪些方面需要改進和提高。通過不斷強化和訓練之后，他們能夠將實驗相關知識點串起來，同時能夠解決實驗過程中與實驗裝置相關的小問題，比如閥門開關順序，測量儀表范圍和量程，傳感器調零和調試等等。

4.第四重境界：“推陳出新，設計大師”（專業級）

首先，學生經過長時間的沉浸與積累，交流和思考，發現現有實驗裝置存在的問題和缺陷，開發新的實驗裝置來彌補不足。其次，結合現代電子測量手段和先進的數據處理技術進行融合和創新，提高實驗裝置信息化水平，做到與時俱進。最后，還需要結合美學原理設計裝置。裝置不僅需要具備實用價值，還要具有簡約和大氣的風格，讓使用者在接受專業知識教育的同時獲得良好的美學體驗感。

二、四重境界在實驗教學中的實際應用

直管阻力系數測定實驗[10]作為全國大學生化工原理實驗大賽的主要比賽項目之一，知識點多，操作復雜度高，實驗技巧性強，具有很強的代表性。我們結合化工原理實驗教學來闡述實驗教學的四重境界。第一重，教師教、學生學。教師講述實驗原理、實驗目的、裝置流程、物料走向、操作順序、取樣測樣點等等，實驗內容包括流體流經光滑直管時摩擦系數λ與雷諾數Re的關系及變化規律，掌握流體流經粗糙管時壓降ΔP與雷諾數Re的關系及變化規律，掌握流體層流流動時摩擦系數λ與雷諾數Re的關系及變化規律，掌握流體流經閥門和彎頭時局部阻力系數ζ的測定方法等。這個階段，學生從掌握理論知識上升到掌握實踐操作，其動手能力得到明顯提高。此過程僅僅限于從無到有的階段。第二重，學生獨立熟練操作。學生在掌握基本技能和實驗關鍵點后，需要對裝置進行整體把握，掌握控制點和整體的參數協調控制能力。教師告訴學生要做到熟練掌握實驗技能，還需要加強鍛煉。我們提出客戶體驗度的概念，讓學生在人機互動中熟悉實驗裝置，使實驗數據可重復性高、誤差小。學生由被動灌輸轉為主動學習，不斷自我提高。第三重，讓學生充當老師，來講述實驗操作原理和目的，指導實驗過程。這時需要學生對知識點進行重新整合和歸納，使其邏輯性得到大幅度提高，知識體系得到質的改善。在這個實驗過程中學生對裝置更加熟悉，其流程和數據測量水準得到提高，能發現各種問題并且逐一加以解決，其動手能力和綜合實驗能力也得到大幅度提高。第四重，通過長時間的實驗操作和思考，計算和處理實驗數據，發現實驗數據的誤差和理論公式并對誤差產生的原因進行深層次思考，設計和改進現有實驗裝置，提出合理化建議，改善實驗裝置的性能。比如學生在做層流實驗時，通過測量ΔP值來反推流速（管長、管內徑確定），再通過計算雷諾數確定是否在層流的范圍之內（Re≤2000），驗證數據是否合理，然后計算層流 （滯流）時的λ值。實現設計實驗裝置的合理化、人性化和信息化。傳統的實驗教學對于信息化和智能化的融合，人機互動的考量相對發展滯后。如何對學生的實驗數據和數群進行綜合分析和討論，設計或創造出新模型、新裝置或新理論，則是對專業級人才培養的一大挑戰。

三、結束語

樹立“以學生為中心”的教學思想，提升學生在實驗課程中的體驗度，建立四重境界的進階式培養模式，不僅能培養基礎扎實、動手能力強的學生，還能加強與社會接軌，為社會輸送高素養的人才，為我校一流專業建設貢獻力量。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 蘇雙. 高校黨校教育研究[D].長沙：中南大學，2013.

[2] 吳巖. 建設中國“金課”[J].中國大學教學，2018（12）：4-9.

[3] 顏敏.目標引領，科學提升，系統推進：新建本科院校“金課”建設先行之路探析[J].河南教育學院學報（哲學社會科學版），2019（2）：38-46.

[4] 吳炎. 國家級精品課程建設的問題研究：以A大學國家級精品課程為例[D].蕪湖： 安徽師范大學， 2013.

[5] 鐘楊.儒家傳統教學思想的三大特點[J].四川教育學院學報，2003（9）：7-10.

[6] 王陽明. 傳習錄[M].上海：上海古籍出版社，2018.

[7] 盧克·米勒. 用戶體驗方法論：最懂用戶體驗的人教你做用戶體驗[M].北京：中信出版社，2016：202.

[8] 曾明榮，韓媛媛，趙鵬.化工原理實驗教學模式的研究與探索[J]. 實驗室研究與探索，2016（5）： 221-224.

[9] 居沈貴，王晟. 基于“問題導向”提升研究生科研訓練和創新能力的探索實踐[J].化工高等教育，2018（4）：24-26+50.

[10] 居沈貴，夏毅，武文良. 化工原理實驗[M]. 北京：化學工業出版社，2016：158-161.

[責任編輯：龐丹丹]