新工科背景下地方工科院校專業實驗教學改革與實踐探索

王棟　蔡永樂　韓變枝

［摘 要］文章面向新工科建設根本任務，提出了采礦工程、測繪工程等礦業類專業實驗教學改革創新思路，整合實踐教學資源，優化實驗教學設計，以學生為中心，貫徹工程教育理念，注重學生綜合能力的培養，創新實驗教學模式，探索傳統工科專業改造升級路徑，這對實現具有創新精神和實踐能力的應用型人才培養目標具有重要意義。

［關鍵詞］新工科；礦業類專業；實驗教學；改革創新

［中圖分類號］ G642.423 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2022）09-0052-03

在智能化時代背景下，知識更新速度加快，催生了眾多新的技術，推動了新產業、新經濟的快速發展，科技革命和產業變革浪潮奔涌而至[1]。面對當前和未來產業發展需求，我國積極實施創新驅動發展戰略，充分發揮傳統優勢，掌握核心技術，把握未來方向，努力搶占創新發展高地，這就迫切需要具有科學知識結構、綜合實踐能力強、創新意識突出、國際視野開闊、團隊合作精神和溝通能力良好的新興工程科技人才[2]。人才培養已邁入體制創新發展的新時代，我國高等教育適時采取“新工科”建設舉措，社會各界積極響應，這些舉措也得到了眾多產業的支持，對經濟社會發展產生了積極影響[3]。新工科建設的核心理念就是要求高等院校主動對接產業要求，及時優化調整學科專業布局，實現工科類學科專業的交叉復合、與其他學科專業的交叉融合，拓寬學科專業建設重點，培育新的增長點，通過傳統學科專業的升級改造，全面促進內涵建設，大力培養工程科技創新和產業創新人才，為新技術、新經濟、新產業服務，支撐國家創新發展[4]。新工科建設的提出是工程教育教學改革的新趨勢，也是工程面臨的重大挑戰，現已成為深化高校工程教育改革的范式[5]。

作為地方應用型建設高校，山西工程技術學院（以下簡稱“學校”）積極貫徹落實山西省資源型轉型綜合改革舉措，深度融入資源型經濟轉型發展，主動對接地方經濟社會發展需要和企業技術創新要求，以立德樹人為引領、向應用型轉變為導向，以培養應用技術創新人才為核心，以產教融合、校企合作為抓手，深化教育教學改革，全面加快具有鮮明特色的應用型高校建設。學校以建設工學為主，理學、工學、經濟學、管理學等協調發展，以建設培養具有理論基礎扎實、實踐能力較強、能夠滿足產業行業發展需求的新時代工程技術人才的應用型高校為發展愿景，新工科建設成為落實立德樹人的根本任務、有效實施學校目標定位和發展愿景的重要途徑。

新工科建設的關鍵任務是基于時代和未來卓越工程人才核心素養和能力培養，加快實踐課程體系建設，創新教學方法和考核評價方式，形成以學生為中心的持續改進體系[6]。新工科工程實踐教育是應對新挑戰、實施教育教學改革的切入點和突破口，首要任務是培養學生的創新創業能力。實驗教學環節在培養學生知識遷移、科學思維、動手實踐、交流溝通、組織管理、探究精神和創新精神方面具有舉足輕重的作用。采礦工程、測繪工程等傳統礦業類專業是學校的優勢特色專業，但是近幾年受到產業調整升級改造的影響，人才培養質量遠不能滿足產業需求。其根本原因在于現代教育理念更新緩慢、培養目標不明確；課程體系和教學方法手段陳舊；實踐教學對人才培養的貢獻嚴重不足，是向應用型轉變的短板。因此，開展礦業類專業的實驗教學改革實踐，研究傳統工科專業建設新途徑，對實現具有創新精神和實踐能力的應用型人才培養目標具有重要意義。

一、整合教學資源

整合礦業類各專業實驗室和校內外實習基地，成立礦業實驗教學中心。以虛擬仿真、線上線下和自建實驗教學平臺為有效補充，逐年更新實驗儀器設備，配齊配全儀器設備臺套和實驗耗材。校企共建校內現代化煤礦生產實景培訓基地，規范管理校外實習基地。按煤礦生產工作過程課程化的建設思路，優化實踐項目，分基礎實驗、綜合實習實訓、創新實踐和社會實踐四個模塊，項目更新率每學年不少于10%，實踐項目間有知識、技能的遞進關系，充分體現“兩性一度”。課內實驗列入教學日歷課程化管理，實習實訓環節列入學年集中實踐月管理，每學期安排開放實驗室進行創新實踐，完成“大創”項目和學科競賽項目訓練。利用假期在校外實習基地進行社會實踐。實施“雙百工程”，鼓勵青年教師下企業鍛煉，并將這列入獎勵績效和職稱評審條件，提升教師的實踐能力；同時積極聘請校外實習基地工程技術人員到校承擔實踐教學任務，有效緩解實踐教學師資不足的問題，從資源配置、管理機制、保障機制等方面為實踐教學改革奠定良好的基礎。

二、實驗教學考核設計

礦業實驗教學中心包含校內煤礦實景教學培訓基地、地質實驗室、測量實驗室、煤礦開采與安全實驗室、礦井通風與安全實驗室、煤礦開采關鍵技能操作虛擬仿真實驗室、煤化工實驗室、煤層氣實驗室、礦山壓力實驗室、燃爆實驗室等，開設有煤礦地質學、巖體力學與工程等基礎課程及采礦學、礦山壓力與巖層控制、礦井通風與安全、爆破與井巷工程等覆蓋學科所有專業的課程配套實驗以及煤礦安全生產實習等，覆蓋采礦工程、安全工程專業學生（180人左右），設置15學分，開展42個實驗項目，每個實驗項目2學時，一般分30組左右完成，每組6人，3周時間內完成。

傳統考核采用實驗操作+實驗報告成績的模式，實驗操作和實驗報告各占50%，或操作占60%+實驗報告占40%，將每個實驗項目根據性質分配權重，加權平均計算后成為該門課程成績。這種考核方式的評判標準不明確，評定成績具有一定的隨機性，指導教師難以準確評價學生的實踐操作表現，激勵性差，學生的學習主動性不高。為了提高學生的學習興趣和學習主動性，我們細化了考核標準并提前告知學生，考核成績由實驗操作（占60%）+實驗報告（占40%）構成。實驗操作考核包括圓滿完成實驗任務（占50%），實驗小組整體表現（占20%），個人對完成任務的貢獻（占20%），實驗總結個人溝通陳述表現（占20%）幾個部分。實驗報告考核主要包含：內容完備（占50%），數據客觀（占20%），分析能力（占20%），書寫規范（占10%），綜合拓展（占10%）這幾個部分。實驗操作考核和實驗報告考核的總分占比均為110%，目的是認可學生、激勵學生，允許學生多項選擇。

綜合拓展加分根據實驗項目靈活制訂。如鼓勵學生利用信息化手段及時查看更先進的儀器設備，熟悉主要技術參數等；閱讀相關的國家標準并了解標準內容；查閱文獻資料，了解新技術、新方法、新工藝等。

三、實驗教學環節改革

傳統實驗教學一般是教師進行操作示范和原理回顧，在教師的指導下，學生分組進行操作，采集數據，分析數據后完成實驗報告。該方式容易導致學生僅僅為了完成任務而去做實驗，缺少過程考核，實驗報告千篇一律，不利于激發學生的思考、討論，也不利于學生綜合能力的培養。為此，實驗教學設計應增加復盤反思，同時轉變指導教師的角色，以學生為中心，注重能力培養。

（一）指導教師角色轉變

實驗前首先明確實驗的目的和任務，知識回顧和操作演示采取精講視頻、在線討論的課前預習方式進行，提前發布學習通知，為實驗操作留有更充分時間，便于學生操作實踐和討論。

以完成實驗任務為導向，分組討論實驗步驟，引導學生進行預演，為學生預留思考、發揮和創新空間，激勵學生主動思考、發現和探索問題，讓學生成為實驗課堂的主角。教師從示范者角色轉變為教練員角色，發揮觀察、引導學生的作用。在實驗過程中，結合專業知識，適當擴展課程內容，提出有針對性的問題，引導小組討論，組織學生陳述觀點，在組內、組間展開評判，從而實現學生的主動思考。

（二）注重能力培養

實施工程教育改革，就是要主動應對新技術、新經濟的挑戰，以滿足產業和未來發展需求。歐盟提出創新能力框架15項，包含了做中學、與他人合作、規劃和管理、主動行動、動機和毅力、動員他人等能力素養。新工科的“新”，首先體現在引領未來的一流工程師培養中，必須注重學生的專業溝通能力的培養，使學生面對復雜工程問題能夠有效地與同行及社會公眾進行交流，比如文本框架設計、報告撰寫和清晰的語言表達，并具備一定的國際視野[7]。因此，在課程考核方式和教學環節設計中，在保證實驗教學任務的同時，要更加重視學生的科學思維、交流溝通和團隊合作等能力。

專業思考能力。在教學安排中，回顧專業原理知識，結合生產實際預設實驗問題，拓展知識內容和應用場景，鼓勵學生主動思考，培養學生的專業思考能力。

交流溝通能力。專業溝通素養需要學生具有層次明晰、條理清楚的專業結構知識和前沿知識，在課程考核中設置實驗總結個人溝通陳述表現的考核指標，在教學環節中增加復盤反思，培養學生提升自我學習和交流溝通的能力。

團隊合作能力。新工科建設要求明確提出，要注重培養學生樹立在多學科組成的團隊中擔任成員、負責人的角色意識。現代企業的人才招聘，更加注重考查團隊意識，都提出應聘者要具備良好溝通協作能力的要求。因此，在課程考核中，設置小組整體表現考核指標和個人貢獻考核指標，在實驗過程中，分組實驗并強調團隊意識，通過總結復盤反思分享，引導學生提升團隊協作能力。

管理協調能力。新工科建設要求培養學生具備現代化項目管理能力，希望培養學生樹立工程管理意識，并理解和掌握一定的工程管理方法，以適應現代企業生產需要。礦業類專業所涉及的煤炭開采技術，包括勘查、測量、設計、生產、儲存、加工利用及安全保障等各個環節。在實驗教學中，統籌實驗項目安排，將多個實驗臺組成一個單元，分級分步模擬生產過程，小組成員擔任不同角色，協同工作，完成實驗任務。通過小組整體表現考核指標，激勵各組學生樹立生產管理意識，從而培養學生的項目管理思維。

四、教學設計案例

以礦塵及防治實驗中“空氣中粉塵濃度的測定”實驗為例，2個課時主要安排實踐探索和復盤反思環節。

（一）實驗準備

實驗準備安排線上進行，約20分鐘，通過小視頻分別介紹本次實驗教學安排、實驗分組、安全規程、考核要求、知識回顧、操作要點及演示。

教學安排：首先由指導教師回顧原理知識，明確實驗任務并告知注意事項；再由學生參考實驗指導書和小組討論制訂實驗方案并完成實驗；最后進行實驗復盤反思。

考核標準：以新工科建設要求和現代企業工程技術人才的知識、能力、素質要求為出發點，向學生清楚說明現代社會人才應該具備的能力，以考核標準為引導，幫助學生提升能力。

原理知識講授：以任務為導向，采用啟發式教學方式，引導學生回顧基本原理，并在各環節設置一些針對性的問題，激發學生的學習興趣，引導學生主動求知和探索。

實驗過程：分組合作完成實驗任務。教師盡可能不講不教，以教練身份給予一定指導，隨時對安全操作進行檢查。

多數學生在實驗前，通過線上學習，知悉了教學安排，回顧了基本原理知識，看到了基本操作步驟，表現出濃厚的學習興趣，也表現出對自主實驗、自行探索的好奇和期待。該環節強化了學生在實驗過程的主體地位，也突出了以學生為中心的教學思想。

（二）實驗過程

實驗過程主要有注意事項、模擬預演、過程記錄、數據處理和分析討論等5項工作內容，安排時間約40分鐘。

注意事項：教師強調操作規程、安全規程以及實驗過程中的注意事項，引導學生按分組情況，充分討論實驗任務和注意事項，提升學生的參與度和團隊協作感。

操作預演：教師指導學生做好操作預演，理解實驗操作步驟與實驗結果的關系，進一步明確各自承擔的任務和工作方法，提升學生的動手操作能力，提高實驗效率。

實驗記錄：學生自主完成實驗任務，記錄實驗數據，保證數據準確、翔實。

數據處理：學生對實驗過程記錄的原始數據進行處理。

分析討論：學生對數據處理結果進行分析，積極準備復盤反思，進行組內交流。

（三）復盤反思

復盤是指通過回顧以往工作過程的全部細節，結合工作成效現狀，總結評判工作過程的優點和不足，發揮優點，改進不足，進而為下一步工作做好準備，這是持續改進的重要步驟[8]。復盤過程主要思考討論小組分工、動手操作、結果分析、心得體會和教學建議，時間安排約30分鐘。復盤不僅能鍛煉學生積極思考探索創新的能力，而且能協助教師更新開發實驗項目、改進實驗方法，實現教學相長。

小組分工：小組成員充分討論實驗預留問題，并提出新問題，選派代表總結匯報。

復盤反思：教師在實驗操作中進行適當引導，鼓勵學生勇于試錯，幫助學生總結積累經驗。

結果分析：小組代表匯報分析結果，幫助學生解決預設問題，實現理論和實踐有效融通，這個過程培養了學生的總結能力和表達能力。

分享體會：學生充分表達收獲和體會，增強參與感，鞏固了學習效果。

教學建議：通過師生互動，尊重學生提出的意見和改進建議，有利于促進教學相長。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 劉吉臻，翟亞軍，荀振芳.新工科和新工科建設的內涵解析：兼論行業特色型大學的新工科建設[J].高等工程教育研究，2019（3）：21-28.

[2] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3] 陳家星，趙志軍，崔國民，等.新工科建設背景下實驗教學改革實踐與探索：以上海理工大學能源動力類專業實驗教學為例[J].高等工程教育研究，2019（S1）：49-52.

[4] 劉慶華，段建東.面向新工科的工程實踐教育體系與平臺構建的探究[J].現代職業教育，2018（10）：104-105.

[5] 陳悅.挑戰與應對：新工科背景下工程實踐教育的思考[J].南京航空航天大學學報（社會科學版），2017（4）：89-91.

[6] 熊偉麗，陶洪峰，劉艷君，等.新工科背景下自動化專業工程實踐教學體系的建設與思考[J].高教學刊，2019（12）：62-64.

[7] 何妍，朱天曉，劉芬，等.新工科背景下材料專業創新型人才培養模式研究：基于四位一體視角[J].教育教學論壇，2019（46）：49-50.

[8] 張璇.“復盤式”教研活動下的教學反思：以“彩燈的PLC控制”教學為例[J].內江科技，2019（7）：154，130.

［責任編輯：陳 明］