新工科高校實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式改革探索

金克盛 黃英 張科

【摘要】高校新工科實(shí)驗(yàn)課程是培養(yǎng)新時(shí)期創(chuàng)新人才的重要途徑，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式受到各種限制，使學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性不足。開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨(dú)立科研能力，提高高校學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，通過在《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程中的嘗試，已有多名本科、碩士學(xué)生完成學(xué)位論文，取得了明顯的成效，已列入學(xué)校“金課”建設(shè)課程。

【關(guān)鍵詞】開放式實(shí)驗(yàn)? 教學(xué)模式? 創(chuàng)新思維? 改革? 探索

【中圖分類號(hào)】TB-4;G642 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）06-0183-02

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高校新工科課程教學(xué)內(nèi)容不可或缺的組成部分，它是理論教學(xué)與實(shí)踐操作之間的重要銜接，是抽象性與具體性的有效結(jié)合。在新時(shí)期培養(yǎng)新工科創(chuàng)新型人才的教學(xué)過程中，它具有不可替代的地位。實(shí)驗(yàn)操作可以培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，有助于樹立嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的大學(xué)生實(shí)驗(yàn)風(fēng)格，培養(yǎng)大學(xué)生面對(duì)問題的態(tài)度和研究問題、分析問題、解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以加深大學(xué)生對(duì)每個(gè)工程特征參數(shù)的理解，幫助大學(xué)生畢業(yè)后更快地融入實(shí)際工作，培養(yǎng)大學(xué)生具備優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、節(jié)約工程投資、確保工程安全的能力。丁肇中教授曾說：“做實(shí)驗(yàn)確實(shí)非常重要，因?yàn)槿魏卫碚摻^對(duì)不能推翻實(shí)驗(yàn)。”英國(guó)科學(xué)家培根說過：“沒有實(shí)驗(yàn)，便沒有科學(xué)。”[1]

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式受實(shí)驗(yàn)課時(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等條件的限制，學(xué)生依照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師安排好的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，缺乏個(gè)體創(chuàng)造性思維，個(gè)別學(xué)生甚至感到枯燥無味，實(shí)驗(yàn)積極性不高[2]。在這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，一些具有較強(qiáng)自學(xué)能力的學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，但由于條件有限，沒有進(jìn)一步研究的機(jī)會(huì);另一方面，由于自學(xué)能力較弱的學(xué)生沒有事先掌握實(shí)驗(yàn)的基本原理、操作規(guī)范、數(shù)據(jù)處理方法等，實(shí)驗(yàn)時(shí)常常無從下手，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)也就不可能完成相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

隨著慕課、翻轉(zhuǎn)課堂、網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)等教學(xué)形式的出現(xiàn)，高校新工科實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)形式也出現(xiàn)了很多新的變化[3-5]。本人從事土力學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)十多年，現(xiàn)以《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程為例探尋符合新時(shí)代高等學(xué)校新工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程發(fā)展的教學(xué)模式。《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程是《土力學(xué)》理論課程的重要組成部分，通過該課程的學(xué)習(xí)，能夠加深學(xué)生對(duì)土體的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)的認(rèn)識(shí)和理解，提高學(xué)生的實(shí)際操作能力以及分析問題、解決問題的能力。

一、存在問題

目前的《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程只安排了16個(gè)課時(shí)，要完成土的顆粒分析實(shí)驗(yàn)、界限含水率實(shí)驗(yàn)、擊實(shí)實(shí)驗(yàn)、滲透實(shí)驗(yàn)、固結(jié)實(shí)驗(yàn)、直接剪切實(shí)驗(yàn)等常規(guī)土工實(shí)驗(yàn)。每個(gè)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)之間都是相互聯(lián)系的，但以往都是單獨(dú)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏對(duì)各個(gè)指標(biāo)合理性的判斷。并且，每個(gè)實(shí)驗(yàn)都要完成土樣準(zhǔn)備、試樣制作、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等步驟，工作量繁重，所以要在16個(gè)課時(shí)內(nèi)完成所有的實(shí)驗(yàn)是不可能的，為了完成實(shí)驗(yàn)，很多前期的準(zhǔn)備工作都是由指導(dǎo)老師提前準(zhǔn)備，學(xué)生直接進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)致學(xué)生所學(xué)的知識(shí)不完整、不系統(tǒng)。而且，學(xué)生完成的實(shí)驗(yàn)也都是在教師預(yù)先設(shè)定的框架內(nèi)被動(dòng)地完成，這在一定程度上抑制了學(xué)生主動(dòng)思維和創(chuàng)新思維，以及學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力;另一方面，當(dāng)代高校給大學(xué)生提供了很多機(jī)會(huì)去參與各種科研課題、創(chuàng)新項(xiàng)目的研究，但大部分學(xué)生因?yàn)闆]有實(shí)驗(yàn)條件去驗(yàn)證自己的設(shè)計(jì)，從而錯(cuò)失了知識(shí)轉(zhuǎn)化的大好機(jī)會(huì);而與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室中的部分儀器卻長(zhǎng)期處于閑置狀態(tài)，設(shè)備利用率不高。

二、改革目標(biāo)及意義

（一）改革目標(biāo)

通過《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程的改革，將單一的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)融合為綜合性的開放實(shí)驗(yàn)，甚至可以延展為土力學(xué)課程設(shè)計(jì)。在教育部正在開展的專業(yè)認(rèn)證的框架下，根據(jù)《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》和《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)大綱》的要求，結(jié)合土力學(xué)的理論知識(shí)和具有實(shí)際工程背景的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容，在老師的指導(dǎo)下，實(shí)驗(yàn)的全過程由學(xué)生自主安排、自主完成，有興趣的同學(xué)還可以選擇合適的課題，繼續(xù)畢業(yè)論文研究，充分發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)性、自覺性和創(chuàng)新性，強(qiáng)化學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)際動(dòng)手能力、組織協(xié)調(diào)能力、撰寫報(bào)告能力以及深入分析問題、解決問題的能力。高校實(shí)驗(yàn)室設(shè)備利用率也得以同步提高，充分挖掘?qū)嶒?yàn)設(shè)備的價(jià)值。

（二）改革意義

通過新工科學(xué)校實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式的改革，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力、數(shù)據(jù)分析能力等工程素養(yǎng)，為學(xué)生學(xué)好后續(xù)的相關(guān)課程、更好地開展畢業(yè)設(shè)計(jì)和投身工程建設(shè)，建立良好基礎(chǔ)。當(dāng)代新工科高校培養(yǎng)的大學(xué)生既能夠滿足培養(yǎng)方案的畢業(yè)要求，隨著綜合素質(zhì)、工程素養(yǎng)的提高，畢業(yè)后也能更早更快地進(jìn)入工作狀態(tài)，更好地為用人單位和實(shí)際工程項(xiàng)目服務(wù)。

三、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的模式

開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降囊环N探索，它既改變了傳統(tǒng)的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，又能引導(dǎo)學(xué)生的發(fā)散思維、創(chuàng)新思維，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探究的動(dòng)力，有目的地針對(duì)具體問題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)大學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式包括的實(shí)驗(yàn)類型有驗(yàn)證型、設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型、綜合型等[6]，所有實(shí)驗(yàn)向?qū)W生開放，學(xué)生可根據(jù)各自的關(guān)注點(diǎn)和興趣愛好選擇不同類型實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接兄诔浞职l(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，注重個(gè)性發(fā)展，突出學(xué)生的教學(xué)主體地位。教師在輔助學(xué)生的過程中，要建議學(xué)生多開展設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型、綜合型實(shí)驗(yàn)，建立全方位、多層次的立體教學(xué)模式。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生可以根據(jù)自己發(fā)現(xiàn)的問題、科研嗅覺、興趣愛好，選擇深入研究的方向，繼續(xù)開展科研、畢業(yè)論文等方面研究。

四、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)評(píng)價(jià)、考核方式的創(chuàng)新

高校新工科實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式改革中，課程建設(shè)的特色在于開放式的綜合實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)的結(jié)合，難點(diǎn)在于學(xué)生全過程自主實(shí)驗(yàn)。

（一）教學(xué)內(nèi)容

（1）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的拓展：將目前由老師制樣的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，放手給學(xué)生自己制樣，學(xué)生需要自己調(diào)試儀器設(shè)備。（2）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的評(píng)價(jià)：目前測(cè)試的各個(gè)指標(biāo)獨(dú)立沒有關(guān)系，無法評(píng)判各個(gè)指標(biāo)的合理性;現(xiàn)需要根據(jù)各個(gè)指標(biāo)的基本特性，綜合分析各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性和合理性。（3）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的應(yīng)用：結(jié)合土力學(xué)的理論知識(shí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，以實(shí)際工程為背景，將測(cè)試的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)應(yīng)用于素土、加固土、污染土的強(qiáng)度、變形分析中。

（二）教學(xué)方法

（1）主體的轉(zhuǎn)變：將目前“以老師為主、學(xué)生為輔的灌輸式教學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙詫W(xué)生為主，老師為輔的自主式學(xué)習(xí)”。實(shí)驗(yàn)過程不再以指導(dǎo)教師為主體，而是以學(xué)生為實(shí)驗(yàn)主體，按照《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》的說明，學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并開展實(shí)驗(yàn)，老師只是起著輔助的引導(dǎo)、指導(dǎo)作用。（2）時(shí)間安排的靈活：將統(tǒng)一安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪W(xué)生根據(jù)自己的實(shí)際情況和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度來靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間，老師和實(shí)驗(yàn)室只需要做好時(shí)間上的協(xié)調(diào)和配合。（3）項(xiàng)目測(cè)試順序的靈活：土力學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試順序不是固定不變，學(xué)生可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)進(jìn)度靈活安排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以單個(gè)項(xiàng)目測(cè)試，也可以幾個(gè)項(xiàng)目一起綜合測(cè)試。（4）實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式的靈活：目前的實(shí)驗(yàn)報(bào)告是統(tǒng)一固定的填表格式，現(xiàn)擬轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪W(xué)生參照研究論文的格式進(jìn)行自主撰寫、編排、打印成冊(cè)。

（三）教學(xué)評(píng)價(jià)

（1）實(shí)驗(yàn)方案：評(píng)價(jià)學(xué)生設(shè)計(jì)的綜合實(shí)驗(yàn)方案的完整性、系統(tǒng)性、合理性、可行性。（2）實(shí)驗(yàn)過程：評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、設(shè)備使用、實(shí)驗(yàn)登記、實(shí)驗(yàn)記錄、出勤等情況。（3）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理：評(píng)價(jià)學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的合理性、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)性和合理性、圖表制作的規(guī)范性、實(shí)驗(yàn)誤差的可控性等。（4）實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的應(yīng)用：評(píng)價(jià)學(xué)生將測(cè)試指標(biāo)應(yīng)用于不同土體的強(qiáng)度、變形計(jì)算過程的邏輯性、系統(tǒng)性以及計(jì)算結(jié)果的合理性、可靠性以及研究?jī)?nèi)容的實(shí)用性和應(yīng)用價(jià)值。（5）實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫：綜合評(píng)價(jià)學(xué)生自主撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式、邏輯性、規(guī)范性、系統(tǒng)性以及文字組織能力、文檔編排能力。

（四）考核方式

（1）綜合評(píng)分：以上述教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)為依據(jù)，針對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組進(jìn)行綜合評(píng)分。（2）單個(gè)評(píng)分：根據(jù)各個(gè)實(shí)驗(yàn)小組中每個(gè)學(xué)生的具體情況，進(jìn)行單個(gè)評(píng)分，要求每個(gè)學(xué)生提交在教學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)中承擔(dān)的具體工作情況說明。

五、開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革的成效

土力學(xué)實(shí)驗(yàn)室連續(xù)三年利用暑假，對(duì)高年級(jí)學(xué)生開放（每年150人），設(shè)立了和建筑工程相關(guān)的一些創(chuàng)造性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)各自的興趣選擇不同的實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、儀器操作、數(shù)據(jù)分析等方面的鍛煉，學(xué)生對(duì)建筑工程中各種土的物理力學(xué)指標(biāo)如何獲取有了直觀的認(rèn)識(shí)，掌握了各種指標(biāo)在建筑工程勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)中的作用，補(bǔ)上了用人單位反映的畢業(yè)生到單位后對(duì)土的物理力學(xué)指標(biāo)不熟悉的短板。

另一方面，對(duì)有想法、感興趣的學(xué)生，實(shí)驗(yàn)室配合實(shí)現(xiàn)其設(shè)想，鍛煉學(xué)生的科學(xué)研究能力，部分學(xué)生利用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究?jī)?nèi)容和研究成果順利完成了本科、研究生畢業(yè)論文（圖1）;繼續(xù)深造的同學(xué)通過此次鍛煉，為自己研究生階段的學(xué)習(xí)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ);個(gè)別學(xué)生利用研究成果公開發(fā)表了自己的學(xué)術(shù)論文。

通過開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索，豐富了學(xué)生的假期生活，實(shí)踐了學(xué)生的理論知識(shí)，提高了學(xué)生的科研能力，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，充實(shí)了學(xué)校的人才培養(yǎng)。《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程已列入學(xué)校“金課”建設(shè)課程，開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式必將是未來高校實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)模式的發(fā)展方向。

六、總結(jié)

開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式可以不受課程、年級(jí)、時(shí)間的限制，進(jìn)行多層面、全方位的實(shí)踐鍛煉，充分發(fā)揮學(xué)生的個(gè)人興趣、專業(yè)特長(zhǎng)、創(chuàng)新思維及獨(dú)立科研能力。通過對(duì)《土力學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)》課程教學(xué)模式改革的探索性嘗試，采用開放式教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維和科學(xué)研究能力，取得了卓有成效的教學(xué)成果。在以后的教學(xué)過程中，要不斷完善開放式教學(xué)模式，為喜歡鉆研的大學(xué)生提供更好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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作者簡(jiǎn)介：

金克盛，男，漢族，講師，碩士，主要研究方向：特殊土體工程特性的理論研究和教學(xué)。