实验仪器设计与创新人才培养途径探讨

周 鑫 任晓蕾 王林峰 谢 涛 李修磊

（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074；2.重庆工商大学环境与资源学院，重庆400067）

0 引言

随着我国“人口红利”的逐渐消失，将会对未来经济增长潜力造成压力。根据相关研究表明，未来经济增长对科技创新的依赖越来越强[1]。而科技创新必然离不开创新型人才。有报道指出，过去我国经济增长相当一部分来自知识与技术的全球化迁移。而如今，国际技术迁移红利不断衰退，经济系统生产率边际递减，产生教育内卷化[2]。人才的创新能力对未来社会发展和经济推动必将产生重要贡献。因此，如何培养人才的创新能力显得迫在眉睫。特别是对于大学教育，有必要探索如何将创新能力的培养融入教学各个环节中。

在重庆交通大学地质工程专业的课程体系中，诸如工程地质与水文地质勘察、岩石力学等课程均为实践性极强的课程，其中实验教学是理论联系实践的关键环节，对学生的综合素质培养和提高有重要意义。但是，传统的实验教学模式普遍存在实践环节薄弱，教学内容狭窄、观念落后，教学方法、手段单一等问题，通常难以满足社会对工程应用型创新人才的要求[3]。为了改善这些问题，王述红等[4]把岩体建模仿真技术引入岩石力学课程教学中，通过数值实验再现了许多物理实验不能观察到的现象；蔡国军等[5]针对岩土工程勘察课程，采用项目式驱动让学生结合课堂所学理论掌握各种实验手段，熟习岩土工程勘察各种设备的原理、构造及常见故障的排除。殷亚军[6]指出岩土工程勘察课程实践教学中应加强实验环节、提升实训基地建设、优化课程设计环境及产学研合作。宋盛渊等[7]基于工程地质勘察课程存在的问题，提出开展混合式的课堂教学模式、优化教学内容、构建多元化的工程教育实践教学环节的全面教学改革。综合上述研究，以往在教学实践方面对人才的培养多集中在融入新技术、优化课程内容、丰富实践环节等手段，多关注对实验仪器的使用原理、构成、操作及数据处理等方面的教学，而忽略了设计与发明实验仪器本身亦可服务于人才培养的育人途径。

基于对工程地质及水文地质勘察、岩石力学等课程的实验教学环节的改革，本文提出一种对岩体结构面抗剪强度装置进行创新设计的人才培养方案，其主要步骤为：第一，集思广益，即在教学实践中集思广益，征集学生们的设计思想；第二，专家评议，即征求校内外专家的建议，对学生的设计图纸及设计理念进行评价，评选出切实可行的方案；第三，综合各方建议，师生共同完成对仪器设计图纸的修正与完善。该方案在巩固学生理论知识基础上，可激发学生的发明与创造力，服务于地质工程、水利工程及土木工程等专业创新人才的培养。

1 实验教学与仪器设计

实验教学是高校培养创新人才的重要环节[8]。传统上的实验教学过程中，教师通常受限于授课时间或课时不足，在实验教学上会更多关注如何使学生掌握实验目标及原理、如何操作某种仪器设备以及如何对获得的数据进行处理等方面内容。通常容易缺乏针对某种实验所需的特定仪器设备研发与设计讲解与启发，即“为何要这样设计？”“这样的设计是否最优？”。但是这方面知识培养的不足容易导致培养出的人才更多是仪器的操作工，而非仪器的掌控者，即“知其然而不知其所以然”。此外，当前高校实验教学发展迅速，亟须设计新实验、新设备，而实验室又受到人力有限等因素的限制，难以满足这种发展需求。因此，有必要通过创新化的实验教学培养学生创新能力。在此方面，管新蕾等[3]结合流体力学实验教学改革实践，探讨了改进自制流体力学实验仪器设备对提升大学生创新精神和创新能力的作用。该案例有效展示出仪器设计方向的学习与操作对培养创新人才方面有着巨大潜力。

因此，本文结合重庆交通大学地质工程、土木工程等专业中工程地质及水文地质勘察、岩石力学等课程的实验教学环节，提出一种对岩体结构面抗剪强度装置进行创新设计的人才培养方案。岩体结构面抗剪强度测试装置是地质工程、水利工程、土木工程等专业均涉及的岩体力学测试装置。特别是当今我国大型基建工程的发展，无疑在公路、隧道、铁路建设中会碰到受岩体结构面控制的岩体结构。但是学生在这一部分的实践学习中尚不完善。新时代人才培养不能只停留在理论上，有必要培养学生们与时俱进的动手能力。开展岩体结构面抗剪强度测试装置设计的教学方案主要基于以下三方面：

1.1 社会需求

随着行业发展，研究内容逐渐精细化，以往对岩石整体力学性质的研究已经持续多年。随着理论认识的加深，岩体结构面成为制约裂隙岩体稳定的控制性因素。因而对结构面的力学性质进行研究显得尤为重要。学生们掌握该方面实验技能可以增强自身学习能力水平、丰富实践知识。

1.2 教学科研需求

教学科研不分家，没有科研的教学不能与时俱进，没有教学的科研脱离了教书育人的根本。当前科研项目中多会遇到岩体力学性质的研究，其中迫切需要解决结构面的力学特性测试，进而服务社会。在教学中，以往仅对结构面理论知识进行讲解，但是无法丰富学生们对结构面力学性质的实验需求。

1.3 学生需求

学生们在听实践性很强的理论内容后，若没有实践经历，通常容易忽略或者很快忘却所学的知识。而学生们若亲自参与设计，通过“自我学习→发现问题→解决问题”的方式加入理论知识的学习中无疑会加深学生对所学内容的理解。有助于学生理论、实践及创新水平的提高。

2 创新人才培养方案

实践教学体系的改革，不仅要更新人才培养观念，更要加强与之相应的课程体系改革[9]。针对岩体结构面抗剪强度装置设计的教学方案，更加突出“以学生为中心、教师专家指导为辅助”的培养模式，注重培养学生自主学习、交流探讨、发现问题和解决问题的能力。具体方案可以分为如下三方面：

2.1 集思广益

由教师提出岩体结构面抗剪强度装置设计需求和背景，激发学生学习兴趣。以小项目、小团队的形式引导学生分组查阅资料并探讨仪器设计的思路。使每组学生都能充分根据理论知识和设计背景发现仪器设计背后的原因，挖掘仪器设计存在的问题或不足，进而通过讨论、论证形成自己的观点。以小组为单位，征集学生们的设计思想，通过专业教师指导进行评价、反馈与修正，形成思想上的集思广益。这一过程不仅是对课堂理论教学的检验，同时也是学生拓宽知识的机会，达到一箭双雕的作用，一方面巩固了学生课堂所学，另一方面培养了学生创新意识。

2.2 专家评议

组织校内外专家对征集来的仪器设计方案通过小组答辩的形式进行评价，对各小组设计方案进行社会需求性评价、创新性评价、可行性评价、方案优劣系统性总结，最终通过上述指标对各组设计方案进行评分，并反馈修正建议。这一过程是师生思想碰撞的重要环节，通过有经验的教师对各种设计方案提出修正建议能够充分保障学生设计的仪器符合社会需求及理论可行，而小组通过听取专家建议能够深化对设计仪器的了解，以此形成师生共进的良性循环。

2.3 综合各方建议

各小组根据专家反馈的建议进行改进，重新总结好设计方案的优劣及适用范围，通过与指导教师沟通，师生共同完成设计方案。最后，通过专家评审，对修正后能够达标的方案再次评分，综合第一次专家评议结果评选出优秀设计方案。该阶段是学生不断吸收专家思想持续自我改进的过程，也是学生与专家思想碰撞的过程，通过这一过程的训练，小组成员均可获得创新能力、动手能力、辩证思维能力的锻炼。

3 结语

综上所述，本文从实验仪器设计的角度探讨了一种创新人才培养途径的可能性。以学生为中心，以培养学生创新能力为目标，通过师生共同参与设计岩体结构面抗剪强度测试装置的教学方案，采用集思广益、专家评议、综合各方建议等方法，借助教师及专家的逐步引导与过程管控，锻炼了学生“自我学习→发现问题→解决问题”的水平，不仅巩固了课堂理论知识，而且培养了学生的创新能力、思辨水平、团队协作能力、以及理论与实践相结合能力。可以作为完善实验教学改革的一部分内容。