新工科背景下創新及設計性實驗模式改革研究

韓海燕 閆永亮

（1.河北工程大學數理科學與工程學院 河北·邯鄲 056038；2.河北工程大學信息與電氣工程學院 河北·邯鄲 056038）

0 引言

當今高校理工科課程的課程設置中，有很多課程為了加深學生對理論知識的理解，都會適當的開展一些實驗課程。但是這些實驗課程的上課模式基本上都是固定的，甚至很多課程的所開設實驗題目或項目很多年來都是一成不變的，實驗設備和實驗指導書基本上更新換代的頻率也較小，這在很大程度上限制了學生對相關領域的最新研究及應用的了解，是的學生所學的知識與實際應用脫節。

而我國在新的科技革命與產業變革契機下提出了“中國制造2025”等一系列國家創新戰略[1]。為響應國家的創新發展戰略，教育部從2017年2月以來，積極推進新工科建設工作[2]，并發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》，積極響應國家的創新計劃[3]，全力促進高等教育的創新和發展[4]，旨在培養能夠對科技發展前沿有較清晰了解并擁有一定工程實踐能力的理工類本科生。

因此在開展新工科研究與實踐的背景下，高校中實驗課程的設置的目的和要求就不能僅僅停留在對理論知識進行驗證的基礎上[5]，而是需要對實驗課程的教學模式進行創新性和設計性的改革，充分發揮實驗課程在新工科教育中的積極作用[6]。因此在本科生實驗課程開展時要時刻保持教學內容與學生的自主創新相聯系[7]，特別是在國家全面深化高校創新創業教育改革[8]，普及創新創業教育的背景下，充分利用實驗平臺和實驗設備，培養學生的創新思維和設計能力，將理論知識和實際應用相聯系顯得尤為重要。

1 本科生實驗課程中的常見問題

1.1 實驗課程目的性單一

目前大部分高校中的實驗課程的設置僅僅在于對相應理論課程的知識驗證，或者是對于某種實驗方法的實際操作。其目的僅在于理解和鞏固課堂知識，因此這種驗證性實驗的實驗目的單一。

1.2 實驗項目不夠靈活

鑒于理工類本科生的課程設置特點，很多課程屬于多學科的必修課，但是這些課程部分授課專業，采用同一種實驗題目進行教授。比如很多理工類的本科專業都會開設《單片機技術及應用》這一門課程，雖然不同的專業在整體知識構架和就業領域都有很大的不同，但是《單片機技術及應用》這一課程的實驗內容并沒有根據相應的專業進行調整。這樣的實驗課程或實驗項目的設置沒有根據專業性來設置，缺乏課程設置的靈活性。

1.3 實驗課程缺乏創新和設計能力的培養

由于傳統教學模式的影響，很多實驗課程中的實驗項目一成不變，實驗內容老套死板。每一屆的學生都在同一型號的實驗平臺上操作同樣的實驗儀器，參照同樣的實驗指導書做同樣的實驗項目，根據同樣的實驗原理測試相似的實驗結果和數據。這樣的實驗課程沒有注入創新的活力，學生刻板的學習和操作，不能激發學生的設計思維和創新意識，沒有發揮到實驗課應有的實踐創新作用。

2 創新性、設計性實驗模式的構建

為了改變現有高校傳統實驗課程老套單一的實驗模式，增強學生對實驗課程的認可程度和參與程度，訓練學生的創新和設計性思維，本文提出了一種創新性和設計性實驗模式。

從學生的專業特色、學生的創新能力和設計思維出發，該實驗模式主要可以從三個不同的層面對實驗課程進行改革。主要包括“理論驗證模塊”“專業設計模塊”和“創新設計模塊”三部分。

2.1 理論驗證模塊

該理論驗證模塊主要是利用實驗平臺和實驗設備對學生所學的理論知識進行驗證，其目的是將理論知識更好的消化，通過實驗增強理論知識的理解，對理論知識進行很好的鞏固和吸收。這一模塊基本屬于傳統實驗課程教學模式，屬于理論驗證性的實驗項目。這一模塊的理論知識和實驗儀器操作是后期“專業設計模塊”和“創新設計模塊”開設的基礎。

2.2 專業設計模塊

在這一實驗模塊階段，不同專業的學生可以按照不同專業來確定實驗項目，使學生的實驗項目與專業知識緊密相關，而且培養學生能夠在“理論驗證模塊”的基礎上，根據本專業的特點，在專業老師的指導和自己已掌握的知識基礎上開展專業相關的課程實驗。比如，就《單片機技術及應用》課程而言：對于電子信息專業的學生可以利用單片機理論知識來設計智能電子鎖、智能停車等項目；對于應用化學專業的學生可以開展化學工藝中結晶量、飽和度、反應時間等實驗參數的測量實驗；對于土木工程類專業可以開展橋梁形變度、抗壓強度、震動幅度等參數測量的實驗。這些實驗項目都與學生自身的專業密切相關，與傳統的部分專業的統一性實驗項目相比，在很大程度上能夠提高學生對實驗課程的積極性和參與度。

2.3 創新設計模塊

該模塊按照學生層次來確定實驗項目。在該模塊的實驗項目中，項目的開設提出者不再是指導教師，而是參與實驗的學生為項目提出的主體。在該項目中學生以小組的形式提出所要開設的實驗項目，實驗項目必須是根據本實驗課程的基本內容開展，所要解決的是本專業或者是與本專業密切相關的應用領域中所亟待解決的問題。指導老師可以全程參與，但是必需是以客體的身份參與，實驗項目的主體為學生。學生以提出問題、解決問題的方式，利用與實驗課程相關的知識來設計問題的解決方案。

例如，在《單片機技術及應用》課程中，對于電子信息專業的學生可以利用單片機理論知識來解決自動控制領域中的某一問題；對于應用化學專業的學生可以用來解決某一加工工藝或者某一高危行業中的氣體監測問題等等。

在這一層次的實驗模塊中，學生能夠充分發揮自己的創造性，從本專業領域去發現問題、利用理論知識發揮自己的創新思維、結合前期的兩個實驗模塊的訓練，設計能夠解決問題的方案，能夠充分發揮學生學習的積極主動性，也能夠激發學生的創新能力和設計性思維。

3 結語

本文結合多年的實驗教學經驗，針對高校傳統實驗課程目的性單一、實驗項目設置不靈活、不能夠充分發揮學生創新和設計能力的特點，提出了一種創新性、設計性實驗模式。該模式主要分為“理論驗證模塊”“專業設計模塊”和“創新設計模塊”三個層次。其中“理論驗證模塊”主要是幫助學生通過實驗操作鞏固學生所學的理論知識；“專業設計模塊”主要是將實驗課程與本專業方向密切聯系，改變同一課程在不同專業開設相同實驗項目的情況，提升學生學習興趣；“創新設計模塊”在前兩個實驗模塊的基礎上開設的提升型實驗項目，最大限度的發揮不同專業學生的創新性和設計性思維。三個實驗模塊在一門實驗課程中所占據的比例為3:2:1。三者之間的關系是：“理論驗證模塊”是基礎，“專業設計模塊”是實驗聯系專業，“創新設計模塊”是知識的提升和能力的培養。

在我國在大力發展新工科背景下，本文提出的創新性、設計性實驗模式改革，該培養模式即能夠使學生掌握基本理論知識和實驗操作能力，又能夠提升學生的創新設計能力和專業素養，符合我國當前的科技強國大政方針，為高校實驗改革發展研究探索了一條新的途徑。