創新研究性實驗教學模式提高解決復雜工程問題能力*

馬小玲 譚宏斌 （西南科技大學材料學院）

2016 年教育部評估中心發布的《中國高等教育質量報告》和2017 年“新工科”計劃等重大戰略部署中，指出我國工科生應具備的工程教育的核心能力——創新和解決復雜工程問題的能力嚴重不足。本科生在校期間的實驗模塊設置是此項綜合能力獲得培養的主要載體和形式之一。而現有的實驗環節有諸多不完善和急需改進之處。本文結合專業實驗體系，對如何提高本科生工程教育的核心能力進行探討。

一、傳統的專業實驗課程設置

專業實驗課程是專業理論課程的補充，同時也是理論的有效驗證方式之一。從抽象理論到實際實驗操作可以為后續生產實習和畢業設計的展開打下實踐能力基礎。但是，目前很多高校人才培養體系中，實驗課程設置傳統保守，典型實驗設計就是指導教師講解實驗原理、實驗儀器、實驗步驟，學生完全是出于被動地位的照搬操作，傳統模式很難激發學生的專業興趣，從而限制了學生的主動探索和創新思維精神，制約了解決復雜工程問題能力的提升。因此，為適應工程教育專業認證和“新工科”計劃新要求，以實驗課程項目為主線，培養學生創新協作精神、提高解決復雜工程問題能力的教學設置改革勢在必行。而實踐過程中，研究性實驗學習模式的創建是培養學生復雜工程問題解決能力的核心要素。實驗項目的設置要以解決問題為切入點，激發學生對問題的興趣和探索激情，通過團隊合作交流分析和解決問題，提高綜合素質。這是與傳統驗證性實驗本質區別所在。

二、基于解決復雜工程問題的實驗教學設計

（一）實驗項目開發

復雜的工程問題，并不一定是在技術層面復雜難解，更多的是多方紛雜的因素，多學科領域的知識摻雜在一起，構成以往未曾出現的場景或者不常見的問題，沒有成熟的解決方法和標準。工程教育培養的目的就是需要學生能在復雜問題中找出平衡的解決方案。

解決問題的能力主要通過開設專業性的知識教學和實踐來加以培養，但很多高校的實踐環節由于輔助條件有限，很難搭建一個能夠覆蓋工程全流程環節的實踐平臺。所以，依據學校自身條件和工程能力培養要求，專業實踐環節的設置要盡可能創造出能讓學生從基本原理出發，通過抽象的、創造性的分析和合適的建模，超越現有技術標準、質量要求和操作規程，從新的角度、采取新的技術路線和工程方法去解決問題的真實完整的工程場景環境。為研究性實驗學習模式的展開創造條件。

以本校“無機非金屬綜合實驗”課程為例，課內所開設的水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性及膠砂強度測試都屬于驗證性實驗，可以加深學生對課程學習內容的理解和應用，實現專業上基本動手能力的培養；混凝土配合比設計及拌合物性能測試屬于綜合實驗，可以加深學生對課程多個知識點的綜合理解和應用，加強問題解決能力的培養。上述實驗項目都是傳統水泥基材料設計與基本性能的檢測，都屬于材料的常規制備方法及設計手段，實驗項目中包含復雜工程問題屬性不高，學生對實驗項目本身的興趣點不高。在本專業通過工程認證后，為了從專業實踐環節落實學生解決復雜工程問題能力培養的目標，將增材制造新技術（水泥基材料的3D 打印）實驗作為儲備項目，將次研究性實驗項目作為有效載體，使學生通過知識、技術、方法的綜合應用，提高學生利用所學專業知識設計新方法、制備新材料的創新能力，實現體驗復雜工程構建的經歷。

3D 打印混凝土及砂漿作為一種新型成型技術，在原材料的選擇、配合比設計和配制理論、外加劑的使用等方面都突破了現有的工程實踐標準和規范，實驗項目中涉及材料、設備和軟件多學科方向的知識點，問題本身具有諸多不確定性因素，已有的工程問題解決方案參考和借鑒價值小。引入水泥基材料3D 打印實驗項目，恰恰能夠依托上述問題，通過提升實驗課程高階性、突出課程創新性、增加課程挑戰度，從而使研究性實驗項目在課內實驗中得以實施，學生的創新思維、原創性分析、抽象建模等解決前沿性復雜工程問題的能力得以培養。

通過課內研究性實驗項目的學習，還可以提高學生參與科技競賽創新活動的積極性和自信心，而這類活動具有明顯的學科交叉性、綜合創新性，而且需要學生在相對獨立的情況下，完成團隊建立、自主選題、自行設計方案，對于學生綜合創新和解決復雜問題能力的提升有很大的促進作用。研究性實驗項目的開發使專業課內實驗同時具備了開放創新、項目實踐、創新創業和科研訓練的性質，集“專業實踐能力、工程實踐能力、創新實踐能力”的培養于一體。

（二）教學活動設計

任何一個好的教學項目實施，都離不開科學合理的教學設計，研究性實驗項目的實施要摒棄傳統老師講解演示，學生照搬操作的灌輸式實驗模式，強調要采用導學互動式的教學方法。具體實施步驟如下：

教師首先發布實驗任務，任務來源可以是多方位的，學生根據興趣和自身專長選擇實驗任務，自行組隊（4～6 人為一組），指導教師啟發學生自主設計實驗方案。而后通過師生互動和生生互動討論確定方案，方案的確定要經過簡要的論證答辯環節。設計此環節的主要目的是，檢驗學生在實驗方案設計前期自主查閱文獻能力、解決復雜問題的全局判斷力，溝通表達能力。為后面畢業設計環節的順利展開奠定基礎。接著在教師指導下完成實驗，在前期實驗設計和實施實驗的過程中，學生會了解新技術、新方法在工程應用方面的優越性，既可以拓寬學生的創新思維，又能使學生充分體會到嚴謹的科研思維和邏輯推理在實驗設計中的重要作用，將科研項目類的實驗任務引入實驗課堂，更能激發學生的興趣點和科研熱情，吸引學生主動走進實驗室，為培養學生的科研素養創造了環境條件。最后，學生分析總結實驗設計與結果，并在教師指導下總結改進措施。真正實現OBE 理念中以學生為主體的變教為導、以導促學、學思結合、導學互動的實踐模式。

從實驗任務發布開始到實驗結果的分析與總結全過程中，教師都要進行過程評價，因為過程評價可以促使學生對學習過程的重視和投入，另外可以及時發現實驗設計方案中的問題，隨時溝通調整，鼓勵和支持學生創新性地解決問題，改善學習效果。過程評價中還應注意小組中成員分工與合作情況，依據貢獻大小給予過程評分。在整個教學環節的實施過程中，教師不再是單一的知識傳授者，更主要的是做啟發學生自主探索，解決問題的引導者和支持者。

另外，實驗指導教師應將實驗項目進行過程中學生遇到的典型理論知識瓶頸案例總結反饋至理論課教師，通過交流溝通，提出改進方法，做到理論與實踐協同發展。學生創新與解決復雜工程問題能力培養可以持續改進。促進理論課教師與實踐教學教師的相互交流，形成兩類教師參與學生培養的協同效應。

研究性實驗教學項目的實施是實驗教學改革發展的必然趨勢，既要求學校配套足夠的教學資源輔助該實驗改革的進行，還要求指導教師要有扎實的工程技術能力和先進的教育理念和模式，學生要掌握基本的理論知識和實驗操作，才能最大限度發揮出研究性實驗項目對學生創新和復雜工程問題解決能力的培養。