高校本科實驗教學比較研究

黃 凱

（北京大學實驗室與設備管理部，北京100871）

0 引 言

本科教育是高校長遠發展中最基礎、最重要的工作［1］。多年來，我校本科教學改革的指導原則經歷了“基礎扎實”“基礎好”（1982）［2］“加強基礎，適當擴展知識面，注重培養實際工作能力和創造精神，增強適應性”（1986）［3］“加強基礎，淡化專業，分流培養，因材施教”（1988）［4］“加強基礎，促進交叉，尊重選擇，卓越教學”（2013）［5］4 次變革，在這一系列的變革過程中，學校的本科教學工作在不斷探索中日臻完善。同時，學校明確實驗教學作為本科教學的重要組成部分，是學生實踐能力、創新能力，特別是創新精神培養的重要手段，在高水平、創新性人才培養中發揮著不可替代的作用。因此，學校多年來持續加強實驗室建設和實驗教學改革，尤其在以學生創新能力為核心，依托多學科優勢，明確學生培養理念，優化實驗教學體系建設，創新政策支撐體系方面，探索和實踐了一些理念和模式，由此形成的成果“依托學科優勢，建設創新型人才培養實驗教學體系”曾獲國家教學成果二等獎［6］。

近年來，隨著國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）的推出、“六卓越一拔尖”計劃的啟動等，對本科教學提出了更高的要求，即：要形成中國特色、世界一流的高水平本科教育，為建設高等教育強國、加快實現教育現代化提供有力支撐［7］。

在這一背景下，高校如何進一步優化實驗教學體系，幫助學生適應越來越激烈的國際競爭，適應越來越快的知識更迭，適應越來越扁平化的世界，怎樣提高教育教學質量，是高等教育內涵式發展必須解決的問題［8］。為此，學校啟動了“著名高校實驗教學比較研究”，旨在了解國內外著名高校實驗教學的發展狀況，取長補短，鞏固并推進學校在實驗教學方面取得的成果。比較研究的內容包括實驗教學理念、實驗教學體系、內容、方法、評價考核方式以及設備和環境條件等。首批啟動的學科包括化學、物理、生物、地學、基礎醫學和藥學等6個學科。

1 比較對象的選擇和研究方法的確定

選擇比較對象時，主要參考學校性質、地理位置、學校和學科排名、以及地緣屬性等。依據是2017年發布的“QS世界大學排名（QS World University Rankings）”“USNews世界大學排名（USNews global Education ranking）”“泰晤士世界大學排名（The Times Higher Education World University Rankings）以及世界大學學術排名（AcademicRankingOFWorld University），篩選專業排名前10或與我校近似的學校進行比較。選擇的國外高校包括麻省理工學院（生物、化學、物理）、哈佛大學（地學）、加州大學伯克利分校（化學、地學）、斯坦福大學（化學）、加州理工大學（化學）、加利福利亞大學舊金山分校（藥學）、加利福尼亞大學洛杉磯分校（生物、基礎醫學）、華盛頓大學（地學）、德克薩斯大學（藥學）、加州理工學院（地學）、北卡教堂山大學（藥學）、劍橋大學（生物、物理）、牛津大學（生物）、倫敦大學學院（基礎醫學）、東京大學（生物）、早稻田大學（化學）、京都大學（化學）、新加坡國立大學（化學）、南洋理工大學（化學）、香港科技大學（化學、物理）、香港大學（化學）、蘇黎世聯邦理工學院（地學）、馬里蘭大學（地學）。國內高校包括清華大學、復旦大學等。

確定研究對象后，各課題組主要通過官方網站查詢、電子郵件訪問、咨詢校友、實地調研等形式，獲得以上高校的實驗教學相關信息，并以此為基礎，分析一流大學實驗教學發展狀況，并與北京大學進行比較。

2 實驗教學體系、內容和考核方式比較結果

限于篇幅，在本篇中僅簡述實驗教學體系、實驗教學內容和實驗考核方式的比較研究結果。

2.1 實驗教學體系的比較

實驗教學體系是對實驗教學活動中各要素、環節等進行全面系統的總體設計，形成結構和功能最優化［9-10］。

2.1.1 與國內高校實驗教學體系比較

2000年1月教育部開展“基礎課實驗教學示范中心建設標準”的課題研究，并計劃在若干高校建設100多個具有輻射和示范作用的高層次基礎課實驗教學示范中心［11］。隨后，2005年，教育部啟動“國家級實驗教學示范中心”評建工作，指明了實驗教學體系建設方向，即從人才培養體系整體出發，建立以能力培養為主線，分層次、多模塊、相互銜接的科學系統的實驗教學體系，與理論教學既有機結合又相對獨立［12］。

圍繞著這一指導原則，經過多年的探索和建設，各研究型高校逐漸形成了較為統一的核心形式為“基礎-綜合-創新（科研）”的多層次實驗教學體系，僅在模塊構成、層次性上略有區別［13-16］。以物理專業為例，北京大學和中國科技大學物理專業實驗課程體系比較如圖1所示。

圖1 北京大學和中國科技大學物理專業實驗課程體系比較

由圖1可知，兩個學校的實驗課程體系都很完備，都兼顧了基礎與創新，同時都重視科研成果向教學成果的轉化這一重要要素。區別在于中科大課程層次性更強，北大更注重學生特別是拔尖人才的差異化培養。

2.1.2 與國外高校實驗教學體系比較

對于國外高校，特別是歐美地區的高校而言，實驗教學體系最大的共同特點是以學生為主，強調在實驗過程中學習，要求學生盡早進入實驗室。例如，英國高校教師們只講授課程最基本、最核心的知識和技術，其他應用性內容，則通過課后實驗等形式布置給學生，學生通過實驗過程中的助教答疑，以及課后作業達到知識的最終掌握。德國高校的實驗多在科研組中進行，注重校企結合，一些企業的專家會進行現場指導等。總之，各校之間實驗教學體系差別較大，會根據學校的定位和學生培養目標進行設置，不追求實驗教學體系的完整，不過其理論課與實驗課一般都聯系非常緊密［17-20］。

以北京大學和MIT物理專業實驗課程設置為例進行比較，北大物理的實驗教學課程從普通物理到現代物理體系非常完整，而MIT的物理只包括兩大門實驗課程，稱之為Junior Lab，類似于國內的近代物理實驗，包括預備實驗和正規實驗，也就是說，在MIT的物理實驗整體體系中不包含普通物理實驗模塊。

2.2 實驗教學內容的比較

2.2.1 與國內高校實驗教學內容比較

近年來，為建設“雙一流”大學，滿足學生“雙創”需求，各學科的實驗內容有了較大的變革，特別是教育部5類“金課”的建設，使得綜合性、創新性實驗的開發受到廣泛重視。同時，各校也更加注重科研成果向實驗教學的轉化，以及校企結合聯合開發［21-23］。但從整體來說，與實驗教學體系相配套的實驗內容基本特征呈現出以下共性，即內容較為系統、嚴謹，實驗項目多，實驗內容多為經典實驗，綜合性和創新性實驗的數量占整體實驗的比例較低。

此外，伴隨著信息技術和“互聯網＋”的發展，以及教育部國家虛擬仿真實驗教學項目建設的推廣，虛擬仿真實驗項目逐步增多，進一步拓展了實驗內容的深度和廣度，促進了實驗教學內容的加速更新，使實驗教學內容更加豐富和更具有新時代的特征［24］。但是，在虛擬仿真項目的開發數量和質量上，各高校和各學科之間差異較大。

2.2.2 與國外高校實驗教學內容比較

同實驗教學體系類似，國外，特別是歐美地區的高校，實驗教學內容呈現多樣化的特點。總的來說，實驗教學內容一般與現實或科研聯系較為緊密，部分實驗項目明顯與社會發展和生活密切相關，涉及諸如環境、能源、交通等方面的實際問題。此外，綜合性的實驗項目較多，并且有時會要求具備跨專業的知識。比較典型的是MIT和加州理工的化學實驗項目，其實驗項目本身的綜合性需要學生主動地進行知識的關聯、要求學生具備自主學習的意識以及解決復雜問題所需的，深入的化學理論和必要的實踐方法。這樣的設置，適應了當前學科交叉蓬勃發展的需要。此外，就實驗項目的數量來說，國外高校實驗項目整體數量較少，內容一般以本院擅長的研究方向為主（見表1）。

表1 北京大學和劍橋大學近代物理實驗內容比較

同時，發現，亞洲地區著名高校間實驗內容差異較小，以幾個學校的化學學科為例（見表2）。

值得一提的是，UCLA遺傳實驗課創新性的將本科實驗內容與前沿的果蠅基因組功能研究結合起來，完成了實驗教學與科研的有機結合。整個實驗過程并沒有指定的教材，而是由老師根據本學期的實驗內容進行講解，并把一些學科的基本概念蘊含其中。這樣的做法雖然使得每次實驗的方法類似，但是整體的實驗內容并不重復，而是逐步推進的。最終，學生通過實驗獲得大量科研數據，并發表一系列具有較高影響力的科研文章。總之，這樣的做法使得學生們實際體驗了科研的過程，鍛煉了學生發現問題、解決問題和論文撰寫等方面的能力，并增強了團隊協作精神。

在虛擬仿真實驗方面，西方各高校和各學科間差別較大，不存在國家整體推動的項目。同美國高校相比，歐洲的一些老牌高校在這方面發展要相對弱化一些。如在英國，一些傳統的實驗學科，如物理、生物等，對虛擬仿真項目甚至持否定態度，認為實驗技能的提升只能從真實的實驗中獲得。但是對于醫學學科，由于英國對于實驗動物的使用有著嚴格的管理規定，所以虛擬項目開發的較多。如UCL基礎醫學實驗中所有的動物相關實驗皆通過仿真模擬進行。

表2 新加坡國立大學、早稻田大學和北京大學化學實驗內容比較

2.3 考核方式的比較

2.3.1 與國內高校比較

對于學生實驗項目的考評，傳統考評方式主要以學生實驗報告為主，重視實驗數據及誤差等實驗結果，忽略實驗過程中學生的表現。但是這種評價方式會導致更多的學生將精力主要放在實驗報告上，甚至出現抄襲他人實驗數據與結論的問題。鑒于這種考核方式的弊端以及分層次、模塊化實驗教學體系的逐步建立，考核方式也逐步多元化。一般來說，對于基礎性實驗一般會采用“平時成績＋實驗操作＋理論考試（有些高校沒有）”的形式，對于綜合性、設計性、創新性實驗則采取“平時成績（選擇）＋論文成績＋論文答辯（選擇）”的形式。以物理學科為例，幾所高校的考核方式比較見表3。

表3 北京大學、復旦大學和中國科技大學物理實驗考核方式比較

2.3.2 與國外高校比較

同國內高校類似，國外高校對于實驗的考核方式也是多元化的，基礎實驗課和高級實驗課（即綜合性、設計性實驗）的考核要求不同，但考核方式更為靈活。除筆試、實驗操作、論文及其答辯外，還包括其他的方式，如UCLA的生物實驗考核還包括網上測試（預習測試和課后測試），以及標準化的同行評審（由學生分成3人1組，各自獨立完成），其實驗操作也以抽查的方式進行，當堂提交結果。德國的實驗考核，特別是實驗過程考核還包括學生在實驗中的協作配合以及對實驗設施及實驗環境的維護和愛惜。英國的考核注重表達能力和寫作的培養，考核以答辯為主［19-20］。

3 比較結果帶來的啟示

3.1 建立適應國情的實驗教學體系

通過比較研究，在了解國外實驗教學發展狀況的同時，應有選擇地借鑒和吸收國外實驗教學的先進經驗，與時俱進的建立和完善與我國國情相適應的實驗教學體系。即在保證教學體系完整性的大框架下，建立個性化的培養方案，根據學生個體差異分級培養。

3.2 拓展綜合性、創新性實驗教學內容

要適應高等教育新形勢的需要，實驗教學內容必須不斷調整。利用微課、MOOC等現代化手段，可以將一些驗證性實驗項目納入自主學習范疇；逐步增加綜合性、創新性實驗比例，增加跨學科實驗內容；結合課程特色，設立多種形式的實踐訓練項目，給學生提供個性發展的空間，提高學生科研素養和解決實際問題的能力；同時，調動學生的積極性，使學生也成為新實驗開發設計隊伍中的一員。

3.3 創建科學有效的實驗考核體系

逐步摸索建立適合本學科發展的實驗考核體系，形成正確的導向。考核體系應兼顧客觀和靈活的特性，既考核實驗數據，更應激發學生的探求意識、創新精神，鍛煉合作能力以及現場論述和答辯的能力。

4 結 語

實驗實踐教學是人才培養的重要組成部分，對提高學生的實踐創新能力、培養創新精神，進而提高高等學校教育質量至關重要。實驗教學比較研究雖然由于時間等諸多因素的限制，調研還有很多不盡翔實的地方，同時，鑒于篇幅的限制，本文僅討論了實驗教學體系、實驗教學內容和實驗考核方式等3方面，但其形成的成果依然為學校未來實驗教學的改革和發展方向提供了借鑒和參考。更為可喜的是，比較研究中的一些成果已經轉化為實驗課程的改革項目。今后，將不斷探索，積極嘗試，逐步完善適合國情、校情和學生個體特點的北京大學實驗教學模式建設。