工科实验中心设计与运行的要素——理念、平台和运行机制

杨文珍， 竺志超， 杨金林， 吴新丽， 潘海鹏

(浙江理工大学 国家级机械基础实验教学示范中心， 杭州 310018)

0 引 言

工程教育认证是一个热门的话题[1-2]，它促进了高校教学理念和人才培养体系的变革。目前国内地方高校也开始积极参与认证，认证标准的严格要求作为学生应用和创新基础的实验实践环节问题还是不少。虽然经过2003～2007年的高校本科教学水平评估，地方高校的实验教学资源条件上了一个台阶，但实验教学的水平和效果未必能令人满意。因高等教育大众化的影响，以及实验室运行机制、地方高校学生生源等诸多原因，一些地方高校存在实验室教学功能单一，实验创新教育落实困难，教学工程背景弱化等现象，甚至实践环节缩水，缺乏有效的保障机制，学生积极性不高，一定程度上造成学生“学以致用”难，综合能力以及创新能力不强[3-4]。为此也常引来社会舆论的诟病，如10年前国际著名的麦肯锡咨询公司调查报告《应对中国隐现的人才短缺》断言：只有不到10%的大学生符合跨国公司的人才要求，认为工程类教育体系偏重理论，和欧洲或北美的工程类大学毕业生相比，中国学生缺乏参与项目或团队协作的实际经验等。严重阻碍了地方高校创新应用型人才的培养成效，也会影响建设创新型国家的前进步伐。

工科实验中心如何强化创新应用型人才培养中的作用？学校决策层应从人才培养的战略目标出发，真正确立实验教学在本科教学中的不可替代的重要地位和作用，弘扬引导实验教学改革方向、推动实验教学质量提高的新思想和新认识。同时，执行层要将实验教学及时“转型”，从辅助性环节纳入“主动实践育人”轨道，从经济社会发展需要和学生发展需要(包括整个专业培养以及学生个性化培养，以下简称“两个需要”)出发，建立先进的实验平台(一批吸引力强的实践功能平台和项目)，并结合实验教学模式改革，探索有效的运行机制，努力提升实践教学育人效果。总之，好的理念、好的平台和好的运行机制这“三个好”是工科实验中心建设和运行的关键。

1 提升实验教学理念

大学办学理念对学校的发展十分重要[5]。提升理念是解决教学问题的根本，实验教学理念是实验中心的“龙头”。所以，实验中心必须理念先行[6]，不仅要有自己的工作理念，并且逻辑上符合专业人才培养理念要求，确保引导中心高效运行。国家级机械基础实验教学示范中心(下文简称机械实验中心)在学校人才培养顶层理念指引下，提出的实验教学理念，① 设身处地为学生未来着想。“设身处地”把学生当作自己的亲朋好友，真正体现以学生为本和以学生为中心；“学生未来”代表将来生活和就业、创业以及职业的迁移，也就是生活和事业的本领；“着想”就是实验中心建设和运行如何满足“两个需要”。② 学生入学就是事业的开始。“事业”要求学生全方位的素质，因工科专业的综合性和实践性、创新性特点，专业方面的知识综合应用能力、工程实践能力和创新能力“三个能力”是不可缺少的，此外在学校里不能忽视一踏入社会都需要的非智力方面素质，包括交际和沟通、团队协作、工程和创新意识及行为规范等；“开始”意味着要解决学校培养与单位用人的一些不接轨问题，专业方面培养尽可能结合工程实际，为出校门做好提前过渡和铺垫，尤其是学以致用上下功夫，甚至能解决一些复杂工程问题。

理念不仅是口号，关键是思路引领。上世纪90年代美国工程教育界在借鉴德国重视实践训练经验的基础上，率先提出了“回归工程运动”，麻省理工学院提出大工程观理念，对工程教育进行了系统的改革，对国内的工程教育影响很大。所以，一旦先进的实验教学理念形成，实验中心需要有目的地设计人才培养过程中的具体对策，将理念核心内容要求加以细化，形成理念层次下的具体的实验教学观和教学举措并抓落实，使实验中心其独特的作用发挥不至于落空。机械实验中心结合地方院校工科创新应用型人才培养的定位，以需求为主导(核心目标)，以能力为取向(教学目标)，逐渐形成了一系列聚焦前述的“两个需要”“三个能力”的实验教学观。具体为：① 工科学生能力培养与知识传授并重，实验室必须建立自身特色优势，实实在在地主动服务于人才的发展，服务于社会。② 坚持工程教育的“大工程观”，在回归工程中实验实践教学更应先行一步，保证提升学生解决工程问题的能力，同时尽力提供跨学科、综合性的知识背景，使学生对经济环境(市场)、社会环境、公共政策、人际关系、道德规范以及自然环境有一定的了解与适应能力。③ “实验中创新，实践中完善”。在实验教学过程中重视创新教育，不同类型的实验甚至基础性实验对学生而言都应鼓励创新；在实践过程中完善学生能力和素质培养，弥补理论教学的不足[7-8]。

落实先进的实验教学理念和思想，最终应该体现在建设好的实验平台，好的运行机制上。有教育家说过，要给学生一杯水，教师需有一桶水。类似的道理，机械实验中心提出了“学生取水模型”，如图1所示。模型其内涵为中心实验平台要多提供“好水”，方便“取水”，利于“多储水”，核心是学生自主“取水”。“好水”意味着高质量和大需求的满足，多提供“好水”

图1 学生取水模型

人才“三个能力”和“两个需要”以及非智力方面素质要求，设计好实验教学内容体系，包括工程理论、技术和经验相关内容；方便“取水”就是设计学生取水途径和方法，即要根据学生能力培养要求设计好实验教学模式，以及实验教学运行机制，重点突出学生的自主；利于“多储水”就是在好的运行机制之上，营造优良的实践环境，包括软、硬件条件和文化氛围，帮助学生将更多的“水”内化为自己的知识、能力和素质，确保实现实验教学的有效性。据此，机械实验中心强化实验平台特色建设，硬件以先进性、工程性见长，软件以大服务、高质量为要求，满足实验教学理念和实验教学要求，构建了多种教育功能一体化的大格局实验教学中心。可见，先进理念指导很重要，可以促使地方高校同985、211高校一样可以打造高水平综合实践育人平台，创新有效的运行机制，实现实验中心逐步进入主动实践育人轨道[9]，系统地解决实验教学存在的共性问题的目标。

2 做好平台软硬件特色建设

2.1 多元化建设实践育人平台硬环境

过去实验室硬件建设基本是围绕满足专业人才通用性培养需要，地方高校经过多年的建设已经具有较好的条件，特别是一些省级以上实验教学示范中心的仪器设备先进性和台套数已经不亚于国外的一些高校。那么，现阶段的实验室建设更应该关注效能、深度上的突破，从满足基本需要转到突出服务地方经济社会和学生个性化发展两个需要上来，通过利用校内外优质资源营造大格局的实践育人平台，为学生未来着想，多提供“好水”。

(1) 特色实验室建设。利用学校长期积累形成的办学特色或学科优势，构建先进、齐全的硬件系统、服务“两个需要”的特色实验室和相应实验项目。因为特色与优势的存在，一定是学校历史发展的必然结果，这更有利于吸引学生参与其中，满足他们的个性化发展；同样，领域内的高水平更有利于反哺教学，培养学生为地方经济发展服务的能力。如机械实验中心以农业机械的自动化为主题，建立机器人实验室，让学生通过机构原理学习机械手的应用；以工程平衡应用为目标建立了动平衡实验室，让学生学习企业产品动平衡技术，以及汽车轮胎平衡；以展示大型零部件装配、虚拟现实环境方法等目的建立了虚拟现实实验室，让学生学习先进的设计工具；以精密测量方法为手段建立了精密测量实验室，让学生学习工程中先进的测量方法；以快速成型方法为目的，建立了现代成型实验，让学生学习3D打印，快速成型技术，激光雕刻等。

(2) 实验设备更新开发。先进的实验中心应该结合实验教学中的新问题和新需求，及时研发实验仪器设备，或更新或完善。这样才能保证实验设备和手段的先进性，不断满足人才培养的需要。机械实验中心自上个世纪90年代以来，一直紧跟机械基础实验教学领域的改革步伐，成功地开发了多套机械基础实验仪器设备，并且推广到了国内的300多家高校应用。另外，通过一批创新性实验项目的设立，引导相关实验中心完善研发了一批实验仪器设备，其中5个实验项目被编入《全国高校机械专业创新性实验汇编》一书。

(3) 开发优质实验教学资源。目前，一般实验中心相对而言跨学科、交叉学科资源还是比较缺乏，导致实验教学视野窄，工程系统性差，影响人才培养质量。为此，先进的实验中心可以两条腿走路，除自主开发还需外部资源利用并重，如通过引领校内相关实验室开发工程背景强的学科交叉的开放式创新教学资源；或多渠道挖掘社会资源为我所用，构建校内联合实验室、校外实习基地，使可用实验资源丰富多彩，开放共享，满足学生创新活动需要，满足视野拓展和工程经验积累的需要，有效保障实验室在人才培养和社会服务中的特殊作用。

以机械实验中心为例，通过项目立项引领相关学院实验中心共同开发了一批优质的开放式创新实验教学资源，设计了综合性大实验项目。如信息电子学院的CCD测量实验，材料与纺织学院的织机打纬机构钢筘运动规律的测定实验，材料工程中心的锯条材料分析研制实验等都吸引了很多学生的参与，学科交叉涉及机械、机电、测控、自动化、纺织、电子、计算机、材料和工业设计等多个专业。建立分散性小型校外学生实践基地，如与杭州市茶叶机械研究所、上虞小金农机制造有限公司等单位合作共同建设实习基地，采用少量多批方式送学生去基地参加实习和具体的工程问题解决方法训练，发挥企业的资源优势为我所用。另外，与机械工程学会、人力资源和社会保障部培训中心、国家制造业信息化培训中心等部门合作，创建了见习工程师、数控工艺员、三维设计、机电一体化等培训基地，吸引了一批校内外学生和企业员工的新技术培训学习。

2.2 深化改革建好实验教学软环境

实验中心建设非常关键之一就是软件建设，地方高校已有不少经验，而目前面临的主要是实验教学改革深化问题[10-11]。尤其应该积极探索有效合理的各种实验教学模式，例如实验创新教学模式，工程化实验教学模式，大型综合性实验项目开放模式等，同时更新实验教学内容，提供多种途径以方便学生“取水” ，适应创新应用型人才的培养。

2.2.1实验创新教学模式

地方高校普遍认为在大学生中实施创新教学难度比较大，更何况是实验教学。原因很多，但传统的实验教学模式对创新教学是最大的障碍。传统的实验教学模式最大的特点是“按部就班”进行，学生在其中很难有思想空间，很难有发挥。所以，必须在实验教学中关注创新意识培养和创新方法的训练之外，重要的是为实验创新教学实施设计新的模式。按创新认知、创新思维训练到自主创新这一发展规律，营造创新教学在校几年“不断线”的氛围，不失为一条可行的途径。因此，根据学生特点和创新层次，低年级实施课程实验中创新基础教育，高年级开放创新实验项目、第二课堂(学科竞赛，科技训练项目)，二、三年级穿插创新应用综合训练班等，建立多层次的创新教学体系，可以吸引更多学生参与，不但培养学生创新意识，并且在实践中学习创新方法，锻炼创新能力。

(1) 社团自主创新模式。实验中心负责牵头，按学科性质成立学生自己管理的专业社团，有一个中心老师指导，实验室准备活动条件，定期吐故纳新，平时组织学生活动，赛时组织参加学科竞赛。社团最大的特点是新老学生之间的传承和学生自主决策，因此不但提高了学生自身管理能力、团队协作能力，还通过竞赛提高工程所需的各种实战能力[12]。中心建立了若干社团，如中心的慧鱼社团已经运行了15年，有许多学生参与了活动，成效很好。

(2) 创新训练班模式。培养创新意识很重要，掌握有效创新方法也很重要。为使学生能顺利地从事创新活动，中心开设培训班，一方面请科研经历丰富的教师为学生讲解科研活动中的创新思维、方法和成功案例，同时学习一般的创新规律，如Traz理论等；另一方面组织创新训练和实践活动，由学生自主申报项目，实验中心评审立项后给予经费资助，直到完成制作。整个过程学生创新能力得到了培养，同时也学习了科研申报程序。

2.2.2实验教学工程化模式

工科实验教学的目的在于学生会应用，不会应用更不可能有工程上创新。而通常教学目标往往只求学生对实验原理的理解和学会操作，对会应用和拓展关注少。分析可知，学生不会“学以致用”主要是由于实验教学内容与工程脱节、教学手段和方法过分强调虚拟和计算机辅助、教师缺乏工程经验等造成的，故教学过程各要素强化工程性是必要的。

(1) “零距离” 工程化教学模式。回归工程使教学适应社会需要是工科教学的改革方向，所以必须重视实施以教学要素工程化为特征的“零距离”实验教学模式，即从实验教学设备与环境、教学内容与教材、教学手段、教师等诸要素着手，改变实验教学工程背景弱化的现状，解决实验内容与工程需求脱节、学生学以致用难的问题，很重要的一面还可以使学生不断积累工程直接经验，为就业做好准备。以机械实验中心为例，利用工程化特色实验室(动平衡实验、精密测量实验等)开设符合工程实际情况、社会需要的实验项目内容，真刀真枪训练。如以企业提供的需进行动平衡的各种回转件为实验对象，在工业动平衡机上学生自己动手完成操作，并符合给定的指标。聘请实际经验丰富的企业工程师作为兼职指导教师，来实验中心举办创新应用综合训练实验班上课或指导设计，将自己企业设计经验毫无保留地奉献给学生，让学生与他们“零距离”接触交流，充分融入企业工程师丰富的实践经验和典型案例。保证在实验设备工程化环境下实验内容工程化，如以实际机械设备为对象的测量，比如丝织机各机构运动参数测试等；工程化教学资源开发，如自制工程化仪器设备的应用，请企业工程师参与工程化教材编写出版。

(2) 大型综合实验项目开放模式。坚持“需求牵引，工程应用，创新实践”的原则，以解决复杂工程问题为导向，避免知识碎片化为目标，将过去小型化独立的实验项目按工程化进行改造，整合集成为一个具有明确工程应用、体现工程特性的大型实验项目。如机械系统速度波动和控制，锯条材料设计与性能测试分析，典型行业机械功能分析、方案创新和运动循环图测试等。这类项目创新性和工程性强，可以开放实施，适合学生自主学习，理论结合实践，采用多种教学形式。其特点是此举打破当前实验程式化、定势化为主的实验方法，利于学生探索精神和综合、动手、创新能力和解决实际工程问题能力的培养。

(3) 新技术培训模式。工业新技术发展飞快，如先进制造技术、精密测量技术等，且往往伴随有新设备的应用。紧跟新技术发展，利用校内实验室或者利用校外企业实践基地等，开展企业相关常用新技术和软件、设备应用对学生培训，特别是吸引力大、经过国家有关部门认证的培训，对于学生提高工程能力、促进就业都会有很好的帮助。

(4) 校外企业实践基地拓展模式。企业单位有许多开展工程教育的优势，有先进的设备、先进的产品生产工艺，只是生产繁忙条件下无力接纳大批学生来实习。同众多企业单位建立广泛联系，分散建设多个小型实践基地，利用各种假期或实习环节送小批量高年级学生进基地，直接参与企业实际项目训练，由企业工程师负责指导。这为学生参与社会创造良好条件，是一条拓展企业实习基地的良好之路。

3 创新平台运行机制

学生创新和实践能力的培养是一个长期的渐进的复杂过程，不但需要学生有合理的理论知识结构，还要有良好的结合工程实际的实践环境，更需要学生自主学习意识和实验热情的激发，因此，实验中心科学合理的运行机制是十分关键的。为落实实验中心的理念，一切为学生着想，从学生方便“取水”和“多储水”的角度出发，实验中心除开放运行外，还需聚焦相关驱动因素，探索建立一套有效的运行机制。

3.1 实验创新教育运行机制

实验教学体系中运行机制是实验教学质量保证关键。常规的运行机制对传统实验比较合适，对课外创新性实验实践活动问题多多，所以，改进并实施有效的实验创新教学运行机制非常必要。一般认为创新活动无处不在，创新教育须循序渐进。基于这一观点，经实践运行和总结表明，4年不断线+创新教育导向+开放运行+多方管理的运行机制比较有效。即实验中心“导演”(提供开放式多层次4年不断线的创新活动和指导)，学生自主“排练唱戏”，学工办参与“监制”的“课外实验实践创新教学”运行机制，能够优化学生“三个能力”为核心目标的创新应用型人才培养环境，引导学生积极参与，有效提升学生的应用与创新能力。

以机械实验中心为例，在“不断线”“层次化”实验创新教学新体系下，构建以创新教育导向机制，实验中心与学工办齐抓共管等为核心的实验创新教学模式，解决实验创新教学落实难、效果差，缺乏有效质量保障机制的问题。中心一方面开发符合专业和个性发展需要的创新实验实践项目，一方面改革管理模式。除教学管理机构外，还建立了学院学工办和实验中心共同参与的双管齐下的运行机制：由学工办动员导向，组织和督促学生参加教学计划外的创新实践和训练活动，如开展针对性的宣传推广和动员，与实验中心联合组织针对性的实施计划，负责学生日常管理和第二课堂学分的审核；而实验中心负责具体实验实践教学活动开展实施，包括培训项目、创新活动的开展，建立起适合学生个性化要求、形式多样、内容丰富的实验实践教学模式，如项目驱动型、自主立项、学生社团等。学工办和实验中心各司其职，相互协调，这样充分发挥了学工办在学生管理中的辅导员熟悉学生、学生信任辅导员的氛围，学生参与积极性显著提高，使实验中心在人才培养中的作用得到更好发挥。

3.2 基于社团的学生自主活动运行机制

实践证明，成功的社团活动是培养和造就人才的一条重要途径，目前在高校的校园文化方面地位突出。实际上工科性质的学术社团，以新技术和学科竞赛为纽带，能够充分吸引学生的兴趣，容易组织学生参与。这是因这类社团的最大特点是符合学生追求自我，在社团能够最大限度地发挥自己的优势，围绕学科专业领域锻炼学生自己的动手实践能力，通过传、帮、带，增强团队自身管理和发展能力，这也能够吸引大多数理工科学生竞相加入社团活动最根本的原因。另一方面，通过学生的各类专业社团组织，可以将实验中心的优质资源最大程度地发挥作用，同时解决一般实验室开放过程中存在的问题，如增加实验教师工作量，学生管理难度大等。

以机械实验中心为例，相继成立了慧鱼社团，3D打印社团，机器人社团等8个社团，其中慧鱼社团已经成立15年，被评为学校的5星社团。为了促进该项工作，学院成立管理机构，负责人才培养相关的建设规划和制度，提供必要的业务经费；实验中心提供总活动制作场所和设备，相关实验室提供平时本社团的活动场地；各专业社团成立学生组织，自我管理，包括人员纳新，平时各种活动，以及学科竞赛；相关实验指导老师负责指导社团的活动，激发学生的兴趣。在平时社团主要是以兴趣小组的形式自主开展学习、培训等活动，赛时组织若干竞赛小组，参加相关的各级学科竞赛。

3.3 大格局服务运行机制

目前地方高校实验中心普遍存在着两大问题，① 经过近几年的建设，优质资源不少，但分布在不同的学院，独立运行，各自为政，共享难，甚至学院内打通也很难，造成资源利用率较低，校外机构优质资源的利用更难；② 实验室教学功能单一，通常只是完成本专业的课内实验或独立设课的实验教学任务，再就是配合少量学生的开放性第二课堂任务，因为这是目前仅有的实验室的教学考核要求。可见，实验室对拓宽学生视野，提升工程专业认证要求的解决复杂工程问题的能力方面远未发挥自己的作用。

体现工程复杂性的一个方面是大工程的跨学科性和学科交叉性，因此十分需要打破按学科设立的学院自成一体管理的运行模式，建立大格局、大服务的运行机制。实验中心需要更新思想，优化运行机制，通过多渠道开发利用优质资源，拓展实验室的教学功能。① 建立联合实验室，与外学院功能相关的实验室，或者社会机构资源联合，达到优质资源共享，拓展学生工程素质提升。② 深化内涵，开拓外延。通过各种途径广泛挖掘实验教学中心的校内、外人才培养功能，建立适合学生个性化要求、形式多样、特色明显的实验实践教学模式，强化社会需要的创新应用型人才的培养环境。

以中心为例，开展院外联合，如与建工学院环境工程实验室，材料纺织学院纺机实验室等联合共同开发实验项目，用于开放创新实验和非工程类学生的工程素质认知实验；与劳动人事培训部门联合创建了培训基地，开展新技术培训。同时，中心广泛挖掘实验中心的人才培养和社会服务其他功能：创新教育功能，新技术培训功能，素质教育功能，以及示范辐射功能。

3.4 重视实验室文化建设

营造实验教学文化氛围，提高教师和学生的“两个自觉性”，也是保障实验教学质量的关键之一。目前高校的校园文化建设在办学中作用已形成共识，但少有对实验室文化建设方面的要求，或者认识不足。实验中心应该以人才培养总目标引导，积极营造适应学生和社会“两个需要”的实验室氛围，从硬件文化，精神文化，制度文化等几个方面，提升实验室特定的文化环境与精神氛围，促进学生专业能力培养，提升学生非智力层面素质。因此，实验中心要在先进的理念引导、人才培养目标定位下，围绕教学目标的达成，做好实验室文化建设，特别是要关注教师和学生两个主体[8，13]。

对于实验中心和实验教师，① 教师对学生的潜移默化作用影响不可估量。故首要任务是激发实验教师强烈的责任感，爱岗敬业精神，清醒地认识到实验室特殊作用，针对实验教学存在的关键问题主动积极地想对策提举措，包括积极投身到实验教学改革中，系统地进行实验实践教学改革研究与实践，以人才培养质量为中心，并使之成为教师的自觉行为，成为常态化。这样突破实验中心通常的教学辅助地位，强化实验中心不可替代的作用不会成为一句空话。② 加强学生的认同感，因为学生对实验中心的认同感是激发学生自主学习的动力源泉。所以，实验教师要视学生为自己的兄弟姐妹或小孩，成为他们心目中好老师；同时要特别重视实验中心的工作成果，善于总结，加强宣传。例如机械实验中心在指导机械设计大赛中取得的成绩非常突出，大大吸引了学生参与，每次竞赛报名人数非常之多。

而对于学生需要大力宣传实验教学理念[14-15]，尤其是“入学就是事业的开始”的理念，内化于心外化于行，让学生修心，知道自己是谁、将来要做什么、现在需要什么，提高学习和实践的自觉性，真正认识到现阶段无非是在做事业准备，用自己学到的本事铺好事业发展道路，不要等真正工作时觉得知识不够、应用不会，对工程问题无从下手；另外，在实验实践过程中，引导学生逐步完善自我。如拓宽视野，懂得从社会环境到自然环境基本政策；非智力素质提升，形成团队合作意识，提高沟通能力，养成行为规范等。所以，通过文化建设，实验中心不但要成为专业活动场所，也要成为大家的精神家园，体现积极进取的正能量，营造学生乐于进实验室、实验教师乐于施教的教学氛围。

4 结 语

在新形势下，地方高校在实践育人中存在着较多的困难和问题。本文以我校机械实验中心为例，讨论了实验教学理念、平台和运行机制对高校工科实验中心建设的重要性，为地方高校实验中心建设进行了有益的探索。近3年来，机械实验中心在人才培养方面也取得了显著进步，在全国大学生3D大赛、浙江省大学生机械创新设计竞赛、全国大学生机械创新设计大赛、“挑战杯”国赛等获得10余项一、二等奖。这些成效得益于机械实验中心以“设身处地为学生未来着想”为代表的实验教学理念，来源于“三个能力”融合培养的实验中心建设和运行机制。

地方高校建设实验中心要强化实验中心对人才培养的对策研究和实践，要从提高实验教师认识水平，实验室“转型升级”和深化教学改革等方面着手，创新应用型人才的培养环境，形成一股合力，才能比较好地解决地方高校实验中心所存在的一些共性问题。

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