“三性”實驗在建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)改革中的初探與實踐

姜國偉 邵雪 趙薇

摘 要：實驗教學(xué)是大學(xué)教育的一個重要環(huán)節(jié)，“三性”實驗在提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力顯得尤為重要。結(jié)合我校實驗教學(xué)改革進(jìn)程，對建環(huán)專業(yè)創(chuàng)新型“三性”實驗的教學(xué)模式進(jìn)行了有益的探索。通過創(chuàng)新性“三性”實驗教學(xué)，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，學(xué)生解決問題的能力逐步得到加強(qiáng)和提高。

關(guān)鍵詞：“三性”實驗 綜合性實驗 設(shè)計性實驗 創(chuàng)新性實驗

一、概述

實踐性教學(xué)是大學(xué)生教育中不可缺少的環(huán)節(jié)，是理論與實踐之間的紐帶，是學(xué)生掌握知識技能、培養(yǎng)動手能力、樹立創(chuàng)新意識的重要手段。在實踐性教學(xué)中實驗教學(xué)又是重中之重，這也是社會就業(yè)需求要求加強(qiáng)畢業(yè)生動手能力的一個體現(xiàn)。以往傳統(tǒng)的實驗一般都以驗證性實驗為主，通過一個實驗驗證課堂上的一個知識點，學(xué)生只要按部就班的按實驗步驟進(jìn)行實驗，即可得到實驗要的數(shù)據(jù)或者結(jié)論。這也造成了所開設(shè)的實驗不足以提高學(xué)生的動手能力，因為需要動手的地方太少，或者需要動腦思考問題的地方太少。為了提高學(xué)生的在實驗教學(xué)中的動手及動腦思考能力，培養(yǎng)學(xué)生善于去思考問題并解決問題，我們結(jié)合建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)實驗教學(xué)提出了提高“三性”實驗在實驗教學(xué)體系中的應(yīng)用[1]。

“三性”實驗包括綜合性實驗、設(shè)計性實驗及創(chuàng)新性實驗。綜合性實驗是指實驗內(nèi)容涉及本課程的多個知識點或與本課程相關(guān)課程知識的實驗;設(shè)計性實驗是指給定實驗題目、實驗?zāi)康摹⒁蠛蛯嶒灄l件，學(xué)生自行設(shè)計實驗方案并加以實現(xiàn)的實驗;創(chuàng)新性實驗是指給定研究方向或者題目，由學(xué)生自行去研究解決實驗項目中的問題，并完成研究報告，創(chuàng)新性實驗必須突出創(chuàng)新性[2]。

二、建環(huán)專業(yè)實驗教學(xué)改革前狀態(tài)

第一，教改前“三性”實驗數(shù)量占比較低，僅占總專業(yè)實驗數(shù)量的36%，并且質(zhì)量不高。之前實驗教學(xué)的內(nèi)容都是根據(jù)理論課程內(nèi)容設(shè)置一些驗證性的甚至是演示性實驗，存在實驗內(nèi)容陳舊，不新穎等問題，連續(xù)十來年沒有更新實驗項目。綜合性實驗中，也還是按照驗證性實驗的方式實施，實驗過程中學(xué)生缺乏自主思考，學(xué)生的動手能力以及創(chuàng)新能力得不到發(fā)揮，實驗課積極性不高。學(xué)生上實驗課的目的就是為了得到實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，以便完成實驗報告，實驗報告是衡量實驗質(zhì)量的唯一標(biāo)準(zhǔn)。

第二，實驗考核體系的不完整，缺乏實驗環(huán)節(jié)的考核。之前實驗課成績考核主要以實驗報告為中心，注重實驗結(jié)果，卻忽略了實驗過程，這也勢必會造成學(xué)生注重結(jié)果，而忽略實驗過程。另外實驗報告的抄襲率極高，實驗報告的評分結(jié)果，實際上反映不出學(xué)生的實驗?zāi)芰Γ皇切问缴蠈W(xué)生上實驗課的一個評定，無法真正考評一個學(xué)生的具體動手能力以及創(chuàng)新能力。

第三，實驗設(shè)備及配套設(shè)施的不完整。由于經(jīng)費的緊張，實驗設(shè)備不齊全，部分設(shè)備年久老化，也沒有什么維修必要。另外一個方面專業(yè)擴(kuò)招后，學(xué)生人數(shù)在增加，也進(jìn)一步加劇了實驗教學(xué)資源的緊張。

第四，實驗室開放不到位，整體利用率較低。由于專業(yè)實驗時間段比較集中，從整個學(xué)期來看，實驗基本集中的每個學(xué)期的中間時間段內(nèi)，開學(xué)初及期末時實驗室的利用率極低。實驗室開放不僅是對學(xué)生的技能訓(xùn)練，而且對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和開拓能力都具有重要作用。實驗室開放主要面對的項目有開放性實驗項目、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目、競賽類項目等。實驗室開放不到位，主要由兩個方面原因引起的，一方面是學(xué)校的實驗室開放項目的支持力度不夠，繼取消了校級實驗開放項目后，大量的開放實驗項目被取消，嚴(yán)重影響了學(xué)生的積極性;另外一方面是實驗室自身資源的短缺，由于實驗場地、實驗人員、實驗儀器設(shè)備等限制，也是影響了實驗室開放不到位的因素[3]。

三、增加“三性”實驗的途徑探討

為了增加“三性”實驗，讓學(xué)生主動參與進(jìn)來，提升實驗效果，我們提出了以下幾點途徑。一是在現(xiàn)有實驗教學(xué)基礎(chǔ)上改進(jìn)現(xiàn)有實驗項目，部分實驗項目加強(qiáng)了實踐環(huán)節(jié)，增加實驗動手能力環(huán)節(jié)，將原有驗證性實驗整合成綜合性實驗，盡量減少演示性實驗，或者演示性實驗不占實驗學(xué)時，作為課堂內(nèi)容的補充，真正地做到讓學(xué)生獨立去完成實驗，在實驗中思考問題并解決問題。二是增加設(shè)計性實驗，不僅僅要培養(yǎng)學(xué)生增強(qiáng)動手能力，還要培養(yǎng)學(xué)生在實驗中主動去思考問題。設(shè)計性實驗的設(shè)置可以結(jié)合某課程多個知識點或者多門課程的知識點，讓學(xué)生自己設(shè)計實驗，并且完成實驗過程。設(shè)計性實驗在設(shè)計過程中，應(yīng)該多設(shè)幾個題目，讓學(xué)生可以做到每組不一樣的設(shè)計題目，這樣不僅可以避免實驗結(jié)果或報告出現(xiàn)雷同的問題，還可以做到讓每組學(xué)生真正一起去合作完成課題，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作精神。三是增加創(chuàng)新性實驗，針對學(xué)生不同的興趣愛好或者特長，有針對性地開展創(chuàng)新性實驗，我們根據(jù)專業(yè)特點，結(jié)合校級、省級、國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，鼓勵學(xué)生積極申報，經(jīng)專業(yè)指導(dǎo)教師的指導(dǎo)，學(xué)生自主完成項目課題，取得了良好的效果。最近兩年我們專業(yè)學(xué)生每年都申報參與了不同級別的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目，其中2019年一組學(xué)生參與了國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀的研究與應(yīng)用，設(shè)計制作了性能良好的智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，不僅僅增加了創(chuàng)新性實驗數(shù)量，也為實驗室增添了新的實驗設(shè)備，該實驗設(shè)備目前也正準(zhǔn)備在實驗教學(xué)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。四是結(jié)合應(yīng)用型專業(yè)特點，在實驗室建設(shè)過程中，加強(qiáng)實驗設(shè)備自主研發(fā)。目前我們專業(yè)實驗室自制設(shè)備資產(chǎn)占到了35%以上，其中大型實驗設(shè)備均為自行設(shè)計的設(shè)備。讓學(xué)生積極參與研發(fā)過程，如水源熱泵空調(diào)性能測定實驗機(jī)組、地源熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)、水泵綜合工況實驗平臺等實驗設(shè)備等均有學(xué)生參與的創(chuàng)新性實驗項目或參與一些比賽進(jìn)行的項目，而且目前這些設(shè)備已經(jīng)在實驗教學(xué)中得到了應(yīng)用，實驗效果良好。五是獨立開設(shè)專業(yè)實驗，這樣可以最大限度地將實驗獨立出來開設(shè)，不受理論課程的影響，可以自由的開設(shè)與專業(yè)相關(guān)的課外實驗，并且可以根據(jù)專業(yè)技術(shù)的發(fā)展的需要自由靈活的調(diào)整實驗項目。建環(huán)專業(yè)實驗最近兩年我們做了一系列的調(diào)整，專業(yè)實驗共32學(xué)時，分兩個學(xué)期開設(shè)，每個學(xué)期16學(xué)時，數(shù)量由原來的9項，一直調(diào)整到了目前的14項，一些陳舊的、演示性的、驗證性的實驗，逐年淘汰。新增的實驗均為綜合性或者設(shè)計性實驗，并且根據(jù)實驗效果及技術(shù)發(fā)展的需要，每年更新淘汰一部分實驗項目。

四、提升“三性”實驗教學(xué)質(zhì)量

在推廣“三性”實驗在建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)實驗教學(xué)實踐中，我們深刻認(rèn)識到讓學(xué)生真正參與進(jìn)來，主動去進(jìn)行實驗研究，不能靠死板的制度約束，也不能靠老師耐心的講解，而是要調(diào)動學(xué)生內(nèi)心深處的興趣。興趣是最好的老師，無論干什么事情只要有了興趣，就會千方百計想辦法將其干好。實驗室應(yīng)該開設(shè)一些專業(yè)結(jié)合實踐的 “三性”實驗，而不是為了增加“三性”實驗數(shù)量而新增“三性”實驗，要注重提升實驗的教學(xué)質(zhì)量與效果。

“三性”實驗與驗證性實驗的認(rèn)定，應(yīng)該有一套全面的認(rèn)定機(jī)制，從實驗過程及實驗結(jié)果等多方面進(jìn)行考核，不符合綜合性、設(shè)計性或創(chuàng)新性實驗的要求，需降級到驗證性實驗。當(dāng)然驗證性實驗也可以通過實驗的改進(jìn)，升級到綜合性或者設(shè)計性實驗。從制度上保證“三性”實驗的教學(xué)內(nèi)容質(zhì)量[4]。

實驗設(shè)備的選擇對提升“三性”實驗的教學(xué)質(zhì)量至關(guān)重要。在我們的專業(yè)實驗中，有一個熱泵性能測定實驗，這是一個綜合性實驗，主要測量制冷量、制熱量、壓縮機(jī)輸入功耗，制冷系數(shù)及制熱系數(shù)等。原來我們采用的設(shè)備是采購的實驗教學(xué)儀器，在實驗過程，我們發(fā)現(xiàn)測量的數(shù)據(jù)極其不準(zhǔn)確，誤差率達(dá)到了30%以上，而且由于壓縮機(jī)輸入功耗本身就小，壓縮機(jī)機(jī)械損耗功特別大，測量出來的制冷系數(shù)只有1.2左右，這個系數(shù)僅相當(dāng)于冰箱的制冷系數(shù)，與實際制冷空調(diào)的制冷系數(shù)相差甚遠(yuǎn)，不符合工程實際，這樣的實驗結(jié)果也容易誤導(dǎo)學(xué)生。因此我們根據(jù)實驗要求，自行設(shè)計了2套水源熱泵空調(diào)性能測定實驗機(jī)組，并且這個過程學(xué)生全程參與，讓使用者來提出一些合理的概念去設(shè)計并制作機(jī)組。目前該設(shè)備已經(jīng)開始實驗應(yīng)用，不僅價格便宜，約為原設(shè)備50%左右的價格，還大大地提高了實驗測試數(shù)據(jù)的精度，制冷效率測量中制冷系數(shù)測量可以達(dá)到4.5。該實驗設(shè)備還新增了制冷劑循環(huán)運行參數(shù)的測量，測量參數(shù)的顯示與設(shè)備的控制采用了計算機(jī)觸摸屏技術(shù)，不僅使設(shè)備的先進(jìn)性提高了，也使學(xué)生在實驗過程中接觸到了新技術(shù)，大大提升了實驗研究學(xué)習(xí)的興趣。對于一些年代相對久遠(yuǎn)的設(shè)備，可以根據(jù)技術(shù)發(fā)展的需要，逐步完善設(shè)備裝置或升級系統(tǒng)，以滿足實驗的需要。建環(huán)專業(yè)實驗室15年前自行設(shè)計的一套全空氣中央空調(diào)實驗系統(tǒng)，從當(dāng)年來看，該實驗系統(tǒng)確實比較先進(jìn)，采用了專業(yè)的DDC監(jiān)控系統(tǒng)，但畢竟是15年前的技術(shù)了，無論是DDC控制器，還是整個監(jiān)控體系的結(jié)構(gòu)，都已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代中央空調(diào)的控制要求，也滿足不了專業(yè)實驗的教學(xué)要求。因此，我們對系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級，前端控制系統(tǒng)采用了最新DDC控制系統(tǒng)，引入了嵌入式觸摸屏加計算機(jī)監(jiān)控體系，完善了整個空氣質(zhì)量的測量系統(tǒng)。煥然一新的實驗設(shè)備重新開設(shè)了新的綜合性實驗，實驗教學(xué)方法上也有了很大的改變，引入了計算機(jī)監(jiān)控在線動態(tài)展現(xiàn)的整個系統(tǒng)的設(shè)備運行狀態(tài)，可以很好地提高學(xué)生的專業(yè)技術(shù)能力，同時也使學(xué)生實驗積極性有了很大的提高。對于經(jīng)費緊張的應(yīng)用型專業(yè)實驗室完全可以采用這么的模式，不僅可以節(jié)約大量實驗室經(jīng)費，也可以使實驗建設(shè)符合專業(yè)發(fā)展的需要，可以有效地提升實驗教學(xué)的質(zhì)量。

實驗教學(xué)手段的改進(jìn)，有利于提高“三性”實驗教學(xué)質(zhì)量，實驗教學(xué)過程中，指導(dǎo)教師應(yīng)盡可能地采用比較先進(jìn)的教學(xué)方法，如采用模擬演示、動畫、仿真等多種技術(shù)手段，盡可能地調(diào)動學(xué)生的做實驗時的積極性，引導(dǎo)學(xué)生善于思路實驗過程中遇到的一些問題，自己去分析并解決問題。實驗教師應(yīng)根據(jù)實驗要求，安排好實驗前預(yù)習(xí)，認(rèn)知檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況，可以根據(jù)實驗需要提出實驗可能遇到的問題，讓學(xué)生自己去分析問題，實驗過程中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生自己去動手，解決實驗過程中的問題。

提高“三性”實驗的教學(xué)質(zhì)量，應(yīng)提高對實驗學(xué)生的管理水平，要善于放開學(xué)生，讓學(xué)生自己去做實驗，同時也應(yīng)該加強(qiáng)對學(xué)生實驗組的管理，通過實驗教學(xué)改革，我們采用了小班型法，即每次實驗來半個班學(xué)生，約15人一次實驗，每次實驗分四組，每組實驗學(xué)生最多不超過4人，這樣做雖然給實驗教師增加了不少工作量，但是對提高實驗教學(xué)質(zhì)量大有好處，也使部分學(xué)生告別了一大班級做實驗可以渾水摸魚的狀態(tài)。小班型實驗的引入也使實驗室設(shè)備的配套資源相對緊缺狀態(tài)得到了一定緩解。

“三性”實驗也要引入淘汰更新制，實驗項目的淘汰更新可以有效地提升實驗的教學(xué)質(zhì)量。現(xiàn)代專業(yè)實驗應(yīng)該和專業(yè)的社會發(fā)展需求相結(jié)合，一些過時的老舊實驗，應(yīng)該根據(jù)專業(yè)教學(xué)需要逐步淘汰，不斷地更新實驗項目，只有這樣才能源源不斷的補充新的實驗技術(shù)，為專業(yè)實驗教學(xué)注入新的活力。最近兩年，我們通過開始新課程及整改專業(yè)實驗，淘汰實驗項目多項，新增實驗項目達(dá)到了十多項。淘汰的項目基本都是驗證性實驗，新增加的項目包括綜合性及設(shè)計性實驗[5]。

增加實驗室的開放時間有利于提高“三性”實驗教學(xué)質(zhì)量。我們在滿足本科實驗教學(xué)的基礎(chǔ)上，鼓勵學(xué)生開展創(chuàng)新性實驗，特別是通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目或者比賽類項目，開展一些自主創(chuàng)新類實驗，增加實驗室開放時間，讓學(xué)生有足夠的時間在實驗完成復(fù)雜的實驗項目，提高創(chuàng)新實驗的質(zhì)量，也有利于提高實驗室的利用率。開放實驗室可以讓更多的學(xué)生進(jìn)入實驗室，發(fā)揮他們的專長，增強(qiáng)其動手能力及創(chuàng)新能力。

結(jié)語

通過“三性”實驗比例及質(zhì)量的提升，有利于學(xué)生更加深入地思考實驗及探討實驗，提高了學(xué)生做實驗的興趣及積極性，也使實驗教學(xué)質(zhì)量有了很大的提高。“三性”實驗的進(jìn)一步開展促進(jìn)了學(xué)生主動申報了很多創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類項目，豐富了學(xué)生的課外活動，有效地提高了學(xué)生的思維、創(chuàng)新、動手等各方面能力。“三性”實驗的開展也同時促進(jìn)了實驗室的利用率，使很多學(xué)生可以利用課余實驗在實驗室完成自己的項目。“三性”實驗的進(jìn)一步開展也促進(jìn)了實驗在設(shè)備設(shè)置及教學(xué)方法上有了很大的改進(jìn)，進(jìn)一步促進(jìn)了實驗室建設(shè)。

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