實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)與創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑探討

周 鑫 任曉蕾 王林峰 謝 濤 李修磊

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；2.重慶工商大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，重慶400067）

0 引言

隨著我國“人口紅利”的逐漸消失，將會(huì)對(duì)未來經(jīng)濟(jì)增長潛力造成壓力。根據(jù)相關(guān)研究表明，未來經(jīng)濟(jì)增長對(duì)科技創(chuàng)新的依賴越來越強(qiáng)[1]。而科技創(chuàng)新必然離不開創(chuàng)新型人才。有報(bào)道指出，過去我國經(jīng)濟(jì)增長相當(dāng)一部分來自知識(shí)與技術(shù)的全球化遷移。而如今，國際技術(shù)遷移紅利不斷衰退，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)生產(chǎn)率邊際遞減，產(chǎn)生教育內(nèi)卷化[2]。人才的創(chuàng)新能力對(duì)未來社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)推動(dòng)必將產(chǎn)生重要貢獻(xiàn)。因此，如何培養(yǎng)人才的創(chuàng)新能力顯得迫在眉睫。特別是對(duì)于大學(xué)教育，有必要探索如何將創(chuàng)新能力的培養(yǎng)融入教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)中。

在重慶交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)的課程體系中，諸如工程地質(zhì)與水文地質(zhì)勘察、巖石力學(xué)等課程均為實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，其中實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論聯(lián)系實(shí)踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)學(xué)生的綜合素質(zhì)培養(yǎng)和提高有重要意義。但是，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式普遍存在實(shí)踐環(huán)節(jié)薄弱，教學(xué)內(nèi)容狹窄、觀念落后，教學(xué)方法、手段單一等問題，通常難以滿足社會(huì)對(duì)工程應(yīng)用型創(chuàng)新人才的要求[3]。為了改善這些問題，王述紅等[4]把巖體建模仿真技術(shù)引入巖石力學(xué)課程教學(xué)中，通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)了許多物理實(shí)驗(yàn)不能觀察到的現(xiàn)象；蔡國軍等[5]針對(duì)巖土工程勘察課程，采用項(xiàng)目式驅(qū)動(dòng)讓學(xué)生結(jié)合課堂所學(xué)理論掌握各種實(shí)驗(yàn)手段，熟習(xí)巖土工程勘察各種設(shè)備的原理、構(gòu)造及常見故障的排除。殷亞軍[6]指出巖土工程勘察課程實(shí)踐教學(xué)中應(yīng)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)、提升實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)、優(yōu)化課程設(shè)計(jì)環(huán)境及產(chǎn)學(xué)研合作。宋盛淵等[7]基于工程地質(zhì)勘察課程存在的問題，提出開展混合式的課堂教學(xué)模式、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建多元化的工程教育實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的全面教學(xué)改革。綜合上述研究，以往在教學(xué)實(shí)踐方面對(duì)人才的培養(yǎng)多集中在融入新技術(shù)、優(yōu)化課程內(nèi)容、豐富實(shí)踐環(huán)節(jié)等手段，多關(guān)注對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的使用原理、構(gòu)成、操作及數(shù)據(jù)處理等方面的教學(xué)，而忽略了設(shè)計(jì)與發(fā)明實(shí)驗(yàn)儀器本身亦可服務(wù)于人才培養(yǎng)的育人途徑。

基于對(duì)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察、巖石力學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的改革，本文提出一種對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的人才培養(yǎng)方案，其主要步驟為：第一，集思廣益，即在教學(xué)實(shí)踐中集思廣益，征集學(xué)生們的設(shè)計(jì)思想；第二，專家評(píng)議，即征求校內(nèi)外專家的建議，對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)圖紙及設(shè)計(jì)理念進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)選出切實(shí)可行的方案；第三，綜合各方建議，師生共同完成對(duì)儀器設(shè)計(jì)圖紙的修正與完善。該方案在鞏固學(xué)生理論知識(shí)基礎(chǔ)上，可激發(fā)學(xué)生的發(fā)明與創(chuàng)造力，服務(wù)于地質(zhì)工程、水利工程及土木工程等專業(yè)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要環(huán)節(jié)[8]。傳統(tǒng)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師通常受限于授課時(shí)間或課時(shí)不足，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上會(huì)更多關(guān)注如何使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)及原理、如何操作某種儀器設(shè)備以及如何對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等方面內(nèi)容。通常容易缺乏針對(duì)某種實(shí)驗(yàn)所需的特定儀器設(shè)備研發(fā)與設(shè)計(jì)講解與啟發(fā)，即“為何要這樣設(shè)計(jì)？”“這樣的設(shè)計(jì)是否最優(yōu)？”。但是這方面知識(shí)培養(yǎng)的不足容易導(dǎo)致培養(yǎng)出的人才更多是儀器的操作工，而非儀器的掌控者，即“知其然而不知其所以然”。此外，當(dāng)前高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展迅速，亟須設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)、新設(shè)備，而實(shí)驗(yàn)室又受到人力有限等因素的限制，難以滿足這種發(fā)展需求。因此，有必要通過創(chuàng)新化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。在此方面，管新蕾等[3]結(jié)合流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革實(shí)踐，探討了改進(jìn)自制流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備對(duì)提升大學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的作用。該案例有效展示出儀器設(shè)計(jì)方向的學(xué)習(xí)與操作對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面有著巨大潛力。

因此，本文結(jié)合重慶交通大學(xué)地質(zhì)工程、土木工程等專業(yè)中工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察、巖石力學(xué)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，提出一種對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的人才培養(yǎng)方案。巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度測試裝置是地質(zhì)工程、水利工程、土木工程等專業(yè)均涉及的巖體力學(xué)測試裝置。特別是當(dāng)今我國大型基建工程的發(fā)展，無疑在公路、隧道、鐵路建設(shè)中會(huì)碰到受巖體結(jié)構(gòu)面控制的巖體結(jié)構(gòu)。但是學(xué)生在這一部分的實(shí)踐學(xué)習(xí)中尚不完善。新時(shí)代人才培養(yǎng)不能只停留在理論上，有必要培養(yǎng)學(xué)生們與時(shí)俱進(jìn)的動(dòng)手能力。開展巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度測試裝置設(shè)計(jì)的教學(xué)方案主要基于以下三方面：

1.1 社會(huì)需求

隨著行業(yè)發(fā)展，研究內(nèi)容逐漸精細(xì)化，以往對(duì)巖石整體力學(xué)性質(zhì)的研究已經(jīng)持續(xù)多年。隨著理論認(rèn)識(shí)的加深，巖體結(jié)構(gòu)面成為制約裂隙巖體穩(wěn)定的控制性因素。因而對(duì)結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究顯得尤為重要。學(xué)生們掌握該方面實(shí)驗(yàn)技能可以增強(qiáng)自身學(xué)習(xí)能力水平、豐富實(shí)踐知識(shí)。

1.2 教學(xué)科研需求

教學(xué)科研不分家，沒有科研的教學(xué)不能與時(shí)俱進(jìn)，沒有教學(xué)的科研脫離了教書育人的根本。當(dāng)前科研項(xiàng)目中多會(huì)遇到巖體力學(xué)性質(zhì)的研究，其中迫切需要解決結(jié)構(gòu)面的力學(xué)特性測試，進(jìn)而服務(wù)社會(huì)。在教學(xué)中，以往僅對(duì)結(jié)構(gòu)面理論知識(shí)進(jìn)行講解，但是無法豐富學(xué)生們對(duì)結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)需求。

1.3 學(xué)生需求

學(xué)生們在聽實(shí)踐性很強(qiáng)的理論內(nèi)容后，若沒有實(shí)踐經(jīng)歷，通常容易忽略或者很快忘卻所學(xué)的知識(shí)。而學(xué)生們?nèi)粲H自參與設(shè)計(jì)，通過“自我學(xué)習(xí)→發(fā)現(xiàn)問題→解決問題”的方式加入理論知識(shí)的學(xué)習(xí)中無疑會(huì)加深學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。有助于學(xué)生理論、實(shí)踐及創(chuàng)新水平的提高。

2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)方案

實(shí)踐教學(xué)體系的改革，不僅要更新人才培養(yǎng)觀念，更要加強(qiáng)與之相應(yīng)的課程體系改革[9]。針對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度裝置設(shè)計(jì)的教學(xué)方案，更加突出“以學(xué)生為中心、教師專家指導(dǎo)為輔助”的培養(yǎng)模式，注重培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、交流探討、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。具體方案可以分為如下三方面：

2.1 集思廣益

由教師提出巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度裝置設(shè)計(jì)需求和背景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。以小項(xiàng)目、小團(tuán)隊(duì)的形式引導(dǎo)學(xué)生分組查閱資料并探討儀器設(shè)計(jì)的思路。使每組學(xué)生都能充分根據(jù)理論知識(shí)和設(shè)計(jì)背景發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)計(jì)背后的原因，挖掘儀器設(shè)計(jì)存在的問題或不足，進(jìn)而通過討論、論證形成自己的觀點(diǎn)。以小組為單位，征集學(xué)生們的設(shè)計(jì)思想，通過專業(yè)教師指導(dǎo)進(jìn)行評(píng)價(jià)、反饋與修正，形成思想上的集思廣益。這一過程不僅是對(duì)課堂理論教學(xué)的檢驗(yàn)，同時(shí)也是學(xué)生拓寬知識(shí)的機(jī)會(huì)，達(dá)到一箭雙雕的作用，一方面鞏固了學(xué)生課堂所學(xué)，另一方面培養(yǎng)了學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。

2.2 專家評(píng)議

組織校內(nèi)外專家對(duì)征集來的儀器設(shè)計(jì)方案通過小組答辯的形式進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)各小組設(shè)計(jì)方案進(jìn)行社會(huì)需求性評(píng)價(jià)、創(chuàng)新性評(píng)價(jià)、可行性評(píng)價(jià)、方案優(yōu)劣系統(tǒng)性總結(jié)，最終通過上述指標(biāo)對(duì)各組設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)分，并反饋修正建議。這一過程是師生思想碰撞的重要環(huán)節(jié)，通過有經(jīng)驗(yàn)的教師對(duì)各種設(shè)計(jì)方案提出修正建議能夠充分保障學(xué)生設(shè)計(jì)的儀器符合社會(huì)需求及理論可行，而小組通過聽取專家建議能夠深化對(duì)設(shè)計(jì)儀器的了解，以此形成師生共進(jìn)的良性循環(huán)。

2.3 綜合各方建議

各小組根據(jù)專家反饋的建議進(jìn)行改進(jìn)，重新總結(jié)好設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣及適用范圍，通過與指導(dǎo)教師溝通，師生共同完成設(shè)計(jì)方案。最后，通過專家評(píng)審，對(duì)修正后能夠達(dá)標(biāo)的方案再次評(píng)分，綜合第一次專家評(píng)議結(jié)果評(píng)選出優(yōu)秀設(shè)計(jì)方案。該階段是學(xué)生不斷吸收專家思想持續(xù)自我改進(jìn)的過程，也是學(xué)生與專家思想碰撞的過程，通過這一過程的訓(xùn)練，小組成員均可獲得創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力、辯證思維能力的鍛煉。

3 結(jié)語

綜上所述，本文從實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)的角度探討了一種創(chuàng)新人才培養(yǎng)途徑的可能性。以學(xué)生為中心，以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，通過師生共同參與設(shè)計(jì)巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度測試裝置的教學(xué)方案，采用集思廣益、專家評(píng)議、綜合各方建議等方法，借助教師及專家的逐步引導(dǎo)與過程管控，鍛煉了學(xué)生“自我學(xué)習(xí)→發(fā)現(xiàn)問題→解決問題”的水平，不僅鞏固了課堂理論知識(shí)，而且培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力、思辨水平、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、以及理論與實(shí)踐相結(jié)合能力?？梢宰鳛橥晟茖?shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一部分內(nèi)容。