研究生實驗能力培養的教學新模式

張素俠　劉習軍　鐘順

摘? 要：實驗能力是工科專業研究生的重要科研能力之一。隨著研究生教育的發展，出現學碩和專碩等不同的研究生類型，從而提出具有創新實驗能力和面向工程解決實際問題能力的人才需求，因此對實驗教學提出更高要求。該文針對新形勢下實驗能力培養中出現的基礎差異和培養目的差異性問題、實驗教學對實驗室在時間和空間上的依賴性問題以及新工科背景下多學科交叉融合問題的求解等問題，提出線上線下混合式的研究生實驗教學新模式，從研究生的基本理論和實驗操作技能、創新實驗的設計實施、科學實驗與工程的聯系、多領域交叉融合實驗的設計等4個方面提升實驗能力。實踐表明，新模式下的教學使學生的學習實現從感性到理性的升華和從淺顯到深刻的遞進，既提高實驗操作能力和實驗水平，又增強趣味性，研究生實驗能力得到顯著提高。該文的研究成果推進研究生混合式教學的發展，為創新型人才培養提供實踐的平臺。

關鍵詞：實驗能力；研究生；線上線下混合式教學模式；實驗能力；人才培養

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）14-0043-05

Abstract： Experimental ability is one of the important research abilities for graduate students majoring in engineering. With the development of graduate education， different types of graduate students appear， such as master of science and master of engineering， which put forward the demand for talents with innovative experimental ability and engineering oriented ability to solve practical problems. Therefore， higher requirements are suggested for experimental teaching. In this paper， we focus on the basic differences and differences in the cultivation of experimental ability in the new situation， the dependence of experimental teaching on the laboratory in time and space， and the solution of interdisciplinary integration problems in the new engineering background， and propose a new mode of online and offline hybrid experimental teaching for graduate students， which improves the experimental ability from three aspects： the basic theory and experimental operation skills of graduate students， the design and implementation of innovative experiments， and the connection between scientific experiments and engineering. The practice shows that the teaching under the new mode makes the students' learning realize the sublimation from sensibility to rationality and the progression from simple to profound. It not only improves the experimental operation ability and experimental level， but also enhances the interest. The experimental ability of graduate students has been significantly improved. The research results of this paper promote the development of mixed teaching for graduate students and provide a platform for the cultivation of innovative talents.

Keywords： experimental ability; postgraduate; online and offline hybrid teaching mode; experimental ability; talent cultivation

高等教育是我國培養高級人才、進行科技創新、推動科技進步的重要基礎，其目標是為了培養掌握堅實理論基礎和系統專業知識、具備從事科學研究或擔任專業技術工作，并具備一定創新能力的專業人才[1]。實驗能力是工科專業研究生的重要科研能力之一，隨著工程技術的發展和交叉學科的出現，對于研究生的實驗能力提出了更高的要求。同時，在實際的研究生教育中，出現了學碩和專碩等不同的研究生類型，根據不同的人才需求提出了具有創新實驗能力和面向工程解決實際問題能力的培養要求。因此，研究和創新研究生實驗教學的模式，滿足新形勢下的人才培養新需求，提高創新型人才培養的質量，是急需解決的重要問題。

為了提高實驗能力培養的質量，很多教師和學者進行了改革嘗試。一些教師著重關注創新能力的培養。邢麗坤等[2]以傳感器實驗教學為例探討了大學生創新能力培養問題，認為實驗教學具有直觀性、綜合性和創新性，是培養學生實際動手和創新能力的關鍵環節，設計了從驗證性實驗、綜合性實驗、設計性實驗到創新性實驗的分層遞進式實驗教學模式。劉倩等[3]基于POPBL（problem oriented and project based learning，問題導向的項目式教學）教學模式，通過將問題細化并引導學生對其中的科學問題進行思考、查閱文獻、自行提出研究方案并進行展示討論，對獲得的研究結果進行討論和總結，形成完整的研究報告，激發學生自主學習的主動性，提高學生的科學素養。柳玉英等[4]在現代儀器分析課程教學實踐中，結合學校研究生各自的知識結構和研究領域，通過因材施教、因需施教、自主學習等靈活多樣的教學方法，以及分層次漸進式開設基礎性、綜合性和設計性實驗等一系列措施，有效培養與提升研究生的創新意識和創新實踐能力。楊梅松竹等[5]探討了虛擬現實技術在醫學研究生生物醫學實驗技術中的應用，構建了形態學實驗結果客觀性評價體系，提高了圖片展示效果，實現實驗的可重復性。李璐等[6]基于科研思維和創新能力培養，通過提高學生對科研的興趣、在實驗環節加強科研實踐、為學生創造學術氛圍等措施，來培養研究生的創新意識和綜合素質，調動學生實驗學習的積極性和探究性。還有一些學者關注應用型實驗技能的培養，例如劉晶磊[7]對應用型專業實驗技能的培養模式進行了創新和實踐，以土木專業為例，探索高校與企業的合作培養，解決高校因場地有限和實驗儀器不足產生的問題，同時讓企業的實驗實踐老師對學生進行專業化的輔導，讓學生有足夠的空間研究實驗內容，激發學生的自主思考和動手能力，培養學生的實驗自主創新能力。

從以上的研究中可以發現，在目前的研究中，或者關注實驗創新能力，或者關注實際應用能力，但是很少能夠同時實現工程應用能力和實驗創新能力的培養，即同時滿足學碩和專碩實驗能力的培養需求。因此，本文考慮研究生基礎的差異性和能力培養需求的差異性，以工程振動測試技術課程為例，探索線上線下混合式的實驗教學新模式，實現多學科交叉融合背景下的工程領域創新人才培養。

一? 研究生實驗教學中需要解決的幾個問題

工程振動測試技術是工程力學專業的學科基礎課，是機械、土木、化機等專業的選修課。通過對該課程的學習使學生掌握振動測試技術的基本原理和方法，以及通過實驗技術驗證理論計算的結果，為解決現代科學技術和工程實際問題提供十分重要的手段。該課程主要介紹測試理論與技術及其在工程中應用，主要在兩個方面做出改進，一是加強測試技術的基本理論和分析方法；二是新引進與本課程相關的新的科技成果的新概念、新方法，提高起點，結合工程實際，反映現代分析方法和實驗數值計算處理技術的新發展等，對相關內容進行優化組合，在教師的指導下，應用有關振動測試系統完成有關的基本實驗內容，結合工程實例，能利用其基本原理按有關實驗要求，組成振動測試系統，在實驗中正確應用。

在目前的研究生教學中，存在三個方面的問題需要解決。

（一）? 傳統教學模式不能有效考慮研究生類型差異性和基礎差異性

隨著研究生教育的迅速發展，出現了學碩和專碩等不同類型的研究生，其培養目標有一定的差別：一個注重理論創新，一個更偏重于工程應用，而目前的教學模式不能同時滿足分類培養要求。

同時，即使是同一類型的研究生，學生大多來源于不同的本科院校，也可能是不同院校的不同專業，各個學校的本科專業的課程設置可能不同，有的學生可能學過相近課程，有的學生可能沒有學過；對于學習過的課程，各學校講授的要求也可能不同，有的內容被忽略不講；對于講過的內容，各個學校要求的理論深度也不同。這些會造成研究生的基礎差異進而影響實驗教學的學習效果，目前的教學模式很難有效解決這個問題。

（二）? 實驗教學依賴實驗室，受到時間、空間和實驗室條件的限制

傳統的實驗教學都在實驗室中進行，上課時間一般為2學時，包括教師講解演示和學生實驗操作等內容，教師對于實驗原理的講解和學生的理解會占用一部分時間，從而縮短了學生在實驗室的操作時間。同時，當學生較多時，設備的臺套數不能滿足每個學生都動手操作的需求，不利于鍛煉學生的動手能力；當學生遇到困難或有新的想法時，學生沒有深入思考的時間并進一步解決問題，驗證新想法需要的反復實驗很難在課堂及時完成，而離開實驗室又沒辦法進行。實驗教學特別是創新性實驗受制于實驗室的時間和空間限制的特點，不利于學生的實驗創新能力培養。

（三）? 學生對科研問題缺乏了解，科研實驗聯系實際工程問題的能力有待提高

實驗課程一般在研究生一年級開設，在這個階段，學生對工程問題了解很少，所以很難將基礎實驗與前沿工程問題聯系起來。隨著工程結構向著大型化、柔性化等極端尺度的發展，出現了新的特點和技術需求，學生不知道如何解決新的工程問題，很難完成從學習型向研究型的轉變，學生的學習積極性和學習效果也都打了折扣，不利于實驗能力的提高。特別是在多學科教學融合背景下，學生的研究內容更多地具有跨學科特性，處理實際工程中的新問題和跨學科問題的實驗能力培養還不足。

二? 研究室實驗能力培養的線上線下混合式教學模式

（一）? 創新理念及思路

課題組根據多年來的教學經驗、研究生指導經驗和教改項目的研究，有以下發現。

1）學生在優秀課程資源基礎上的自學是解決學生基礎差異性的重要方法，同時在一定程度上可以解決學生人數多而設備少的問題。

2）將在線教學錄像用于學生的課前預習和課后復習，可以有效減少課堂的工作量，使更多的課堂時間用于動手實驗練習和創新性內容的研究。

3）設計可塑性強的創新實驗可以滿足不同類別的研究生要求，學生可以根據不同的側重點進行不同的實驗，也為學生的創新性想法提供了實踐的平臺，解決創新能力培養的問題。

4）將科研成果轉化為實驗內容，讓學生看到基礎實驗在前沿科研工作中的應用過程，為學生用所學技術解決實際工程問題提供范例，鍛煉學生的科研素養。

基于以上四點認識，提出了線上線下混合式的研究生實驗教學新模式。

首先將實驗內容分為設計基礎性實驗、創新性實驗、科研成果轉化實驗、學科交叉實驗四個層次，每個層次滿足不同需求。其次進行線上資源建設，教學團隊編寫出版了2本新形態教材《工程振動測試技術》和《振動理論及工程應用》，建成了2門在線開放課程工程振動測試技術（國家級一流）和振動理論及工程應用（天津市一流），為新的教學模式的實施做好準備。

將實驗相關的基礎理論和基礎實驗技能等內容放入開放課程中，便于學生對實驗教學內容的理解；將新的科研成果或新的測試手段融合在實驗中并進行全程錄像，以主要知識點的方式給予提醒，以利于學生實驗前進行預習，上課時學習更深層次的內容；將測試儀器工作原理引入動畫顯示，以視頻形式展示給學生，使其易于理解，開拓思路；將測試系統的實驗過程進行錄像，學生如有疑問或新想法可通過重復觀看實驗過程進行重復思考。

在研究生實驗教學的評價方面，綜合考慮所學的基本知識，設計不同的實驗題目，提出包含方案設計、實驗操作、實驗報告等方面更為科學合理的課程評價體系。實驗方案設計部分根據問題提煉能力、文獻調研能力、方法論證能力、表達能力和團隊合作能力等指標進行評價；實驗操作部分根據原理掌握、動手能力、儀器使用、團隊協作等指標進行評價；實驗報告部分根據結果展示規范程度、問題分析能力等指標進行評價[3]。該考核方法從更加重視思考性和創造性的角度，全面、科學地給予學生評價。

（二）? 新模式解決教育問題的實施方法

根據教育部制定的工程力學專業要求、工程振動測試技術課程的教學大綱以及課程教學的實際情況，綜合考慮實驗教學的專業性、實踐性的特點，設計基礎性實驗、創新性實驗、科研成果轉化實驗和多學科交叉融合實驗四個層次的實驗內容。結合實驗教學錄像的方式進行教學，解決上述三個問題。

以振動測試實驗課程為例，具體的實施方法包括以下方面。

1? 基礎理論和基礎性實驗

基礎理論主要為振動基本理論。基礎性實驗的內容包括振動系統認知實驗、振動傳感器的安裝實驗和振動傳感器校準實驗。

將振動實驗錄像應用于講課前的預習和復習，使學生對實驗內容有一個具體的實物化概念，帶著疑問和好奇學習，實現從具體到抽象化概念再到具體的學習過程，不僅增加了學習興趣，激發了學習熱情。自學后，可以找齊不同學校和專業引起的基礎差異性問題，使課上處于同一起跑線。

這個預習的過程可以在實驗室以外完成，不受實驗室條件、時間和空間的限制。同時可以節省教學時間，更多的時間用于培養學生的動手能力。

2? 創新性實驗

創新性實驗包括高階振動基本參數測試實驗、虛擬儀器的應用及編制實驗、車輛橋梁耦合動態應變及沖擊系數實驗三個實驗內容[8-9]。這些實驗體現了理論內容在解決實際工程問題中的應用，許多新概念和新裝置也需要被思考。

這些實驗的特點是可塑性強，學生可以選擇自己感興趣的內容進行試驗，例如虛擬儀器的應用，可以根據學碩和專碩的不同要求設計不同的實驗內容，同時，學生如果有新的想法也可以在這里實現。所以創新性實驗很好地解決了第二個問題。

3? 科研成果轉化的實驗

包括中華文物編鐘的振動特性測試實驗、龍洗綜合振動實驗及重力波實驗、車輛橋梁耦合系統模態分析實驗和覆冰導線舞動實驗[10]。

在中華文物的振動特性中，彰顯了中華文化中的深奧科學原理，不僅有重要的科學價值，而且極具藝術觀賞性。在工程模擬實驗中，不僅鍛煉了學生的動手能力，還加深了對工程實際的了解，對知識的實際應用轉化進行了嘗試，這有利于提升學生的觀察力和能動性，增加求知欲。

以上三類不同的實驗，解決了教學中三個層次的問題，為研究生創新能力培養搭建了平臺。

4? 多學科交叉融合的實驗

主要包括重力波測試實驗[11]。實驗中既包括振動領域的振動測試信號采集，還包括圖像重構和處理技術。在實驗方案設計中，實驗系統包括三個部分，如圖1所示。一是包括殼液耦合系統、激振器放大器和信號發生器的重力波激發系統，涉及到非線性振動問題；二是由工作臺、幻燈機和反光鏡組成的部分，運用光學成像，產生變形后的云紋圖像，重點解決圖像投影到水底的問題，涉及精密儀器與測量專業的內容；三是由CCD攝像機和圖像采集系統構成的圖像采集部分，涉及光學和動態采集問題。而在后期的圖像重構和處理中，涉及圖像處理技術和振動相關問題，所以是多學科交叉融合的實驗。

（三）? 新模式的創新點

1? 線上線下混合式的教學新模式，能夠滿足學生基礎差異性和培養目標差異性要求，符合研究生教育的發展趨勢

在新的教學模式下，學生通過自學在線開放課程，完成基礎理論和基本實驗技能的學習，找齊本科課程設置的不同、講授內容的不同以及理論深度的不同造成的基礎差異，使學生在課堂上處于同一起跑線；在創新性實驗和科研轉化實驗中，可以根據不同的培養目標要求進行包含不同側重點的實驗，滿足不同類型研究生的培養需要。這種考慮差異性的教學模式符合研究生教育發展的趨勢。

2? 改進教學方法和教學手段，突破實驗室局限，有利于研究生深入學習和創新能力培養

混合教學模式中，將測試儀器、測試系統和實驗過程進行錄像后，以主要知識點的形式給予提示，以利于學生實驗前進行預習和課后的復習，便于學生對實驗教學內容的理解，如有疑問或新想法可通過重復觀看實驗過程并進行重新思考。

將實驗學習從實驗室內延伸到實驗室外，節省了實驗室內的時間。同時學生可在課程的基礎上進行自己的設計和想法實施，為創新型實驗的實施提供了場地，為新思維的培養提供了空間。

3? 新的教學內容，科研成果向教學轉化，促進創新思維的培養

課程內容的創新性是課程高水平的重要保障，課程內容的持續更新、與時俱進，是滿足未來學生發展的重要方式。新形態課程的實驗內容中，有5個實驗是從天津大學科研成果轉化而來，自主設計制作，在全國均屬首例。科研成果體現了最新的技術手段和發展趨勢，可加深研究生對科研問題的理解，使研究生提前進入研究性訓練；同時新穎的內容激發學生對課程的興趣，促進學生學習效果的改善；將科研創新成果以教學的方式呈現，讓學生看到創新的過程和思路，促進研究生創新思維的培養。

三? 結束語

研究生實驗能力培養的線上線下混合式教學新模式應用以來，在后續的科研工作中開展實驗研究的人數明顯增多，實驗內容比例增大，研究生發表的高水平論文的比例明顯提高，研究成果很好地提升了研究生的科研能力和水平，也為以后進入工作環境、走向工作崗位打下了良好的專業基礎。實踐表明，本文提出的研究生實驗能力培養的教學新模式成為創新型人才培養的重要部分，為今后的大規模推廣應用奠定基礎。

參考文獻：

[1] 張航，陳怡．高等教育人才培養目標的時代變遷與路徑選擇[J]．江蘇高教，2019（9）：35-40．

[2] 邢麗坤，凌六一，李良光，等，傳感器實驗教學改革促大學生創新能力培養[J].科教導刊，2019（31）：136-137.

[3] 劉倩，魏濤.POPBL模式微生物學實驗課程教學改革探索[J]．生物學雜志，2022，39（3）：120-124.

[4] 柳玉英，王平，劉青，等.研究生現代儀器分析創新能力的培養模式探索[J]．實驗室研究與探索，2019，38（10）：198-201.

[5] 楊梅松竹，李輝，陳金華，等.虛擬現實技術在研究生生物醫學實驗教學中的探索與應用[J]．高教學刊，2022（24）：115-119.

[6] 李璐，蘇瓊，孫初鋒，等.基于科研思維和創新能力培養的精細化工實驗教學改革探索[J]．廣東化工，2020，47（19）：180.

[7] 劉晶磊．應用型專業實驗技能培養模式的創新與實踐——以土木專業為例[J]．科學咨詢，2021，12（49）：244-246.

[8] 劉習軍，張素俠，崔福將，等.利用實驗教學全程錄像，提高實驗教學質量[J].教育教學論壇，2020（13）：388-390.

[9] 劉習軍，張素俠，崔福將，等.虛擬仿真實驗在教學中的應用[J].高教學刊，2019（26）：115-117.

[10] 劉天翼，劉習軍，霍冰.連續體覆冰導線模型的舞動實驗研究[J].實驗力學，2016（2）：186-192.

[11] 劉習軍，張素俠，劉振宇，等.FTP法測量矩形殼液耦合系統中的重力波[J].天津大學學報，2006，39（6）：675-678.

基金項目：2014年度國家自然科學基金項目“考慮松弛-張緊效應時深海系纜-平臺耦合運動及穩定性研究”（51479136）；2019年度天津市線上線下混合式一流建設課程項目“工程振動與測試（振動力學）”（無編號）；2018年度天津市自然科學基金項目“細長柔性體畸變模型的非線性修正規律研究”（JCYBJC18700）；天津大學研究生創新人才培養項目“以《線性振動》課程為例的案例式教學探討”（YCX202238）

第一作者簡介：張素俠（1978-），女，漢族，河北撫寧人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為非線性動力學與控制。