新工科背景下工科专业实验教学体系的构建与实践

（齐鲁工业大学（山东省科学院）生物基材料与绿色造纸省部共建国家重点实验室，山东 济南 250353）

新工科（Emerging Engineering Education：3E）是根据目前国家发展需求、国际竞争新形势、立德树人新要求等方面提出的我国新时代工科教育发展方向。“新工科”的内涵是以立德树人为引领，以应对变化和塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略性、创新性、系统化、开放式的特征。新工科建设重点把握学与教、实践与创新创业、本土化与国际化三个任务方向［1-2］，其中，实践与创新创业是新工科的关键任务之一。我国传统产业的转型升级处在关键期，作为工科专业特别是特色工科专业，实践能力的创新培养已成为新时代工科专业培养的共识。实验教学是实践能力培养的重要组成部分，其在工科教学中的地位尤为突出［3-4］。工科实验教学在培养工科学生专业水平、创新能力和分析解决问题能力等方面都有着理论教学不可替代的作用。当今高校工科教育中实验课程所占比重越来越大，结合工科专业特点构建实验课程体系、对新时期实验课程教学进行改革是值得思考和探索的重要问题。

一、国内外工科专业实验教学现状

（一）国外工科专业实验教学现状

开放式实验教学是国外工科实验教学探索的重点领域和模式，美国在20世纪60年代实验教学中就开始蕴含开放式实验教学的思想。英国和日本在20世纪90年代开始探索开放式的教学模式，21世纪以来，发达国家在开放实验教学方面已经比较普及，主要体现在注重学生独立设计实验方案、搭建实验平台、完成实验过程的能力培养［5-6］。现以美国的开放式实验教学为例加以论述。

1.实验教学采用循序渐进式三步法。第一步，实验技术人员组织开展实验仪器的学习和使用训练，引导学生掌握实验仪器基本原理、实验技能和实验方法。第二步，实验课教师进一步展示仿真模拟实验，引导和启发学生通过具体实验来剖析实验问题、设计实验方案、分析实验结果等。第三步，学生设计实验，教师布置专题供学生选择，学生需要独立进行实验设计、实验仪器的选配、实验结果的分析，整个过程由学生或学生小组完成。

2.重视将新方法、新技术、新仪器引入实验课程。高校教师十分重视将最新的分析方法、分析技术和仪器引入课程，让学生及时了解和掌握新事物，并从低年级开始接触先进的仪器和设备，使学生体会到科技进步和竞争，让学生产生学习的兴趣和压力。同时注重新的教学工具和资源的引入，比如立体教学器件、虚拟实验等。

3.课程设计与教学方法灵活多变。分层次进行实验课程体系的建设，从博士到专科每个层次都有自己的教学大纲和模式，层次越高其设计和独立实验的成分就越多。实验课多采取启发、引导、探讨等教学方法，鼓励学生通过讨论归纳总结实验方法和实验方案，促进学生积极主动地参与实验，提高学生的动手能力，使学生乐于思考和敢于实践，从而圆满地完成实验课程的学习任务。

（二）我国工科专业实验教学现状

国内的实验教学一直被认为是大学教学的辅助环节，近年来随着经济发展的需要和企业对实践能力的认识，实验教学在培养工科大学生科学素养和创新实践能力方面越来越被重视，但是目前我国的工科实验教学存在专业间、学校间、区域间发展不平衡的问题，其主要体现在以下几方面［7-8］。

1.某些工科专业对实验课程教学重视不够，设备比较传统单一，甚至有些工科实验设备陈旧。

2.受到教学资源和教学团队条件限制，很多实验课程内容更新缓慢，实验内容往往局限于课本，易产生与行业技术发展脱节以及工科实验落后于目前实际生产水平等问题。

3.实验课程的过程监控和考核是个难题，目前存在方法单一、考核困难等问题，学生独立思考、设计、完成实验的积极性不高，从而影响了实验教学效果和学生实践锻炼能力的提升。

4.实验教学的方案制订往往采取与基础文化课程相同的模式，没有根据社会需求、企业需求、教师和学生需求等综合因素进行实验设计，有些实验教学效果不理想。

二、新时期工科专业实验教学体系的构建

以新工科背景为契机，客观分析国内外实验教学环节的优势和缺点，基于我国工科专业发展的特点，构建新时期的实验教学体系具有重要的意义。下面以行业特色工科专业制浆造纸工程为例，介绍在实验教学体系构建和改革过程中的一些做法和经验。

（一）三位一体实验教学团队构建机制

为了解决目前实验课程内容陈旧、更新速度较慢的问题，建立或健全实验课程内容和条件的更新机制非常有必要。学校牵头构建由企业技术人员、实验课教师和学生组成的实验授课小组，通过对企业的生产线、技术和用人需求的调研整合，获得行业最实用和最新技术的发展方向，为教学内容和条件的更新提供依据。

每年提前三个月对实验课进行教学研讨，从实验设备改进与创新、实验内容设计、学生能力需求、学生自身基础现状等方面进行实验内容的再设计与构建。通过学校、企业、学生三位一体进行课程体系的更新与再构建，达到实验课程在实验内容、实验方法、实验仪器和与产业和学生契合度等方面实现动态更新，保持了实验课程的先进性和实用性。

以此为出发点，轻化工程（制浆造纸方向）专业与省内外著名造纸企业山东太阳纸业、泉林纸业、玖龙纸业等十几家单位产学研合作机制，参与该专业的实验教学环节培养，并且为实验课程任课教师的培养锻炼提供基地。实验室经山东省发改委批准，由齐鲁工业大学牵头，山东大学、省造纸院、晨鸣集团、华泰集团、太阳纸业、泉林纸业等8家单位组建了山东省第一个工程实验室（山东省制浆造纸工程实验室），促成了校院企协同创新、产教创新深度融合机制的形成，为实验教学提供了基础的多方资源平台。

（二）实验课程模块化与全过程考核体系探索

为了解决实验课内容难、实验课堂效率较低、难考核的问题，笔者对实验课程教学的分块单元化与全过程考核体系进行构建与探索。通过对实验过程合理分块、优化实验分组、鼓励设计创新和加强过程考核等的探索，提高学生独立完成实验的兴趣和积极性，以及提升实验教学效果。将教学过程分块单元化，可实现精准的订单式培养，使学生从宏观和微观上更加全面地了解实验全过程。在制浆造纸综合实验中，我们采取了教学过程中准备阶段、设计阶段、实验阶段、分析阶段的单元任务的模式，提高了预习、实验和总结的效率，实验教学效果得到明显提高。

在模块化基础上，为了防止学生对知识进行固化定位，整个实验采用全过程考核体系，使学生一方面能够完成模块化的学习掌握，另一方面又具备全面考虑实验过程和突发问题的能力。比如，在实验教学过程中采用学生随机实验操作演示、跳跃模块提问考核、现象原理描述等方式进行全过程考核，实验教学效果良好，形成了制浆造纸工程专业的实验课程教学的功能化单元和全过程考核体系。

（三）数字新技术++实验教学模式的探索

基于虚拟现实技术在实验教学中的应用实践，探索解决实验预习困难、重复成本较高、很多复杂实验无法进行等问题。利用现代虚拟现实技术，将实验过程特别是涉及环境和条件较为复杂的实验，利用虚拟现实技术将其进行数字化构建，学生可以在电脑、手机等端口进行实验的模拟操作，实现实验的虚拟设计、虚拟操作、虚拟分析等过程［9-10］。

基于该思路挖掘实验课程内容，贴合行业实际需要，围绕工业过程的关键环节制作了造纸生产线的虚拟仿真软件系统，改革了原来的预习模式、练习模式和考核模式，构建虚拟仿真用于实验教学的探索机制，对其他工科专业的实验和实践教学也有重要的参考价值。

（四）实验室的管理与设计新机制

高校实验室是开展科学研究、实验教学、人才实践能力培养的重要基地，特别是对工科专业显得尤为重要。因此构建实验室管理与设计的新模式，对于实验教学的创新和发展具有重要的意义。围绕制浆造纸工程专业的特点，从实验难易程度和学生掌握知识层次等方面考虑，分为专业基础实验室、专业综合实验室和创新提升实验室进行实验课程的教学。

1.专业基础实验室是针对专业基础课设计的实验室，学生专业基础课学习阶段是基础课向专业课过渡的关键节点，在该阶段学生开始从原有的物理、化学公共基础课知识和思维逐步转换到专业课思维，实验教学是该阶段学生进行思维方式转变的重要环节。

该层次实验室采取学院教学实验中心统一管理与设计配置，配备专门的实验室管理人员，为任课教师和学生提供统一标准的实验设备、仪器和原料试剂等，并在实验室配备多媒体实验教学系统，力求展示实验过程中的细节和重要环节，培养学生的实验操作能力和严谨性。通过该层次的实验教学达到培养学生基本的专业实验能力的目的，本专业的理论与实践知识让学生能够初步掌握和运用。

2.专业综合实验室是针对专业必修课配套的实验教学实验室。学生经历了专业基础课和相关实验的学习后进入专业必修课的学习，此时其知识体系和实验体系都正式跨入特定的专业和领域，学生将会接触到特有的实验内容、设备和方法等，是进行专业知识运用和掌握的阶段。

该层次的实验室采取教学实验中心和课程讲授团队协同管理的模式，实验室管理的主体为课程讲授团队，教师根据专业课的进展情况，对实验室进行管理和设计。特别是在与专业课学习的内容对接上，以轻化工程（制浆造纸方向）专业实验为例，原来课程体系是按照讲授完相关理论课后才开始实验课学习，通过实验室的层次建设和设计，讲授团队根据理论课的进度将原来的实验课进行了拆分，做到了理论知识和实践实验的无缝对接。通过实践发现，该调整实现了理论与实验的穿插进行，对学生理解专业知识和理论联系实际都有积极的效果。

3.创新提升实验室是针对具有专业理论知识和专业实验技能的高年级学生设置的。高年级学生具备了基本的专业思维，通过该类实验室学生可以接触到该领域最新的研究成果和研究趋势，进而拟定研究题目和实验内容，运用专业知识和专业实验技能进行创新性的科研实验，发现自然规律，培养学生创新实践思维和科研素养。

该层次的实验室依托科研平台设计，由科研团队进行管理，实验题目采取科研教师命题或学生自主选题教师审核制，给予实验内容设计极大的自由度。以我校轻化工程（制浆造纸方向）专业为例，该层次的实验室设置基于生物基材料与绿色造纸省部共建国家重点实验室、制浆造纸科学与技术教育部重点实验室等十多个科研平台，科研平台的科研人员、仪器设备等实验条件为提升实验水平提供了保障。学生通过选择科研团队老师拟定的创新开放实验题目，进入实验室或科研团队，参与教师和研究生的科研课题，切实达到运用专业知识解决实际问题的目的。

三、结语

新工科背景下，工科专业应用型人才培养尤为重要也面临严峻挑战，实验教学作为应用型人才实践能力培养的重要环节，其培养体系重构迫在眉睫。围绕新工科的内涵发展要求，对比国内外实验教学的现状和问题，以轻化工程（制浆造纸方向）工科专业为例，从实验教学团队构建机制、实验课程模块化与全过程考核、数字新技术+实验教学模式和实验室的管理与设计新机制等方面进行了探索，取得了良好的效果，对新工科环境下工科专业实验教学的探索和改革具有借鉴作用。