卓越农林人才培养模式下高等农林院校实验课教学的改革探索——以“岩土力学”实验课为例

王云琦　王玉杰　朱锦奇

(北京林业大学水土保持学院，北京　100083)



卓越农林人才培养模式下高等农林院校实验课教学的改革探索
——以“岩土力学”实验课为例

王云琦王玉杰朱锦奇

(北京林业大学水土保持学院，北京100083)

摘要：高等农林院校的实验课承担着培养学生实践能力和创新能力的重任，对培养具有科学精神和创新能力的综合性专业人才发挥着重要作用。水土保持与荒漠化防治专业具有综合性和应用性强的特点，所开设实验课的质量直接影响到学生实验操作能力、创新能力和解决实际问题能力的培养。因此，通过调研，在对高等农林院校师生对实验课教学改革的认识进行分析总结的基础上，指出高等农林院校实验课教学存在的主要问题包括实验课的教学目标针对性不强、不能体现各专业的不同特色，实验课的教学过程忽视对学生专业热情和创新精神的培养。针对存在的问题，以水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课为例，根据“卓越农林人才教育培养计划”所要求的提供多层次、多类型、多样化的人才培养体系以及开展拔尖创新型、复合应用型、实用技能型人才培养模式的试点，从实验课教学目标的修正以及教学内容、教学流程、教学模式的改革入手，采取加强实验内容与各专业典型实例的结合、增设室外实验、开设综合性室内实验、增设开放性实验课题、结合专业的典型实例加强实践能力的培养、提出问题激发学生的创新思维等措施，对高等农林院校实验课教学进行了改革探索，并取得了一定的成效。

关键词：高等农林院校；“卓越农林人才教育培养计划”；实验课教学；水土保持与荒漠化防治专业；岩土力学

我国作为农林大国，如果从事农业生产和相关技术管理的人员素质不高、创新不够、技术不精，那么在某种程度上这将成为制约我国农林业发展的瓶颈[1]。长期以来，受传统思想的影响，我国存在着农林业是一个较为“低端”行业的观念，这导致高等农林院校的毕业生在从事本专业领域的工作时缺乏热情和创造力[2]。为了深入贯彻中国共产党十八大及三中全会精神，提升我国高等农林院校学生的专业热情和创造力，教育部、农业部、国家林业局于2013年联合颁布了《关于实施卓越农林人才教育培养计划的意见》(教高函[2013]14号文件，以下简称《意见》)。《意见》明确要求各高等农林院校要认真实施“卓越农林人才教育培养计划”，积极开展高等农林教育改革试点。

“卓越农林人才教育培养计划”旨在提升高等农林教育为农林行业输送人才和提供服务的能力，所以明确提出要形成多层次、多类型、多样化的具有中国特色的高等农林教育人才培养体系，大力培养拔尖创新型、复合应用型、实用技能型现代化农林专业人才。这就要求高等农林院校依托自身特色和优势，大胆改革创新，积极探索卓越农林人才培养模式。

农林类专业具有实践性和应用性非常强的特点，所以实验课一直以来都是高等农林院校教学计划中非常重要的组成部分[3]。实验课在培养现代化农林专业人才方面发挥着举足轻重的作用。实验课程可以帮助高等农林院校大学生深入观察农林现象、建立实验模型、定量研究变化规律，以及激发学生的想象力和创造力，这对学生开展科学研究工作以及提高实际工作能力和创新能力等具有重要的现实意义[4]。此外，实验课程还可以激发高等农林院校大学生的主观能动性和专业学习的兴趣，从而解决现阶段高等农林院校大学生缺乏专业热情的问题。

农林类专业涉及的自然现象较多，但是不同农林专业的人才培养目标又各有不同，所以只有根据各农林专业不同的人才培养要求和专业教学内容开设富有针对性的实验课，才能够促进学生真正理解所学课程在其专业上的运用价值[5]。因此，在卓越农林人才培养模式下开展高等农林院校实验课教学的改革探索已势在必行。

在卓越农林人才培养模式下，水土保持与荒漠化防治专业的人才培养目标是培养能够解决我国水土保持领域关键问题、创新能力强、适应经济社会发展需求的高质量专业人才[6]。水土保持与荒漠化防治专业涉及农学、林学、工学等多个学科，是综合性和应用性都十分强的专业。这不仅在坚实的理论基础、出色的科学实验能力和勇于开拓创新的精神等方面对本科生提出了更高要求，而且也使其实验课程的内容相对丰富。因此，笔者以水土保持与荒漠化防治专业的“岩土力学”实验课为例，对高等农林院校实验课教学的改革创新进行了探讨和实践。

一、高等农林院校实验课教学存在的主要问题

(一)师生对实验课教学改革的认识

由于农林类专业都是以自然科学为基础的，所以我国大多数高等农林院校农林类本科专业的实验课在教学目标定位、实验内容设置、教学方式方法方面都存在着千篇一律的问题，这与建设现代化大学和培养创新型人才的高等教育发展目标相去甚远[7]。相较于其他科类的专业，农林类专业的实验课从体系到内容都缺乏鲜明的特点，尤其是没有针对特定专业进行富有个性的实验内容设计，这导致所培养的专业人才对要从事的农林相关工作缺乏热情，而且实际操作能力较弱，从而难以在农林工作中有所创新[8]。

笔者进行的“教师和学生对实验课教学改革的认识”调查的结果显示(详见表1)，在实验课内容设置方面，超过90%的教师和学生都认为需要实施改革，尤其是有75%的学生认为应该实施大规模的改革；在实验课与专业结合方面，有60%的教师和89%的学生认为需要实施改革，其中有50%的学生认为应该实施大规模的改革；在学生自主设计和完成实验方面，有95%的学生认为需要实施改革，并希望可以自主设计和完成实验。由此可见，在卓越农林人才培养模式下进行高等农林院校实验课教学的改革探索已经在师生中具有认知基础和迫切需求。

表1教师和学生对实验课教学改革的认识

%

注：学生样本数n=500，教师样本数n=100。

(二)实验课教学存在的突出问题

1.实验课的教学目标针对性不强，不能体现各专业的不同特色

笔者在水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课的教学过程中发现，学生虽然系统地学习了这门实验课，但是就业后仍然不能很好地应用所学的知识和技能解决在水土保持工作中遇到的实际问题。其主要原因在于“岩土力学”实验课没有专门针对水土保持与荒漠化防治专业开展实验教学，教学目标更具有普适性，而缺乏针对性。这不仅导致学生无法理解实验课与水土保持与荒漠化防治专业的相关性，而且更不可能激发学生利用在实验课所学的知识和技能开展水土保持领域的创新性研究了。

“卓越农林人才教育培养计划”要求农林类专业所培养的人才不仅能将所学的专业知识运用于实际工作，而且能创新地解决实际工作中遇到的问题。目前，高等农林院校存在多个专业同时开设同一门实验课程的情况，但是由于没有根据不同专业量身定做不同的实验课程教学目标，所以实验课教学存在针对性不强、不能体现各专业的不同特色的问题[9]。例如，“岩土力学”实验课，不仅为农林类专业如水土保持与荒漠化防治专业开设，而且还为土木类专业、水利类专业开设。由于各个专业的人才培养目标不同，理论教学的侧重点也不同，所以为不同专业开设的“岩土力学”实验课的教学目标应该有所不同。例如，为土木类专业开设的“岩土力学”实验课，要侧重于解决修建大型建筑物如楼房等面临的问题；为水利类专业开设的“岩土力学”实验课，要侧重于解决修建水利工程如大坝等面临的问题；为水土保持与荒漠化防治专业这样的农林类专业开设的“岩土力学”实验课，要侧重于解决修建挡土墙、保持土坡稳定等面临的问题。而这些不同势必导致“岩土力学”实验课教学所使用的材料、样本以及对实验的实施过程和结果分析的要求等完全不同。

2.实验课的教学过程忽视对学生专业热情和创新精神的培养

当前，高等农林院校的实验课教学基本上都是根据教材规定的已经成熟和固化的实验内容进行，实验步骤甚至实验结果都只不过是一个重复的验证过程，实验的设计中更鲜见有开放性环节，而且教师缺乏对学生自主设计和开展实验的引导，甚至于前期的实验准备过程学生都无从知晓，所以学生自然也就缺少了学习热情，更谈不上发扬创新精神了[10]。

例如，在水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课的教学过程中，学生开展了土壤物理性状的测定实验，也进行了土壤抗剪强度指标的测定实验，却不了解土样的来源和处理过程与水土保持工作有什么关系，也不知道所得到的测定结果能反映出哪些水土保持工作实际问题，所以也无法进一步将土壤性质指标和抗剪强度指标与水土保持工作中的边坡稳定性问题结合起来思考。这样的实验课教学忽视了对学生开展自主性和探索性实验的引导，背离了农林类专业人才培养的初衷，既不利于学生专业思想和热情的培养，也不利于学生创新意识的激发。

二、“卓越农林人才教育培养计划”对高等农林院校实验课教学的要求

“卓越农林人才教育培养计划”着力于提升高等农林教育水平，要求高等农林院校应构建多层次、多类型、多样化的人才培养体系，开展拔尖创新型、复合应用型、实用技能型等人才培养模式的探索。其中，拔尖创新型人才培养模式的改革重点在于推动本科教育与研究生教育的有效衔接，积极实施多样化的研究性教学方式，注重培养学生的创新思维和能力，强化学生的科研训练，提高学生的实验水平，增强学生的科技素质和科研能力，促进优秀学生脱颖而出；复合应用型人才培养模式的改革重点在于构建适应现代化和新农村建设需要的人才培养方案，改革和强化实践教学环节，提高学生的综合实践能力；实用技能型人才培养模式的改革重点在于优化教学内容，完善课程体系，加强实践教学平台和实践技能实训基地的建设，按照农林生产需求进一步提高学生的技术开发和技术服务能力。由此可见，无论是哪种人才培养模式的改革，“卓越农林人才教育培养计划”都强调必须加强实践教学。

因此，高等农林院校的实验课教学作为实践教学的重要组成部分，其改革都要围绕“卓越农林人才教育培养计划”的要求开展，实验教学平台要担当起培养卓越农林人才的重任。首先，针对高等农林院校实验课教学目前的基本情况和存在的突出问题，要将实验课程建设成为培养学生应用能力、创新思维和创新能力的重要课堂，要使实验环节成为应用课程和创新课程的重要组成部分，并且始终贯穿于大类通识教育和专业教育的全过程[11]。其次，要将实验课程建设成为学生运用所学的专业基础理论和专业知识开展实践应用的平台，成为激发学生的专业热情以及促进学生综合运用已有知识、信息、技能提出新方法和新观点并开展科学研究的创新平台[12]。最后，要将实验课程建设成为多层次、多类型、多样化卓越农林人才的培养平台[13]，通过多方位、多侧面、个性化的实验课教学，加强学生创新精神的培养，促进学生实践能力的提高，推动科学发现和技术发明的原创性成果的产生。

三、高等农林院校实验课教学的改革探索

(一)实验课教学目标的修正

“卓越农林人才教育培养计划”的目标是培养大批能够解决农林业生产实际问题的高水平的应用型专业人才。这一目标进一步强调了农林类专业人才培养的重点是培养基础深厚、学术精通、富有创新精神、实践能力强、适应社会发展需要、能够解决实际问题的高水平应用型专业人才。因此，水土保持与荒漠化防治专业要求学生应拥有植物学、生态学、土壤学、工程力学、气象学、岩土力学等广泛的知识以及相应的熟练的技术操作能力和自主创新精神。这对水土保持与荒漠化防治专业的实验课而言，就必须在提高学生基础知识的掌握水平和运用所学基础知识解决实际问题的能力方面发挥重要作用。

为此，笔者选择水土保持与荒漠化防治专业的“岩土力学”实验课进行了教学改革的尝试。首先，根据“卓越农林人才教育培养计划”对人才培养的要求，对“岩土力学”实验课的教学目标进行了修正(详见表2)，整个教学目标的设计根据水土保持与荒漠化防治专业的特点，更加强调知识综合运用能力、解决实际问题能力和创新能力的培养。一是针对实验课与专业结合不紧密这一突出问题，以解决专业问题为方向设计“岩土力学”实验课教学目标；二是为了解决学生缺乏专业热情的问题，在“岩土力学”实验课教学目标中强调了加强学生解决实际问题能力的培养；三是为了加强学生创新意识和能力的培养，在“岩土力学”实验课教学目标中增加了学生自主设计和开展实验的要求；四是为了培养综合性应用型人才，在“岩土力学”实验课教学中强调了加强学生自主学习能力、知识综合运用能力和处理水土保持工作中实际问题的能力的培养。

表2　改革前后水土保持与荒漠化防治专业

(二)实验课教学内容的改革

1.加强实验内容与各专业典型实例的结合

农林类专业是与实践结合非常紧密的专业，所培养的农林专业人才必须能够解决专业领域相关的实际问题。因此，加强实验内容与各专业典型实例的结合，可以使学生更早地接触专业相关性更强的知识。这不仅有利于学生准确、深刻理解专业课中的理论、原理、公式及变化规律等，而且可以使学生切实了解专业知识是如何在实际中运用的，从而使卓越农林人才的培养更具有专业针对性。

例如，在水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课的教学内容中，有一些固有的实验，如液限和塑限实验、固结实验、直剪实验等室内实验，可以很好地解释渗透理论、固结理论、抗剪强度理论等一些经典的岩土力学理论知识。但是，要让学生了解如何将这些理论知识运用于水土保持专业领域，则必须将这些实验与水土保持专业领域的实例结合起来。为此，笔者对“岩土力学”实验课中的各类实验进行了整合，设计了与水土保持专业领域的实例相结合的野外实验。例如，在实施水土保持措施的区域或者需要实施水土保持措施的区域开展野外实验，为学生综合讲解与水土保持专业最直接相关的土壤的渗透、土质边坡的稳定性、挡土墙侧土压力等方面的知识和理论[14]。这对激发学生的专业热情以及提高创新能力和专业知识的应用能力等具有积极的意义。

2.增设室外实验

农林类专业的毕业生大多需要在野外开展实际工作，只有室内实验不能使学生很好地理解实验结果是如何在实际工作中运用的。因此，高等农林院校的实验课应该通过增设室外实验为学生提供将理论知识应用于野外实践工作的机会。室外实验通常包括“观察-测量-整理数据-总结规律-提出新问题-设计新实验”这样一个循环[15]。这一过程不仅可以使学生学以致用，还可以使学生在参与野外实际工作的过程中提高实际工作能力，同时还可以加强学生创新能力和科学研究思维的培养。

例如，在“岩土力学”实验课教学过程中，学生可以在了解水土保持林的结构和功能的基础上，进一步思考“水土保持林如何通过植物固土”的问题；然后通过增设的室外实验现场测定土壤剪切力和紧实度，进而采集土壤和植物根系样本，实验测定植物根系和植物的自重与土壤之间的力学关系，以进一步探究水土保持林的作用。

3.开设综合性室内实验

高等农林院校开设的室内实验是所有科研工作的基础，对培养大学生实事求是、严谨踏实和一丝不苟的科学作风具有不可忽视的重要作用。但是，原来的实验课教学大多是将各个实验分开进行的，这使原本联系紧密的理论知识丧失了系统性和连续性[16]。因此，高等农林院校的实验课应该通过开设综合性实验，进一步拓展和完善室内实验的内容。首先，在保留原有室内基础实验的前提下，通过将最近专业领域内的研究热点纳入室内实验内容，对学生进行综合素质和应用素质的训练。其次，加大学生自主设计实验的自由度，在教师的引导下，让学生运用专业知识自主设计实验，将原本分散的实验内容有机地结合起来。

例如，在水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课的教学中，液限和塑限实验所测定的液限指数和塑限指数与固结实验所测定的土的压缩系数和压缩模量有着密切的联系，压缩系数和压缩模量又对直剪实验所测定的土壤内摩擦角和黏聚力产生影响；同时，在配置水土保持工程的措施时，还需充分考虑在采取保持边坡的稳定性、安置挡土墙等措施时的受力状况。因此，只有通过开设综合性室内实验，才能将原本分开进行的实验所涉及的知识综合起来处理和分析。这样，不仅有利于增强“岩土力学”实验课教学内容与水土保持与荒漠化防治专业的结合，而且有利于加强学生解决实际问题能力的培养。

4.增设开放性实验课题

根据“卓越农林人才教育培养计划”对人才培养的要求，为了加强学生创新能力的培养，高等农林院校应鼓励教师提出一些开放性实验课题，由学生利用现有实验条件自己设计和开展实验。这就要求高等农林院校对学生开放实验室，为学生自行设计和开展实验以完成课题研究创造必要的条件。开放性实验室的建设使学生可以独立完成从查找资料、提出自己的想法和思路、设计实验方案、选择仪器到完成实验报告乃至完成学术论文的全过程。这不仅有利于激发学生的学习兴趣，而且有利于培养学生独立思考和设计实验的能力，提高学生自主分析和处理数据的能力以及思考和解决实际问题的能力[17]。

例如，在水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课的教学中，教师先提出“植物根系对坡体稳定性有何影响”的研究命题，然后引导学生自主设计实验，开展研究。而学生可以在学校提供的开放性实验室里，根据在基础实验中所测定的土壤含水量、土壤含根量、土壤抗剪强度指标等，设计直剪试验，开展命题研究。开放性实验室的建设使学生自主设计和开展实验成为可能，从而有利于进一步引导学生参与教师的课题研究或者自行开展大学生创新项目研究，并且可以最大限度地开发学生的创新潜力和提高学生的动手能力。

(三)实验课教学流程的改革

合理有效的实验课教学流程，对培养符合国家和社会需求的卓越农林人才具有积极的意义。因此，根据“卓越农林人才教育培养计划”对人才培养的要求，笔者对水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课的教学流程进行了改革探索(详见图1)。首先，新的教学流程从原来的仅是基本能力的培养扩展到卓越农林人才的培养，更加强调学生创新能力的培养。其次，新的教学流程将实验教学分为基本要求和进阶要求2个层次。在基本要求层次，主要进行基础的室内实验；在进阶要求层次，主要进行与水土保持工程相关的野外实验、综合性室内实验和开放性实验。进阶要求层次的实验教学具有综合性和实践性更强的特点，要求学生针对水土保持工程实际设计中遇到的可以运用实验课知识解决的问题提出实验设计方案，积极地“总结规律—提出问题—解决问题”，并针对实验中遇到的新的科学问题进行新的实验设计。这不仅最大限度地丰富了实验内容，促进了实验室的开放度，而且对学生的专业知识水平提出了更高的要求。

例如，土壤的力学性质与边坡的稳定性息息相关，所以教师引导学生自主设计实验时可以将实验测定的数据与自然边坡的情况结合起来，要求学生利用获得的实验数据进一步分析不同含水量、不同坡度和不同土壤类型的边坡的稳定性，从而多角度地思考“如何保持边坡稳定性”这一实际问题。

图1　改革前后水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课教学流程的比较

(四)实验课教学模式的改革

1.结合专业的典型实例，加强学生实践能力的培养

农林类专业经常需要学生开展野外作业，要求学生能够将所学的理论知识运用在实际工作中。因此，高等农林院校的实验课教学必须结合各专业的典型实例，加强学生实践能力的培养。例如，根据水土保持与荒漠化防治专业的人才培养要求和该专业学生的特点，“岩土力学”实验课的教学要从水土保持工程方向入手选择典型实例，在课堂上向学生展示各个地区水土保持工程中出现的各类与实验课教学内容相关的图片和视频，使学生通过这些实例了解专业领域内急需解决的实际问题；同时，针对实例中存在的水土保持工程方面的问题，引导学生运用在理论课和实验课所学的知识合理地设计野外实验，从而为问题的解决提出方案。再如，在“岩土力学”实验课教学中，结合“水土保持工程学”等专业课的教学内容，为学生提供一些水土保持方面的案例，并要求学生自主运用“岩土力学”实验课中的相关数据和知识对这些案例进行分析和解释。这不仅有利于学生深刻理解“岩土力学”实验课与专业间的关系，而且有利于加强学生综合应用专业知识能力的培养。

2.提出问题，激发学生的创新思维，加强创新能力的培养

为了培养具有主动性、探索性和创新意识的卓越农林人才，需要在传授理论知识的同时，为学生创造更广阔的思考空间。培养学生创新意识的最佳方法是使他们了解与所学专业相关的各个学科间的联系以及最新的研究进展，引导学生主动思考并提出其中可能存在的问题或者可以进一步研究的问题。例如，在“岩土力学”实验课的教学中，为学生提供水土保持专业野外研究站点获得的相关数据，要求学生据此提出假说，并设计相关实验予以证明，从而培养学生主动探求科学规律的科研精神。再如，在“岩土力学”实验课的教学中，可以通过提出不同水土保持工程措施下坡体稳定性的假设，要求学生进行不同水土保持工程措施下土壤抗剪性能的研究。而学生可以自己组成研究团队，通过野外实验采集土样和径流小区的观测数据，利用在“岩土力学”实验课基础实验中获得的土壤紧实度、土壤容重、土壤抗剪强度等指标进行测定，然后对不同水土保持工程措施对坡体稳定性的影响进行综合分析。

四、高等农林院校实验课教学改革的成效

笔者在水土保持与荒漠化防治专业“岩土力学”实验课教学中进行的改革尝试，在培养学生的专业热情以及提高学生的实践能力和创性能力方面取得了一定的效果，从根本上提高了实验课的教学质量和效果，对培养满足国家和社会需要的卓越农林人才发挥了积极的作用。目前，在学习“岩土力学”实验课的学生中，有超过80%的学生已经能够自己独立设计实验。其中，一部分学生主动加入到教师正在进行的水土保持科学研究项目或相关的实际工作中，并取得了非常好的成绩；还有一部分学生在教师指导下，自主设计了水土保持专业领域的研究主题和实验方案，并争取到了大学生创新性研究项目。同时，还有超过50%的学生已经根据实验研究成果开始撰写科学论文。近2年，已经有超过5篇的学生论文被中国核心期刊C库收录，更有3项学生研究成果获得实用新型专利、2项学生研究成果获得软件著作权。

资助项目：北京高等学校青年英才计划项目“植物根系固坡效能研究”，项目编号YETP0751；国家留学基金管理委员会(CSC)“2013年青年骨干教师公派出国留学项目”，项目编号：留金发[2013]3050号。

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(责任编辑柳小玲)