非規范性實驗教學在工科大學生中的運用探討

符浩 姚立陽 夏英志 馬先偉 呂大為

[摘 要]嚴格按照規范操作對只涉及一次的工科大學生意義不大，同時由于客觀實驗條件并非十全十美，非規范性操作時常存在。在此基礎上，文章提出面向工科大學生的“非規范性實驗教學”模式。分析認為，此模式利大于弊，隨后提出這種模式下的兩點注意事項：保障安全及開放包容。

[關鍵詞]非規范;實驗;操作;運用

[中圖分類號] G642.423 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2021）03-0094-03

實驗教學由于受到場地、設備臺套數的限制，在同樣的時間、地點參與的人數不會像理論教學一樣達到100人甚至更多。部分高校的實驗人數一般控制在15～21人，算小班上課。實驗課堂上多是學生親自動手操作，教師在旁邊觀察、分析、總結，天然地就以學生為中心;實驗中心往往配置1～2名指導教師，有條件照顧到幾乎所有的學生。在目前的教學環境下，實驗教學是難能可貴的小班上課，這對學生的啟發與教育意義重大。對于工科生而言，許多理論知識的獲得都是在大量室內實驗基礎上抽象出一些模型，把實際問題簡化了的模型可以便捷地指導實踐。實驗教學既是工科生走向實踐、解決部分實際問題的提前演練，也是工科生進行理論創新的基礎來源。眾多學者通過高校實驗室平臺，開展了大學生實驗教學相關研究。

王寧章等[1]鼓勵本科生跨學科、跨專業組建科研、競賽團隊，探索“科學基礎+實踐能力+人文素養”融合發展的培養模式;倡導以實驗課獨立設課為龍頭，不斷深化實驗課程體系。劉洪艷等[2]指出，專業綜合性實驗是地方本科高校實驗教學改革的標志性課程，開設綜合性實驗是擺脫實踐教學面臨困境的一種有效途徑。趙洪亮等[3]倡導資源共享和開放服務的實驗教學環境，建立現代化高效運行的實驗管理機制。朱蓮花等[4]指出，深層學習方式對提升大學生學習成果有重要作用。

眾多學者研究對象多是一本高校師生，針對師資力量與學生基礎有一定差距的普通二本院校研究很少;研究方法多是從培養模式、課程體系、教學環境等宏觀方面著眼，針對學生實驗操作方式的微觀層面很少提到;而微觀層面上的實驗操作效果好壞，依舊會影響整體教學效果。為此，本文立足河南城建學院道路工程實驗室，針對長期在本實驗室開設實驗課的土木工程、道路橋梁與渡河工程、交通工程、無機非金屬材料4個二本專業的學生實驗課上課情況，提出面向工科大學生的“非規范性實驗教學”模式，強調教師不能把實驗方案全包全攬，讓學生依葫蘆畫瓢，也不能讓學生漫無邊際地任意發揮;建議教師把控大方向，關注而非規定細節，倡導非規范性實驗教學。

一、嚴格按照規范操作必要性分析

實驗教學一般是依托實驗室、實驗設備、實驗材料等具體的教學平臺讓學生參與其中，具有較大的實踐性和操作性，學生可以參與整個或部分發散性的實驗過程。考慮到嚴謹性，實驗規程比較煩瑣，對于高校實驗員、助崗學生、實驗檢測中心的檢測員等其他行業的長期從事實驗操作的人員有一定的指導與約束作用，但是里面內容對于只涉及一次實驗操作的普通大學生來說約束性過大，過多的限制往往束縛了學生的靈活發揮。大學生本應有較大自主空間去動手實踐、操作并發現問題，利用已有的知識，動腦思考去解決問題。在這個過程中，學生思維的拓展能得到有效訓練[1]。實驗教學不是把學生培養成熟練的操作人員，而是作為一種平臺，讓學生對理論教學中的知識點進行實踐驗證與運用，以此拓展大學生創新與獨立思考的能力。

實驗教學的目的是保證在安全前提下，讓學生了解、熟悉某些知識，掌握某些技能。規范性實驗操作是人們在眾多實踐中摸索、總結出來的，是相對穩定、可靠的指導性文件，相當于權威，對于長期的從業者來說，需要熟練掌握并遵守。進入21世紀后，中國的高等教育已經慢慢由精英教育轉化為大眾教育，對于大量的只有一次短暫接觸的非一本普通大學生來說，規范性操作，只是機械執行，惰性難以督促其深入思考為什么。這樣的教學方式不利于大學生對知識、技能的吸收、轉化及創新。大學生對于非規范性的東西興趣往往高于規范性，規范性實驗教學對于大量非一本院校的學生而言必要性不強，效果也不理想。

二、非規范性操作存在分析

（一）客觀實驗條件并非十全十美

一些院校由于實驗場地、經費、時間等原因，某些教學實驗項目只是大體而非全部能滿足要求。長春工業大學王鑫[5]指出，高校實驗教學管理中存在配件儀器缺乏，配套設施不完善，實驗教學理念陳舊，缺少突破和創新的問題。實驗教學條件并非十全十美時，在保證安全的前提下，實驗教學依舊可以進行。

本實驗室在實驗教學環節中存在一些這樣的現象：1.嚴格執行規范有困難，實際操作與規范要求有一定的出入;2.規范沒有嚴格規定時，允許學生不按常規操作。以下列舉了本實驗室存在的三種非規范操作現象。灌砂法測路基壓實度，需要量筒向金屬標定罐里注水測定體積，實驗時采用直徑100mm的小型灌砂筒，用水量為1000多ml，1500ml以上的量筒一次注入量測即可，但有時候1500ml以上的量筒缺失（上組同學不小心打碎部分量筒）。集料篩分實驗時用到的天平：量程7kg以上，精度0.1g。有時實驗室存在的兩種天平：A精度0.1g，量程2kg（小量程高精度）;B精度10g，量程15kg（大量程低精度），均不能滿足要求。道路石油瀝青針入度實驗時，規范要求試件分別冷卻、保溫時間90min以上，實際操作時只能縮減冷卻、保溫時間，否則2學時（90～100min）內根本做不完。

（二）大量學生群體下非規范性操作總會發生

客觀環境完全符合實驗條件時，單個學生非規范操作的概率雖然很低，但每年有上千人次的學生從事實驗操作，總有部分學生我行我素，非規范性操作時常發生。為了減緩這種情況，實驗指導教師根據經驗和規范編制了指導書，要求學生提前熟悉，但是總有部分學生不認真學習，對教師現場講解的實驗步驟、注意事項也沒有仔細領會，在具體操作中以非規范操作形式顯現出來。在實際實驗教學過程中，非規范性實驗教學時常存在，很難避免。

三、非規范性操作影響分析

（一）不利影響分析

對工科大學生而言，開展的實驗教學項目絕大多數安全系數很高，做實驗的時候絕大多數大學生已經成年，有基本的常識與判斷標準;錯誤而非故意破壞式操作可能導致實驗失敗，實驗效果不理想，但一般不會對師生的安全產生多大影響。非常規性操作按其影響程度及能否采取補救措施分為兩類：1.明顯錯誤操作，對實驗結果有不可挽回的較大不利影響;2.忽視部分細節操作，可以采取補救措施，但對最終實驗結果的影響微乎其微。在實驗指導教師強調到位的情況下，出現第一種情況的概率極低;一旦出現，教師應及時收集、整理，分析原因，有針對性地講解給其他學生，避免類似錯誤發生。忽視部分細節的操作，對實驗結果的不利影響只是此次實驗結果不理想。許多工科實驗需要做平行實驗，這種影響可以通過再做一次實驗彌補，其他一些影響很多時候都有補救措施。

測路基壓實度實驗環節，需要通過量筒內前后兩次的數值差，確定倒出水的體積，最終確定標定罐的容積;讀數時，有最小值與最大值要求，部分學生倒水環節沒有控制好，超出了最小值的范圍。教師只是關注，沒有明確要求，學生最終自己想出了很好的解決方案：量取一定體積的水，加到超出最小值量程的量筒里，此時數值再減去剛剛加入的水體積值，便得到了量筒內原本無法讀出的數值。

前文提到的3個實驗問題，部分學生習慣性詢問教師此時該如何操作。筆者鼓勵學生自己想辦法解決問題。事實證明，學生通過自己的努力都很好地解決了問題：1.1000ml量筒注水時，分兩次注入，保證每次數值在可觀測范圍內即可;2.小量程高精度的A天平連續稱量2次以上即可;3.實驗條件的簡化思路，把冷卻、保溫時間壓縮到20分鐘左右。筆者在6年數百次實驗教學過程中，發現部分非規范性操作，都沒有安全隱患，對最終實驗結果也沒有多大影響。

（二）有利影響分析

非規范性操作下，學生常常會遇到問題，以問題為導向，通過努力與思考又解決了問題，這樣對學生的教育、啟發意義更大，學生感覺教學有更大的探索樂趣，便于提高學生的學習積極性。不留意間的非常規操作往往會打破原來一切井然有序的實驗環境，帶來意想不到的變化，這種變化會吸引學生的注意，增加學生的好奇心，迫使學生深入思考。同時，也為教師的教學、科研提供了不同視角。非規范性操作更能發揮學生的主體性作用，也更符合約爾·哈提倡的自我調節學習范疇[6]。

做灌砂法測路基壓實度實驗時，筆者總結出河南城建學院道路工程實驗室里標定的標準砂的密度在1.35～1.43g/cm3之間;部分學生量測計算測出來的結果在1.5g/cm3往上，絕大部分錯誤都是計算中砂錐的質量沒有相應減去，導致稱量砂的質量偏大，最終結果偏大。發現問題后，針對問題給學生講解清楚，讓這些學生重新計算，學生計算出來數值1.35～1.42g/cm3之間，學生印象特別深刻，效果很好。

筆者2013年9月入職，一直從事實驗室的管理及實驗教學工作。在2016前9月前，基本都是按照規范去準備材料及其他教學準備，實驗操作時也是自己大體講解并且給學生示范一遍，學生照葫蘆畫瓢進行實驗操作，隨后撰寫實驗報告。2016年9月后，筆者嘗試進行相應的教學變革。實驗操作時允許、鼓勵學生進行非規范性操作。對比之后，筆者發現后期的實驗教學效果明顯提升很多，主動提問的學生增加，學生之間的互動也有所增強，實驗報告內容更豐富。

為了進一步驗證分析這種效果，筆者在2018—2019下學期對0124161-2班路基路面工程課程中的實驗教學情況進行了驗證。該班105人，共4個學時2個實驗項目，每個實驗分為6批，每批17～18人，每批次又分為5組;每組3～4人。該班學生中的1、3、5批學生采用正常實驗教學，2、4、6批學生采用非常規教學。一學期下來總結發現，后者的實驗課程參與度明顯高于前者，實驗報告的優秀、良好比例亦高于前者。事后，筆者讓學生對實驗課滿意度進行評價，后者的滿意度95%，明顯高于前者的75%。

四、非規范性操作與快速變化的世界相適應

筆者在實驗教學過程中記錄了學生非規范性操作現象，時常與師生分享，并對這種現象背后的前因后果進行了深思。在人類及其他生物漫長的歷史活動中，非按部就班的“錯誤”操作——非規范性操作，其實一直存在，就像基因突變概率很低，但是總會發生一樣。許多科學創新都是需要奇思妙想，非規范性操作下很容易導致新情況產生，發現新情況、總結新規律找到合適的理論去解釋它，有益于科學精神的養成。

大學生已經具備獨立思考的意識與能力，其辯證思維活躍，嘗試探索新事物的好奇心比較大。盡管有一定的規則約束其行為，但是大量群體下不按常規操作的個體總會存在。

不盡善盡美的實驗條件反而有利于增加大學生的主觀能動性，迫使學生想辦法解決問題。在實際的工作、生活中，完全現成的各方面條件都滿足要求的很少，許多時候都需要發揮人的主觀能動性去解決一些問題，非常規性實驗教學可以對學生在某些方面進行適當訓練。面對最新的科技需求[7]，未來的從業人員必須具備打破常規的奇思妙想，這樣才能更好地解決各種難題。世界總是在不斷變化發展，其趨勢越來越快，高校應該有意識地培養大學生在這方面的適用性。非規范性操作極其有利于這些學生在以后的研究生深造及工作過程中探索創新，也有利于整個民族的科技創新。

五、非規范性操作注意事項

（一）務必保證安全

安全是實驗操作時的先決條件，是一切實驗教學的重點。近幾年來陸續有高校實驗室發生爆炸及其他事故，究其原因是操作人員對安全問題認識不足，可見，高校師生絕不能對安全問題麻痹大意。

規范性操作安全系數很高，非規范性操作的安全系數有所降低，務必引起師生的重視。鑒于此，對于高校實驗教學的非常規性實驗教學有幾點安全要求。

1.考慮到實驗教學相對于理論教學來說，安全隱患有所增加，必須要有一定實踐教學經驗的教師來擔任教學。2.組織相關教學、安全領域的領導、教師與學生代表進行討論，評估其風險性質及程度;提前預演，驗證其效果并提出相應的改進措施經同意后，才能實施。3.實驗任課教師對風險有基本的預估與判斷，并有應急預案。4.告訴學生要尊重事實，實驗教學環節不同于真正的科研，遇到非常規性操作，在實驗報告上如實記錄即可。本實驗室按照上述4點實施，3年多來進行了多次非常規操作，沒有出現安全問題。

（二）開放包容與鼓勵創新

非規范性操作形式往往比規范操作多，教師應盡可能地帶領學生嘗試一些不同的操作。對待非常規性操作，從學校到教師再到學生都應該是一種開放包容的心態，鼓勵創新，時時觀察分析操作步驟及其最終結果。許石青[8]鼓勵在學生的實驗方案、實驗過程中，將學生實驗過程中存在的創新思維和方案納入學生的實驗評價當中，指出在實驗過程中允許失敗、鼓勵失敗。

實驗失敗會引發學生對失敗問題的思考，這個過程是學生自主思考和解決問題的過程，有利于學生創新思維的發展。筆者在實驗過程中，發現許多學生提出了不同于規范的操作思路，筆者鼓勵其堅持自己的想法，有機會做大量的研究與分析，從而完善目前的相關規范。

六、結束語

非規范性實驗教學在工科大學生群體中有較好的運用前景，但是不同學科、專業及課程有各自的特點，需要慎重對待。中國制造業的強大需要大量奮斗在制造、科研一線可能面對各種問題的普通員工，提前讓他們在大學階段嘗試非規范性實驗教學，有利于其創新能力的培養及后期復雜問題的解決。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王寧章，賈歷程.發揮高校實驗室管理機構設置優勢加強實驗室工作[J].實驗技術與管理，2016（3）：1-4.

[2] 劉洪艷，徐仰倉，王振乾，等[J].大學生創新訓練計劃對專業綜合實驗教學改革的影響[J].高等農業教育，2016（6）：87-89.

[3] 趙洪亮，李建東，劉江，等.國家級實驗教學平臺共享模式探索與實踐：以國家級糧食作物生產實驗教學中心為例[J].沈陽農業大學學報（社會科學版），2017（2）：205-209.

[4] 朱蓮花，張聰，楊連生，等.大學生感知的課堂環境、學習方式對學習成果的影響研究[J].大連理工大學學報（社會科學版），2019（5）：114-120.

[5] 王鑫.高校實驗教學管理現狀及對策研究[J].課程教育研究，2018（49）：230-231.

[6] 約爾·哈等.自我調節學習：概念框架變化和新范式、技術系統及教學支持的愿景[J].數字教育，2018（4）：1-10.

[7] 中國科協發布2019重大科學問題和工程技術難題[J].科技傳播，2019（14）：10.

[8] 許石青.基于高等院校實驗教學的大學生創新思維的培養[J].教育教學論壇，2018（49）：271-272.

[責任編輯：陳 明]