新工科背景下设计性实验质量提升的探索

夏侯国伟　张晓烽　张　巍

新工科背景下设计性实验质量提升的探索

夏侯国伟张晓烽张巍

（长沙理工大学 能源与动力工程学院，湖南 长沙 410114）

针对目前设计性实验质量不佳的现状，以及设计性实验对整个实验教学效果的重要影响，本文提出提高设计性实验项目“三性”（工程实践性、时效性及交叉融合性）的改革思路。继而分析讨论了四种可以提高“三性”的方法，以及三种保持设计性实验教学质量的辅助措施，为检验所提改革思路与措施对实验教学的促进作用，笔者在实验教学中对这些改革举措进行了应用，获得了良好的效果，探索表明，本文的研究内容对提升设计性实验的质量，促进新工科背景下实验教学的改革具有很好的参考意义。

新工科；实验教学；设计性实验；改革

为适应新一轮科技革命、产业变革及创新驱动发展的需要，以2017年2月18日在复旦召开的高等工程教育发展战略研讨会[1]为标志，教育部吹响了全国工科院校进行新工科建设的号角，开启了工程教育改革的新征程。随着复旦共识[1]、天大行动[2]、北京指南[3]的发布，全国工科院校掀起了传统专业改革重生、新兴专业规划设置[4]的建设高潮，新工科建设正式铺开。

建设新工科，传统专业是改革的重点，作为专业建设的重要组成部分，实验教学必须予以充分重视。众所周知，实验教学中设计性实验角色非常关键，尤其是在建设新工科的当下。设计性实验涉及多课程、多维度、多学科的交叉融合，更能激发学生的学习积极性、主观能动性、创新创业意识和工程实践意识，也非常有利于培养学生的综合素质与工程实践能力，从而达到培养面向工程实践、面向未来、面向产业甚至引领产业的，具有交叉复合知识、较高综合素养、较强工程实践能力的卓越工程技术人才的目的，为国家科技进步与社会发展提供有力支撑。

为此相关高校对设计性实验的设立做了不少探索。如吴宁等[5]依托虚拟实验教学平台，给学生开设设计性实验，不仅提高了学生学习兴趣，还能增强其科研能力和探索精神。黎明[6]针对电工电子学课程，提出教师为学生创设由浅入深的实验教学的真实情境，在众多知识点处通过一系列的设计性实验，引导学生在“做中学”，经过循序渐进的良性循环，激发学生的创新潜能。白晓艳等[7]以分析化学实验教学为例，对分析化学实验课程中开展学生自选题设计性实验进行了探索，论述了在教学过程中加强选题指导、方案设计、过程把控等环节对提高学生发现、分析、解决问题的能力及自主学习能力的作用。

上述从平台或课程角度切入对设计性实验项目开设进行的探索，有其价值，但客观讲还欠缺更高层次的思考与探索，如果能从方法论的角度对其进行探索，无疑将更具普遍意义和应用价值。

目前，能动类专业设计性实验的开展还很薄弱，以长沙理工大学能源与动力工程学院为例，虽一直宣扬要重视设计性实验，但实际情况仍很难令人满意，如现在开出的104项实验项目中，演示4项、验证16项、综合82项、设计性2项，而设计性项目仅占2%，且其内容与新工科强调的工程实践及学科融合的要求存在很大差距。

基于新工科建设要求及设计性实验现状，容易得知，目前设计性实验的质与量都与新工科的要求相差甚远。要改变现状，关键是要提高设计性实验的质量。思考认为设计性实验的质量高低应由其“工程实践性、时效性及交叉融合性”来决定，为方便起见，将其称为“三性”。显然，要提高设计性实验的质量就必须提高设计性实验项目的“三性”，“三性”越高质量越好，这就是本文所述提升设计性实验的改革思路。

1　造成设计性实验落后的原因分析

为有效提高设计性实验项目的“三性”，必须分析设计性实验落后的原因。长期以来我国工科教育遵循的是“科学范式”，致使工科教育理科化，工程教育与工程实践及产（企）业间出现隔阂，破坏了理论与实践的平衡[8-10]。另外，苏联模式的专业设置致使专业细分，使学科交融变得很难。实验教学受此二者的影响与约束，导致与工程实践的契合度变差，学科交叉的融合度变低，严重制约了实验教学的功能发挥。

由此易知，能否提炼出“三性”突出的设计性实验项目，对实验教学的改革关系重大，这也是本文研究的目的所在。

2　提炼“三性”突出的设计性实验项目的方法

由上可知，要提高设计性实验的质量，关键在于提高“三性”，具体就是要让设计性实验能紧密联系工程实践、能及时反映新技术新方法、能较好融合不同学科知识。根据多年对实验教学改革的思考和教学经验的积累，笔者认为应从本科毕业设计、教师科研、研究生毕业论文及学科竞赛切入，采用浓缩、简化、抽象、归纳的方法手段，能凝练出高“三性”的设计性实验项目，此乃提炼“三性”突出的有效方法，具体论述如下。

2.1 从本科毕业设计中提炼

本科生毕业设计（论文）是培养学生综合运用所学基础理论、专业知识和基本技能，分析与解决实际问题的能力，使学生得到从事实际工作所需的基本训练和进行科研工作的初步能力。从培养目的看，毕业设计环节着重知识的综合运用及实际问题的解决。作为工科院校，大部分毕业设计题目都涉及实验研究工作，具有一定的综合性和知识交叉性。为此，可从那些完成质量高，荣获院、校优秀毕业设计的论文中进行筛选，选择一些与工程实际联系紧密、知识交叉明显、与专业课程相关度高的毕业设计，对其进行相应的归纳整理与提炼，提炼时可特意保留或设计一些多学科知识融合交叉及与工程实际相结合的环节，以使学生能充分了解该实验在工程实际中的作用，提高学生选择及完成该实验的积极性。

2.2 从教师科研课题中提炼

工科院校中，众多教师都在积极申报各类政府资助项目或企业技术合作项目。前者为纵向项目，后者为横向项目。纵向注重工程应用中的物理现象机理研究，以解决工程中的科学问题，强调研究的创新性和共性问题解决，思维多元、视觉宽广、知识融合度高，知识层次显著高于本科教育的水平，对此可在保证“三性”基础上，简化实验过程，摘取部分实验来形成设计性实验。横向则注重生产过程中的技术进步与实际问题解决，强调的是技术与方法的先进性，与本科教育的层次更为接近，同时也与工程实际直接相关，为此可以从中选择一些便于抽象浓缩的实验来形成设计性实验。相对而言，横向项目更适于本科设计性实验项目的转化提炼。通过教师科研课题提炼的实验项目，其工程实践性、时效性和交叉融合性明显，是提高设计性实验教学品质的有效途径。

2.3 从研究生毕业论文中提炼

随着硕士研究生招生人数的增加，每年有相当数量的硕士毕业论文要完成。硕士论文在100%盲审、小于15%重复率及强调创新的氛围下，研究生们往往在导师的指导下，需要查阅大量国内外研究背景，才能提炼出具有明显创新、跨界融合，及有现实意义的研究课题，然后展开研究，其中大部分题目含有实验内容。基于此，如能对那些盲审评价高，或荣获校、省级优秀硕士论文的相关实验进行提炼，容易获得工作量适中、过程完整的实验内容，然后将其转化为设计性实验项目。显然，对硕士研究生毕业论文进行提炼是设计性实验项目的一个非常有价值的来源，值得很好重视和加以利用。

2.4 从学科竞赛中提炼

以能动类专业为例，能动类学生参加的全国性学科竞赛主要有，“全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”（以下简称“节能减排大赛”）和“挑战杯”系列竞赛。两项大赛都是“国赛”，层次高、影响大，尤其是前者，深受能动类学生青睐，每年都有大量学生报名参加，且竞争颇为激烈。现以“节能减排大赛”为例，简介学科竞赛项目转化为设计性实验项目的可行性。“节能减排大赛”基于增强大学生节能环保意识、科技创新意识和团队协作精神的目的，非常重视学生的创新设计能力和工程实践能力，其中实物性作品必须要有实验验证。对于既要求创新又要求实验验证的作品，其实验过程往往非常精彩和别出心裁，且思维层次思维特征较符合大学生胃口，对大学生而言有较天然的亲近感，鉴于此，如能对那些经历了全国性网评、会评的获奖作品，作进一步的整理完善，很可能会产生颇具价值的设计性实验项目。

3 保持设计性实验教学质量的辅助措施

基于设计性实验需满足工程实践性、时效性和交叉融合性的要求，为保证设计性实验的教学质量，在教学实施过程中显然需要采取一些有针对性的辅助措施，具体措施如下所述。

3.1 项目的及时更新

既然设计性实验要有时效性，要及时反映新技术、新方法，则这类实验项目就应保持适度的更新频率，以使项目保持新鲜活力，防止其滞后于社会与工程实践的发展变化，以便学生接触新知识，掌握工程技术的新动态。

3.2 实验指导书的纲要式编写

设计性实验指导书应与验证性、综合性实验不同，其内容宜粗不宜细，以防出现“按图索骥”的机械性实验，因此，设计性实验的指导书只能纲要式编写，重点放在明确实验目的、提出实验要求，及安全事项的提示上，实验的原理、方法可由学生自行思考确定。如此，可更好地培养学生与工程实践相结合的意识，引导学生加强交叉学科的学习与思考，促进学生工程意识与综合能力的提高。

3.3 实验方案事前撰写

为使学生能顺利完成设计性项目的实验过程，保证实验教学有序进行，有必要要求学生进行事前预习并撰写实验方案，这样做既可以保证教学进程，也可以保证教学质量，还能培养学生良好细致的工作作风，有利于其未来的工程实践。

4 实践效果

为检验本文所述设计性实验教学改革的效果，笔者选择一个“节能减排大赛”国赛二等奖项目“聚光光伏电池散热用板式脉动热管散热器研发”，对其进行了设计性实验项目的提炼，提炼后的实验名称为“具有脉动特性的相变传热性能实验”。该实验项目结合了光伏发电、太阳能、相变传热及工程应用，较好体现了设计性实验项目的“三性”。当学生了解到该实验可应用于热门的太阳能光伏发电的芯片冷却及高热流密度芯片的散热冷却时，都表现得特别兴奋，为顺利完成实验积极主动地去查阅资料，并认真撰写实验方案，实验完成后，不少同学表示新实验很有趣，不仅能开阔眼界、学到新知识，还能获得很好的动手动脑机会，收获很大，并希望未来能有更多的机会参与到类似的实验研究与实验教学中去。

5 结 语

基于新工科背景下设计性实验对实验教学的重要作用，提出了“三性”决定设计性实验质量的论断，讨论了提炼“三性”突出的设计性实验项目的四种方法及确保设计性实验教学运行质量的三个辅助措施，并在实验教学中对这些改革进行了应用与验证，结果表明：本文所研究的方法对提炼“三性”突出的设计性实验项目有十分良好的效果，所做研究是对新工科背景下工科院校实验教学改革的一种有益探索。

[1]教育部高等教育司.“新工科”建设复旦共识[EB/OL]. (2017-02-23)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建设行动路线（“天大行动”）[EB/OL].(2017-04-12)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.新工科建设形成“北京指南”[EB/OL].(2017-06-10) [2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201706/t20170610_306699.html.

[4]教育部.我国工程教育迈入全球“第一方阵”[EB/OL]. (2018-09-27)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/201809/t20180927_350082.html.

[5]吴宁,胡欣,吴遵秋,等.基于虚拟仿真平台引入综合性设计性实验项目[J].实验技术与管理,2017,34(4):6-8.

[6]黎明.设计性实验教学的研究与实践[J].实验技术与管理, 2012,29(4):245-247.

[7]白晓艳,张春生.新建地方本科院校学生自主选题设计性实验教学研究[J].实验技术与管理,2013,30(11):162-165.

[8]叶民,孔寒冰,张炜.新工科:从理念到行动[J].高等工程教育研究,2018(1):24-31.

[9]王武东,李小文,夏建国.工程教育改革发展和新工科建设的若干问题思考[J].高等工程教育研究,2020(1):52-55,99.

[10]邹晓东,李拓宇,张炜.新工业革命驱动下的浙江大学工程教育改革实践[J].高等工程教育研究,2019(1):8-14,33.

G640

A

1673-2219（2021）03-0102-03

2021-02-26

长沙理工大学校级教改项目（项目编号XJG20-107）；湖南省教改项目（项目编号HNJG-2020-0273）；2019年长沙理工大学教改项目（No.69）。

夏侯国伟（1963－），男，江西宜春人，硕士，副教授，研究方向为高效传热传质。张晓烽（1988－），男，湖北石首人，博士，副教授，研究方向为分布式能源系统集成与优化。张巍（1974－），男，湖南常德人，博士，讲师，研究方向为高效清洁能源利用及污染物控制技术。

（责任编校：宫彦军）