綜合型創新性人才培養實驗課程建設與實踐

陳金華，沈雪蓮，李 楠，高亞鋒，丁 勇，劉 猛

(重慶大學 土木工程學院，重慶 400044)

2010年國家啟動卓越工程師培養計劃，并于2017年積極推進新工科建設，旨在通過調整學科專業建設思路、拓展工程教育改革內涵，從教育教學理念、學科專業結構、學科專業建設、人才培養模式和多方合作教育等方面豐富和加強“卓越計劃”的內涵。2018年1月30日，教育部首次頒布了《普通高等學校本科專業類教學質量國家標準》。該標準要求高校緊密結合“一流本科、一流專業、一流人才”建設，以學生為中心，以學習成果為導向，不斷持續改進，切實落實綜合型創新性人才培養。

2010年以來，國家采用多種有力措施，強化人才培養中心地位和本科教學基礎地位。而學生創新意識和實踐能力的培養需要通過實踐環節的歷練，并在實踐中得到檢驗。本科實驗教學是本科教學的重要組成，是高校“雙一流”建設和創新人才培養工作中的重要內容，其課程建設也愈發受到各高校的重視。

新工科建設以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養創新能力強、實踐應用能力突出，適應社會經濟發展的卓越工科人才。新工科建設的內涵包括工程教育新理念、學科專業新結構、人才培養新模式、教育教學新質量和分類發展新體系。采用傳統課夾實驗形式，以服務理論課程為主，知識點相對零散，系統性相對欠缺，實驗深度、能力鍛煉強度相對不足，已難以滿足卓越工科人才的培養需求。同時，長期以來，學科壁壘、專業藩籬、本研隔斷、校企隔閡等問題窄化工科人才知識體系和工程觀，制約人才培養效率和市場分配，是阻礙“新工科”內涵建設和“一流學科”建設的現實瓶頸。為此，重慶大學建筑環境與能源應用工程專業(簡稱建環專業)通過不斷融合實驗教學資源，優化實驗教學內容，改進教學手段，提升實驗平臺質量和信息化水平，建設綜合型創新性人才培養實驗課程——專業綜合實驗，使其在落實“新工科”建設，支撐“一流學科”建設，培養新時代卓越工科人才中發揮突出作用。

一、建設思路

(一) 形成完整的實驗知識體系

課程將建筑環境與能源應用工程專業供暖通風與空氣調節、冷熱源工程、建筑設備自動化、建筑消防設備工程、建筑節能原理與技術等主要專業課程相關知識點進行融合，對照專業評估、人才能力培養要求，系統化設置多個綜合性、設計性、創新性實驗項目，利用完整的實驗課程替代分散的課夾實驗項目，增強本科實驗教學知識點的完整性和系統性。

(二)建設培養學生創新精神、綜合能力的實驗內容

研學融合、學科交叉是促使實驗教學更具前瞻性和創新性，激發學生創新意識和研究欲望，提高學生學術素質，拓寬學生學習視野的有效手段。專業綜合實驗課程依托學科建設和各類重點實驗室建設，將科研成果轉化到本科實驗教學中，構建了具有科學前沿、技術先進的本科實驗平臺，使學生在實驗過程中能夠接觸更新的學術研究成果，采用更科學的測試手段操作更先進的儀器設備。同時，與企業合作，突破學科壁壘建設跨專業、跨學科的實驗系統及平臺，鼓勵學生敢于突破學科專業限制，利用學科協同進行研究探索。

(三)構建立體化的教學資源，開拓多樣化的教學方法

我國從2008年開始進行教學信息化建設，并確立了2020年建成基本完善的教育信息化體系的戰略目標。專業綜合實驗課程通過開發虛擬仿真實驗項目，突破建環專業實體實驗系統體積龐大、設備臺套數少、實驗受氣候條件制約、可能存在安全隱患等客觀限制條件，采用“虛實結合、虛實互補”方式，大大豐富了實驗教學資源，提高了實驗自由度。此外，通過多媒體資源、電子資源構建立體化教學資源，并借助信息化技術支撐多樣化教學方法和高效的課程管理體制。

(四)明確課程體系及定位

實驗課程建設的核心不在于技術堆砌、方法創新或實驗內容的拼湊，而在于內部各要素的相互聯系與配合，以及外部各課程的定位與支撐。

結合教學大綱及培養計劃，以培養“專業知識扎實、實踐能力突出的綜合型創新性人才”為目標，分鞏固基礎、自主學習及提升、學以致用三個層次，構建了“一個目標，三個層次”的課程體系(圖1)，并明確課程在“基于工程創新人才培養的‘二三四’實踐教學體系”中的定位和功用(圖2)，建立與其他各實踐課程、環節的聯系，從而使教學目標更明確，教學深度分層次，人才能力培養更加循序漸進，幫助學生在實踐過程中形成更完整的知識體系，獲得更全面的能力培養。

圖1 綜合型創新性人才培養課程體系

圖2 專業實踐教學體系

二、教學體系的實施及課程建設

(一)建設教學內容

以“一個目標，三個層次”的綜合型創新性人才培養課程體系為引導，整合課程教學資源，通過研學融合、校企合作等手段不斷優化、更新實驗平臺，積極建設虛擬仿真實驗項目，豐富線上教學資源。2020年，專業綜合實驗課程共36個學時，依據鞏固基礎、自主學習與提升、學以致用3個培養層次，分別設置常規綜合性實驗、虛擬仿真綜合實驗、設計性綜合實驗3類實驗項目，其比重各占1/3。

此外，尊重學生興趣及個性化發展，將36個學時的實驗分為必做實驗和選做實驗，學生完成24個學時的必做實驗后，在另外32個學時的選做實驗中選擇12個學時的項目進行學習。綜合型創新性人才培養實驗課程實驗項目設置詳見表1。

表1 專業綜合實驗課程實驗項目

目前專業綜合實驗課程設有空調冷熱源系統、熱水供暖系統、空調末端系統共3個綜合虛擬仿真實驗項目(圖3)，其中空調冷熱源系統綜合虛擬仿真實驗項目2019年被認證為重慶市示范性虛擬仿真實驗項目。此外，為解決《防排煙系統綜合實驗》實體系統陳舊、知識點未能跟進行業新規范等問題，2020年初，建環實驗中心與重慶華勤新銳科技有限公司合作，建設建筑消防系統虛擬仿真實驗系統，并于2021年下半年投入本科實驗教學。該系統不僅解決了防排煙實體系統存在的弊端，而且采用分期建設、持續擴展的建設思路，旨在將分散在建筑環境與能源應用工程、城市地下空間、給水排水、建筑電氣、建筑學等專業的消防系統知識點融合成一個完整的有機整體，突破學科、專業壁壘，提高學生的專業視野及學習深度。

圖3 虛擬仿真實驗系統

此外，對“國際科技合作與交流專項項目”小型暖通空調系統科研平臺進行了本科教學改造，開設了“供暖系統設計性綜合實驗”項目。實驗平臺由1個機房4個末端房間組成，學生可利用科研平臺的多種供暖末端系統、自動監測系統和相關儀器設備，自主設計實驗方案并開展實驗探索。

圖4 供暖系統設計性綜合實驗系統機房

(二)實踐教學模式及方法

基于“一個目標，三個層次”的綜合型創新性人才培養課程體系，課程堅持“學生為主，教師為輔”的教學模式，以前沿豐富的教學資源和信息化技術為支撐，將半開放式教學、研討式教學等多元化的科學教學方法應用于課程教學中。

虛擬仿真實驗項目采用集體課講解和課下“泛在化”學習相結合的開放式教學方式。集體課主要對實驗過程、要求及疑難點問題統一指導，以提高學生的學習效率。實驗的探索實踐則采用課下自主學習、線上答疑的形式，學生可隨時隨地通過網絡訪問學習虛擬仿真實驗系統，完成實驗。每個虛擬仿真實驗系統依次設置了課前自學、系統探索等板塊，支撐開放式教學和學生自主學習，其主要功能、教學意義如表2。

表2 虛擬仿實驗項目各實驗板塊功能及意義

“供暖系統設計性綜合實驗”項目重點關注對學生創新、合作、探索、研究等“學以致用”層次能力的培養，結合項目教學特點及培養目標，融合開放式實驗、研討式教學多種教學方式，翻轉實驗教學課堂，借助熱水供暖系統虛擬仿真實驗項目教學資源、教師制作的自學電子文檔、“微課”視頻等多媒體資源在課下進行知識傳授，課堂則以培養學生應用、創新等高階能力和思維為主。

實驗分為實驗指導、學生方案設計、方案批閱及優化、自主式實驗探索和課堂研討5個環節，教師提前規劃各時間節點及教學內容如表3，以確保實驗有序進行。實驗采用分小組形式(每組不超3人)進行，每個小組的實驗課題均不相同，方案制定、實踐探索、數據分析等均由學生自主完成，教師僅提供指導和建議，以及提供所需實驗條件和設施。

表3 設計性綜合實驗安排

實驗分析報告分為必做分析題和選做分析題，在給學生足夠自由的學習空間的同時，適當引導，確保實驗深度滿足要求。

專業綜合實驗課程依托多個虛擬仿真實驗項目和實體實驗項目資源，在項目規劃和教學過程中，充分考慮虛擬仿真實驗與實體實驗各自的優缺點，注重將虛擬仿真實驗與實體實驗相結合，建立項目之間的聯系(表4)，揚長避短、互為補充。在項目排課及教案編寫中，均充分考慮如何發揮項目間相輔相成的功用，提高教學質量及人才培養成效。

表4 虛擬仿真實驗與實體實驗的教學聯系

(三)加強教學管理及監督

綜合型創新性人才培養課程體系的良好實施，課程教學質量的保障需要輔以有力的教學管理及監督。建環專業在充分利用學院、學校層面的教學管理及監督系統外，注重從實驗中心層面充分利用線上交流平臺，加深教師與學生的互動，提高對學生實驗的輔助力度，尤其在設計性、探索性實驗項目上均設置有獨立的線上交流答疑平臺，部分項目甚至按教學班獨立設置，以實現針對性輔導。同時，利用課程群及時公告、通知實驗教學安排及變動，提高教學管理力度和效率。此外，利用信息化技術開拓更加便捷、細致、多方位的教學評價手段，增加學生對課程內容及教師上課質量的反饋途徑。除學校教學系統針對課程的線上評分外，課程內部還增加了針對各實驗項目的獨立線上問卷調查，以更好地把握學生對各實驗項目教學效果及教師教學質量等方面的意見反饋，加強實驗教學教師的自我監督，促進課程的持續改進。

(四)建設師資隊伍

為切實實施“基于工程創新人才培養的‘二三四’實踐教學體系”，建環專業堅持“引進來”和“走出去”相結合，打造了一支以高學歷中青年教師、實驗室專職教師為主體，校內外知名專家、離退休教師、研究生助教、業界精英等為輔助的“一體多元”的“能站講臺、能開實驗、能做科研、能帶實踐”的高水平實踐教學團隊。在綜合型創新性實驗課程建設和教學中，堅持以高水平實踐教學團隊為有力支撐，由經驗豐富的教師帶頭，統籌課程教學體系，制定課程教學大綱及培養計劃，指導年輕教師參與實驗資源建設，設置實驗室專職教師承擔實驗教學專職工作。

三、 課程的教學實踐

專業綜合實驗課程每年服務約120名大四本科學生，在持續建設和實踐中，課程逐漸展現出全新的面貌。實驗教學資源逐漸呈現立體化，實驗平臺及配套的設備儀器也更具前沿性和科學性。教學模式由“教師為中心”轉變為“學生為中心”，同時衍生了半開放式教學、研討式教學、互動式教學等多元化教學方式(圖5—圖8)。

圖5 研討式教學

圖6 互動式教學

圖7 學生自主實踐

圖8 虛擬實驗的泛在化學習

2019年，專業綜合實驗課程在教學系統上的學生評價為97.63分，部門評價為98分，在各課程評分中名列前茅。

針對設計性綜合實驗有95%的學生認為設計性實驗更能增加其學習的興趣，80%的學生認為參與度很高，86%的學生認為該設計性實驗更能提高其實踐應用能力、分析總結能力和創新思維等綜合能力。

針對虛擬仿真實驗項目有95%以上的學生認為實驗有助于增強對專業知識的認識和了解，有73%以上的學生認為自主學習和思考能力得到了鍛煉。

此外，該課程在促進一流專業建設，支撐國家級實驗教學示范中心建設及全國高校建筑環境與能源應用工程專業評估工作中均起到了重要作用。

四、課程建設和實踐的創新點

綜合型創新性人才培養課程構建了“一個目標，三個層次”的綜合型創新性人才培養課程體系，并明確課程在“基于工程創新人才培養的‘二三四’實踐教學體系”中的定位和功用，使本科實驗教學從相對淺顯的實踐應用轉變為銜接本科理論教學、工程實踐、科學研究的重要橋梁，大大提高了實踐教學的地位，使實驗真正成為學生知識轉化、能力鍛煉的實操“戰場”。實驗項目的設置與規劃實現了共性與個性培養、基本能力與創新能力培養、虛仿與實體的結合，提出了工業4.0時代與我國的制造業發展新形勢下的工科人才培養新內涵，創建了工科專業創新人才培養的資源建設與實施新途徑。通過校企共建、研學融合等多元化的實踐平臺建設與虛實結合、翻轉課堂等教學手段改革，有力地保障了實驗教學資源和水平始終處于我國工程實踐的技術前沿。

五、結語

目前，專業綜合實驗課程已將“以學生為中心”的教學理念落實到實處，在人才培養和一流專業建設中發揮著重要作用，獲得了學生、部門和同行的高度認可，推廣應用效果好，為學校和其他高校同類專業實驗課程建設與改革提供了借鑒。但課程仍需持續緊跟國家教育政策，堅持服務國家戰略需求，迎接新機遇新挑戰，對課程不斷優化提升，以支撐一流專業建設，培養適應新時代需求的卓越工科人才。下一階段，課程將對實驗項目群進行精品打造，并建設線上線下混合實驗教學項目，出版課程針對性實驗教材，以進一步提高課程品質和示范性。