實驗儀器設計與創新人才培養途徑探討

周 鑫 任曉蕾 王林峰 謝 濤 李修磊

（1.重慶交通大學河海學院，重慶400074；2.重慶工商大學環境與資源學院，重慶400067）

0 引言

隨著我國“人口紅利”的逐漸消失，將會對未來經濟增長潛力造成壓力。根據相關研究表明，未來經濟增長對科技創新的依賴越來越強[1]。而科技創新必然離不開創新型人才。有報道指出，過去我國經濟增長相當一部分來自知識與技術的全球化遷移。而如今，國際技術遷移紅利不斷衰退，經濟系統生產率邊際遞減，產生教育內卷化[2]。人才的創新能力對未來社會發展和經濟推動必將產生重要貢獻。因此，如何培養人才的創新能力顯得迫在眉睫。特別是對于大學教育，有必要探索如何將創新能力的培養融入教學各個環節中。

在重慶交通大學地質工程專業的課程體系中，諸如工程地質與水文地質勘察、巖石力學等課程均為實踐性極強的課程，其中實驗教學是理論聯系實踐的關鍵環節，對學生的綜合素質培養和提高有重要意義。但是，傳統的實驗教學模式普遍存在實踐環節薄弱，教學內容狹窄、觀念落后，教學方法、手段單一等問題，通常難以滿足社會對工程應用型創新人才的要求[3]。為了改善這些問題，王述紅等[4]把巖體建模仿真技術引入巖石力學課程教學中，通過數值實驗再現了許多物理實驗不能觀察到的現象；蔡國軍等[5]針對巖土工程勘察課程，采用項目式驅動讓學生結合課堂所學理論掌握各種實驗手段，熟習巖土工程勘察各種設備的原理、構造及常見故障的排除。殷亞軍[6]指出巖土工程勘察課程實踐教學中應加強實驗環節、提升實訓基地建設、優化課程設計環境及產學研合作。宋盛淵等[7]基于工程地質勘察課程存在的問題，提出開展混合式的課堂教學模式、優化教學內容、構建多元化的工程教育實踐教學環節的全面教學改革。綜合上述研究，以往在教學實踐方面對人才的培養多集中在融入新技術、優化課程內容、豐富實踐環節等手段，多關注對實驗儀器的使用原理、構成、操作及數據處理等方面的教學，而忽略了設計與發明實驗儀器本身亦可服務于人才培養的育人途徑。

基于對工程地質及水文地質勘察、巖石力學等課程的實驗教學環節的改革，本文提出一種對巖體結構面抗剪強度裝置進行創新設計的人才培養方案，其主要步驟為：第一，集思廣益，即在教學實踐中集思廣益，征集學生們的設計思想；第二，專家評議，即征求校內外專家的建議，對學生的設計圖紙及設計理念進行評價，評選出切實可行的方案；第三，綜合各方建議，師生共同完成對儀器設計圖紙的修正與完善。該方案在鞏固學生理論知識基礎上，可激發學生的發明與創造力，服務于地質工程、水利工程及土木工程等專業創新人才的培養。

1 實驗教學與儀器設計

實驗教學是高校培養創新人才的重要環節[8]。傳統上的實驗教學過程中，教師通常受限于授課時間或課時不足，在實驗教學上會更多關注如何使學生掌握實驗目標及原理、如何操作某種儀器設備以及如何對獲得的數據進行處理等方面內容。通常容易缺乏針對某種實驗所需的特定儀器設備研發與設計講解與啟發，即“為何要這樣設計？”“這樣的設計是否最優？”。但是這方面知識培養的不足容易導致培養出的人才更多是儀器的操作工，而非儀器的掌控者，即“知其然而不知其所以然”。此外，當前高校實驗教學發展迅速，亟須設計新實驗、新設備，而實驗室又受到人力有限等因素的限制，難以滿足這種發展需求。因此，有必要通過創新化的實驗教學培養學生創新能力。在此方面，管新蕾等[3]結合流體力學實驗教學改革實踐，探討了改進自制流體力學實驗儀器設備對提升大學生創新精神和創新能力的作用。該案例有效展示出儀器設計方向的學習與操作對培養創新人才方面有著巨大潛力。

因此，本文結合重慶交通大學地質工程、土木工程等專業中工程地質及水文地質勘察、巖石力學等課程的實驗教學環節，提出一種對巖體結構面抗剪強度裝置進行創新設計的人才培養方案。巖體結構面抗剪強度測試裝置是地質工程、水利工程、土木工程等專業均涉及的巖體力學測試裝置。特別是當今我國大型基建工程的發展，無疑在公路、隧道、鐵路建設中會碰到受巖體結構面控制的巖體結構。但是學生在這一部分的實踐學習中尚不完善。新時代人才培養不能只停留在理論上，有必要培養學生們與時俱進的動手能力。開展巖體結構面抗剪強度測試裝置設計的教學方案主要基于以下三方面：

1.1 社會需求

隨著行業發展，研究內容逐漸精細化，以往對巖石整體力學性質的研究已經持續多年。隨著理論認識的加深，巖體結構面成為制約裂隙巖體穩定的控制性因素。因而對結構面的力學性質進行研究顯得尤為重要。學生們掌握該方面實驗技能可以增強自身學習能力水平、豐富實踐知識。

1.2 教學科研需求

教學科研不分家，沒有科研的教學不能與時俱進，沒有教學的科研脫離了教書育人的根本。當前科研項目中多會遇到巖體力學性質的研究，其中迫切需要解決結構面的力學特性測試，進而服務社會。在教學中，以往僅對結構面理論知識進行講解，但是無法豐富學生們對結構面力學性質的實驗需求。

1.3 學生需求

學生們在聽實踐性很強的理論內容后，若沒有實踐經歷，通常容易忽略或者很快忘卻所學的知識。而學生們若親自參與設計，通過“自我學習→發現問題→解決問題”的方式加入理論知識的學習中無疑會加深學生對所學內容的理解。有助于學生理論、實踐及創新水平的提高。

2 創新人才培養方案

實踐教學體系的改革，不僅要更新人才培養觀念，更要加強與之相應的課程體系改革[9]。針對巖體結構面抗剪強度裝置設計的教學方案，更加突出“以學生為中心、教師專家指導為輔助”的培養模式，注重培養學生自主學習、交流探討、發現問題和解決問題的能力。具體方案可以分為如下三方面：

2.1 集思廣益

由教師提出巖體結構面抗剪強度裝置設計需求和背景，激發學生學習興趣。以小項目、小團隊的形式引導學生分組查閱資料并探討儀器設計的思路。使每組學生都能充分根據理論知識和設計背景發現儀器設計背后的原因，挖掘儀器設計存在的問題或不足，進而通過討論、論證形成自己的觀點。以小組為單位，征集學生們的設計思想，通過專業教師指導進行評價、反饋與修正，形成思想上的集思廣益。這一過程不僅是對課堂理論教學的檢驗，同時也是學生拓寬知識的機會，達到一箭雙雕的作用，一方面鞏固了學生課堂所學，另一方面培養了學生創新意識。

2.2 專家評議

組織校內外專家對征集來的儀器設計方案通過小組答辯的形式進行評價，對各小組設計方案進行社會需求性評價、創新性評價、可行性評價、方案優劣系統性總結，最終通過上述指標對各組設計方案進行評分，并反饋修正建議。這一過程是師生思想碰撞的重要環節，通過有經驗的教師對各種設計方案提出修正建議能夠充分保障學生設計的儀器符合社會需求及理論可行，而小組通過聽取專家建議能夠深化對設計儀器的了解，以此形成師生共進的良性循環。

2.3 綜合各方建議

各小組根據專家反饋的建議進行改進，重新總結好設計方案的優劣及適用范圍，通過與指導教師溝通，師生共同完成設計方案。最后，通過專家評審，對修正后能夠達標的方案再次評分，綜合第一次專家評議結果評選出優秀設計方案。該階段是學生不斷吸收專家思想持續自我改進的過程，也是學生與專家思想碰撞的過程，通過這一過程的訓練，小組成員均可獲得創新能力、動手能力、辯證思維能力的鍛煉。

3 結語

綜上所述，本文從實驗儀器設計的角度探討了一種創新人才培養途徑的可能性。以學生為中心，以培養學生創新能力為目標，通過師生共同參與設計巖體結構面抗剪強度測試裝置的教學方案，采用集思廣益、專家評議、綜合各方建議等方法，借助教師及專家的逐步引導與過程管控，鍛煉了學生“自我學習→發現問題→解決問題”的水平，不僅鞏固了課堂理論知識，而且培養了學生的創新能力、思辨水平、團隊協作能力、以及理論與實踐相結合能力。可以作為完善實驗教學改革的一部分內容。