非规范性实验教学在工科大学生中的运用探讨

符浩 姚立阳 夏英志 马先伟 吕大为

[摘 要]严格按照规范操作对只涉及一次的工科大学生意义不大，同时由于客观实验条件并非十全十美，非规范性操作时常存在。在此基础上，文章提出面向工科大学生的“非规范性实验教学”模式。分析认为，此模式利大于弊，随后提出这种模式下的两点注意事项：保障安全及开放包容。

[关键词]非规范;实验;操作;运用

[中图分类号] G642.423 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）03-0094-03

实验教学由于受到场地、设备台套数的限制，在同样的时间、地点参与的人数不会像理论教学一样达到100人甚至更多。部分高校的实验人数一般控制在15～21人，算小班上课。实验课堂上多是学生亲自动手操作，教师在旁边观察、分析、总结，天然地就以学生为中心;实验中心往往配置1～2名指导教师，有条件照顾到几乎所有的学生。在目前的教学环境下，实验教学是难能可贵的小班上课，这对学生的启发与教育意义重大。对于工科生而言，许多理论知识的获得都是在大量室内实验基础上抽象出一些模型，把实际问题简化了的模型可以便捷地指导实践。实验教学既是工科生走向实践、解决部分实际问题的提前演练，也是工科生进行理论创新的基础来源。众多学者通过高校实验室平台，开展了大学生实验教学相关研究。

王宁章等[1]鼓励本科生跨学科、跨专业组建科研、竞赛团队，探索“科学基础+实践能力+人文素养”融合发展的培养模式;倡导以实验课独立设课为龙头，不断深化实验课程体系。刘洪艳等[2]指出，专业综合性实验是地方本科高校实验教学改革的标志性课程，开设综合性实验是摆脱实践教学面临困境的一种有效途径。赵洪亮等[3]倡导资源共享和开放服务的实验教学环境，建立现代化高效运行的实验管理机制。朱莲花等[4]指出，深层学习方式对提升大学生学习成果有重要作用。

众多学者研究对象多是一本高校师生，针对师资力量与学生基础有一定差距的普通二本院校研究很少;研究方法多是从培养模式、课程体系、教学环境等宏观方面着眼，针对学生实验操作方式的微观层面很少提到;而微观层面上的实验操作效果好坏，依旧会影响整体教学效果。为此，本文立足河南城建学院道路工程实验室，针对长期在本实验室開设实验课的土木工程、道路桥梁与渡河工程、交通工程、无机非金属材料4个二本专业的学生实验课上课情况，提出面向工科大学生的“非规范性实验教学”模式，强调教师不能把实验方案全包全揽，让学生依葫芦画瓢，也不能让学生漫无边际地任意发挥;建议教师把控大方向，关注而非规定细节，倡导非规范性实验教学。

一、严格按照规范操作必要性分析

实验教学一般是依托实验室、实验设备、实验材料等具体的教学平台让学生参与其中，具有较大的实践性和操作性，学生可以参与整个或部分发散性的实验过程。考虑到严谨性，实验规程比较烦琐，对于高校实验员、助岗学生、实验检测中心的检测员等其他行业的长期从事实验操作的人员有一定的指导与约束作用，但是里面内容对于只涉及一次实验操作的普通大学生来说约束性过大，过多的限制往往束缚了学生的灵活发挥。大学生本应有较大自主空间去动手实践、操作并发现问题，利用已有的知识，动脑思考去解决问题。在这个过程中，学生思维的拓展能得到有效训练[1]。实验教学不是把学生培养成熟练的操作人员，而是作为一种平台，让学生对理论教学中的知识点进行实践验证与运用，以此拓展大学生创新与独立思考的能力。

实验教学的目的是保证在安全前提下，让学生了解、熟悉某些知识，掌握某些技能。规范性实验操作是人们在众多实践中摸索、总结出来的，是相对稳定、可靠的指导性文件，相当于权威，对于长期的从业者来说，需要熟练掌握并遵守。进入21世纪后，中国的高等教育已经慢慢由精英教育转化为大众教育，对于大量的只有一次短暂接触的非一本普通大学生来说，规范性操作，只是机械执行，惰性难以督促其深入思考为什么。这样的教学方式不利于大学生对知识、技能的吸收、转化及创新。大学生对于非规范性的东西兴趣往往高于规范性，规范性实验教学对于大量非一本院校的学生而言必要性不强，效果也不理想。

二、非规范性操作存在分析

（一）客观实验条件并非十全十美

一些院校由于实验场地、经费、时间等原因，某些教学实验项目只是大体而非全部能满足要求。长春工业大学王鑫[5]指出，高校实验教学管理中存在配件仪器缺乏，配套设施不完善，实验教学理念陈旧，缺少突破和创新的问题。实验教学条件并非十全十美时，在保证安全的前提下，实验教学依旧可以进行。

本实验室在实验教学环节中存在一些这样的现象：1.严格执行规范有困难，实际操作与规范要求有一定的出入;2.规范没有严格规定时，允许学生不按常规操作。以下列举了本实验室存在的三种非规范操作现象。灌砂法测路基压实度，需要量筒向金属标定罐里注水测定体积，实验时采用直径100mm的小型灌砂筒，用水量为1000多ml，1500ml以上的量筒一次注入量测即可，但有时候1500ml以上的量筒缺失（上组同学不小心打碎部分量筒）。集料筛分实验时用到的天平：量程7kg以上，精度0.1g。有时实验室存在的两种天平：A精度0.1g，量程2kg（小量程高精度）;B精度10g，量程15kg（大量程低精度），均不能满足要求。道路石油沥青针入度实验时，规范要求试件分别冷却、保温时间90min以上，实际操作时只能缩减冷却、保温时间，否则2学时（90～100min）内根本做不完。

（二）大量学生群体下非规范性操作总会发生

客观环境完全符合实验条件时，单个学生非规范操作的概率虽然很低，但每年有上千人次的学生从事实验操作，总有部分学生我行我素，非规范性操作时常发生。为了减缓这种情况，实验指导教师根据经验和规范编制了指导书，要求学生提前熟悉，但是总有部分学生不认真学习，对教师现场讲解的实验步骤、注意事项也没有仔细领会，在具体操作中以非规范操作形式显现出来。在实际实验教学过程中，非规范性实验教学时常存在，很难避免。

三、非规范性操作影响分析

（一）不利影响分析

對工科大学生而言，开展的实验教学项目绝大多数安全系数很高，做实验的时候绝大多数大学生已经成年，有基本的常识与判断标准;错误而非故意破坏式操作可能导致实验失败，实验效果不理想，但一般不会对师生的安全产生多大影响。非常规性操作按其影响程度及能否采取补救措施分为两类：1.明显错误操作，对实验结果有不可挽回的较大不利影响;2.忽视部分细节操作，可以采取补救措施，但对最终实验结果的影响微乎其微。在实验指导教师强调到位的情况下，出现第一种情况的概率极低;一旦出现，教师应及时收集、整理，分析原因，有针对性地讲解给其他学生，避免类似错误发生。忽视部分细节的操作，对实验结果的不利影响只是此次实验结果不理想。许多工科实验需要做平行实验，这种影响可以通过再做一次实验弥补，其他一些影响很多时候都有补救措施。

测路基压实度实验环节，需要通过量筒内前后两次的数值差，确定倒出水的体积，最终确定标定罐的容积;读数时，有最小值与最大值要求，部分学生倒水环节没有控制好，超出了最小值的范围。教师只是关注，没有明确要求，学生最终自己想出了很好的解决方案：量取一定体积的水，加到超出最小值量程的量筒里，此时数值再减去刚刚加入的水体积值，便得到了量筒内原本无法读出的数值。

前文提到的3个实验问题，部分学生习惯性询问教师此时该如何操作。笔者鼓励学生自己想办法解决问题。事实证明，学生通过自己的努力都很好地解决了问题：1.1000ml量筒注水时，分两次注入，保证每次数值在可观测范围内即可;2.小量程高精度的A天平连续称量2次以上即可;3.实验条件的简化思路，把冷却、保温时间压缩到20分钟左右。笔者在6年数百次实验教学过程中，发现部分非规范性操作，都没有安全隐患，对最终实验结果也没有多大影响。

（二）有利影响分析

非规范性操作下，学生常常会遇到问题，以问题为导向，通过努力与思考又解决了问题，这样对学生的教育、启发意义更大，学生感觉教学有更大的探索乐趣，便于提高学生的学习积极性。不留意间的非常规操作往往会打破原来一切井然有序的实验环境，带来意想不到的变化，这种变化会吸引学生的注意，增加学生的好奇心，迫使学生深入思考。同时，也为教师的教学、科研提供了不同视角。非规范性操作更能发挥学生的主体性作用，也更符合约尔·哈提倡的自我调节学习范畴[6]。

做灌砂法测路基压实度实验时，笔者总结出河南城建学院道路工程实验室里标定的标准砂的密度在1.35～1.43g/cm3之间;部分学生量测计算测出来的结果在1.5g/cm3往上，绝大部分错误都是计算中砂锥的质量没有相应减去，导致称量砂的质量偏大，最终结果偏大。发现问题后，针对问题给学生讲解清楚，让这些学生重新计算，学生计算出来数值1.35～1.42g/cm3之间，学生印象特别深刻，效果很好。

笔者2013年9月入职，一直从事实验室的管理及实验教学工作。在2016前9月前，基本都是按照规范去准备材料及其他教学准备，实验操作时也是自己大体讲解并且给学生示范一遍，学生照葫芦画瓢进行实验操作，随后撰写实验报告。2016年9月后，笔者尝试进行相应的教学变革。实验操作时允许、鼓励学生进行非规范性操作。对比之后，笔者发现后期的实验教学效果明显提升很多，主动提问的学生增加，学生之间的互动也有所增强，实验报告内容更丰富。

为了进一步验证分析这种效果，笔者在2018—2019下学期对0124161-2班路基路面工程课程中的实验教学情况进行了验证。该班105人，共4个学时2个实验项目，每个实验分为6批，每批17～18人，每批次又分为5组;每组3～4人。该班学生中的1、3、5批学生采用正常实验教学，2、4、6批学生采用非常规教学。一学期下来总结发现，后者的实验课程参与度明显高于前者，实验报告的优秀、良好比例亦高于前者。事后，笔者让学生对实验课满意度进行评价，后者的满意度95%，明显高于前者的75%。

四、非规范性操作与快速变化的世界相适应

笔者在实验教学过程中记录了学生非规范性操作现象，时常与师生分享，并对这种现象背后的前因后果进行了深思。在人类及其他生物漫长的历史活动中，非按部就班的“错误”操作——非规范性操作，其实一直存在，就像基因突变概率很低，但是总会发生一样。许多科学创新都是需要奇思妙想，非规范性操作下很容易导致新情况产生，发现新情况、总结新规律找到合适的理论去解释它，有益于科学精神的养成。

大学生已经具备独立思考的意识与能力，其辩证思维活跃，尝试探索新事物的好奇心比较大。尽管有一定的规则约束其行为，但是大量群体下不按常规操作的个体总会存在。

不尽善尽美的实验条件反而有利于增加大学生的主观能动性，迫使学生想办法解决问题。在实际的工作、生活中，完全现成的各方面条件都满足要求的很少，许多时候都需要发挥人的主观能动性去解决一些问题，非常规性实验教学可以对学生在某些方面进行适当训练。面对最新的科技需求[7]，未来的从业人员必须具备打破常规的奇思妙想，这样才能更好地解决各种难题。世界总是在不断变化发展，其趋势越来越快，高校应该有意识地培养大学生在这方面的适用性。非规范性操作极其有利于这些学生在以后的研究生深造及工作过程中探索创新，也有利于整个民族的科技创新。

五、非规范性操作注意事项

（一）务必保证安全

安全是实验操作时的先决条件，是一切实验教学的重点。近几年来陆续有高校实验室发生爆炸及其他事故，究其原因是操作人员对安全问题认识不足，可见，高校师生绝不能对安全问题麻痹大意。

规范性操作安全系数很高，非规范性操作的安全系数有所降低，务必引起师生的重视。鉴于此，对于高校实验教学的非常规性实验教学有几点安全要求。

1.考虑到实验教学相对于理论教学来说，安全隐患有所增加，必须要有一定实践教学经验的教师来担任教学。2.组织相关教学、安全领域的领导、教师与学生代表进行讨论，评估其风险性质及程度;提前预演，验证其效果并提出相应的改进措施经同意后，才能实施。3.实验任课教师对风险有基本的预估与判断，并有应急预案。4.告诉学生要尊重事实，实验教学环节不同于真正的科研，遇到非常规性操作，在实验报告上如实记录即可。本实验室按照上述4点实施，3年多来进行了多次非常规操作，没有出现安全问题。

（二）开放包容与鼓励创新

非规范性操作形式往往比规范操作多，教师应尽可能地带领学生尝试一些不同的操作。对待非常规性操作，从学校到教师再到学生都应该是一种开放包容的心态，鼓励创新，时时观察分析操作步骤及其最终结果。许石青[8]鼓励在学生的实验方案、实验过程中，将学生实验过程中存在的创新思维和方案纳入学生的实验评价当中，指出在实验过程中允许失败、鼓励失败。

實验失败会引发学生对失败问题的思考，这个过程是学生自主思考和解决问题的过程，有利于学生创新思维的发展。笔者在实验过程中，发现许多学生提出了不同于规范的操作思路，笔者鼓励其坚持自己的想法，有机会做大量的研究与分析，从而完善目前的相关规范。

六、结束语

非规范性实验教学在工科大学生群体中有较好的运用前景，但是不同学科、专业及课程有各自的特点，需要慎重对待。中国制造业的强大需要大量奋斗在制造、科研一线可能面对各种问题的普通员工，提前让他们在大学阶段尝试非规范性实验教学，有利于其创新能力的培养及后期复杂问题的解决。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王宁章，贾历程.发挥高校实验室管理机构设置优势加强实验室工作[J].实验技术与管理，2016（3）：1-4.

[2] 刘洪艳，徐仰仓，王振乾，等[J].大学生创新训练计划对专业综合实验教学改革的影响[J].高等农业教育，2016（6）：87-89.

[3] 赵洪亮，李建东，刘江，等.国家级实验教学平台共享模式探索与实践：以国家级粮食作物生产实验教学中心为例[J].沈阳农业大学学报（社会科学版），2017（2）：205-209.

[4] 朱莲花，张聪，杨连生，等.大学生感知的课堂环境、学习方式对学习成果的影响研究[J].大连理工大学学报（社会科学版），2019（5）：114-120.

[5] 王鑫.高校实验教学管理现状及对策研究[J].课程教育研究，2018（49）：230-231.

[6] 约尔·哈等.自我调节学习：概念框架变化和新范式、技术系统及教学支持的愿景[J].数字教育，2018（4）：1-10.

[7] 中国科协发布2019重大科学问题和工程技术难题[J].科技传播，2019（14）：10.

[8] 许石青.基于高等院校实验教学的大学生创新思维的培养[J].教育教学论坛，2018（49）：271-272.

[责任编辑：陈 明]