“问题驱动”自主实验教学模式的探讨

陈智利，杨利红，白润冰

（1. 西安工业大学 光电工程学院， 陕西 西安 710032；2. 西安工业大学 文学院，陕西 西安 710032）

高等教育大众化教育目标的实现，不仅意味着接受高等教育人数的增多，而且要求教育的覆盖面要扩大，教育的内容要增加。内容多、进度快是大学课堂教学的特点之一，教师在更多的时间为学生提供分析问题、解决问题的思路，教学重点基本放在知识体系，以及重点和难点的剖析上，学生的学习更依赖于自学。因此，大学教学，除应教给学生必备的知识和技能外，更重要的是培养学生自主学习、自主探究和自主创新的能力。

实验教学是巩固理论知识、加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。目前在实验教学中依然存在以教师为主的“填鸭式”教学方式，“统一、有序”成为教师和学校遵循的价值标准，学生的自主学习受到了诸多限制。在实验教学的过程中，学生也受限于实验的预定步骤，不能主动地进行思考，实验探究意识比较淡薄[1]。

“互联网+教育”时代的到来，引起了教学理念、教学模式和学习方式的变革。微课、翻转课堂、远程教育、线上线下混合实验教学等方式构成了新的课外学习、课内消化、课后升华的教学模式，激发了学生的学习主动性与参与性，提高了学生的自主学习能力[2-7]。但在实验教学中，学生依然缺乏主动性和探究性，这已经成为当前实验教学中存在的一个主要问题。继续延用传统的实验教学模式，将不利于学生自主探究意识和能力的培养[8-10]，而以“问题驱动”为导向的教学模式能够突出学生在学习过程中的主体地位，能够提高学生对问题的思考，调动学生学习知识的积极性[11-13]。

本文主要针对学生“主动性和探究性”缺失这一主要问题，将培养学生的自主探究意识作为实验教学改革的核心，逐步将“以教师为中心”的教学模式转变为“以学生为中心”的教学模式，建立新的“教”与“学”关系，培养学生自主学习、自主实验、自主探究、自主创新的能力，以达到提高教学效果的目的。

1 “问题驱动”自主实验教学模式的提出

自然科学研究工作要求研究人员应具备运用所学知识分析问题、解决问题的能力，所以大学教育应该以培养学生的自主学习、自主探究和自主创新能力为目标。

图1给出了自然科学问题的研究过程。对于自然科学研究工作，往往需要根据研究对象提出问题，通过实验研究获得客观事实，运用理论建模、仿真分析结合实验结果寻求客观规律，在此基础上探究新观点，进行验证及实践检验。整个研究过程以问题为驱动，围绕问题展开，最终解决实际问题。

图1 自然科学问题的研究过程

要完成以上过程，大学生需具备：根据问题查阅资料、阅读资料的能力，运用所学专业知识分析问题的能力，依据拟定技术路线进行实验操作的能力，对实验结果进行分析和数据处理的能力，进行学术交流和总结归纳的能力。

为获得以上能力，学生需在学习过程中，能够根据查阅的资料进行研究现状分析，提出方案并进行可行性分析，在此基础上进行技术路线的制定，对所涉及仪器设备的操作方法和步骤进行学习，完成实验后对实验结果的分析，并对客观规律进行总结和归纳，完成学术论文或研究报告的撰写。

2 实验研究过程及传统实验方法的问题及解决方法

2.1 实验研究过程及要点

实验研究是科学研究重要的组成部分。实验教学过程及要点如图2所示，分为准备阶段、实施阶段和总结阶段。在准备阶段，需要根据课程目标进行实验设计，确定实验目的、实验完成的技术途径，预测实验过程中的难点和关键点，拟定实验步骤并规划实验记录表格，在这个过程中，解决的问题和怎样解决要很明确，针对操作要点认真分析和准备；在实施阶段，围绕实验操作的要点，认真阅读仪器操作规程，依照拟定的实验步骤进行操作，记录及校核实验数据，实验结束后完成仪器设备的整理；在总结阶段，需要分析实验数据，进行数据处理，记录实验过程并给出实验结果，分析实验过程出现的问题及原因，确定实验是否达到了预期的结果。

图2 实验教学过程及要点框图

2.2 传统实验方法的问题及解决方法

当前，国内多数高校在实践教学中仍沿袭以“教师为中心”的传统教学模式，为改变这一状况，我们对传统实验教学方法中的问题进行了分析并采取了相应的解决方法。

（1）由授课教师进行实验设计转变为学生自主设计。实验设计是非常重要的，在传统实验教学中，实验设计由授课教师根据课程大纲进行。在实验目标方面，更多地考虑了学生在实验中的操作技能和基础理论知识，以及在实验设计中的认知、感知能力。但在具体实践中多数学生只注重了知识的学习和实验的具体过程，很少去思考，缺乏能力培养的环节；在解决问题的技术途径方面，过多地考虑了实验原理、实验所使用的仪器及预期的目标，而多数学生在这个方面只能是按教师的设计完成实验，很少考虑为什么要这么做和是否还有其他的解决方法。近年来，从研究生的培养也发现，很多学生不能从课题任务中凝练问题，不能进行合理的实验设计并开展实验，这些也源于在本科阶段未能得到相应的自主学习、自主设计、自主实验和自主探索的锻炼。要解决学生“主动性和探究性”缺失的问题，应该从实验设计开始，授课教师可以针对课程大纲按“问题驱动”组织实验教学，问题可以由授课教师指定，也可由学生提出并与授课教师讨论确定。实验以问题为导向，学生通过查阅课本、资料，分析问题提出解决问题的技术途径，这期间学生是主动学习者，教师是促进者。

（2）由授课教师讲解转变为自主实验。在传统实验教学中，授课教师是实验课程的设计者，在学生进入实验室前完成实验准备的所有工作。在实验阶段，学生在指导教师讲解完实验原理和步骤后，依照讲解完成操作，实验后依照模板撰写一份实验报告，学生在实验教学过程中主动参与度不高，始终处于被动地位。为了提高学生的参与度，实验前很多教师要求学生预习并书写预习报告。由于教师对课堂教学的组织和管控较多，学生很少有时间进行课堂互动，难以发挥其主动性和创造性，所以预习报告有很大一部分是学生相互抄袭。在实验进行的过程中，学生也受限于实验的步骤，不能主动进行思考，实验探究意识淡薄。部分学生动手能力差，实验中遇到问题往往也懒于思考，或者请教教师或者置之不理，敷衍了事，错过了发现事实探究规律的过程，达不到实践教学的目的，所以传统实验教学模式在一定程度上制约了学生自主能力和创新能力的发展。在以“问题驱动”为导向的自主实验模式中，学生根据问题自主设计实验，依据自己拟定的实验步骤自主完成实验，实验过程中遇到问题，查阅资料，主动分析和解决，这种实验方法能有效地解决学生疏于思考、参与积极性低的问题，也省去教师讲解实验原理、方法、步骤的时间，从而将更多的时间放在疑难问题及关键点的讨论上。此外，在“问题驱动”自主实验模式中，授课教师需要对学生进行“问题驱动”实验教学案例介绍及分析，强调仪器操作的规程，吸引对教学与科研感兴趣的本科生和研究生进入实验室协助指导；对易坏、易损设备在使用前要进行考核，对涉及的大型仪器建立仪器网络管理系统及预实习培训机制[14]。

（3）转变传统实验操作与实验报告相结合的考评方式为“多元化”评价方式。在传统实验教学中，实践环节的成绩评价多数根据实验操作和实验报告两部分成绩来评定，即实验操作成绩×权重+实验报告成绩×权重=总成绩。实验操作成绩主观性较强，而实验报告经常会出现相互抄袭的现象，实践环节成绩很难客观评价学生的表现。为了改变学生不注重实践过程，实验效果差的状况，我院引入了实验考试制度，在学期结束时，由学生随机抽取已做实验项目进行考试，由于不清楚考试会抽到哪个实验项目，所以学生在平时做实验时不敢疏忽大意，这样提高了学生实验过程中的投入积极性。

“问题驱动”自主实验的考核，包括了实验设计、实验方案讨论、实验前和实验后测试、疑难问题及关键点讨论、实验中问题分析及实验完成质量、实验报告分析和小组答辩等。考核由指导教师组织，学生积极参与，评价内容强调学习过程和整体素质培养，调动了学生学习的主观能动性。

3 “问题驱动”自主实验模式的实现

“问题驱动”自主实验模式的实现如图 3所示，包含制度建立、自主学习、自主实验和数据统计4个阶段，具体如下：

（1）制度建立。主体是教师，授课教师需要完成问题的设定，建立实验设计的评测方法、实验前后测试方法和自主实验评定方法，为了保障自主实验的正常进行还需建立自主实验预约制度。自主实验的驱动问题，可以由教师设定，也可由学生根据自己兴趣和能力，自主学习获得相关学科的前沿、热点课题或结合工程或科研课题，经授课教师审核后设定。制度建立是“问题驱动”自主实验模式顺利实施的基础。

（2）自主学习。在这个阶段，学生要充分理解课题的任务，查阅资料，熟悉相关理论，明确实验目的并进行自主实验设计，撰写实验方案。实验方案与教师讨论通过后进行实验预约，通过考核预习效果后可进行自主实验。

（3）自主实验。经历了第二阶段后，学生进入自主实验阶段，该阶段的主体是学生。学生根据自己设计的方案动手做实验，在实验的过程中会遇到各种问题，学生可以与教师开展讨论，并得到教师的指导。一般情况下，学生设计的实验可分为基础型、综合设计型、工程实践型、研究创新型等4类。基础型和综合设计型实验有利于学生自主学习、自主实验能力的培养，工程实践型和研究创新型实验有利于学生的自主设计、自主研究和自主创新能力的培养。不同实验类型具有不同的评价权重，应鼓励学生选择工程实践型和研究创新型实验。

图3 “问题驱动”自主实验模式实现框图

（4）数据统计。第四阶段的主体是教师，这是自主学习、自主实验中的一个重要环节，该环节采用“多元化”评价方式，通过考查学生在自主实验设计、实验前准备、课前或课后测试、课堂讨论表现、实验完成质量、实验报告分析、小组答辩等多环节、多方面的表现对学生进行全面评价，该评价内容强调对学生学习及分析问题、解决问题能力的考核，多指标促进学生学习和探究的主动性。另外，该环节中包含的数据采集和分析可以对学生整个过程中的表现和存在的问题进行分析，通过反馈对考核方法进行修正，进一步提高自主学习、自主实验的教学效果。根据多个周期的循环，发现和解决了自主实验模式中的问题，进一步完善了实验教学体系。

4 结语

针对当前实验教学中存在的学生“主动性和探究性”缺失这一主要问题，提出了“问题驱动”自主实验教学模式的思路，即实验教学中以问题为导向，学生通过查阅资料，分析问题提出解决问题的技术途径，自主设计实验，依据拟定的实验步骤自主完成实验。“问题驱动”自主实验教学模式将授课教师进行实验设计转变为学生自主设计，由授课教师讲授为主体转变为以学生自主实验为主体，由采用传统实验操作与实验报告相结合的考评方式转变为“多元化”评价方式，逐步从以“教师为中心”转变为以“学生为中心”的“教”与“学”关系，培养学生自主学习、自主研究、自主探索的能力，使其在今后的工作和学习中能够不断获取新知识，并能够运用所学专业知识分析和解决工程中的实际问题。