新工科背景下設計性實驗質量提升的探索

夏侯國偉　張曉烽　張　巍

新工科背景下設計性實驗質量提升的探索

夏侯國偉張曉烽張巍

（長沙理工大學 能源與動力工程學院，湖南 長沙 410114）

針對目前設計性實驗質量不佳的現狀，以及設計性實驗對整個實驗教學效果的重要影響，本文提出提高設計性實驗項目“三性”（工程實踐性、時效性及交叉融合性）的改革思路。繼而分析討論了四種可以提高“三性”的方法，以及三種保持設計性實驗教學質量的輔助措施，為檢驗所提改革思路與措施對實驗教學的促進作用，筆者在實驗教學中對這些改革舉措進行了應用，獲得了良好的效果，探索表明，本文的研究內容對提升設計性實驗的質量，促進新工科背景下實驗教學的改革具有很好的參考意義。

新工科；實驗教學；設計性實驗；改革

為適應新一輪科技革命、產業變革及創新驅動發展的需要，以2017年2月18日在復旦召開的高等工程教育發展戰略研討會[1]為標志，教育部吹響了全國工科院校進行新工科建設的號角，開啟了工程教育改革的新征程。隨著復旦共識[1]、天大行動[2]、北京指南[3]的發布，全國工科院校掀起了傳統專業改革重生、新興專業規劃設置[4]的建設高潮，新工科建設正式鋪開。

建設新工科，傳統專業是改革的重點，作為專業建設的重要組成部分，實驗教學必須予以充分重視。眾所周知，實驗教學中設計性實驗角色非常關鍵，尤其是在建設新工科的當下。設計性實驗涉及多課程、多維度、多學科的交叉融合，更能激發學生的學習積極性、主觀能動性、創新創業意識和工程實踐意識，也非常有利于培養學生的綜合素質與工程實踐能力，從而達到培養面向工程實踐、面向未來、面向產業甚至引領產業的，具有交叉復合知識、較高綜合素養、較強工程實踐能力的卓越工程技術人才的目的，為國家科技進步與社會發展提供有力支撐。

為此相關高校對設計性實驗的設立做了不少探索。如吳寧等[5]依托虛擬實驗教學平臺，給學生開設設計性實驗，不僅提高了學生學習興趣，還能增強其科研能力和探索精神。黎明[6]針對電工電子學課程，提出教師為學生創設由淺入深的實驗教學的真實情境，在眾多知識點處通過一系列的設計性實驗，引導學生在“做中學”，經過循序漸進的良性循環，激發學生的創新潛能。白曉艷等[7]以分析化學實驗教學為例，對分析化學實驗課程中開展學生自選題設計性實驗進行了探索，論述了在教學過程中加強選題指導、方案設計、過程把控等環節對提高學生發現、分析、解決問題的能力及自主學習能力的作用。

上述從平臺或課程角度切入對設計性實驗項目開設進行的探索，有其價值，但客觀講還欠缺更高層次的思考與探索，如果能從方法論的角度對其進行探索，無疑將更具普遍意義和應用價值。

目前，能動類專業設計性實驗的開展還很薄弱，以長沙理工大學能源與動力工程學院為例，雖一直宣揚要重視設計性實驗，但實際情況仍很難令人滿意，如現在開出的104項實驗項目中，演示4項、驗證16項、綜合82項、設計性2項，而設計性項目僅占2%，且其內容與新工科強調的工程實踐及學科融合的要求存在很大差距。

基于新工科建設要求及設計性實驗現狀，容易得知，目前設計性實驗的質與量都與新工科的要求相差甚遠。要改變現狀，關鍵是要提高設計性實驗的質量。思考認為設計性實驗的質量高低應由其“工程實踐性、時效性及交叉融合性”來決定，為方便起見，將其稱為“三性”。顯然，要提高設計性實驗的質量就必須提高設計性實驗項目的“三性”，“三性”越高質量越好，這就是本文所述提升設計性實驗的改革思路。

1　造成設計性實驗落后的原因分析

為有效提高設計性實驗項目的“三性”，必須分析設計性實驗落后的原因。長期以來我國工科教育遵循的是“科學范式”，致使工科教育理科化，工程教育與工程實踐及產（企）業間出現隔閡，破壞了理論與實踐的平衡[8-10]。另外，蘇聯模式的專業設置致使專業細分，使學科交融變得很難。實驗教學受此二者的影響與約束，導致與工程實踐的契合度變差，學科交叉的融合度變低，嚴重制約了實驗教學的功能發揮。

由此易知，能否提煉出“三性”突出的設計性實驗項目，對實驗教學的改革關系重大，這也是本文研究的目的所在。

2　提煉“三性”突出的設計性實驗項目的方法

由上可知，要提高設計性實驗的質量，關鍵在于提高“三性”，具體就是要讓設計性實驗能緊密聯系工程實踐、能及時反映新技術新方法、能較好融合不同學科知識。根據多年對實驗教學改革的思考和教學經驗的積累，筆者認為應從本科畢業設計、教師科研、研究生畢業論文及學科競賽切入，采用濃縮、簡化、抽象、歸納的方法手段，能凝練出高“三性”的設計性實驗項目，此乃提煉“三性”突出的有效方法，具體論述如下。

2.1 從本科畢業設計中提煉

本科生畢業設計（論文）是培養學生綜合運用所學基礎理論、專業知識和基本技能，分析與解決實際問題的能力，使學生得到從事實際工作所需的基本訓練和進行科研工作的初步能力。從培養目的看，畢業設計環節著重知識的綜合運用及實際問題的解決。作為工科院校，大部分畢業設計題目都涉及實驗研究工作，具有一定的綜合性和知識交叉性。為此，可從那些完成質量高，榮獲院、校優秀畢業設計的論文中進行篩選，選擇一些與工程實際聯系緊密、知識交叉明顯、與專業課程相關度高的畢業設計，對其進行相應的歸納整理與提煉，提煉時可特意保留或設計一些多學科知識融合交叉及與工程實際相結合的環節，以使學生能充分了解該實驗在工程實際中的作用，提高學生選擇及完成該實驗的積極性。

2.2 從教師科研課題中提煉

工科院校中，眾多教師都在積極申報各類政府資助項目或企業技術合作項目。前者為縱向項目，后者為橫向項目。縱向注重工程應用中的物理現象機理研究，以解決工程中的科學問題，強調研究的創新性和共性問題解決，思維多元、視覺寬廣、知識融合度高，知識層次顯著高于本科教育的水平，對此可在保證“三性”基礎上，簡化實驗過程，摘取部分實驗來形成設計性實驗。橫向則注重生產過程中的技術進步與實際問題解決，強調的是技術與方法的先進性，與本科教育的層次更為接近，同時也與工程實際直接相關，為此可以從中選擇一些便于抽象濃縮的實驗來形成設計性實驗。相對而言，橫向項目更適于本科設計性實驗項目的轉化提煉。通過教師科研課題提煉的實驗項目，其工程實踐性、時效性和交叉融合性明顯，是提高設計性實驗教學品質的有效途徑。

2.3 從研究生畢業論文中提煉

隨著碩士研究生招生人數的增加，每年有相當數量的碩士畢業論文要完成。碩士論文在100%盲審、小于15%重復率及強調創新的氛圍下，研究生們往往在導師的指導下，需要查閱大量國內外研究背景，才能提煉出具有明顯創新、跨界融合，及有現實意義的研究課題，然后展開研究，其中大部分題目含有實驗內容?；诖?，如能對那些盲審評價高，或榮獲校、省級優秀碩士論文的相關實驗進行提煉，容易獲得工作量適中、過程完整的實驗內容，然后將其轉化為設計性實驗項目。顯然，對碩士研究生畢業論文進行提煉是設計性實驗項目的一個非常有價值的來源，值得很好重視和加以利用。

2.4 從學科競賽中提煉

以能動類專業為例，能動類學生參加的全國性學科競賽主要有，“全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”（以下簡稱“節能減排大賽”）和“挑戰杯”系列競賽。兩項大賽都是“國賽”，層次高、影響大，尤其是前者，深受能動類學生青睞，每年都有大量學生報名參加，且競爭頗為激烈。現以“節能減排大賽”為例，簡介學科競賽項目轉化為設計性實驗項目的可行性?！肮澞軠p排大賽”基于增強大學生節能環保意識、科技創新意識和團隊協作精神的目的，非常重視學生的創新設計能力和工程實踐能力，其中實物性作品必須要有實驗驗證。對于既要求創新又要求實驗驗證的作品，其實驗過程往往非常精彩和別出心裁，且思維層次思維特征較符合大學生胃口，對大學生而言有較天然的親近感，鑒于此，如能對那些經歷了全國性網評、會評的獲獎作品，作進一步的整理完善，很可能會產生頗具價值的設計性實驗項目。

3 保持設計性實驗教學質量的輔助措施

基于設計性實驗需滿足工程實踐性、時效性和交叉融合性的要求，為保證設計性實驗的教學質量，在教學實施過程中顯然需要采取一些有針對性的輔助措施，具體措施如下所述。

3.1 項目的及時更新

既然設計性實驗要有時效性，要及時反映新技術、新方法，則這類實驗項目就應保持適度的更新頻率，以使項目保持新鮮活力，防止其滯后于社會與工程實踐的發展變化，以便學生接觸新知識，掌握工程技術的新動態。

3.2 實驗指導書的綱要式編寫

設計性實驗指導書應與驗證性、綜合性實驗不同，其內容宜粗不宜細，以防出現“按圖索驥”的機械性實驗，因此，設計性實驗的指導書只能綱要式編寫，重點放在明確實驗目的、提出實驗要求，及安全事項的提示上，實驗的原理、方法可由學生自行思考確定。如此，可更好地培養學生與工程實踐相結合的意識，引導學生加強交叉學科的學習與思考，促進學生工程意識與綜合能力的提高。

3.3 實驗方案事前撰寫

為使學生能順利完成設計性項目的實驗過程，保證實驗教學有序進行，有必要要求學生進行事前預習并撰寫實驗方案，這樣做既可以保證教學進程，也可以保證教學質量，還能培養學生良好細致的工作作風，有利于其未來的工程實踐。

4 實踐效果

為檢驗本文所述設計性實驗教學改革的效果，筆者選擇一個“節能減排大賽”國賽二等獎項目“聚光光伏電池散熱用板式脈動熱管散熱器研發”，對其進行了設計性實驗項目的提煉，提煉后的實驗名稱為“具有脈動特性的相變傳熱性能實驗”。該實驗項目結合了光伏發電、太陽能、相變傳熱及工程應用，較好體現了設計性實驗項目的“三性”。當學生了解到該實驗可應用于熱門的太陽能光伏發電的芯片冷卻及高熱流密度芯片的散熱冷卻時，都表現得特別興奮，為順利完成實驗積極主動地去查閱資料，并認真撰寫實驗方案，實驗完成后，不少同學表示新實驗很有趣，不僅能開闊眼界、學到新知識，還能獲得很好的動手動腦機會，收獲很大，并希望未來能有更多的機會參與到類似的實驗研究與實驗教學中去。

5 結 語

基于新工科背景下設計性實驗對實驗教學的重要作用，提出了“三性”決定設計性實驗質量的論斷，討論了提煉“三性”突出的設計性實驗項目的四種方法及確保設計性實驗教學運行質量的三個輔助措施，并在實驗教學中對這些改革進行了應用與驗證，結果表明：本文所研究的方法對提煉“三性”突出的設計性實驗項目有十分良好的效果，所做研究是對新工科背景下工科院校實驗教學改革的一種有益探索。

[1]教育部高等教育司.“新工科”建設復旦共識[EB/OL]. (2017-02-23)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建設行動路線（“天大行動”）[EB/OL].(2017-04-12)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.新工科建設形成“北京指南”[EB/OL].(2017-06-10) [2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201706/t20170610_306699.html.

[4]教育部.我國工程教育邁入全球“第一方陣”[EB/OL]. (2018-09-27)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/201809/t20180927_350082.html.

[5]吳寧,胡欣,吳遵秋,等.基于虛擬仿真平臺引入綜合性設計性實驗項目[J].實驗技術與管理,2017,34(4):6-8.

[6]黎明.設計性實驗教學的研究與實踐[J].實驗技術與管理, 2012,29(4):245-247.

[7]白曉艷,張春生.新建地方本科院校學生自主選題設計性實驗教學研究[J].實驗技術與管理,2013,30(11):162-165.

[8]葉民,孔寒冰,張煒.新工科:從理念到行動[J].高等工程教育研究,2018(1):24-31.

[9]王武東,李小文,夏建國.工程教育改革發展和新工科建設的若干問題思考[J].高等工程教育研究,2020(1):52-55,99.

[10]鄒曉東,李拓宇,張煒.新工業革命驅動下的浙江大學工程教育改革實踐[J].高等工程教育研究,2019(1):8-14,33.

G640

A

1673-2219（2021）03-0102-03

2021-02-26

長沙理工大學校級教改項目（項目編號XJG20-107）；湖南省教改項目（項目編號HNJG-2020-0273）；2019年長沙理工大學教改項目（No.69）。

夏侯國偉（1963－），男，江西宜春人，碩士，副教授，研究方向為高效傳熱傳質。張曉烽（1988－），男，湖北石首人，博士，副教授，研究方向為分布式能源系統集成與優化。張?。?974－），男，湖南常德人，博士，講師，研究方向為高效清潔能源利用及污染物控制技術。

（責任編校：宮彥軍）