應用型專業探究性實驗深入開展的探索實踐

沈明衛 吳曉琴 徐惠榮

[摘 要] 探究性實驗是農業工程專業實驗教學的重要方面，經過多年實踐，浙江大學農業工程專業探究性實驗受益課程增多，實驗內容和深度方面得到拓展。為使探究性實驗發揮更大的作用，著重分析了經費分配管理、實驗室共享互惠、學科競賽與探究性實驗相結合、探究性實驗指導規范、建立探究性實驗指導小組五個方面的問題，根據農業工程專業培養的特點和要求提出優化方法和途徑，在實驗實踐中取得了一定的效果，提升了探究性實驗教學的水平。

[關鍵詞] 探究性實驗;農業工程;實驗教學

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）03-0109-04? ?[收稿日期] 2020-09-02

一、農業工程專業探究性實驗的現狀

實驗教學是農業工程專業學習的重要組成部分，對學生的知識理解與運用、動手實踐、探索創新等能力的培養起著重要的作用，因此如何提高實驗教學水平一直是教師思考的問題和努力方向。農業工程是一門多學科交叉性應用型專業，特別強調應用工程實踐知識解決農業生產的實際問題，基于專業知識運用與科研探索相結合的探究性實驗實踐是理解掌握課程內容并學以致用的重要方面，在農業工程實驗教學方面有著舉足輕重的作用。

農業工程專業的核心課程，如精細農業、農業生產機器人、生物物料學等課程，從課程開設之初就嘗試開展探究性實驗教學實踐。從2014開始，浙江大學本科生院每年下達探究性實驗專項經費來資助本科教學課程進行探究性實驗實踐，使得探究性實驗課程范圍得到進一步拓展。目前，農業工程專業課程基本上不同程度地開展了探究性實驗實踐。從實驗報告完成質量以及學生實驗心得體會來看，學生通過自主查閱資料、團隊討論合作、定期或不定期地與指導教師交流、實驗設計和結果驗證分析等環節的鍛煉，其綜合運用知識探索新知識的能力有了明顯提升，并進一步拓寬了專業視野。

探究性實驗目前已經成為農業工程專業課程實驗教學的主流，其作用和地位毋庸置疑。隨著探究性實驗的深入，在經費分配、實驗室條件、探究性實驗指導等方面也出現了一些問題，因此分析制約探究性實驗進一步深入開展、優化解決問題的途徑和方法，進一步提高探究性實驗開展水平具有一定的現實意義。

二、探究性實驗深入開展的問題和措施

（一）經費分配管理

農業工程屬于交叉學科，農業工程專業下的各課程差異性大，涉及機械、電氣與控制、能源、環境、生物科學等領域，學科領域廣，所涉及的材料和檢測分析手段也各不相同，因此各課程實驗經費要求差異大。在實際操作中，基本部分采用平均分配，對實驗項目多、學生參加人數多、實驗材料費用高的課程在實驗過程中按需追加，并在課程之間進行調劑?？紤]到部分課程在探究性實驗進行過程中會產生一些新的思路，繼而產生新的材料以及檢測手段等方面的支出，也會在后續爭取其他渠道的實驗教學經費來補充和解決。

從歷年探究性實驗和報告來看，各課程實驗完成質量良莠不齊。有的課程探究性實驗教學有明確的目的、步驟、理論分析和實驗方案、實施過程、結果分析和討論等，實驗報告論文質量高。有的存在一些問題，如所實施的實驗與課程內容不符，偏離了課程實驗內容;實驗設計不嚴謹，實驗過程只是依葫蘆畫瓢，缺乏思考、分析和判斷，實驗分析牽強，結果不盡人意。

鑒于此，制定了基于探究性實驗課程特點的獎勵和鞭策機制，根據探究性實驗完成質量進行區別資助，起到獎勵先進、鞭策落后的作用。在經費上對完成質量優異的實驗課程傾斜，尤其是在經費有限的情況下，優先滿足歷年來探究性實驗質量符合要求或者水平高的探究性實驗課程，鼓勵其持續發展和提高，而對不符合探究性實驗質量要求的實驗項目減少資助或者停止資助，對今后的該部分課程探究性實驗提出和明確整改要求，以提高經費的使用效益。

（二）科研實驗室與教學實驗室共享互惠

目前農業工程教學實驗室有兩種類型：一是專業基礎實驗室，如機械制造實驗室、生物系統傳輸過程實驗室等，主要以理解基本理論和概念，提高動手能力為主;二是專業實驗室，實驗內容豐富，涉及面廣，如在生物生產機器人實驗室中從事設計、組裝和控制各種農業生產機器人的功能和作業過程等，在精細農業實驗室中從事農田和作物生長信息采集及數據分析等。這類實驗室從事的實驗內容與專業領域發展密切相關，是進行探究性實驗活動的主要場所。

隨著學科研究領域的拓展和研究方法的改進和發展，推動了探究性實驗內容和研究手段的不斷更新變化，對儀器設備和實驗設施提出了新的要求。而專業教學實驗室的教學設備投入資金和渠道相對有限，設備和設施的更新速度沒有學科或者科研實驗室力度大，因此部分教學儀器設備在測試精度和功能方面不如科研實驗室的相關設備。為了獲得更加精準的實驗測試結果，部分探究性實驗項目傾向于使用科研實驗室的相關設備和設施，但是科研實驗室本身承擔著繁重的科研實驗任務，本科生探究性實驗的加入會進一步加重科研實驗室的負荷，也在一定程度上降低了專業教學實驗室的利用率。

科研實驗室的負荷加重和專業教學實驗室利用率下降形成了一定的反差，這是個雙輸的局面，因此如何扭轉這個局面，促進科研與專業教學實驗室之間的優勢互補，對推動探究性實驗的持續深入發展有現實意義。通過多方協商調整了實驗室的管理思路：一方面，在專業教學實驗室空間允許的范圍內，把部分用作探究性實驗的科研設備和設施階段性地轉移到專業教學實驗室，使得基于這些設備設施的探究性實驗和部分科研探索活動在相關的專業教學實驗室內進行，提高了專業教學實驗室的利用率，降低了科研實驗室的負荷;另一方面，建立教學實驗室使用預約網絡平臺，提供實驗室設施設備及使用的信息，全天候開放教學實驗室，為科研探索活動和實驗教學提供便利。教學實驗室的開放共享使得部分科研經費樂意投資教學實驗室的設備設施，部分科研實驗室也愿意為探究性實驗教學提供服務，為持續、深入開展探究性實驗提供了條件支撐。

（三）促進學科競賽與探究性實驗相結合的實踐模式

學科競賽是學生在掌握理論知識的基礎上結合課外實踐任務來開展探索研究的活動，它以生產實踐活動中的實際問題為項目對象，通過方案設計和實施來實現預計的目標，起到鍛煉和提高學生分析和解決實際問題的能力，與探究性實驗的培養目的一致。目前，國內外各學科領域的競賽項目繁多，與農業工程專業相關的有全國“互聯網+”創新創業大賽、農業機器人競賽、農業建筑環境與能源工程競賽、大學生電子設計競賽等。為了鼓勵本科生參加與專業領域相關的學科競賽，農業工程專業制定了物質及升學方面的獎勵措施，從而提高學生參與的積極性。

如何將學科競賽與課程探究性實驗相結合，拓展探究性實驗的內容和形式，提高學科競賽的學生參與度具有現實意義。從2014年開始，農業工程專業在“生物生產機器人”課程的實驗教學中嘗試把國內和國外的農業機器人競賽項目內容融入探究性實驗探索實踐中，使競賽項目成為探究性實驗內容的組成部分，在探究性實驗中選取對競賽項目內容感興趣、完成質量高的學生參加國內外農業機器人競賽。學科競賽與探究性實驗教學結合的模式在實踐中取得了顯著的成績，榮獲了一系列國內外的農業作業機器人競賽獎項，增進了學生對農業工程專業的了解和熱愛。

內容豐富、形式靈活、與時俱進的競賽項目內容拓展了探究性實驗項目的視野和范圍，為探究性實驗帶來了新的思路。調研和收集國內外與課程及專業內容相關的各類競賽項目，充實到實驗教學探究性實驗項目數據庫中，融入探究性實驗內容中，把完成質量高、探索性及創新性強的競賽項目的研究和實施過程進行剖析和討論，促進學生之間的交流和思考。這種結合模式在拓展實驗教學內容、提升實驗教學水平的同時，提高了與課程實驗內容相關的學科競賽的參與度，從而讓更多的學生有機會參與學科競賽活動，有利于讓創新性能力強的學生脫穎而出，同時還可以利用學校和學科對學科競賽的支持和專項資助，補充探究性實驗經費不足的部分，起到優勢互補、共同發展的作用。

（四）探索建立探究性實驗指導規范

經過多年的實踐，探究性實驗已成為農業工程專業實驗教學的主流和重要方面，但是不同課程之間的實驗開展水平差異明顯。有的課程探究性實驗內容與學科競賽相互補充促進，形成了自己的特色和亮點，成效顯著;有的課程實驗還處在低水平重復階段;有的課程東拼西湊，實驗質量差強人意;有的課程存在實驗原理理解不充分、設計方案不合理等問題，這在由學生自擬探究性實驗項目中表現得更為顯著。由學生自己來確定探究性實驗項目，在實施過程中可能會遇到各種問題，這時更加需要教師的指導和把握，尤其是在學生剛進入專業學習的階段，如果在探索過程中沒有得到充分的指導，部分學生可能會在中途停滯，實驗完成質量就難以得到保證，達不到培養學生探索創新能力的目的。

自主研究能力培養是探究性實驗開展的重要方面，教師通過指導學生選題、查閱資料、制訂方案、實驗操作、討論分析等環節，引導學生自主探索，培養學生的創新思維和動手能力。在學生初步進入實驗探索階段，指導教師起著舉足輕重的作用，因此在探究性實驗環節要明確指導教師的任務和職責，即對探究性實驗探索的每一步建立指導規范和要求：第一步是提出問題，教師要根據課程內容和學生的認知程度創設問題情境，讓學生展開對問題的思考和分析，從而提煉出下一步的實驗需要解決的問題。教師充分利用專業方向各類研究或競賽項目中與教學實驗內容相關的部分來豐富問題的構成，分析這些問題的解決途徑和技術手段，以及延伸、拓展的方面，也鼓勵學生從自然規律、生活經驗、信息材料等方面提煉問題，培養了學生收集、分析、判斷、運用信息的能力。第二步是引導學生應用已有的知識對問題提出可能的設想和解決途徑，這是充分發揮學生創造力的階段。指導教師鼓勵學生大膽發揮、不拘一格，同時引導學生在提出問題解決途徑時考慮實驗及方法的可行性和可操作性。第三步是制訂實驗方案和計劃，這個過程是實驗項目小組合作的重要方面，指導教師引導學生思考、查閱資料、討論并與學生共同討論實驗設想，形成探究性實驗計劃和執行方案。第四步是實施過程環節，指導教師要求并指導學生在實驗過程中規范操作，通過檢測、分析、計算得到相應的數據，并進行數據的可靠性和實驗可重復性等方面的分析，培養嚴謹的科學探索精神。第五步是指導對實驗結果的分析和提煉過程，引導學生從實驗現象和數據中尋找規律，并對可能存在的問題和不足進行討論。制定探究性實驗指導規范并監督和檢查實驗教學指導環節的執行情況，保障指導工作按要求高質量地完成。

（五）建立探究性實驗指導小組

由于交叉性學科的關系，農業工程專業部分課程內容包含的范圍非常廣，以“生物生產機器人”這門課程為例，其探究性內容包括農業作業機器人部件的結構設計和運動模擬、作業效果分析等，此外，作業機器人運動系統的設計、控制和實現也是該課程實驗的重要內容。作業環境、內容不同，機器人的結構、功能也不同。作業環境包括溫室大棚農業設施和大田等，作業內容包括播種、施肥、采摘等，采摘可以分為葉菜類、果實類和塊根類等。因此，課程探究性實驗涉及的知識面廣，在實驗探索過程中僅僅依靠1～2個課程或者實驗指導教師顯得非常單薄，尤其當學生人數達到60人以上，實驗分組達到10組以上時，組建課程實驗指導小組來充實指導力量就顯得非常重要了。

對于學生人數多、實驗內容交叉性強的課程，根據專業領域建立實驗指導小組，要求覆蓋學生的實驗內容和范圍。如在精細農業實驗活動中，有的著重于作物生長信息獲取系統的設計和實現，有的基于信息的作物生長狀況和產量預測，有的著重于病蟲害信息之間的鑒別，等等。根據學生探究性實驗的知識范圍和要求分別安排不同研究領域和專長的指導教師。不同專業范圍教師的參與極大地拓展了探究性實驗的開展范圍和實施深度，使得學生在遇到各種問題時能得到合適、高質量、全面的指導。同時，成立指導小組極大地緩解了原課程或實驗教師的實驗教學指導壓力，使得他們有更多的時間投入所擅長領域實驗內容的指導工作中。

從這幾年的指導實踐來看，建立課程指導小組并根據指導教師專業領域來分配指導的方法，拓展了探究性實驗開展的范圍和深度，提高了指導水平，獲得了學生的好評。今后我們將逐漸在其他專業課程中開展，除了組織建立課程實驗教學指導小組外，根據課程實驗需要，聘請部分企業或研究機構的技術或研究人員加入指導，通過定期或不定期地與指導教師交流以及實驗小組之間的分享討論和互相借鑒，拓展思路，調整和優化實驗內容及指導過程，進一步提高探究性實驗的教學質量。

三、結語

探究性實驗特別強調理論知識的綜合運用和實踐創新能力的培養和提高，探究性實驗教學的高水平開展對應用型專業的學生培養質量具有舉足輕重的作用。隨著農業工程專業探究性實驗的深入發展，在經費分配、實驗室共享、實驗指導規范、探究性實驗與學科競賽結合、實驗指導小組等方面提出了新的要求，根據現有的實驗教學條件提出了新的舉措和方法，并進行了調整和優化管理，取得了一定的成果。從學生遞交的探究性研究論文和心得體會及步入工作崗位后的反饋情況來看，學生的創新探索、動手實踐及團隊合作能力等都得到了全方面地提升，為今后進一步科研探索和工作打下了堅實的基礎。

農業工程專業是基于一級學科基礎上建立的專業，與基于二級學科設立的專業相比，農業工程專業的課程范圍廣，課程內容的整合度高，設計探究性實驗項目和內容的范圍也大，因此在拓展和提升實驗硬件條件和管理水平的基礎上，加強與國內外同類專業開展實驗教學方面的交流合作，借鑒國內外同類學科的實驗教學內容，把探索性和創新型強的實驗內容融合到課程探究性實驗中，不斷調整和優化探究性實驗內容及實施方式，培養適應社會需求的高素質創新型人才。

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