全開放條件下“3自”模式實驗教學改革探索

楊云濤 關貞珍

摘 ? ?要：新形勢下實驗教學在驗證理論知識、增強學生動手能力的基礎上，更加注重學生規劃能力、管理協調能力、團結協作能力與創新能力的培養。文章提出全開放條件下“3自”（即自主選題、自主設計、自主實驗）實驗教學模式，闡述了該模式的教學思路，并實踐了該模式的教學方法。實踐表明：“3自”模式實驗教學改革突破了傳統實驗的限制，是促進學生知識、能力、素質協調發展的有效教學模式。

關鍵詞：實驗教學;全開放條件;“3自”模式

中圖分類號：G642.3 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2020）11-0042-03

隨著院校教育改革的發展，人才培養由基于知識教學向基于能力教學轉變。實驗教學相對于理論教學更具有直觀性、實踐性、綜合性和創造性等特點，其在提高學生能力素質等方面有著重要的、不可替代的作用[1-2]，所以，如何更好地發揮實驗教學的作用，一直是我們廣泛研究和積極探索的問題。

目前，國內外各大高校均已意識到實驗教學在學生能力素質培養中的重要作用，并逐步加大實驗教學改革力度[3-5]。在諸多改革中，開放實驗教學以其在培養學生創新能力和充分發揮實驗室效能方面的優勢成為目前研究的熱點。目前，我國許多高校已實現了實驗室在時間和空間上的開放，即學生可以通過網上預約在約定時間內進入實驗室進行實驗。但時間和空間開放只是開放實驗的初級階段和基本要求，教學內容、教學方法和教學手段以及觀念意識上的開放才是實驗室開放的高級階段和最終目標，因此，更深層次的實驗室改革和開放尚待探索和實踐。

一、實驗教學存在的主要問題

長期以來，廣大教師對實驗教學進行著不斷的研究，并取得了許多成績（如開放實驗、虛擬實驗等）[6]，但我們同時也應看到，傳統的“依葫蘆畫瓢”式的驗證性實驗仍然占據實驗教學的主導地位，實驗教學仍然存在諸多問題[7]。

（一）實驗教學觀念落后

由于實驗教學課時少，許多教師存在重理論輕實驗的思想，把實驗課作為理論教學的附屬物，在實驗教學中投入精力較少，并且實驗教學常常是一種“注入式”的教學模式，即教師先講后演示，最后學生照做即可。這種實驗教學觀念忽視了學生的主體作用，學生只是被動接收，沒有更多的精力和時間去思考和創新，制約了學生能力素質的培養。

（二）實驗教學方法呆板

由于實驗課課時少、內容多，為了完成教學任務，教師往往是先講后做。即教師將實驗儀器、實驗材料事先準備好，將實驗過程和實驗結論提前告知學生，學生在實驗過程中遇到任何問題教師大多可提前預知并能妥善解決，學生不用提前為實驗做過多準備，實驗過程也能順利完成。此種呆板化教學模式，使學生的思考空間較小，學生對教師和教材容易產生依賴心理，學生分析問題和解決問題的能力得不到有效提升。

（三）設備場地資源不足

實驗設備和實驗場地都屬教學硬件設施，資金投入大、建設周期長，受經費和辦學條件因素影響，不同學校在實驗設備和實驗場地的籌備上也是參差不齊，面對眾多學生實驗操作的需求，設備場地顯得捉襟見肘，一個實驗往往要把學生分成幾個班組，分批次完成。另外，由于實驗設備老化、誤操作損壞、更新不及時等原因，致使實驗課程效率不高、實驗周期過長等。

（四）考核體系不夠合理

目前，實驗教學考核結果主要依賴于實驗結果和實驗報告。只要實驗結果準確、實驗報告撰寫規范，學生即可得到較好的成績。這容易使部分學生只重視實驗報告的撰寫，甚至為此更改實驗結果。學生創造能力和探索精神恰恰主要體現在實驗過程中，這種忽略實驗過程本身的實驗考核方式嚴重遏制了學生的實驗熱情。

以上這些問題嚴重制約著學生能力及素質的提高，所以新形勢下更深層次的實驗教學改革勢在必行。

二、“3自”模式實驗教學改革實施方案

為解決上述問題，我們借鑒國內地方高校的先進做法，并結合學校的實際情況，提出全開放條件下“3自”實驗教學模式研究：即自主選題、自主設計、自主實驗。

（一）“3自”模式實驗教學的內涵

1.自主選題。以培養學生自學能力、鍛煉學生自我分析能力為目標，進行實驗教學體系優化和實驗信息網絡平臺的創建，為學生自主選題提供條件。優化實驗教學體系是針對不同層次的學生形成不同難度要求的實驗項目，即將實驗教學內容重組為三類：基礎驗證性實驗、綜合性實驗與創新性實驗。其中，基礎性實驗盡量覆蓋課程中的重要知識點，突出基本技能的訓練;綜合性實驗向工程實踐靠攏，鍛煉學生的綜合應用能力;創新性實驗內容選擇與機械工程相關的科研項目，以提高學生的創新能力。在三類實驗中，加大綜合性實驗和創新性實驗的比例，以充分發揮學生的主觀能動性，為其個性發展和創新能力的發揮提供更大的舞臺。

2.自主設計。以提高學生實驗規劃能力、整體協調能力為目標，對學生進行方案設計訓練。方案設計涉及調查、取證、分析等多個環節，此過程中，學生之間既要相互協作，又必須逐項攻破，所以自主設計是鍛煉學生分析問題、解決問題的過程，更是提高學生組織協調能力的重要環節。方案設計后學生應向指導教師提交實驗方案（實驗步驟），教師對其進行審查，并給出評價，確定其能否進入實驗操作階段。

3.自主實驗。以提高學生動手、組織、協調、應變能力為目標，以學生為主體的實驗操作過程。根據已有知識和前期預習結果自己動手操作儀器，教師只提供輔助指導，實驗后學生充分討論、相互學習，形成自主實驗報告。實驗過程對學生的動手、組織、應變能力均有很高的要求。這種組織方式不是簡單的知識運用，而是一個全面能力的培養過程，即實驗操作本身是分析問題、解決問題的過程，又有實驗結束后對事物進行總結、歸納能力的鍛煉。

（二）“3自”模式教學改革步驟

“3自”實驗教學模式依據實驗內容優化、實驗資源建設、教學實施過程、考核評價四個步驟實施。

1.優化實驗內容。在基礎性、綜合性和創新性三類實驗項目中，應逐步增加綜合性和創新性實驗項目，以提高學生綜合運用能力和創新能力。如液壓實驗中增加液壓回路自主設計實驗;互換性與幾何量測量實驗中增加自主性形位誤差測量項目和表面粗糙度測量項目;機械基礎實驗中增加組合夾具自主設計實驗等。

2.加強實驗資源建設。為使“3自”實驗教學模式順利展開，實驗資源建設至關重要。課程組全面改革實驗教學教案、課件，將原有灌輸性講授內容更改為引導性知識，將原有演示性、具體實驗步驟更改為提示性、啟發性步驟提示，并將最新技術知識引入實驗課堂，突出學生創造性和探索性能力的培養。

為實現“自主選題”，利用計算機技術和信息技術創建實驗信息網絡平臺，增加實驗指導模塊，在此模塊，教師將可選擇的實驗模塊，用到的實驗設備，具體的實驗操作等內容進行網上發布，學生在“自主選題”前可參照此模塊，熟悉實驗內容，并根據自己的知識水平和興趣愛好，自主選擇實驗項目。

3.教學實施過程。第一步，由教師發布實驗項目，明確實驗項目范圍;第二步，學生根據教師提供的實驗場地和實驗器材，選擇自己感興趣的實驗項目，同時鼓勵學生從科研創新中自擬與實驗項目相關的實驗課題;第三步，學生通過所學知識及查閱相關資料，自己設計實驗方案;第四步，教師對設計方案進行審核并給出意見和建議;第五步，學生對照教師審核結果對實驗方案進行完善，直至方案審核通過;第六步，學生根據實驗方案進行實驗實施，并記錄實驗結果;第七步，實驗結束時，教師驗收實驗，并給出具體指導意見，學生完善實驗過程，直至實驗驗收通過;第八步，實驗完成后學生自己設計實驗報告并填寫完成;第九步，為促進相互學習，實驗結束后學生分組進行實驗展示，學生間可相互提問和答疑，以此促進學生間的相互交流，增強對實驗成果的榮譽感。

4.變革考核評價。為激發學生的學習潛能，發揮學生學習的主觀能動性，“3自”實驗教學模式秉承形成性考核和終結性考核并重的原則，對學生的學習效果進行全方位的評價。考核評價體系由“實驗設計”“實驗操作”“總結分析”和“協作創新”四個一級指標組成。“實驗設計”主要考核學生的實驗規劃能力、整體協調能力;“實驗操作”主要考核學生的動手、組織、應變能力等;“總結分析”主要考核學生對問題的梳理、分析、歸納和表達能力;“協作創新”主要考核學生實驗過程中的實驗態度、協作精神和創新精神。

每個一級指標下再設置若干項二級指標。每項二級指標均賦予相應的評定指標內容和指標權重，指標權重的確定采用專家調查法，各二級指標項得分由教師根據學生表現和指標權重給出，最后在各二級指標項得分的基礎上匯總成實驗總成績。

例如，“實驗設計”包括實驗方案、實驗步驟2項二級指標，評定內容為實驗方案是否可行、合理，指標權重為0.2，滿分為20分;實驗步驟是否清晰、完整，指標權重為0.1，滿分為10分。“實驗操作”包括操作規范、操作技能2項二級指標，評定內容為操作過程中是否正確、規范地使用儀器，指標權重為0.1，滿分為10分;在操作技能上是否能夠熟練操作儀器、高效完成操作過程，指標權重為0.1，滿分為10分。“總結分析”包括實驗報告、討論交流2項二級指標，評定內容為實驗報告設計是否合理、實驗現象記錄是否準確全面、實驗數據處理是否科學，指標權重為0.1，滿分為10分;在討論交流方面是否積極發言、表述清晰、見解獨到，指標權重為0.1，滿分為10分。“協作創新”包括實驗態度、分工協作、實驗創新3項二級指標，評定內容為實驗態度是否思想端正、科學嚴謹、實事求是，指標權重為0.1，滿分為10分;在分工協作方面是否團結協作、具有集體意識，指標權重為0.1，滿分為10分;在實驗創新方面是否在實驗設計、操作和分析過程中具有創新思維和創新實踐，指標權重為0.1，滿分為10分。

“3自”實驗教學模式中考核評價不僅關注學生的實驗結果，同時也注重學生的實驗過程，不僅考核學生對實驗知識的掌握程度，同時也重視培養學生的科研思維和創新能力。所以，此實驗考核評價模式能夠科學、準確、全方位地評價學生的實驗效果。

三、“3自”模式實驗教學改革實例

以“互換性與幾何量測量”課程實驗為例，在實驗室開放期間，學生除完成基礎性實驗和綜合性實驗外，還進行了自主創新實驗，并取得了一定的成果。

（一）學生對“齒輪幾何量測量”實驗進行自主創新

傳統的實驗方法，學生要在專用儀器上測量，專用儀器價格昂貴，操作復雜。針對以上問題，學生開發了基于圖像處理技術的齒輪參數自動測量系統，如圖1所示。首先，通過攝像機采集被測齒輪端面和標定量塊圖像，圖像存儲于計算機后，利用標定量塊的實際尺寸與圖像像素的對應關系對系統進行標定;其次，通過圖像濾波處理技術，去掉圖像上與齒輪輪廓無關的像素點，提取齒輪輪廓特征，根據齒輪幾何參數的含義查找圖像上與之對應的特征點;最后，根據提取的特征點，通過軟件計算齒頂圓半徑、齒根圓半徑、齒數、齒輪模數等基本參數，以及齒距偏差、齒厚偏差、公法線長度變動誤差等齒輪主要單項誤差。通過開發的測量系統，有效提高了實驗效率，降低了實驗成本，為齒輪精度檢測提供了新方法。

（二）學生對“尺寸鏈計算”與“加工誤差分析”實驗進行自主創新

主要利用Matlab軟件編程技術，編制了數據處理程序，能夠自動計算尺寸鏈數據，分析檢驗工件加工誤差。不僅鍛煉了學生運用信息技術分析問題、解決問題的能力，又將這兩個程序應用于后續實驗過程中，避免了煩瑣的數據處理過程，體現了信息技術下先進的實驗理念。

（三）學生對“表面粗糙度”實驗進行自主創新

基于圖像識別技術，開發了基于紋理特征識別的表面粗糙度評定系統。學生采用圖像處理技術，通過對表面樣塊的顯微圖像進行采集、灰度化、形態變換和圖像增強等圖像預處理，采用紋理特征識別提取技術，得到表面粗糙度參數，鍛煉了學生的創新思維。

“3自”實驗教學模式一方面可以實現教學內容、教學方法和教學手段上的開放，是實驗室的深層次開放。另一方面，“自主選題、自主設計、自主實驗”的教學模式可以充分發揮學生的主觀能動性，為其個性發展和創新能力的發揮提供更大的舞臺。“3自”實驗教學模式探索并實踐了以促進知識、能力、素質協調發展，理論、實踐、創新全面提高為目的的實驗教學模式，更加適合院校人才培養目標的要求。

展望未來，我們相信經過不斷改革創新，全開放條件下“3自”模式課程實驗教學改革必將破解當前實驗教學面臨的重點和難點問題，以適應人才培養的需求和院校信息化建設和教育教學改革形勢發展的需求。

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