以創新實踐能力培養為導向的能源動力類實驗教學模式探索

李小平，矯承軒，張 召

（吉林大學，吉林長春 130025）

在“雙碳”目標背景下，為應對新一輪科技革命和產業變革的挑戰，服務國家戰略和區域發展需求，推動能源與動力工程專業建設繼續深化、拓展和突破，培養多樣化與創新型工程科技人才[1-2]，探索中國特色、世界水平的工程教學實踐與改革，國內能源動力類相關院校針對自身的教學特點，結合自身優勢及區域發展需求，在實驗教學體系、教學模式、實驗平臺建設、實驗室開放管理以及人才培養等方面都積極開展研究和探索，對提升人才培養能力有著一定的借鑒作用[3-5]。相關行業對本專業畢業生的能力要求也在發生改變。在新的社會需求驅動下，高校對學生的培養從基本理論知識逐漸向創新實踐能力轉變[6-7]。實驗教學作為高等院校工科專業實踐實驗教育的重要環節，在培養學生創新實踐能力教學體系中起著重要的作用。因此，有必要給學生營造一個相對開放的實驗環境，讓學生成為實驗教學課程的主體，自主管理實驗過程[7-8]。然而，能源動力類學科的實驗教學項目，尤其動力機械及工程專業的專業課程實驗項目，會涉及到高溫、高壓、高速旋轉的設備，涉及到燃油、氣體燃料等危險化學品，實驗項目、材料等存在一定的風險[9-11]；具有實驗設備造價高，測試原理、操作規程復雜，設備臺套數少、實驗耗材消耗大等特點。同時，受校內教學資源、師資力量、配套資金、實驗室管理運行機制、課程體系等諸多因素的影響，在當前實驗條件下，學生自主管理實驗過程在能源動力類相關專業進行全面的推廣還存在諸多安全隱患[12]，因此，本文從實驗室資源整合、實驗教學方法以及特色教學模式等方面進行研究，探索一種適合本學科培養學生創新實踐能力的實驗教學模式，以期對能源動力類學科人才培養有一定的參考價值。

一、實驗教學現狀

（一）實驗室資源零散，功能不明確，資源利用率不高

實驗室布局沒有整體考慮，最初是每個教授或各自團隊根據不同的科研項目建設自己的實驗室，每年可能因為承擔的科研項目不同，需要投入的設備不同，所以每個實驗室的功能性質隨著科研項目的變化而變化，安全防護等級也不一樣，這對實驗室的管理和建設都不利，甚至可能在兩個課題組承擔的項目內容相當時，存在重復建設現象。另外，在共用儀器設備的使用上也存在不少問題，以排放分析儀為例，各課題組在進行發動機尾氣排放測試時都需要用到排放分析儀，在用到時需要把其從不同的實驗間臺架拆下來挪到相應的實驗間安裝上才能使用，同時，這個設備需要工作氣，所以氣瓶、氣路以及外圍的一些附屬設施都需要挪來挪去，一方面拆卸安裝浪費時間，另一方面設備在搬運過程中很難保證設備零件不松動或不損壞等。

（二）教學模式陳舊，考核方式單一，實驗項目少且更新慢

本學科專業課程實驗實踐教學主要依附專業課程，實驗學時少，限制了實驗項目，同時課程根據培養方案制定，因此課程內容更新較慢，在課程不變的情況下，實驗項目也很難更新。同時，實驗只是理論課程的一個環節，實驗設備、實驗材料、實驗方法等對于學生來說幾乎是全新的概念，且涉及一些大型儀器設備，僅用1~2 學時課程讓學生熟練地使用儀器設備完成實驗項目，所以實驗課基本是沿襲傳統實驗教學模式：教師先按照實驗指導書要求講解實驗要求、實驗內容、實驗步驟等，有時還要先給學生演示一遍實驗操作步驟。學生按部就班地按照規定步驟完成實驗操作、實驗數據處理及實驗報告[13]。這種實驗教學過程是一種典型的“鸚鵡學舌”式教學。教學模式依然是教師講，學生聽，教師在課堂上的主體地位沒有發生變化，學生被動聽講的地位也沒有改變。實驗成績考核單憑實驗報告，而報告大同小異，對于動手能力和創新能力強的學生以及走過場的學生沒有區分辦法，導致學生對實驗課程越來越不重視，表現在課堂上就是缺乏參與感，如此形成惡性循環。

（三）科研與教學相對獨立，教學實驗脫離行業主流和學科前沿

本學科對于本科生教學實驗室和科研實驗室獨立運行管理，科研實驗基本是學科及行業的前沿或主流技術，用到的設備也是先進主流設備，而教學實驗只是為了驗證理論課程的一些原理結論，所用的設備都是陳舊的，基本只能滿足實驗測試需求，導致學生日后無論是繼續深造還是進入工作崗位，都對主流設備或先進設備不熟悉，需要重新學習；另外，學生也不能了解到行業或者學科的先進測試技術和方法，實驗實踐教學起不到培養學生創新實踐能力的作用。

二、改革方案與措施

（一）構建優質服務、高效運行的實驗教學環境

一方面，整合現有實驗室資源，合理分區分類布局，按熱能工程基礎實驗室、能源與動力工程實驗室、空調及暖通認識實習實踐基地、動力裝置拆裝實踐基地和大學生創新實踐基地等模塊分區建設管理，根據實驗室功能用途及性質分類，建設燃料電池實驗室、發動機性能實驗室、零部件實驗室、結構拆裝實驗室、新型動力裝置實驗室、熱工基礎實驗室以及虛擬仿真和電控實驗室、大學生車隊創新實踐基地等功能型實驗室，實現分類布局，有利于實驗室安全和管理，同時實驗室功能明確，方便統一規劃建設，主題明確，突顯吉林大學汽車特色。另一方面，跟蹤學科發展前瞻性技術和先進儀器設備，集中經費投入，構筑高水平實驗平臺，建設世界先進、國內一流的示范實驗平臺與實驗基地，同時挖掘科研資源，將科研成果轉化為教學實驗項目，打造“科教融合”示范實驗平臺，建設吉林大學汽車特色工程實驗室。同時，建設多元化實驗實踐教學平臺，如虛擬仿真發動機拆裝及電控平臺、虛擬仿真風—光—電實踐實習平臺、實踐實訓基地、大學生車隊、競技競賽，滿足不同興趣愛好的學生學習，激發學生的學習興趣，培養學生實踐實驗能力，同時吸引更多專業的學生加入，擴展學科優質生源。建設實驗室信息化系統，利用“互聯網+教育”模式實現實驗教學線上、線下相結合[14]，虛擬、現實相結合，營造高效運行的實驗教學環境。

（二）構建多層次實驗教學課程體系

以學生創新實踐能力培養為導向，在教學實踐過程中,不斷探索和革新,構建以“基礎性實驗—專業方向性實驗—綜合性實驗—設計性實驗—創新性實驗”五個層次的實驗教學體系，每一層次的課程都有配套的實驗教材和實驗講義，不僅可以滿足不同類別、不同專業本科生培養的需求，還可以為相關專業的研究生提供所需的選修課程。基礎性實驗注重對學生基本實驗技能的培養；專業方向性實驗注重學生專業性實驗技能的提高；綜合性和設計性實驗作為過渡性實驗階段引入到學生實踐技能培養體系中，以培養學生分析問題、解決問題的能力為主；創新性實驗將專業的科研成果轉化為實驗裝置及內容，注重學科交叉和學科前沿內容，拓展學生創新思維，激發學生的創造興趣和能力，增強學生的自主性。充分利用多元化實驗實踐教學平臺，堅持“虛實結合、能實不虛、以實補虛”的原則，不局限實驗教學方式和實驗教學內容，擬推出績點量化考核方式[15-16]，不同專業或不同層次的學生可以根據自己的興趣愛好選擇不同的實踐實驗項目以完成相應課程的實踐實訓要求。

（三）構建科教融合、教賽融合的教學模式

借助科研平臺，將前沿的科研技術成果轉化為實驗教學項目，一方面，讓學生了解行業前沿技術，結合大學生“挑戰杯”、大學生創新創業項目等活動，構建科教融合、教研結合、科研反哺教學的實踐教學模式。以熱射流高能點火特性測試實驗為例，將科研項目熱射流高能點火系統轉化為本科生的實驗平臺，開展本科生教學實驗。另一方面，讓學生了解高速攝像機的用途及測試原理，了解利用紋影技術測試原理及在能源動力類領域的應用，同時還讓學生了解行業的先進技術——射流點火技術。針對不同層次的學生開展不同的實驗項目，實現多層次實驗教學體系，同時科研與教學深度融合，拓展了學生的知識面，也開拓了學生的創新思維，在學科具有示范推廣價值。

工大汽車在吉林工業大學時就成了行業內公認的一個品牌，隨著南方高校汽車學院的崛起，吉林工業大學與吉林大學合校，利用工大汽車的品牌效應，同時借助當下汽車專業火熱的大學生車隊方程式、智能車、巴哈越野車等賽事，借助吉大汽車特色大學生創新實踐平臺，面向學校相關專業，每年招納100 余名學生，組成吉大方程式賽車（油/ 電組）、節能車、越野車、無人駕駛智能車（油/ 電組）六支車隊，每年參加國際、國內大學生方程式、節能車、智能車、巴哈等賽事，形成全新的吉大汽車品牌。作為各項賽事的元老成員，吉大汽車在行業以及關注大學生車隊賽事的大學生、初中生、高中生中引起了特別的關注，尤其是2018 年、2020 年吉大汽車的吉速車隊在大學生方程式賽車油車獲得冠軍后，吉大汽車這個品牌深入人心，在新生招生及校內專業調劑時吉大汽車品牌效應體現特別明顯。同時，這種教賽融合的創新人才培養體系在學生當中越來越受歡迎，每年車隊在招納新人時人數都在成倍增長；同時依托“教賽融合”模式開展的實踐實驗教學成果產出在逐年提高，近兩年大學生創新創業項目每年都在20 項左右，實驗技術文章每年有10 余篇，申請專利有30 余項，隨著成果的增多，依托“教賽融合”模式完成實踐實驗教學的學生在保研、出國學生中的比例也在不斷提升。

三、結論

本文針對“碳達峰、碳中和”的目標背景下如何培養高素質創新實踐能力人才進行了實驗教學模式的改革探索，確定了“結合學科傳統優勢，整合實驗資源，改革實驗教學方法和考核手段，構建教賽融合、科教融合教學模式”的實驗教學改革思路；充分利用學科資源完成大學生創新創業實驗平臺、實驗教學信息化平臺與虛擬實驗平臺等教學平臺分區建設管理；構建“基礎性實驗—專業方向性實驗—綜合性實驗—設計性實驗—創新性實驗”五個層次的實驗教學體系，推出績點量化考核方式，引入教學質量全過程考核，實現學生綜合能力全方位考核，杜絕學生走過場；同時利用先進的科研平臺和大學生創新創業實踐平臺，構建“科教融合，教賽融合”的教學模式，強化對學生實驗技能和創新實踐能力的培養，提升本科生實驗教學成果產出，打造吉大汽車特色品牌。