“新工科”背景下工科物理实验室的建设与探索

孙 超，姚 烨，胡长城，段 彬，2

(1.吉林大学 物理学院，吉林 长春 130012；2.吉林大学 公共物理教学与研究中心，吉林 长春 130012)

为进一步谋求工程教育新发展，开拓工程教育改革新路径，实现建设工程教育强国的宏伟蓝图，2018年4月，教育部办公厅印发关于《高等学校人工智能创新行动计划》的通知，以鼓励中国高校推进“新工科”建设[1-3]。吉林大学公共物理教学与研究中心以“新工科”建设发展要求为改革切入点，立足于地方高校工科实验教学办学发展现状，以培养新世纪创新性工程人才为教学目标，借力本校“双一流”学科建设发展规划，从大学物理实验室建设的理念、团队建设模式及软环境等方面深入探讨“新工科”背景下大学物理实验室改革的新方向、新模式，通过建立“立体化分级教学体系”“混合式教学模式”“学-研研究平台”等实际行动出发，为“新工科”背景下地方高校实验室培养创新性卓越工程人才提供思路。

1 建设“创新性工科类物理实验室”的历史背景

在现有高校工程类人才培养体系中，实验教学是高等教育系统内最为重要的教学手段，也是构架学生课堂理论知识学习和走向工作岗位的过程中的重要“桥梁”[4]。高校实验室作为实验教学的“主阵地”，肩负着培养学生工程意识、工程实践动手能力，以及创新思维的重要任务。

首先，实际调研地方高校的工科实验室发现，实验室的建设存在较大的不足，具体体现在仪器与设备更新不及时、管理人员素质不达标、教育内容系统性不强、教学内容落后及深度不足和学生参与度低等问题[5]。

其次，实验室在建设过程中存在极大的资源浪费，可以经常发现实验室仪器与教学场地闲置现象。在本校过去的工程类学生教学大纲中，为了便于对工程类学生的管理，本校的工科实验课程往往只集中于本科一年级下学期，这要求学生需要在短时间内接受实验知识，并熟练掌握实验技能，这就为工程类学生的实际教学带来的极大挑战。

最后，地方高校除了要完成人才培养任务，同时还肩负着为地方经济建设提供科技支撑的重要责任。这也意味着地方高校工科类专业实验室的建设不应该仅满足于对学生的培养，同时也应该为地方的经济建设发挥积极作用。然而，现有的高校实验室在建设过程中，存在着“学-研”融合不足的问题，即对学生的培养教育与科研被人为分割。这不仅导致了地方高校实验室极易发生“重理论、轻实践”的现象，无法实现高校的“产教学研用”的深度融合，更使得高校在实验教学过程中难以培养学生的工程意识和创新思维[6]。

2 建设“创新性工科类物理实验室”对地方高校发展的实际意义

为了更好地落实“科教兴国，人才强国”的发展战略，实现建设工程教育强国的宏伟蓝图。这就要求高校应主动适应“新工科”背景下为祖国培育具有高素质工程人才的任务[7]。高校工程类专业实验室作为培养高素质工程人才的“摇篮”也更应适应时代要求，主动做出改变[8]。如为实验人员营造良好的教学环境，积极创造优质的科研条件，大力倡导实验成果与地方经济发展相结合，注重成果的创新性与实用性，在实验室成果“走出去，引进来”的过程中，实现高校-社会-企业的深度融合，以此推动地方高校的发展，与此同时，在高校工科专业实验室建设过程中，不仅要兼顾学科发展，也要倡导高校在培养高素质工程类人才的过程中，加强学生的创新实践教育。

3 建设“创新性工科类物理实验室”的具体内容

3.1 教育资源与教学内容重新整合

为了响应“新工科”建设对实验室“综合化，专业化”的建设要求。吉林大学公共物理教学与研究中心针对学生个体差异问题，从学科发展和学生创新能力培养角度出发将中心实验室资源改革重整，组建了“立体化分级教学体系”，即在利用MOOC、虚拟实验预习、多媒体演示和现场讲解答疑等多种立体式多维教学基础上，对一些具体的基础性、经典性、先进性实验进行分级体系的设计，从而达到因材施教、因专业施教、因兴趣试施教的目的。由于每个学生的具体情况不同，层次不同，吉林大学公共物理教学与研究中心将物理实验分为三级，一级为基础实验和综合性实验，根据学校教学大纲，针对不同专业需求设立相关实验，组建基础教学实验室；二级为拓展实验，根据学生兴趣爱好，由教师提出设计性实验题目，学生独立自主完成相关实验设计，实验主要依托学校开放性创新实验项目和创新创业教育课程建设项目完成；三级为创新性实验，由中心优质教师根据自己研究方向结合学科前沿知识，提出研究性创新实验题目，学生在教师指导下完成相关实验设计，实验主要依托于大学生创新创业项目和科研基金项目完成。

在实验教学过程中，学校组织校内外各学科专家教授将授课内容进行重新编写，将教学实验内容进行深度拓宽。通过融合各学科前沿知识，着重对实验进行重新设计，制定了一系列内容连续的综合性实验，使一级实验内容更为丰富，与二级实验连接更为紧密。在二级实验过程中，学生通过自主化学习探究，提高学生对实验课程的兴趣，诱导学生由“被动”学习转变为“主动”学习[9]，激发学生创新意识，为三级实验打下良好基础。在三级实验过程中，学生进入科研实验室和创新实验室，接触前沿科技和思想，将所学知识转化为研究成果。“立体化分级教学体系”培养了学生创新能力与科研能力，加强了科研与人才培养的密切关系，将“学-研”相结合，实现高校的“产教学研用”的深度融合，为最终实现培养具有交叉学科背景的创新性工程人才提供了具体思路。

3.2 优化教学模式

随着科学技术的发展，将网络技术引入教学过程已成为一种有效手段。在实际教学过程中，学生存在着良莠不齐、综合能力不均的现实问题，以传统教学模式授课，不仅影响了教学质量，还降低了效率，同时也压抑和束缚了学生对知识的好奇心、积极性、创造性和思维的多向性，这在很大程度上影响了对学生创新能力的培养[10,11]。针对此问题，吉林大学公共物理教学与研究中心提出多元化“混合式教学模式”，依托吉林大学在线学堂平台开展线上教学活动，运用立体化分级实验室实施课堂教学活动，通过两种教学组织形式的有机结合，可以把学生由浅到深地引向深度学习。

“混合式教学模式”是学校教育教学改革和校园信息化建设的重要组成部分，将教学需求普遍性和特殊性相结合，推动了信息技术与教育教学的深度融合，促进了“互联网+”条件下人才培养的新模式，实现目标基础性和前瞻性相结合。

3.3 建设教学研一体化实验室

“新工科”建设过程中要求地方高校对区域经济发展和产业转型升级起到支撑作用，这就要求高校在建立专业实验室的过程中要充分考虑到建立“学-研”研究平台[12]。即在实验室建设过程中，一方面考虑学生的发展问题以及学科、专业的建设问题，另一方面则要考虑到实验室的搭建可以开展哪些实际项目以方便地方经济的发展，以此避免高校实验室“学-研”融合不足这一现实问题。为了彻底实现以科研促进教学，将研究成果转化为教学内容，并最终服务于区域经济发展这一“新工科”建设目标。吉林大学公共物理教学与研究中心依托于本校优势学科专业，充分发挥高校的科研优势，利用本校国家自然基金获得者直接参与实验教学环节的机会，加强科研与人才培养的密切关系，以此达到培养学生创新能力与科研能力的目标。

4 创新性大学物理实验室现有成果

自创新性大学物理实验室建设以来，实验室培养的本科生多次在全国大学生物理学术竞赛、全国大学生“挑战杯”大赛和“互联网+”大学生创新创业大赛中斩获佳绩。仅以2019年所获奖励为例，本科生共发表SCI论文1篇；获大学生创新创业科研项目1项；授权国家实用新型专利2项；获全国大学生物理学术竞赛国赛二等奖、东北地区赛一等奖、吉林省赛一等奖；获首钢京唐杯第十二届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛三等奖等。

5 结 语

综上所述，通过构建创新性大学物理实验室，工科类学生在创新能力培养方面已经取得了良好效果。该创新性大学物理实验室的建立，不仅有助于将学生培养成符合“新工科”发展要求的创新性卓越工程人才，更益于地方高校在区域经济发展和产业转型升级中发挥支撑作用，从而促进“新工科”与高等工程教育改革的深入结合，为祖国培养更多的创新型工程人才。