建設四類實驗資源 構建“分層次遞進式”實驗教學體系

楊廣武， 胡松青， 張亞萍， 郭文躍

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

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建設四類實驗資源 構建“分層次遞進式”實驗教學體系

楊廣武， 胡松青， 張亞萍， 郭文躍

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

實驗資源是從事實驗教學的物質基礎，高校的實驗教學創新和體系建設應該以實驗資源的建設為依托。中國石油大學(華東)材料物理專業通過建設“認知教育平臺”、“實驗教學示范中心”、“專業實驗室”、“創新實驗平臺”四類實驗資源，構建了包含“認知型、基礎型、提高型、創新研究型”四個能力培養層次的“分層次遞進式”實驗教學體系。實踐證明，“分層次遞進式”實驗教學體系符合學生的學習和認知規律，激發了學生的積極性，培養了學生的工程實踐能力和創新精神，使更多的高素質專門人才和拔尖創新人才脫穎而出。

實驗教學； 實驗資源； 分層次教學； 教學改革

0 引 言

實驗教學是提高學生綜合素質、培養實踐能力的關鍵教學環節，是實現創新人才培養目標的重要組成部分。教育部《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》指出，要“大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力。……合理制定實踐教學方案，完善實踐教學體系”。因此，必須深化實驗教學改革[1-3]。實驗資源是高校開展實驗教學的物質基礎，是培養高素質創新型、應用型人才的重要保證，實驗資源的擁有量和利用率在一定程度上反映了高校的教學水平、科研水平和管理水平[4-5]。近年來，高等教育教學改革不斷深入，各高校的實驗資源配置也得到了豐富和補充，但是在實驗資源的高效利用和提高方面尚需要不斷完善，許多專業面臨著教學資源分散，定位模糊，實驗教學體系薄弱等問題。如何合理配置和整合資源，使其發揮最大效益，探索構建科學的實驗教學體系，全面推進素質教育，成為高校實驗教學亟待解決的關鍵問題[6-7]。中國石油大學(華東)材料物理專業結合實際情況，依托四類實驗資源建設，在構建“分層次遞進式”實驗教學體系方面進行了積極的探索和實踐，逐步摸索出提高人才培養質量的新途徑，并取得了顯著成效。

1 “分層次遞進式”實驗教學體系

1.1 實驗教學體系改革的理念與思路

材料物理專業實驗教學體系的建設思路是：以提高人才培養質量為目標，以“理工結合，石油特色，重視基礎，突出優勢”的專業建設思路為指導，以專業人才培養方案和學科發展規劃為依據，以實驗資源整合和實驗平臺建設為基礎；科學設計從基本技能到現代技術，從綜合應用到創新能力培養的“分層次遞進式”實驗教學體系，實現實驗教學“鞏固基礎、拓寬知識、提高能力、增強素質、促進創新”的教學目的；在實驗體系建設的基礎上，進一步推進實驗教學內容、模式、方法的改革與創新。

1.2 “分層次遞進式”實驗教學體系的具體內容

通過不斷的探索與實踐，材料物理專業依托“四類實驗資源”建設，構建了包含“四個能力培養層次”的“分層次遞進式”實驗教學體系。如圖1所示。

圖1 材料物理專業“分層次遞進式”實驗教學體系結構圖

“四類實驗資源”是指“認知教學團隊”、“實驗教學示范中心”、“專業實驗室”、“創新實驗平臺”；“四個能力培養層次”是指“認知型”、“基礎型”、“提高型”、“創新研究型”。其中，認知型實驗占15%，以參觀、展示、實習為主，是專業認知教育的重要組成部分，目的是培養和調動學生的專業認知能力，幫助學生建立材料物理專業的“感性認識”，內化對專業知識的理解，并進一步將自己的認識上升到價值觀層面，確立明確的學習和奮斗目標。基礎型實驗占40%，以演示性和應用型實驗為主，附屬于理論課程，是根據專業培養目標應該達到的最基本要求。目的是使學生在基本實驗方法的訓練中，鞏固所學理論知識，掌握基本操作技能和方法，建立科學實驗的基本思維方式，培養學生觀察、分析、解決問題的能力。提高型實驗占30%，以綜合性、設計性實驗為主，圍繞材料學科實際應用問題進行，主要包括專業應用技能訓練和現代大型檢測儀器使用訓練，目的是培養學生綜合應用理論、方法、儀器，解決材料科學相關問題的能力和進行科學研究的專業素質。創新研究型實驗占15%，實驗項目和選題主要來自教師或學生的研究課題，由具有較高學術水平的教師以系統項目訓練的形式指導學生開展實驗課題研究，以言傳身教的方式把學生引入科學研究的殿堂，而實驗的內容、方案、進度等則主要由學生自主安排，目的是使學生獲得系統的科學研究方法訓練，掌握科學的實驗研究方法，培養學生的自主性和創新精神。

2 實踐內容與措施

2.1 依托認知教育團隊，塑造學生的專業認同和感性認識

美國著名教育心理學家布魯納認為：“學習任何一門學科的最終目的是構建學生良好的認知結構”[8]。培養學生的專業認知能力能夠促使學生有效地監控和調節自己的學習，培養學習的興趣和積極性。“專業認知實驗”主要是針對大一新生，以實驗室走訪參觀、實驗項目介紹、科研項目成果展示為主，使學生了解專業學習和未來發展所要具備的知識和技能，建立對專業學習的整體認識；“專業認知實習”主要是深入企業、工廠等實訓場所、實習基地，親身感受實際操作，了解先進設備等，還原專業課程的必然聯系和工程實際的本來面目，逐步建立和培養學生的工程意識和工程素養。

為了保證認知型實驗的教學質量和長遠發展，材料物理專業建立了專門的認知教育團隊，團隊由擁有較高教學和科研水平的教學名師、講課比賽獲獎者、高層次人才計劃入選者等組成。目前已經建立起以團隊首席教授為核心，以教授、副教授為骨干的一支專兼結合、德才兼備的高水平教師隊伍，成員包括：山東省教學名師1名，教育部新世紀人才2名，山東省泰山學者1名，山東省杰出青年基金獲得者1名，校青年教師講課比賽特等獎獲得者1名。

認知型實驗項目的開設以及高水平教學隊伍的參與，幫助學生迅速融入大學的學習生活，建立起對專業課程體系的整體認識，樹立了學習目標，提高了工程實踐能力。

2.2 建設實驗教學示范中心，打造精品實驗課程

自 2005 年起，教育部在全國范圍內開展了實驗教學示范中心的建設工作。實驗教學示范中心肩負著突出學校特色優勢專業、融合優質資源、探索新時期人才培養需要的實驗室建設和教學改革功能[9-10]。《高等學校本科教學質量與教學改革工程實施方案》指出：“實驗教學中心應力爭建設成為具有輻射和引導作用的創新性實驗教學示范中心”。中國石油大學(華東)物理實驗教學示范中心成立以來，一直致力于大學物理實驗系列課程的教學改革與實踐，取得了良好的教學效果，2006年評為山東省首批省級實驗教學示范中心[11]。為了進一步加強實驗資源建設，深化材料物理專業實驗教學改革，材料物理專業以物理實驗教學示范中心為基礎，共同組建了“一個中心，兩個平臺，多個模塊”的物理實驗大平臺。“一個中心”即大學物理實驗公共管理中心；“兩個平臺”是指基礎物理實驗平臺和材料物理專業實驗平臺；“多個模塊”是指依托實驗平臺開設的若干實驗模塊。

圖2 “一個中心，兩個平臺，多個模塊”的物理實驗大平臺結構圖

物理實驗大平臺的建設符合研究型大學人才培養的需要，促進了實驗資源的整合、優化、共享，為材料物理專業的實驗教學提供了強大的依托平臺，提高了學生的專業水平和綜合能力；同時也加快了物理實驗教學示范中心的改革和建設，所開設的“大學物理實驗”于2007年被評為山東省省級精品課程。

2.3 依托專業實驗室，夯實專業基礎，提高綜合素質

著名物理學家馮端院士指出：“實驗室可以比擬為現代大學的心臟”[12-13]。專業實驗室的教學內容貼近科學研究，實驗設施又多為科研成果的轉化產物，最有利于培養學生的專業實驗能力、科研能力和創新能力。目前，材料物理專業實驗室總面積約740余m2，擁有各種教學用實驗儀器設備360余臺，固定資產總價值約800萬元，擁有一批包括：磁控濺射儀、化學氣相沉積系統、太陽能電池光電性能測試系統、掃描隧道顯微鏡、X射線衍射儀、熱重分析儀、氮氣吸附脫附實驗儀、紅外光譜儀、紫外分光光度計、電化學工作站、鹽霧腐蝕實驗系統等較先進的材料制備和性能分析表征實驗教學設備，已成為設備較為齊全、功能較為完整、教學手段和方式較為先進的材料科學與工程實驗教學基地。在“立足教學、服務科研、內涵發展”的建設方針指導下，材料物理專業依托專業實驗室資源和特色研究方向，建立了材料基礎實驗室、材料綜合實驗室、腐蝕與防護實驗室、新能源實驗室、計算材料學實驗室和材料演示實驗室6個專業實驗室，并開設了電工電子學實驗、材料性能分析與檢測實驗、計算材料學實驗、腐蝕與防護實驗、材料科學綜合實驗、新能源材料設計實驗6門專業實驗課程。

這些實驗課程主要是面對大三、大四高年級的學生，通常是已經學習了本專業的必修和選修課，具備一定的理論基礎和實驗技能，因此，實驗主要分為兩大類。一類是加強學生對理論知識理解和實驗技能鞏固的基礎型實驗，另一類是培養學生綜合運用所學知識，分析和解決問題能力的提高型實驗。在此基礎上，為了使學生了解學科的新發展和新技術，提高學生的自主學習興趣，任課教師汲取材料物理學科技術發展的新成果，將專業實驗教學的開展與承擔的科研項目聯系在一起，開發了“納米結構碳材料的制備與表征”、“染料敏化太陽能電池制備與光電性能測試”、“過渡金屬氧化物的制備與電化學儲能性能研究”、“無鉛壓電陶瓷制備及性能測試”、“TiO2光催化劑的制備與催化性能研究”等一系列具有材料學科前沿特點的自主設計實驗項目，建立了融知識、能力、素質為一體的開放型實驗教學新體系，激發了學生探索材料未知領域的主動性、積極性。

2.4 依托創新實驗平臺，激發學生智慧潛能

“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力”。《高等教育法》明確規定：“高等教育的任務是培養具有創新精神和實踐能力的高級專門人才”[14-15]。 材料物理專業通過“創新研究型實驗”，使學生接受科研選題、文獻查閱、實驗方案設計、設備搭建改造、研究計劃執行、數據整理分析、科學報告和論文寫作等全方位的科研訓練，培養學生的自主性和創新精神。為滿足不同能力層次學生的實際情況和培養需求，材料物理專業搭建了由“普及、進取、精英”三個培養層次構成的“金字塔式”創新實驗平臺(圖3)。

圖3 “金字塔式”創新實驗平臺

其中，“普及”層次為“科研實習”。科研是提高教育質量和層次的關鍵，著名物理學家錢偉長認為：“教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”[16-17]。2012年4月教育部在“關于全面提高高等教育質量的若干意見”中指出：“促進科研與教學互動，及時把科研成果轉化為教學內容。支持本科生參與科研活動，早進課題、早進實驗室、早進團隊”。目前，對于大部分大二、大三的學生來說，除了課程實驗外，基本沒有接受過科研訓練，單純依靠學生提出科技活動及創新實驗研究課題往往不切實際。因此，材料物理專業首先把“科研實習”作為創新精神培養和創新實驗平臺建設的第一步，要求所有學生從大二下學期開始，獨立或以2或3人組成實驗小組，參與到導師的科研項目當中去，進行為期一年的“科研實習”，并以“師生雙選”、“項目化管理”、“導師負責制”等措施確保“科研實習”的順暢實施和管理。

“進取”層次則要求逐漸淡化導師的監督和管理，鼓勵一部分在“科研實習”過程中建立良好研究基礎的實驗小組，積極申請“大學生創新訓練計劃項目”等本科生科研項目，在項目的引導和管理下，自主安排實驗的內容、方案、進度等，以加強學生自主學習意識、科研能力以及團隊意識的培養。材料物理專業從制度、經費、師資、條件等多方面采取有效措施，全方位保障大學生創新實驗計劃項目運行。如成立本科生科技創新項目管理領導小組，負責大學生創新性實驗計劃項目的申報、評審、運行、驗收，并制訂相關管理文件和工作計劃，實現對大學生創新實驗計劃的全面管理；建立行之有效的激勵機制，在“本科生綜合測評管理辦法”和“推薦免試研究生管理辦法”中明確規定，對參與大學生創新項目的負責人和成員分別給予相應的獎勵分值，對指導大學生創新性實驗項目的教師，給予一定的工作量獎勵。近年來，材料物理專業的大學生創新活動開展地如火如荼，專業學生每年獲批各類大學生創新實驗項目20余項，其中國家級3～5項。

“精英”層次支持少部分具備一定能力的個人或實驗小組，以其優秀作品或研究成果為基礎，參加國家和高校組織的各類科技競賽，從而推動科技創新活動，激發其創造力和科學精神。材料物理專業把參加科技競賽作為重點工作進行開展，并通過完善創新人才培養模式、搭建科技創新實踐平臺、健全科技競賽管理體系等舉措，形成大學生科技競賽文化活動的長效機制，保障了科技創新人才培養的可持續發展。自2006屆張煒強同學參加第五屆“挑戰杯”全國大學生創業計劃大賽，并獲得山東省三等獎以來，材料物理專業的科技競賽活動蓬勃發展，極大地支持了創新研究型實驗的開展。僅2013年，材料物理專業就在“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽、創業計劃大賽、全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽、全國大學生電子設計競賽、山東省大學生物理科技創新大賽等各類國家級、省級科技競賽活動中獲獎9項。

“金字塔式”創新實驗平臺充分考慮了學生的個體差異和培養需求，既滿足了普通學生接受科研熏陶和培養創新能力的需要，又為學有余力的學生提供了發揮個人才能和施展才華的舞臺。

3 實踐效果

經過10多年的探索與實踐，中國石油大學(華東)材料物理專業的實驗資源建設和實驗教學體系建設取得了長足的發展，實驗教學和人才培養質量得到了極大的提高，成績斐然。自材料物理專業2006屆本科生嚴克友在SCI一區雜志Nanotecnology發表高水平研究論文以來，先后已有28位同學在Journal of Physical Chemistry C、高等學校化學學報等雜志發表文章，申請發明專利和實用新型專利33項，在各類國家級和省級科技競賽中獲獎32項，獲得山東省優秀學士學位論文5篇。

4 結 語

“認知教育團隊”是塑造學生專業認同和感性認識的有效載體；“實驗教學示范中心”能夠發揮優質教學資源的輻射和引導作用；“專業實驗室”是夯實學生專業基礎和培養實踐能力的重要場所；“創新實驗平臺”則能夠為卓越人才的培養和發展提供優良的基礎條件。中國石油大學(華東)材料物理專業以實驗資源建設為前提，以實驗體系建設為核心，通過依托四類實驗資源建設，構建了包含“認知型”、“基礎型”、“提高型”、“創新研究型”四個能力培養層次的“分層次遞進式”實驗教學體系，形成了從感性到理性、從簡單到復雜、從基礎到前沿、從專業能力到創新精神培養的一整套科學的實驗系統，提高了材料物理專業的人才培養質量。多年的教學實踐證明，分層次、多元化的實驗教學有利于激發學生的積極性和創造性；有利于因材施教，培養不同層次學生應有的能力；有利于增強學生工程實踐能力，特別是創新意識和能力的培養。

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Relying on Four Resources to Construct Hierarchical Experimental Teaching System

YANGGuang-wu,HUSong-qing,ZHANGYa-ping,GUOWen-yue

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Experimental resources are the important base for experimental teaching, therefore, it is also the foundation for experimental teaching reformation and experimental teaching system construction. Aiming at improving students' ability and personality, China University of Petroleum constructed hierarchical experimental teaching system consisting of cognitive experiment, basic experiment, advanced experiment and creative experiment. The reformation and construction of this experimental teaching system rely on four types of resources, that is, cognitive education platform, experimental teaching demonstration center, specialized laboratory and creative experiment platform. The practice showed that the series of reformation stimulated students' interest and inspired their engineering practice ability and innovative spirit, and more high-quality specialized students and innovative talents were emerged.

experimental teaching; experimental resources; hierarchical teaching; teaching reformation

2015-02-28

國家自然科學基金(21403302)；中國石油大學(華東)教學研究與改革重大項目(JYA201402)；中國石油大學(華東)精品實驗建設項目(JS201414)

楊廣武(1981-)，男，山東青島人，博士，副教授，從事新能源材料方向的教學與研究工作。

Tel.：18724772877; E-mail：yanggw@upc.edu.cn

G 420； G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0159-04