高校實驗教學中創新教育現狀與對策

張運楚， 姜愛民， 徐紅東， 張君捧， 楊紅娟

(山東建筑大學 a.信息與電氣工程學院; b.實驗與設備處，山東 濟南 250101)

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高校實驗教學中創新教育現狀與對策

張運楚a， 姜愛民b， 徐紅東a， 張君捧a， 楊紅娟a

(山東建筑大學 a.信息與電氣工程學院; b.實驗與設備處，山東 濟南 250101)

實驗室是高校的心臟，對學校的健康發展至關重要，實驗教學是培養大學生創新能力的重要載體。在界定創新能力涵義的基礎上，反思了應試教育、傳統文化對當代大學生創新意識的負面影響，指出了當前高校實驗教學中創新教育存在的認識誤區，對弱化驗證性實驗、開放式實驗教學不到位、實驗教學師資隊伍結構嚴重失調等問題進行了深入剖析，給出了以創新意識啟蒙為核心、實驗與理論教學一體化教學模式、穩定實驗教學隊伍和優化實驗資源配置等對策。

創新教育； 創新意識； 實驗教學； 驗證性實驗

0 引 言

人類現代文明的巨大進步，得益于近代啟蒙運動所帶來的思想觀念的解放，得益于科學發現、技術創新以及由此而形成的先進生產力。由此可見，創新是一個民族進步的靈魂和國家興旺發達的不竭動力[1]。高校實驗室是科技創新的搖籃、創新人才的培養基地、社會服務的窗口和學校健康發展的心臟，其重要性已被廣泛公認。多年來，教育工作者針對高校實驗教學存在的問題作了大量有益的探索，提出了多種教學模式，設計了分層遞階層次化實驗教學內容，實踐了問題導向、項目導向等教學方法，有力地促進了創新教育的良性發展[2-6]。但是由于高校差異性大、制約因素多，仍存在大量問題有待解決。

本文首先界定了創新能力的涵義，反思了應試教育、傳統文化對當代大學生接受創新教育的不利因素，分析了目前我國高校實驗教學中創新教育存在的問題，給出了相應對策。

1 目前高校實驗教學中創新教育存在的問題

1.1 對創新教育存在認識誤區

所謂創新能力，是指個體運用一切已知信息，產生某種獨特、新穎、具有社會或個人價值的產品的能力。實驗教學中的創新教育，就是在實驗過程中融入創新活動的特征要素，借以激發和培養學生的創新能力。

創新能力由創新意識、創造性思維和創新技能三個要素構成。創新意識是指人們根據社會和個體生活發展的需要，所激發的創造前所未有的事物或觀念的動機，以及在創造活動中表現出的意向、愿望和設想。它是人類意識活動中的一種積極的、富有成果性的表現形式，是人們進行創造活動的出發點和內在動力，是創造性思維和創造力的前提。創造性思維是以感知、記憶、思考、聯想、理解等能力為基礎，以綜合性、探索性和求新性為特征的高級心理活動。而創新技能是指創新主體具有的行為技巧及動作能力，包括信息加工能力、動手操作能力、掌握和運用創新技法能力、創新成果表達能力以及物化能力等。

創新意識的培養和開發是培養創造人才的起點，也是難點。當前的創新教育多把重點放在創造性思維能力和創新技能的培養，忽略了創新意識的核心地位。正如一個人熟悉愛迪生的發明故事和工具，卻不能成為一個發明家一樣，必須讓學生懂得，即使掌握了世界上所有的創新方法都不可能使你成為一名優秀的發明家，只有創新意識才是創新的源動力。

我國大學生長期受應試教育的影響，又缺乏培養創新意識的傳統文化背景和社會資源，缺乏歐美科技強國“車庫文化”的創新傳統。歐美國家的“家庭實驗室”、“車庫文化”是其強大創新力的縮影，它既是孩童時期創新意識啟蒙的樂園，也是成年后創業的搖籃。像迪斯尼、蘋果、惠普、微軟帝國、谷歌、YouTube、DELL這些大名鼎鼎的公司起點，都是間“車庫”，歐美人把他們的“車庫”變成了形形色色的車間、實驗室和家庭作坊，備齊工具就可以做自己感興趣的事?？梢哉f，正是鼓勵創新的“車庫文化”造就了今日強大的美國。

1.2 忽視驗證性實驗對培養創新能力的作用

傳統實驗教學中的驗證性實驗飽受詬病，認為驗證性實驗依附于理論課程、缺乏彈性，不利于培養學生主動探索精神和創新意識，是導致學生對實驗課程興趣降低的主要原因。為了配合實驗教學改革，多數高校在制定實驗教學大綱時對實驗內容進行了大刀闊斧的刪改，增加綜合性、設計性和研究性實驗，制定了將驗證性、綜合設計性和研究創新性等實驗類型有機結合的分層遞階式實驗教學課程體系，但無一例外都存在弱化驗證性實驗現象。

驗證性實驗在結論明確的前提下，以理論驗證、促進知識理解和鞏固、培養操作技能和數據處理方法。綜合性實驗通常涉及到一門或多門課程中較多的知識點，強調知識之間的相互聯系和系統性，用于培養學生運用理論知識和工程觀念分析解決問題的綜合能力。設計性實驗主要培養學生工程領域設計制作以及對設計過程的組織管理等方面的能力，訓練培養學生的工程師素養。研究創新性實驗多以教師的科研項目或學生開放式實驗課題為載體，著重培養學生的研究意識，激發學生科學研究、科學探索的興趣[7]。

上述實驗教學課程體系符合由易到難、由簡到繁、由被動變主動的認知規律，貌似完美，但許多學校常因實驗室硬件資源、師資以及理論教學體系的配套改革等實施條件不足而未到達預期效果，甚至流于形式。存在的主要問題有：

(1) 過度弱化驗證性實驗的創新教育功能。鑒于有限的實驗學時，在增加綜合性、設計性及研究性實驗內容后，勢必要壓縮驗證性實驗的學時，弱化驗證性實驗教學內容、教學方法和手段的研究。多采用封閉式實驗箱或實驗臺的“插”、“拔”式枯燥實驗手段，甚至采用軟件虛擬仿真實驗代替實物操作，導致驗證性實驗過程的符號化、黑箱化、傻瓜化。這種過度弱化驗證性實驗的教學方式，是對傳統實驗教學模式的矯枉過正，不利于學生創新意識、創新技能的培養[8]。

上世紀由于商品化教學儀器不足，高校驗證性實驗教學多采用自制教儀，簡陋原始。但是，實驗過程具有“原生態”的臨場參與和作品意識感，充分調動了學生的主觀能動性。以電子技術中的單管放大電路實驗，多采用銅條板、多孔印刷線路板焊接，或面包板插接來構建測試電路，學生必須了解電路原理、元器件知識及功能測試方法，學會器件布局，掌握焊接技能、儀器儀表使用，學會調試及故障分析排查，了解電路干擾源及抗干擾措施，最終才能完成電路構建，獲取實驗數據。雖然實驗結論明確，但整個實驗過程存在許多不確定性和探索性。因此，在完成實驗后，學生會覺得很有成就感和自豪感，這會進一步激發學生對實驗學習的興趣，進而潛移默化為學生的創新能力。

事實上，驗證性實驗具有兩個功能：一是復現有關理論或知識的發現過程，為學生提供實驗方案設計范例，熟悉實驗方案設計的各個要素，通過研究、分析和模仿，漸漸觸類旁通。二是啟蒙并強化實驗科學思想，培養學生的科學精神，從認知的角度實現學生自我意識的升華，以一種更有廣度、更有深度的視角觀察和思考世界，并將這種認識作為一種日常習慣貫穿于生活、工作與學習的每一個細節中，培養其創新意識。

英國哲學家培根把實驗作為自然科學研究的基本方法，認為人的感官受到一定的局限，在認識中容易發生主觀和片面的錯誤，只有深入地進行科學實驗，才能彌補感官的缺陷，保證感覺經驗的可靠性。培根是第一個系統地制定了認識的歸納法的哲學家。他認為，歸納法是認識的最可靠的方法。他把它叫做“新工具”。培根的歸納法為人們提供了一個概括經驗事實，正確地形成概念、發現規律、達到公理的新的有力的手段，這對當時實驗科學和哲學的發展起了積極的推動作用。馬克思和恩格斯稱他是“英國唯物主義和整個現代實驗科學的真正始祖”。

(2) 缺乏實驗與理論教學的一體化設計。必須承認，實驗教學對理論課程的依附本質，不會因實驗教學課程體系的改變而消失。多數學校的實驗教學改革，因未將實驗與理論課程教學進行一體化設計，未能達到預期效果。由于綜合性、設計性和研究性實驗的內容存在多樣性、探索性，實驗過程以及所需的時間也往往因人而異，具有不確定性。如果不能為學生提供必須的時間、空間和實驗器材選擇的自由，那么就達不到期望的人才培養效果。

目前，高校實驗教學多采用驗證性實驗隨理論課程進度分散安排在課外或課內，綜合性、設計性和研究性實驗則采用獨立實驗周集中進行，輔以課外業余時間。以作者所在的學院為例，一般課程實驗學時約占課程總學時的20%～50%，模擬與數字電子技術則集中設置2個實驗周、1個設計周，因生均實驗資源和學生培養方案總學時的限制，除集中實驗教學環節能固定安排在8 h之內，大部分課程實驗只能安排在8 h之外的業余時間。一方面實驗室資源在工作日8 h之內閑置率較高，不能有效發揮其效益；另一方面時間過于集中、強度大，導致學生疲于應付、學習效率和主動性不高，不能給學生提供從容思考的時間和空間和及時的指導。

(3) 視創新教育為結果而非過程。一般認為，只有問題復雜性才能更好地導致創新行為，因此一些高校多將創新教育放在設計性、研究性實驗環節，甚至把各類競賽作為創新教育的主要載體而大加推崇。層次化實驗教學體系中，實驗教學資源的需求如同倒立的金字塔，層次越高，所需教學資源就越多；而受益的學生數量則呈正立的金字塔，層次越高，學生受益面越窄。通過選拔機制為一些優秀的學生提供優質教學資源是合情合理的，具有積極的示范效應。但在高端實驗資源稀缺時，這種選拔性創新教育將剝奪大部分學生獲取自身發展的培養機會，導致新的教育不公平。

1.3 對虛擬仿真實驗的作用存在認識誤區

虛擬仿真實驗的價值，體現在真實實驗平臺無法開展或高危險的實驗教學，或大型、綜合的虛擬實訓，或模擬真實實驗教學中成本高、資源(包括能源和試驗原材料)消耗大、污染嚴重的實驗教學內容。但是，目前存在一種認識誤區，認為可以用虛擬仿真實驗替代實物真實實驗、減少實驗投入、更便于實驗時間和空間的開放[9]。

以電子設計自動化EDA(Electronic Design Automation)軟件為例，各類EDA工具，如Pspice、Multisim、Ewb等，對電子技術實驗教學的必要性和重要性已被廣泛認可，它在一定程度上可以彌補實驗室元器件與設備的不足，有效延伸實驗時間 、空間和場地，擺脫了實驗室對學生的限制，豐富了實驗教學的內容，在理論教學和真實實驗之間架起一座過渡與溝通的橋梁。

但是，如果EDA仿真環節所占比例過大，會使學生缺少足夠的實際動手操作的機會，對培養學生的創新技能非常不利。對EDA工具軟件的應用，不應停留在表層功能上，更應以培養卓越工程師的工程素養為目標，明確EDA工具軟件在電子產品功能設計、探索、研究、驗證、物化等環節中的作用及工藝流程，強調虛擬仿真實驗對實物實驗的指導意義，強調“虛化實”的目標激勵價值。當學生在計算機上看到設計結果后，會有一種盡快用實物元器件實現電路功能的“沖動”，能否保護并提升學生的這種“動力”，是EDA用于實驗教學成敗的關鍵。只有這樣，才能在實驗教學中體現EDA工具在電子工程行業中的核心應用價值，才能逐步培養學生的技術創新能力。

1.4 開放式實驗教學的困境

開放式實驗是一種“自助式”個性化實驗教學方法，也是國際上普遍采用的實驗教學模式。開放式實驗教學設置多層次模塊化實驗內容體系，讓學生在規定的教學時段內自主選擇實驗項目和實驗時間，賦予學生更多的自主權、更大的靈活性和學習空間，更加有利于對學生創新能力的培養。開放式實驗教學的開放性體現在實驗時間和空間的開放、教學內容的開放、指導方法的開放、實驗成績評價的開放和實驗室管理的開放等幾個特點。

作為實驗教學改革的一項重要舉措，許多高校紛紛實行開放式實驗教學，并且取得了一定成效。但在具體的實施過程中，經常陷入因配套改革不到位所造成的困境中[10-12]，主要問題有：

(1) 實驗教學資源不足。開放式實驗教學對實驗資源有很高的要求，包括實驗師資、實驗場地、儀器設備、工具材料等，都必須根據開放實驗內容進行冗余配置。許多學校因條件所限，只能選擇部分內容，主要面向參加畢業設計或各類技能競賽的學生開放，而面向學生基本技能訓練、興趣培養的開放實驗比較少，開放層次不夠、實驗項目不足、開放時間有限、實驗器材配置單一，可選擇性較低。另外，由于學生長期處于應試教育的學習狀態，造成大部分學生思維方式缺乏獨立性、自主性，再加上引導不力，影響了學生參與開放實驗積極性。

(2) 實驗室管理手段落后。開放式實驗教學對現有實驗室日常管理模式產生一定沖擊，表現為①開放實驗與常規實驗教學的矛盾，過度開放會減低儀器設備的完好率，如果設備的保養維修跟不上，必將影響到正常的實驗教學質量。②開放實驗過程復雜多變，必須對各種實驗資源做好優化調度。③開放實驗因其時間、空間的開放，尤其是以學生為主，弱化教師的干預度，加大了儀器設備及人身的安全風險。

(3) 運行經費缺乏。實驗教學的開放必然增加實驗材料的消耗、增加設備的維護費用、加大實驗管理人員以及教師的勞動強度，甚至占用他們的業余時間。一方面現有的實驗室運行經費已不能適應實驗室開放的需要，資金嚴重不足；另一方面實驗人員和教師付出的額外勞動得不到合理補償，這些因素直接影響到實驗教師和實驗人員參與開放實驗教學工作的積極性，影響了實驗質量和開放的效果。

1.5 實驗教學師資結構嚴重失調

國家教委頒布的《高等學校實驗室工作規程》要求，高等學校實驗室的設置，應當“有合格的實驗室主任和一定數量的專職工作人員”，包括“從事實驗室工作的教師、研究人員、工程技術人員、實驗技術人員、管理人員和工人。各類人員要有明確的職責分工。要各司其職，同時要做到團結協作，積極完成各項任務?！睂嶒炇夜ぷ魅藛T大致分為專職的實驗室管理人員、專職的實驗技術保障人員和兼職實驗指導教師三個系列，其中專職實驗室管理和技術保障人員隊伍的穩定是決定當前實驗教學改革及創新教育成敗的關鍵。

國外高校非常重視實驗技術保障人員的穩定，其科學素養、科研能力和工程實踐能力較高，絕大部分只從事學生實驗前后的準備、儀器設備的日常檢修維護和實驗教學手段的開發，基本不參與實驗教學過程的指導。實驗內容設計和指導多由講授與實驗內容相關理論課的教師負責，在簡單闡述實驗內容后由學生根據自己的認知進行發揮，老師只是負責解答一些學生在實驗過程中遇到的困難[13]。

長期以來，我國多數高校將實驗室專職工作人員作為教輔人員進行管理，待遇低，發展空間小，嚴重挫傷了他們的工作熱情，導致實驗教學隊伍不穩定、不系統，尤其是基礎課教學型實驗室，不少高學歷的中青年教師不愿意或不安心于實驗教學，致使這支隊伍在知識結構、年齡結構等方面都存在較多問題，在一定程度上制約了實驗教學改革的深化，限制了實驗教學質量的提高。再加上大學“擴招、升格”對師資隊伍學位學歷的要求，許多學校沒有及時補充實驗教學隊伍。隨著老一代實驗人員的退休，出現了嚴重的年齡“斷層”，作為下策，不得不讓理論課授課教師承擔實驗室日常管理、檢修維護、實驗指導等所謂的“一條龍”服務，崗位不清、責權利不明，疲于應付，難以將創新教育“潤物細無聲”地貫徹到實驗教學全過程。

2 思路與對策

2.1 樹立以創新意識啟蒙為核心的創新教育理念

法國思想先驅盧梭指出[14]：“教育的問題不在于教他各種學問，而在于培養他愛好學問的興趣，而且在這種興趣充分增長起來的時候，教他以研究學問的方法?！?因此，國外很多大學一直推崇學生自學能力、創新意識的培養。

創新教育的過程，不是受教育者消極被動的被塑造過程，而是充分發揮其主體性、主動性，使教學過程成為受教育者不斷認識、探索和完善自身人格的過程。鑒于我國學生長期受應試教育的影響，又缺乏培養創新意識的傳統文化背景和社會資源，高校實驗教學應以培養大學生的創新意識為核心，輔以創造性思維能力和創新技能的訓練，避免那種孤立的、運動式和功利性的浮躁創新教育模式，才能真正調動學生的主動性，徹底走出目前創新教育乏力的困境。同時，要改變教學理念，加大自制“原生態”實驗教學裝置的開發，不過度依賴商品化的實驗教學平臺，不追求實驗過程的“完美”，當實驗指導非常完整、完美、無懈可擊時，就把學生的探索過程取代了，這不利于創新意識的培養。

2.2 實驗與理論教學的一體化教學模式

實驗與理論教學一體化教學是指以提高學生創新意識、科學素養、實踐精神和團隊合作精神為目標，整合理論教學與實驗教學的各個環節，實現課程理論知識與實驗知識在組織方式、知識排序方式以及知識習得方式上有機融合的教學模式[15]。

和傳統的實驗教學模式相比，一體化教學在教學內容上，能將理論教學和實驗教學的內容合二為一、或環環相扣，從而組成一個有機整體來施教，有效避免二者的分離和脫節；在教學方式上，打破傳統理論課與實驗課時間和空間段的嚴格劃分，便于兩者在時間和空間上的結合，有利于實施基于問題、項目、案例的互動式、研討式教學法和自主、合作、探究的學習方式。在學生層面上，一體化教學也會大大提高了學生學習的積極性、主動性和創造性，促使學生從被動學習向主動學習轉變，有利創新能力的培養。

2.3 穩定實驗教學隊伍

實驗教學改革是一個系統工程，實驗教師隊伍是承擔該工程的主力軍，高校應予以充分重視，建設一支高素質、強能力、結構合理、相對穩定的實驗教學隊伍是實驗教學中創新教育成敗的關鍵。因此，應改變實驗教學隊伍地位低的現狀，適時調整相關政策，明確實驗室崗位職責，合理設崗，理順人員編制，不要一味追求高學歷和高職稱。重視實驗室教學隊伍業務能力的培養和提高，提供各種機會讓他們參加培訓、研討、交流和考察等活動，促進實驗指導教師和實驗技術人員積極學習，不斷提高自身的素質。要打通教師系列與實驗系列之間的職稱分水嶺，真正體現實驗教學的重要性，改變實驗教師工作熱情受挫的現狀，使實驗教師對實驗室的工作有更強的責任感、榮譽感。

2.4 優化實驗資源配置

創新教育過程具有自主性、探索性和多樣性的特點，因此，高校實驗教學資源應據此進行優化配置。人員安排上，應有足夠的師資為學生提供個性化的指導，能跟蹤每個學生的學業進展動態。在經費投入上，應保障必須的耗材和選擇的余地，能接觸到工程行業中主流的測試設備。在時間和空間上，要便于學生利用業余時間片段，保證學生可以進行時間跨度較大的實驗創作。同時，加快實驗室管理的信息化平臺建設，為實驗室創新教育和日常安全提供技術保障。

3 實踐和成效

根據上述改革思路，我們在電路、電子技術等多門專業基礎實驗課程中，盡量多采用“原生態”實驗裝置和材料，設置了課程設計和綜合實驗周等實驗教學環節，將“虛實”實驗手段有機結合，為實驗過程注入不確定性、探索性和作品性等要素。教學實踐表明，這種實驗模式提高了學生學習的主動性，出勤率高、課堂氣氛活躍，完成實驗后，學生都覺得很有成就感和自豪感，這會進一步激發學生對實驗學習的興趣，進而潛移默化為學生的創新能力，為后續的電子設計大賽、智能車大賽，以及參與教師科研項目等創新實踐活動提供人員和能力準備。鑒于“原生態”實驗模式溢出效應顯著，我們正將“原生態”實驗模式推廣到單片機等嵌入式系統實驗教學，制定了“口袋實驗室”(PocketLab)計劃，為每一修課學生提供一套微單片機、接口器件等散件，以及基本的裝配、測試工具，置于一個便攜式工具盒內，學生可以不受實驗室空間的限制，隨時隨地展開實驗操作。“口袋實驗室”計劃將“原生態”和“移動性”實驗模式相結合，突破了開放實驗教學資源不足的“瓶頸”，將會成為培養學生創新能力的有效載體。

同時，我們成立了以“課程群”為主體的教學資源配置模式，將理論教學、實踐和實驗教學等課程資源和教師資源優化“綁定”，激發了教師從事實驗教學的工作熱情，一定程度上緩解了實驗教學師資的不足，為建設相對穩定的實驗教學隊伍做了有益探索。

4 結 語

實驗室是學校的心臟，對學校的健康發展至關重要。多年來，教育工作者針對實驗教學改革作了大量有益的探索，提出了多種教學模式，實踐了問題導向、項目導向等教學方法，有力地促進了創新教學的良性發展。但是由于高校差異性大、方案實施制約因素多，仍存在大量問題有待解決。因此，應結合國情，對實驗教學中創新教育進行更深人的思考和研究。本文首先界定了創新能力的涵義，反思了應試教育、傳統文化和社會資源對當代大學生接受創新教育的不利因素，分析了目前我國高校實驗教學中創新教育存在的問題，探討了提高實驗教學中創新教育效能改革思路，具有一定的借鑒意義。

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Situation and Countermeasures of Innovation Education of Experiment Teaching in Universities

ZHANGYun-chua,JIANGAi-minb,XUHong-donga,ZHANGJun-penga,YANGHong-juana

(a. School of Information and Electrical Engineering; b. Lab and Equipment Management Office,Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Laboratory is the heart of college, and is essential for the healthy development of the college. The experiment teaching is an important carrier of cultivating the students’ ability of innovation. Based on defining the connotation of the innovation ability, we reflect on the negative effects of examination oriented education and traditional culture on contemporary college students’ innovation consciousness; then point out the misunderstanding existing in the current education of innovation in experiment teaching of college. Issues, such as weakening the verification experiment, open experiment teaching not in place, and the teaching staff structure serious imbalance, are analyzed in-depth. The corresponding countermeasures are given with the enlightenment of innovation consciousness as the core, the teaching mode of the integration of theory and experiment, the stabilization of experiment teaching team and optimization of experimental resources.

innovation education; innovation consciousness; experimental teaching; verification experiment

2015-02-28

張運楚(1968-)，男，山東曹縣人，博士,教授，主要研究方向：智能安防技術，數字圖像處理與模式識別，計算機視覺。

Tel.：13553196752；E-mail: yczhang@sdjzu.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2016)02-0224-05