工程教育認證背景下本科生教學(xué)實驗設(shè)計思考

莊林嵐 徐曉麗 張建 吳海明 孫浩

摘? 要：文章在工程教育認證的背景下，識別現(xiàn)有教學(xué)實驗存在的內(nèi)容簡單、形式單一、缺乏前瞻性、缺乏對對應(yīng)理論課的支撐等問題，探討以培養(yǎng)學(xué)生解決工程問題能力為目的的實驗教學(xué)設(shè)計思路。文章以環(huán)境工程專業(yè)本科生環(huán)境生態(tài)學(xué)實驗為例，提出下述實驗教學(xué)思路：根據(jù)理論課內(nèi)容體系合理設(shè)置實驗課內(nèi)容;通過多樣化實驗形式，高效、全面掌握某一環(huán)境問題的現(xiàn)狀及解決思路，而非某指標測試方法;通過實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、文獻調(diào)研培養(yǎng)學(xué)生深入思考、解決問題的意識和能力。希望通過上述本科生實驗教學(xué)設(shè)計助力新工科學(xué)生的培養(yǎng)，為我國工程領(lǐng)域輸出更多優(yōu)秀人才。

關(guān)鍵詞：工科;實驗教學(xué)設(shè)計;生態(tài)學(xué);工程教學(xué)認證

中圖分類號：G640? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）19-0001-05

Abstract： Under the background of engineering education accreditation， some problems about instructional experiment for undergraduates were identified in this study， such as the poor content and simple organization form， lack of prospective， weak connection with the corresponding theoretical coursed. Hence， this paper discussed some new thoughts on instructional experiment designing aiming at training students' ability to solve engineering problems. Some constructive suggestions were proposed in this paper with the course of Environmental Ecological Experiment as an example. Firstly， the experimental course content should be set reasonably according to the theoretical course system. Various experimental forms （such as on-line form， field survey） should be applied to grasp of the status quo and solutions of an environmental problem efficiently and comprehensively， rather than just master a test method. To cultivate students' consciousness and ability to think deeply and solve problems， scientific experimental design， data analysis， literature investigation and research should be systematically taught. It is hoped that the above experimental teaching design of undergraduate students can help the cultivation of engineering students and produce more qualified personnel for engineering field.

Keywords： Engineering course; design of instructional experiment; ecology; Engineering Education Accreditation.

工程教育認證的核心是以學(xué)生為本，使其提高對相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的適應(yīng)性，為國家經(jīng)濟社會發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)做出更大貢獻;工程教育認證也是國際工程教育學(xué)位互認的重要指標[1]。自2018年起，我國已有123所院校的環(huán)境工程專業(yè)通過了工程教育認證。對于環(huán)境工程類工科學(xué)生，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作能力、加深對理論知識理解的重要環(huán)節(jié)[2]，也是工程教學(xué)中“問題分析”“研究”“設(shè)計/開發(fā)解決方案”等畢業(yè)要求的關(guān)鍵支撐環(huán)節(jié)。然而，目前的本科生實驗教學(xué)設(shè)計仍存在一些問題及改進空間，本文將以環(huán)境生態(tài)學(xué)實驗課程為例進行說明。

一、現(xiàn)有工科本科生教學(xué)實驗存在的不足

（一）內(nèi)容形式單一

環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境生態(tài)學(xué)、環(huán)境工程原理課程等是環(huán)境工程專業(yè)的核心課程。除理論課程外，均設(shè)置了相關(guān)實驗課程。以山東大學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)課程為例，該課程配有16學(xué)時實驗教學(xué)，共6個實驗，分別為（1）土壤比重、容重和孔隙率的測定;（2）土壤電導(dǎo)、pH和全鹽的測定;（3）土壤水分和水勢的測定;（4）環(huán)境因子對植物光合作用的影響;（5）淡水浮游植物藻細胞計數(shù);（6）鹽分對植物種子萌發(fā)的影響。實驗?zāi)康闹饕獮檎莆丈锛碍h(huán)境介質(zhì)的重要理化性質(zhì)表征指標及其測定方法，以驗證性實驗為主，缺乏探究性、綜合性實驗，該現(xiàn)象具有普遍性[3-4]。然而，探究性、綜合性實驗?zāi)軌蚋玫嘏囵B(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高其創(chuàng)新能力，進而強有力地支撐工程教育認證中關(guān)于“分析問題”“設(shè)計/開發(fā)解決方案”“研究”等畢業(yè)要求的達成。實驗類課程目前以實驗室內(nèi)演示實驗或?qū)W生實驗的形式開展，形式較單一。在2020年疫情的背景下，很多實驗課程推遲授課。通過模擬仿真、視頻學(xué)習(xí)等方式進行實驗授課的新模式尚未得到廣泛應(yīng)用[5]。4624FE93-17E2-474A-B669-84299D17E965

（二）理論聯(lián)系不足

環(huán)境生態(tài)學(xué)課程理論主講了個體與環(huán)境、種群生態(tài)學(xué)、群落生態(tài)學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)以及生態(tài)學(xué)理論在環(huán)境治理中的應(yīng)用五個部分。6個課程實驗中，除第5個“淡水浮游植物藻細胞計數(shù)”實驗，均是對環(huán)境因子的測定或個體對環(huán)境的反應(yīng)，對應(yīng)理論課程個體與環(huán)境章節(jié);且前三個實驗均為土壤理化性質(zhì)的測定，在理論課中僅為一小節(jié)的內(nèi)容（如圖1中深灰色部分所示）?？梢姡瑢嵺`教學(xué)環(huán)節(jié)與相關(guān)理論課程聯(lián)系不足，實踐實驗類教學(xué)環(huán)節(jié)不能很好地與重點理論教學(xué)內(nèi)容對應(yīng)。通過高校調(diào)研可知，對理論課重點知識支撐不強的問題也是較為普遍存在的問題[6]。

（三）缺乏前瞻性

目前環(huán)境專業(yè)實驗設(shè)計以掌握某些指標的測試方法（如土壤孔隙率、比重、藻密度等）為主，存在測試方法傳統(tǒng)老舊、更新緩慢等問題[7]，且教學(xué)實驗與科研實驗嚴重脫節(jié)[8]。在科技飛速發(fā)展的今天，掌握前沿測試方法技術(shù)對于今后的科研或從事相關(guān)工作具有重要意義。如應(yīng)用血球計數(shù)板進行藻密度計數(shù)實驗中，采用傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡人工計數(shù)的方法需要10 min得到一個樣品的藻密度。然而，目前存在圖像處理軟件，可自動拍照并識別微藻細胞，30 s可精確得出樣品藻密度值，大大提高了效率。當(dāng)然，指標測試的基本原理與方法是學(xué)生需要掌握的教學(xué)內(nèi)容，同時，追蹤傳統(tǒng)方法的改進過程，實時掌握最新的方法技術(shù)亦十分必要。此外，對于一個大學(xué)生而言，掌握方法本身并不是首要目的。大學(xué)與高中的差別在于，大學(xué)傳授的更多是學(xué)習(xí)的方法和能力，而非知識本身。了解某技術(shù)方法開發(fā)的過程，可激發(fā)學(xué)生對新技術(shù)、新工藝的追求熱情，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（四）缺乏科研素養(yǎng)的培養(yǎng)

當(dāng)前本科生教學(xué)實驗主要按照以下流程：（1）實驗前根據(jù)實驗指導(dǎo)書謄抄實驗?zāi)康?、實驗步驟;（2）實驗中按照實驗步驟進行實驗，獲取數(shù)據(jù);（3）實驗后進行數(shù)據(jù)處理，撰寫實驗報告。上述流程缺乏對實驗設(shè)計思路（如為什么研究鹽度對種子發(fā)芽的影響？是否有其他影響因子？）[9]、儀器藥品使用規(guī)范（如藥品不慎接觸皮膚如何處理？）、數(shù)據(jù)處理與科學(xué)表達方式（如數(shù)據(jù)用平均值±誤差線的形式表達？組間是否存在差異？）的思考和訓(xùn)練。然而，思考實驗設(shè)計是培養(yǎng)解決問題意識的基礎(chǔ);了解儀器藥品的使用規(guī)范是保障人身安全的必要途徑;數(shù)據(jù)的科學(xué)表達是培養(yǎng)嚴謹精神的方法。以山東大學(xué)為例，50%以上的本科生畢業(yè)后會繼續(xù)深造或從事本領(lǐng)域工程工作，因此上述基本素養(yǎng)的培養(yǎng)，可以更好地實現(xiàn)本科學(xué)習(xí)與研究生科研或工程相關(guān)工作的銜接。

二、工科本科生教學(xué)實驗設(shè)計的思考

根據(jù)上述工科本科生教學(xué)實驗中存在的問題，提出了如圖2灰字部分所示的全流程解決思路，主要分為實驗前、實驗中和實驗后三部分進行改進。

（一）實驗前的教學(xué)設(shè)計

在實驗指導(dǎo)書的編制中，可增設(shè)實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，即讓學(xué)生探索針對某一對象、過程等有哪些影響因素以及如何研究。如，在鹽度對種子萌發(fā)影響的實驗中，可在最初提問：“有哪些因素會影響種子的萌發(fā)？如何驗證這些因素對種子萌發(fā)的影響？”學(xué)生通過理論課程的學(xué)習(xí)和相關(guān)文獻的調(diào)研預(yù)判潛在的影響因素，自行設(shè)計驗證試驗。通過這一步驟，可強化學(xué)生理論聯(lián)系實際的意識、探索知識的意識以及掌握了解前沿的途徑，同時培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的意識和能力。

與理科生不同，作為工科生的教學(xué)實驗均具有一定的應(yīng)用背景和意義。實驗前指出實驗的背景和意義可幫助學(xué)生了解掌握該實驗方法后的應(yīng)用場景，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)專業(yè)自信心和自豪感，也為今后從事相關(guān)工作打下知識基礎(chǔ)。

當(dāng)前的實驗預(yù)習(xí)報告僅體現(xiàn)了實驗過程需要使用的儀器和藥品名目。實驗前仍需掌握儀器的運行原理、使用步驟和注意事項;藥品的理化性質(zhì)、處理處置方法和突發(fā)事件防護方法。與國外實驗室相比，我國高校不缺乏高精尖儀器設(shè)備，然而，儀器的維護和不當(dāng)運行是我們儀器事故率高的重要原因。近年來，實驗室安全事故頻發(fā)，使學(xué)生生命和財產(chǎn)安全受到很大威脅。從本科生起培養(yǎng)安全防護意識至關(guān)重要。掌握儀器的運行原理可幫助學(xué)生分析實驗中出現(xiàn)的問題，確保實驗數(shù)據(jù)的準確性;在儀器維護和人員保護中也起到重要作用。如拉曼光譜儀使用中需要使用激光激發(fā)，如使用不當(dāng)可能導(dǎo)致眼部受到激光照射;如熒光顯微鏡頻繁開關(guān)會大大縮短光源壽命;如高溫消解后的試管不能置于冰水當(dāng)中降溫等。在藥品的使用前，需了解其腐蝕性、揮發(fā)性、毒性及其處理處置方法，如酸性液體、有機溶液、生物溶液使用時如何防護，使用后能否直接排入排水系統(tǒng)中，不慎接觸皮膚或眼睛如何處理等，這些都影響著實驗室的正常運行和人員、儀器與環(huán)境的安全。每一個即將進入實驗室的人均需具備相應(yīng)的安全意識和防護知識。

在預(yù)習(xí)報告中學(xué)生會大篇幅謄抄實驗指導(dǎo)書中的實驗步驟，然而謄抄后是否真的掌握其測試過程存疑。可增加流程圖繪制及潛在誤差分析，幫助學(xué)生鞏固實驗步驟，培養(yǎng)其分析問題能力。

（二）實驗中的教學(xué)設(shè)計

在實驗內(nèi)容設(shè)計上，需改良或新增某些實驗內(nèi)容，盡可能地覆蓋相應(yīng)理論課中重要的知識點。如圖1淺灰色新增部分所示，在原有土壤指標測試實驗基礎(chǔ)上，結(jié)合山東省環(huán)境現(xiàn)狀，可增設(shè)土壤鹽堿化現(xiàn)狀與改良方式的調(diào)研實踐。通過數(shù)據(jù)挖掘掌握我省乃至我國土壤問題現(xiàn)狀，培養(yǎng)專業(yè)認同感和使命感;通過文獻調(diào)研掌握鹽堿地治理的相關(guān)生態(tài)方法，鞏固理論課生物與環(huán)境的互作、修復(fù)生態(tài)學(xué)等相關(guān)理論知識。結(jié)合專業(yè)特色及科研教學(xué)相結(jié)合的理念，增加“人工濕地植物與凈水關(guān)系”這一觀摩實驗，讓本科生進入科研實驗室參觀，通過觀摩和聆聽講解了解人工濕地這一典型的利用生態(tài)學(xué)解決環(huán)境問題的案例，通過人工濕地系統(tǒng)構(gòu)成，不同組成部分的協(xié)作關(guān)系，污染物在系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化過程等前沿研究的講解，使學(xué)生鞏固生態(tài)學(xué)理論知識，培養(yǎng)利用理論知識分析并解決工程問題的意識和能力。

針對實驗形式單一的問題，建議通過模擬仿真、演示實驗、科研實驗室參觀、野外調(diào)研等方式豐富實驗形式。在真實實驗中，如過濾操作耗時0.5～1 h，如利用模擬仿真實驗方法則可以更有效地節(jié)約實驗課時，進而安排更豐富的實驗內(nèi)容。部分先進的科研用測試儀器貴重，無法很好地實現(xiàn)高臺套數(shù)，可酌情進行演示實驗，以便學(xué)生在掌握基礎(chǔ)測試原理和方法的基礎(chǔ)上，了解前沿測試技術(shù)。針對實驗內(nèi)容單薄的問題，可結(jié)合相關(guān)科研實驗室參觀的方式，使學(xué)生了解實驗背后的研究背景、影響因素和機制。如在淡水浮游植物藻細胞計數(shù)實驗前，帶領(lǐng)學(xué)生參觀水化控制科研實驗室，參觀實驗室模擬水體系統(tǒng)，直觀掌握光照、溫度、二氧化碳、氮磷營養(yǎng)物等影響微藻生長的參數(shù)如何調(diào)控，講解微藻增殖和動態(tài)變化過程，之后進行微藻計數(shù)實驗。通過30 min的參觀講解，學(xué)生可以了解生態(tài)因子與種群動態(tài)的互作關(guān)系，掌握微藻計數(shù)的應(yīng)用背景和意義，更具全局觀，而非像最初的微藻計數(shù)實驗僅使學(xué)生掌握微藻的技術(shù)方法。4624FE93-17E2-474A-B669-84299D17E965

由于教學(xué)實驗人數(shù)較多，一般2～3人一組。在實驗中測試樣品基本統(tǒng)一發(fā)放，且不同組樣品相同。在后續(xù)實驗設(shè)計中，可不同組發(fā)放不同樣品。如在微藻計數(shù)實驗中，不同組發(fā)放某一培養(yǎng)條件下培養(yǎng)時間不同或者不同培養(yǎng)條件均培養(yǎng)至對數(shù)期的微藻藻液。學(xué)生計數(shù)后，可組間共享數(shù)據(jù)，進而分析某條件下微藻生長曲線，結(jié)合理論課程有限空間下種群增長模型擬合得到微藻種群的內(nèi)稟增長速率，進而驗證不同條件對微藻種群增長的影響規(guī)律。通過這種實驗設(shè)計，可通過一個實驗強化“環(huán)境因子對個體的影響”“種群增長”“種內(nèi)關(guān)系”等多個理論課程的重要知識點。

（三）實驗后的教學(xué)設(shè)計

在課程設(shè)置中，環(huán)境監(jiān)測課程涉及了質(zhì)量控制和質(zhì)量保證章節(jié)，內(nèi)含數(shù)值的修約、偏離值的判斷、組間差異性分析、環(huán)境常見數(shù)據(jù)的圖表表達等內(nèi)容。環(huán)境生態(tài)學(xué)等實驗為大二課程，學(xué)生尚無平行樣、空白樣等概念，實驗數(shù)據(jù)計算后保留多位有效數(shù)字，甚至隨意刪減不滿意數(shù)據(jù)，這種實驗及數(shù)據(jù)分析方法缺乏科學(xué)性，可能造成后續(xù)學(xué)術(shù)不端的后果。因此，應(yīng)在本科實驗中培養(yǎng)科學(xué)嚴謹?shù)膽B(tài)度，正確表達數(shù)據(jù)、合理分析數(shù)據(jù)。

部分學(xué)生得到數(shù)據(jù)結(jié)果后結(jié)束實驗報告;部分同學(xué)較優(yōu)秀，對數(shù)據(jù)的誤差來源及結(jié)果進行分析，后者是值得提倡的。在實驗結(jié)束后，學(xué)生對實驗原理、步驟都有了更深入的理解，對預(yù)習(xí)報告中分析的潛在誤差來源有了新的認識，需根據(jù)實驗過程進一步分析誤差來源，這也是對學(xué)生分析和解決問題能力的培養(yǎng)。此外，需通過文獻調(diào)研掌握該方面研究的關(guān)鍵進展和結(jié)論。如在鹽度對種子發(fā)芽影響的實驗后，可進一步通過文獻調(diào)研對比自身實驗結(jié)果與報道的差異性，掌握不同類型種子對鹽堿的耐受能力，可酌情深入研究種子對鹽分的耐受機制等。通過該訓(xùn)練，可以使學(xué)生更好的掌握使用現(xiàn)代工具解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生深入思考、終身學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

以淡水浮游植物藻細胞計數(shù)實驗說明教學(xué)設(shè)計的主要改進點，如圖3所示。實驗前思考實驗設(shè)計原理，了解應(yīng)用背景，鞏固前備知識，掌握儀器和藥品的安全使用和處理處置方法。實驗中通過演示、參觀、調(diào)研和實操等多種形式全方位掌握某環(huán)境問題現(xiàn)狀、測試手段和前沿解決方法，根據(jù)預(yù)習(xí)和教師講解獲得準確數(shù)據(jù)。實驗后科學(xué)處理實驗數(shù)據(jù)，分析存在的問題，了解相關(guān)研究結(jié)果，鞏固相關(guān)理論知識。

三、結(jié)束語

本文在工程教育認證的背景下，分析了現(xiàn)有教學(xué)實驗存在的問題，探討了以學(xué)生為中心，以能力培養(yǎng)為目的的實驗教學(xué)設(shè)計思路，以期培養(yǎng)具有分析、解決工程問題能力的合格工科畢業(yè)生。本文得到的關(guān)鍵實驗教學(xué)設(shè)計點如下：根據(jù)理論課內(nèi)容體系合理設(shè)置實驗課內(nèi)容;通過多樣化實驗形式，高效、全面掌握某一環(huán)境問題的現(xiàn)狀及解決思路，而非某指標測試方法;通過實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析、文獻調(diào)研培養(yǎng)學(xué)生深入思考、解決問題的意識和能力。

參考文獻：

[1]章聯(lián)軍，王曉東，徐清波，等.工程教育認證背景下工科專業(yè)畢業(yè)實踐教學(xué)體系重構(gòu)[J].計算機教育，2021（5）：74-79.

[2]李天星.實驗項目設(shè)計及創(chuàng)新型人才培養(yǎng)——以生態(tài)學(xué)實驗項目為例[J].實驗室研究與探索，2013，32（10）：107-109.

[3]李禮，彭琴，李強，等.環(huán)境本科專業(yè)環(huán)境生態(tài)學(xué)實驗教學(xué)設(shè)計與思考[J].綠色科技，2020（19）：214-216.

[4]李欣，張紅梅，葉燕，等.基于OBE理念的《生態(tài)學(xué)實驗》課程教學(xué)改革[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實踐，2021，4（2）：42-44.

[5]謝佳燕，王宏勛，閆達中，等.線上線下混合式教學(xué)在生態(tài)學(xué)課程中的探索與實踐[J].科教導(dǎo)刊，2021（8）：107-109.

[6]丁國驊，張池瑩，李銀蝶.生態(tài)學(xué)專業(yè)課程改革中應(yīng)用“科研反哺教學(xué)”的實踐和探索——以“生物多樣性調(diào)查與評價”課程為例[J].麗水學(xué)院學(xué)報，2020，42（5）：121-124.

[7]袁建立，張仁懿，艾得協(xié)措，等.普通生態(tài)學(xué)實驗課程的建設(shè)與實踐[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2021，11（2）：50-53.

[8]張偉，王晨，左其亭.基于污泥處理科學(xué)研究的本科教學(xué)實驗設(shè)計研究[J].科學(xué)咨詢（教育科研），2021（6）：31-32.

[9]吳濤，許杰.“對分+設(shè)計性”教學(xué)模式在“生態(tài)學(xué)實驗”課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代教育實踐與教學(xué)研究，2017（6）：219-220.

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金“微藻生物膜內(nèi)污染物遷移轉(zhuǎn)化與附著微藻生長調(diào)控機制研究”（52000122）;山東省重點研發(fā)計劃重大科技創(chuàng)新工程“基于生物質(zhì)資源化的污水綠色再生回用技術(shù)與設(shè)備研發(fā)”（2019JZZY010411）;山東省自然科學(xué)基金博士基金“基于附著型微藻培養(yǎng)的反滲透濃水凈化與資源化技術(shù)”（ZR2019BEE020）

作者簡介：莊林嵐（1989-），女，漢族，天津人，博士，助理研究員，研究方向為生物/生態(tài)法水質(zhì)凈化與污染物控制機制與技術(shù)。4624FE93-17E2-474A-B669-84299D17E965