基于教學科研平臺的實驗項目設計與實踐

劉 永， 李紅鏑， 秦 旻

(重慶交通大學 管理模擬實驗中心,重慶 400074)

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基于教學科研平臺的實驗項目設計與實踐

劉 永， 李紅鏑， 秦 旻

(重慶交通大學 管理模擬實驗中心,重慶 400074)

針對目前實驗教學培養環節中在實驗內容、項目體系、教學方式等方面存在的問題，提出了以教學科研平臺建設和與之相適應的實驗項目體系設計為出發點來提高實驗環節培養效果；然后，以管理模擬實驗中心新建設的紅外視頻檢測系統為例，探索和分析了實驗項目設計的原則、目標和來源，并結合工程應用特點設計和開發了3個典型的實驗項目范例，應用于教學實踐，實施效果明顯。實驗項目設計與開發的過程可為其他實驗教學改革提供參考。

實驗教學改革； 教學科研平臺； 實驗項目設計與實踐； 紅外視頻檢測系統

0 引 言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020年)》中在人才培養體制改革中就明確提出：“注重知行統一。堅持教育教學與生產勞動、社會實踐相結合。開發實踐課程和活動課程，增強學生科學實驗、生產實習和技能實訓的成效。”高等學校作為各行業領域專業人才的培養基地，其人才培養的重點是課程教學培養環節，而實驗教學又是整個教學工作中的核心環節之一，對學生的職業實踐技能的訓練和創新意識的培養起到了至關重要的作用[1-2]。因此，提高實驗教學環節的培養質量和成效，不僅關系到學生理論知識的綜合運用和動手技能的專業訓練，進一步形成利用所學知識解決實際工作問題的能力，而且也對培養學生科研意識與創新能力具有促進作用[3-5]。

然而，從多年的實驗教學實踐經驗來看，實驗教學環節主要存在以下3個方面的問題[6-8]：①現代科學技術的飛速發展使得專業技術與應用的知識更新速度飛快，易導致學生在課程實驗環節中所學習的技術或者方法并非當前先進或主流的工程技術，甚至有的是已經淘汰的技術，從而導致學生的知識水平和實踐能力無法得到良好的培養和鍛煉，達不到社會對該專業畢業生的職業要求；②實驗項目多以基礎驗證性實驗為主，綜合設計性和研究探索性實驗項目比例偏少，使得學生所掌握的知識和技能存在一定的局限，達不到就業崗位的能力要求；③實驗教學方式單一，大都采用機械被動的“教師講解與演示，學生模擬仿真”的方式，學生能夠較好地完成實驗任務，但是其掌握的專業理論知識和實操技能難以達到人才培養的深度和廣度要求，同時也缺乏必要的獨立思考能力和科研探索意識。

綜上所述，如何提高實驗環節的培養效果，強化學生知識綜合運用能力和動手實踐技能，是實驗教學改革的重點和難點。解決這一問題，一方面需要必要的實驗條件和環境;另一方面需要完備的針對該實驗條件和環境的實驗項目體系。近年來，我校管理模擬實驗中心在實驗室建設與發展過程中，對上述實踐要求給予了充分考慮，結合學科專業的發展特點和建設規劃要求，新建或引進了一批反映科學技術最新進展的專業實驗教學科研平臺，主要包括紅外視頻檢測系統、自動化立體倉庫系統、集成化遠程視頻實驗系統等。同時，也針對這一系列實驗教學平臺，研究和制定了完備的專業實驗項目內容，以期提高實驗教學質量和效用。鑒于此，本文以專業實驗教學改革為契機，以提高專業人才培養質量為目標，結合社會就業崗位的能力要求，以新建設的紅外視頻檢測系統實驗平臺為例，從實驗項目設計的原則、目標、來源、內容以及實施過程等幾方面考慮，對該實驗平臺的實驗項目的設計與開發過程進行了初步的探討。

1 實驗項目設計的原則

實驗教學環節作為專業人才培養中的重要環節之一，承載著消化和鞏固專業理論知識、培養和鍛煉動手實踐能力的重任。實驗項目是實驗教學環節中理論知識與實踐技能的科學載體，對其設計與開發顯得尤為重要[9-12]。為了保證實驗項目設計的有效性和合理性，充分考慮人才培養特點和崗位能力要求，對實驗項目的設計原則進行了探討[11-13]。

(1) 科學性原則。任何實驗項目的設計都首先要滿足知識體系與實驗過程的科學性與合理性。①實驗項目所探究的實際問題必須符合客觀規律，來源于工程實踐，立足于培養學生探索科學問題的思維意識和能力素質；②實驗項目所涉及的理論知識內容、實驗原理與方法、實驗操作程序應該是科學合理的；③實驗項目實施過程要符合科學的認知規律，設計合理的技能訓練方法，讓學生在實驗過程中鞏固和掌握理論知識和實踐技能。

(2) 系統性原則。實驗項目設計應該立足于專業知識結構和教學實施過程的系統性。系統的專業知識結構既要滿足全面整體的知識認知體系要求，也要達到實驗項目的實踐技能培養目標，保證學生對知識的理解與技能的掌握的統一性和完整性；實驗項目教學遵照“循序、系統、連貫”的實施過程，保證學生獲得系統的知識和技能，實現對客觀世界的規律性認識和理解，利于學生對知識的融會貫通和綜合利用。

(3) 綜合性原則。實驗項目綜合性主要考慮實驗內容的復合性和交叉性。實驗內容的復合性強調專業知識的綜合性，旨在培養學生利用所學知識解決實際問題的綜合應用能力；實驗內容的交叉性，即實驗內容能夠綜合反映專業知識內容之間的交叉，可以綜合采用兩種或兩種以上專業知識理論來分析問題和解決問題，理論綜合應用與實踐，達到培養學生綜合應用所學知識解決實際問題的能力。

(4) 可操作性原則。實驗項目可操作性，一方面要求實驗內容符合學生的知識能力水平和認知規律，使得學生能夠通過對專業知識的理解和消化完成實驗過程；另一方面，實驗內容所涉及的實驗儀器設備，具備設備可操作性和環境安全性。

2 實驗項目目標

開設實驗項目的目的在于加強學生的專業知識的理解和認識，綜合訓練學生的實驗技能，培養學生的科學思維能力和創新意識，提高人才培養質量。因此，科學合理的實驗教學培養目標是達到實驗教學培養效果的重要保證。2010年，在中央與地方共建高校的財政資金支持下，我中心根據學科建設構架和人才培養目標的要求，新引進了一套先進的教學科研實驗平臺——紅外視頻檢測系統及數據處理軟件平臺(見圖1、圖2)。

圖1 便攜式紅外視頻檢測系統

通過開設針對該紅外視頻檢測系統的實驗項目，讓學生對該系統的功能和實踐應用有所了解，并在教師的引導下，自主完成一些綜合性、設計性和探索性的實驗內容。具體的實驗目標是：

圖2 紅外視頻檢測系統數據處理軟件平臺

(1) 了解紅外視頻檢測系統的工作原理，掌握該系統的實操方法；

(2) 對于命題實驗，能夠按照規范要求，將所掌握的有關知識、操作方法，靈活應用于解決實際問題中；

(3) 根據教師命題的實驗課題范圍，能夠提出合理可行的實驗方案，并加以實施完成，培養獨立分析問題和解決問題的能力，提高創新意識；

(4) 能夠熟練使用紅外圖像分析軟件來處理和分析現場的紅外熱像數據，并對實驗結果進行理論分析，培養理論聯系實際的能力；

(5) 以小組完成實驗課題，培養與他人合作的團結、協作精神。

3 實驗項目來源

在實驗項目的設計上，重點考慮實驗項目內容的知識點科學性、綜合性、系統性、創新性以及實驗的可操作性和安全性。主要來源從兩個方面來考慮：

(1) 由常規驗證性實驗項目展開 根據紅外視頻檢測系統的工作原理、功能特點以及應用領域，對常規驗證性實驗項目進行改進和完善，積極拓展或延伸現有的實驗項目。例如，在采用紅外視頻檢測系統進行瀝青路面施工過程溫度離析檢測時，常規的驗證性實驗就是采用該系統檢測并截取各個施工環節的紅外視頻圖像，在線實時讀取并記載施工面的表面溫度，通過統計分析軟件判斷是否發生溫度離析。從綜合設計性實驗的角度出發，可對該實驗進行改進，可選取一些特征點、線或面，按照溫度與空間位置的對應關系繪制溫度變化曲線，根據曲線的狀態可進一步判斷溫度離析的程度。

(2) 從科技文獻或其他科研課題中的實踐案例中提煉實驗項目 通過查閱有關的科技文獻，或者總結專業教師主持參與的具有代表性的科研項目，將一些典型的科研環節應用到實驗項目中[14-15]。例如，在科研項目——瀝青混凝土路面現場熱再生應用技術研究中，溫度作為影響路面施工質量的因素之一，需要實時監控各個施工環節的溫度變化，通過溫度變化的反饋來控制和改善路面的施工工藝，提高路面施工的質量。學生通過該環節的實驗，能夠全面認識現場熱再生技術及其在瀝青混凝土路面養護施工中的應用，掌握溫度控制要點，利用紅外視頻檢測系統探究溫度離析現象，研究和設計工程質量改進方案。

4 實驗項目設計

遵照上述實驗項目的設計原則和目標，結合紅外視頻檢測系統在本學科專業的各種應用優勢和專業技能訓練要求，重點設計和開發了3個不同類型的實驗項目，以期擴大學生的知識面，提高動手實踐能力，充分激發學生的實驗興趣和學習的主動性，并理論應用于實踐。實驗項目內容如表1所示。

(1) 紅外視頻檢測系統的認識與實踐。本實驗為基礎驗證性實驗，其目的是讓學生通過查找相關文獻和資料，熟悉和了解紅外視頻檢測系統的基本原理、功能結構、應用領域以及設備的基本調試與操作使用方法，為進一步地使用該實驗設備完成實驗過程奠定基礎。整個實驗過程主要包括文獻資料與設備資料查閱與總結、實驗設備原理與方法的認識、實驗設備的實操訓練、實驗報告的完成等階段，完成實驗需要2學時。

(2) 瀝青路面現場熱再生過程中溫度檢測與分析。本實驗類型為綜合設計性實驗，主要是針對現場熱再生施工過程中瀝青路面溫度檢測的實驗研究，旨在通過實驗探究過程，讓學生熟悉現場熱再生施工機組設備和施工設計，認識對施工過程溫度分布檢測的重要性和必要性，并學會利用先進的紅外視頻檢測系統對是施工過程中的溫度數據進行檢測，完成必要數據統計分析，進一步了解現場施工過程的實時溫度分布情況，掌握溫度控制要求。實驗要求學生設計一個利用紅外視頻檢測系統檢測某一關鍵溫度檢測點的實驗方案，并對數據加以分析，了解施工中溫度控制要求。要完成這一實驗項目，學生除了必須掌握瀝青路面現場熱再生技術及再生機組設備方面的知識，還必須具備一定的數據統計分析基礎。學生可結合公路瀝青路面施工技術規范要求，自主確定若干個目標檢測點或者區域進行分析，完成溫度分布檢測與分析，并撰寫實驗報告。實驗報告中不僅要體現數據采集、數據分析的過程和結果，最重要的是還要根據所學的專業知識來分析溫度控制要求。考慮到施工環節包括瀝青路面加熱、銑刨、復拌、攤鋪和壓實等復雜的施工過程，本實驗項目安排4個學時。

(3) 探究溫度離析現象。考慮到溫度離析研究的復雜性與開放性，以及可利用紅外視頻檢測系統方便地獲取施工過程中的溫度分布圖像圖，我們嘗試著把這一典型的工程技術實踐應用到實驗教學專業實訓中并設計開發出相應的探索性實驗。將影響施工質量的重點環節作為溫度檢測的基本點或區域，把所拍攝的紅外視頻圖像結合后臺的數據統計分析軟件來對所拍攝的紅外視頻圖像進行數字化的分析和處理，探究溫度離析現象，并提出探索性的質量改進方案。學生自主設計實驗方案，按照施工規范中所要求的溫度檢測點，選取待檢測瀝青路面施工標段的某個固定空間位置點，依次拍攝若干組紅外視頻圖像。應用紅外圖像分析軟件和統計分析軟件進行溫度數據的處理、對比和分析，繪制出相應的變化曲線或直方圖，更加清晰地認識溫度數據的離散程度，進一步得出溫度離析的規律性結論，并提出有價值的工程質量改善建議。

5 結 語

充分考慮實驗項目體系的完整性，分別從基礎驗證性、綜合設計性、研究探索性3個方面對紅外視頻檢測系統實驗平臺的實驗項目進行了設計與開發，并結合我院工程管理專業實踐教學改革的目標和要求，所設計的實驗內容已經在我校管理模擬實驗中心工程管理專業“公路養護技術與管理”課程內容“就地熱再生過程中瀝青路面溫度離析探究”的實驗教學環節中實施，取得了良好的實施效果：一方面，通過教師引導、學生自主設計的實驗教學方式，學生熟悉和了解了這套先進的儀器設備和相關工程技術，掌握了設備的實操技能，拓寬了專業視野，為今后從事相關工程技術的崗位工作打下了理論與實踐的基礎，實驗結果既達到了建設該實驗平臺應用于實驗教學的預期效果，也使其更有效地為教學實踐服務；另一方面，實驗內容提煉于代表性的最新科研項目，具備一定的技能實用性、過程趣味性和科研探索性，極大地提高了學生學習的自主性和興趣，能夠主動去發現問題、分析問題、解決問題，加強了學生獨立思考意識和科研創新能力的培養和鍛煉，增強了人才培養的效果。

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Design and Practice of the Experimental Project Based on Teaching-Learning-Research Platform

LIUYong,LIHong-di,QINMin

(Center of Management Simulation Experiment, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to the current experimental teaching problems existing in experiment contents, project system and teaching method, this paper firstly proposed that the starting point of improving the experimental teaching effect is to build experimental platform and design corresponding experimental project system. Then, taking the new infrared video detection system of management simulation experimental center as an example, we studied design principles, objectives and sources of the experimental project, designed and developed three typical experimental projects combining with engineering application characteristics. Finally, the designed experimental projects have been put into practice, and good results have been achieved. The process of designing and developing experimental project can provide useful information for other experimental education reform.

experimental teaching reform; teaching and research platform; design and practice of experimental project; infrared video detection system

2014-04-03

重慶市高等教育教學改革研究重點項目(112054，132030)；重慶交通大學實驗教學改革研究項目(SYJ201017)；重慶交通大學實驗室開放基金項目(SYK201411)

劉 永(1983-)，男，湖北襄陽人，碩士，實驗師，管理模擬實驗中心副主任，主要研究方向為管理科學與信息技術。

Tel.:15823043299;E-mail:liuevery@gmail.com

G 642.0;G 642.423

A

1006-7167(2015)03-0202-04