高中开放式创新实验室的构建与实践

摘要：构建开放式的创新实验室是培养学生的创新素养与实践能力的重要途径。上海市上海中学构建的土木工程创新实验室立足于工程领域拔尖创新人才的早期培育，为对土木工程领域感兴趣的学生搭建了自主探究的空间，旨在培养学生的工程素养和实践能力。学校基于该实验室形成了体验类课程、选修基础类课程、STEM课程和专门课程，满足了学生的不同发展需求。通过实验室的构建，提升了学生课题研究的专业性和规范性，丰富了学校的课程体系，为对土木工程领域感兴趣的学生提供了发展平台。

关键词：土木工程;创新;开放实验室;校本课程

作者简介：陈希，上海市上海中学一级教师，博士，主要从事STEM课程教学与土木工程课程教学研究。

《中国教育现代化2035》指出，“加强创新人才特别是拔尖创新人才的培养，加大应用型、复合型、技术技能型人才培养比重”。创新人才的培养是一项系统工程，需要着眼于人的各个发展阶段。普通高中作为从中小学阶段“基础教育”走向大学阶段“专业教育”的衔接点，是拔尖创新人才培育的重要环节，如果能够为学生志趣的聚焦创设更多的开放性平台，则有利于学生在高中阶段学术志趣的聚焦和未来专业发展领域的选择。创新实验室作为学校一个重要的开放平台，是利用现代技术加快推动人才培养模式改革的探索。本文以上海市上海中学（以下简称“上海中学”）构建的土木工程创新实验室为例，从实验室构建的背景与意义、定位与功能、课程开发与实践、建设成效等方面，对创新人才早期培育背景下开放式创新实验室的构建进行了思考。

一、实验室的建设背景与意义

2008年上海中学在上海率先开展“高中生创新素养培育实验项目”，该实验以“聚焦志趣，激发潜能”为导向，大力培育高中生的创新素养。在实践探索过程中，上海中学构建了独特的“专门课程”唐盛昌：《普通高中专门课程：一种特殊形态的新课程》，《人民教育》2014年第13期，第64-66页。，即学生从自身的兴趣出发，自主地选择一项课题，通过两年时间，经历“开题、中期、结题”的科学研究全过程，完成一项课题研究。上海中学与同济大学于2013年底合作设立了“土木工程”专门课程，由同济大学专家团队与本校教师共同指导学生课题研究。考虑到课题研究需要，上海中学构建了土木工程创新实验室，该实验室于2017年起筹建，2018年正式投入使用。

当前我国工程类人才缺口巨大，尤其是 “拔尖人才”奇缺。邱晨辉：《工科教育再不“升级”就拖产业发展后腿了》，《中国青年报》2014年4月8日。造成这种“供不应求”局面的一个重要因素是，我国基础工程教育长期缺失，学生在上大学前少有接触工程学科的机会。唐小为，王唯真：《整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析》，《教育研究》2014年第9期，第61-68页。因此，在高中建设工程创新实验室，并依托实验室开设工程类课程，具有重要的价值。土木工程作为一门成熟的工程学科，融合了数学、技术、物理、化学、地理等学科知识。在高中依托实验室创设土木类课程，可有效地培养学生“技术意识”“创新设计”“工程思维”“图样表达”“物化能力”等核心素养，提高学生跨学科解决问题的能力。

二、实验室的定位与功能

土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。土木工程学科目前主要包括建筑工程、桥梁工程、道路工程、岩土工程、地质工程、水利工程等。土木工程需要解决的根本问题是工程的安全，使结构能抵抗各种自然或人为的荷载作用。

土木工程专业对于高中生来说相对陌生，高中土木工程创新实验室要求兼具“专业科普”与“创新实践”的功能。该实验室既是一个为学生提供感觉、感悟、感知本领域专门知识的场所，又是一个自主探究的创新平台。实验室的构建立足于高中生的知识技能基础及研究能力提升要求，以高等学校的土木工程实验室为参考，采用开放管理模式，以满足学生的自主学习需求，旨在培养学生工程创新和实践能力。

结合功能定位和学校师资、建设场地等实际情况，上海中学土木工程实验室配置了小型模拟地震振动台、伺服控制系统、万能试验机、数据采集系统、数据控制系统、多维度光学扫描仪、位移传感器、加速度传感器、力传感器等实验仪器和设备，能实现诸多功能，如表1所示：

三、与实验室匹配的课程开发与实施

基于土木工程创新实验室，学校构建了多层次的课程，这些课程指向不同，有體验类课程，有基础类课程，也有充满挑战性的STEM课程和专门课程，满足学生的不同发展需求。

1体验式课程

体验式课程面向高一学生，学生可以选择参加，为学生打开进入“土木工程”的大门，培养学生的专业兴趣。体验式课程以独立的单次主题活动形式开展，主要分为两种形式：一种由教师进行演示实验（例如木材的拉压试验、地震下结构响应试验、地震下沙土液化试验等），学生作为观察者观察实验现象，在实验过程中和教师进行交流，形成对本专业的初步认知;另一种方式借助于学校每年科技节举行的“结构承重大赛”，教师给出赛题和简单的基础知识培训，学生动手实践完成结构模型的设计和制作并进行测试，在此过程中体验土木工程的魅力。

2选修性基础课程

选修性基础课程面向高一（下）和高二（上）的学生，以学习特定的实验技能和方法为主。选修性基础课程的学习，有助于学生掌握基础的专业技能和科学的研究方法，形成良好的科学素养和思维品质。例如，实验室目前开设了选修性基础课程“MATLAB与数值计算”，相较于其他土木相关的有限元分析软件，MATLAB软件对高中生更加适宜，初学者可通过较低的学习成本快速掌握MATLAB的基本功能，并应用到探究过程和解决实际问题中，并且因其高效、准确、可靠的特性，在科学研究中应用广泛。

“MATLAB与数值计算”课程以提升学生的计算能力和抽象能力、培养学生的逻辑思维能力和严谨的科学态度，从而提高学生解决实际问题的能力为目标。课程内容涵盖矩阵的概念及简单的运算规则，MATLAB基本操作（矩阵的创建、运算、元素提取等），MATLAB结构化程序的编写，描述统计学量数的概念及其MATLAB求解方法，一元线性回归的原理及其MATLAB求解方法，MATLAB的基本绘图方法等方面。

根据课程内容，教学按顺序分MATLAB与矩阵入门、MATLAB矩阵运算、M代码的编写、MATLAB与统计、MATLAB与回归拟合五个专题实施。学生在听讲的同时，可以实时通过计算机进行自主操作，有助于其及时发现问题并实时解决，从而将理论知识转化为能力，让学生掌握解决问题的技能技巧。教学过程中教师综合运用情境教学法、问题驱动法、探究式学习等教学方法，激发学生的学习兴趣，巩固学生的知识技能。课程最后要求学生借助MATLAB，对一个真实情境简化而来的工程问题进行数据处理和分析，从而评价学生的知识掌握情况和运用知识技能解决问题的能力。

3基于项目式学习的STEM课程

基于项目式学习的STEM课程面向高二（下）的学生，在这个阶段，学生经过体验式课程、选修性基础课程的学习，对土木工程专业的认识从感性走向初步理性，感兴趣的学生希望能汲取更多的相关专业知识。基于工程设计的STEM课程“建筑结构设计”，以解决工程问题为主线，以项目驱动为抓手，融入技术设计、数学和科学知识，以达到锻炼学生的逻辑思维、培养学生的动手能力和协作能力、提升学生解决问题的综合能力、激发学生学习工程的兴趣、加固学生专业直觉的目标。陈希，程林：《基于工程设计的高中STEM课程设计与实践——以“建筑结构设计”课程为例》，《现代教育技术》2019年第2期，第122-127页。

课程内容主要分为理论与实践两部分。在理论部分，教授与课程任务相关的理论知识，包括荷载的概念及其分类、常见建筑结构形式的分类、工程设计图的绘制方法、结构受力与变形、框架结构在竖向荷载和水平荷载下的变形和内力特征、影响构件变形能力和承载力的因素、结构抗震的思路和方式、力学分析软件的应用等。实践部分安排在理论学习的前和后，学生分别围绕课程任务进行两次实践操作，设计制作符合课程任务要求的建筑结构模型，并进行承重测试。

“建筑结构设计”课程采用“6E”设计型学习模式，教学流程分为五个阶段：

（1）参与（Engage）阶段：教师创设情境，提出课程任务，学生3-4人组队，针对课程任务进行资料收集和调研;

（2）探索（Explore）和工程（Engineering）阶段：学生根据收集的信息确定设计方案，进行结构模型的设计制作与测试，并总结反思;

（3）解释（Explain）阶段：基于学生在初次实践中发现的问题，采用师生互动探究的教学方式，从“受力与变形、结构的承载力、地震与结构耗能”三个方面开展专题式的理论教学;

（4）深化（Enrich）与工程（Engineering）阶段：在专题理论学习后，学生将重新改进和优化模型设计方案，并用力学软件辅助分析，再一次付诸实践操作;

（5）评价（Evaluate）阶段：各组学生展示自己的作品，阐述设计思路和要点，小组间进行作品评价与加载表现预测。学生观察加载过程，分析受力现象及破坏的原因，撰写测试报告，总结课程心得。课程学习评价主要侧重于过程性评价，两次结构模型设计制作作为对学生知识掌握情况的主要评价载体，评价内容包括学生对结构模型设计理念的介绍、模型制作的工艺和外形创意、模型的加载表现、学生撰写的加载测试报告（包括对模型加载成功或失败原因的分析、反思、改进措施的提出等）。

4专门课程

专门课程面向科技班、工程班学生，旨在让学生在课程选择中认识自身的兴趣、潜能，找到与自身发展匹配的专业学习领域，从而形成“阶段最佳发展取向”。学生对学校开设的研究方向（包括物理、化学、医学、计算机科学、生命科学、工程、通讯、环境、能源、海洋）进行概览式学习，每个方向学习3个课时，邀请专家介绍该领域的前沿发展与学科结构，吸引学生去选学。冯志刚：《以课程选择为突破口的高中阶段学校学术高度提升》，《现代基础教育研究》2019年第2期，第62-68页。学生在对这些专业领域有一定的初步理性认识后，选择一个感兴趣的专门领域进行深入的研究性学习。选择土木工程方向的学生，将在6-7周中对土木工程领域做进一步的专业学习，由校内外教师合作指导。例如，本校科技指导教师教授专业基础知识、课题研究技能等，高校专家采用讲座或座谈方式，与学生交流土木学科的研究热点。结合校内外教师的讲授，学生进行文献调研，明确未来一年多的研究课题。选定研究课题后，学生经历完整的“提出问题—设计实验方案—操作实验—处理分析实验数据—撰写研究报告”的科学研究过程，完成一项课题研究。

專门课程更关注学生在研究过程中的学习体验，要求学生完成开题报告及开题答辩、中期报告及中期答辩，最终形成课题研究论文，并完成结题答辩。学生还将带着自己的研究课题参与上海市青少年创新大赛、明日科技之星、“上中杯”科技论坛等科技创新比赛，在赛事中展示自己的研究内容和成果。

四、实验室的建设成效

1提升了学生土木工程创新研究的专业性和规范性

2016—2017年，土木工程实验室尚未建成，学校共有13位学生选择土木工程方向作为自己的专门课程研究领域，完成了10项创新课题的研究（见表2）。

从上述课题研究情况可见，土木工程实验室建成之前，由于实验类的课题需要借助同济大学的实验室，便利性有限，大多学生会选择以数值仿真模拟或方案设计为主的课题，有些学生也会选择建筑学、城市规划专业相关的调研类课题。实验室建成之后，借助专业的实验设备，学生的研究选题更贴近土木工程专业，且选取的研究方法、获得的实验数据及分析手段都更为科学规范。

2丰富了学校的课程体系，为学生的土木工程志趣提供了发展平台

基于土木工程实验室开设的一系列课程，为对土木工程领域感兴趣的学生提供了发展平台。据统计，自实验室建成以来，参与该实验室课程的学生每年约为150名。其中，STEM课程“建筑结构设计”每学期的选课人数都达到课程承载上限。因为有了土木工程实验室，学校科技节的传统项目“结构承重大赛”，在组织形式、赛题设计、测试设备等方面都比以前更为专业，学生对比赛的热情也更为高涨，优秀作品越来越多。通过土木工程类课程的学习，激发了更多学生对该专业领域的兴趣，每年的同济大学全国中学生结构设计大赛，从曾经的无人问津到现在的竞争选拔，学生的参赛作品设计既科学专业又大胆创新，并在比赛中逐渐崭露头角。

五、实验室的建设经验与反思

土木工程创新实验室的建设是高中阶段土木工程领域拔尖创新人才早期培育的一个重要途径。开放式实验室有利于提高学生利用科学手段解决实际问题的能力，全面培养学生的科学态度、创新思维和工程实践素质吴桂云，杜旭，田思庆：《加强开放式实验教学模式的建设与管理 培养学生工程素质与创新能力》，《实验室科学》2008年第3期，第139-141页。，促进了学生个性和潜能的发展，提升了学生的工程素养。

在普通高中建设土木工程创新实验室是一个从无到有的过程，在建构与实践过程中，学校形成了一些经验与反思：

1立足于高中生已有的知识和技能基础， 配置应留有弹性空间

高中生的力学和数学知识基础较为薄弱，基础课程也几乎未涉及土木工程专业知识，所以高中土木工程创新实验室的定位更多倾向于为学生提供一个感觉、感悟、感知本领域专门知识的场所，同时又能为对该专业领域特别感兴趣的学生搭建一个可以进行创新研究的平台。这就决定了高中土木工程实验室的配备并不需要像高等学校实验室那样“专、尖、深”，而是需要既能够让学生操作容易、又能在一定程度上反映学科研究和测量方法的前沿，让学生打下基础的同时能够了解到先进的研究工具和方法，且随着学科的发展，设备不至于很快被更替，为实验室更新留有一定的弹性空间。

2满足土木工程领域自主探究需求，采取开放的教学与管理模式

为了给学生营造一个宽松的创新实践的环境，满足学生的自主性学习和研究的需求，土木工程创新实验室采用开放式实验室的模式，主要体现在：

（1）管理方式开放。实验室的所有资源包括实验设备、数据资源、图书文献资料等面向学生开放，合作大学的相关专业实验室也面向学生开放，所有年级任何班级的学生都可预约使用实验室，实验室的使用时间根据学生的需求进行预约开放;

（2）教学内容开放。实验室教学内容除了土木工程基础知识之外，教师会根据学生所选课题的不同选择不同的教学内容，进行专门指导;

（3）指导过程开放。跳出傳统实验的框架，土木工程实验室的实验设计与学生的课题探究紧密结合，指导教师与学生共同设计，完成实验，遇到问题一起解决。

开放式实验室离不开制度建设，“开放”的程度也可根据学校和学生的实际情况进行分层次适度“放权”。目前学校土木工程创新实验室的管理制度还在完善过程中，在未来将考虑针对不同的活动和不同的设备仪器进行分层次“放权”。

3激活实验室功能，加强与实验室匹配课程的开发与实施

课程是实验室的灵魂。专门课程之学生课题研究的需求，促使了土木工程创新实验室的构建。依托于该实验室，上海中学又开发了校本课程，涵盖了体验式课程、选修性基础课程、基于项目的STEM课程、研究性的专门课程，形成了多层次递进式的课程体系。从课程实施情况来看，土木工程类课程深受学生的喜爱，学生学习积极性高，激发了对该专业领域的兴趣。为满足各个阶段学生的学习需求，基础类课程和基于项目式的探究类课程的多样性还有待进一步开发，以形成更加丰富的土木工程课程体系。

实验室的功能需要通过课程来激活，课程是实验室可持续发展的内在动力。因此，实验室的构建要以课程为基准，以课程为支撑。学校应鼓励教师进行基于创新实验室功能的校本课程开发，加强课程编制和课程实施力度，构建丰富的配套课程，逐步形成学校自己的优势学科领域。

4加强师资培养，发挥大学与中学合作教学的优势

土木工程创新实验室能够充分发挥作用的关键在于教师，而普通高中大多不具备土木工程领域的专业师资。学校可以采用与大学合作的方式，邀请大学专家与学校教师共同开发课程，共同开展教学，初期可以以大学教授授课为主，然后逐渐培养校内教师团队，最终形成不同层次课程的不同师资组合。