工程教育认证背景下本科生教学实验设计思考

庄林岚 徐晓丽 张建 吴海明 孙浩

摘  要：文章在工程教育认证的背景下，识别现有教学实验存在的内容简单、形式单一、缺乏前瞻性、缺乏对对应理论课的支撑等问题，探讨以培养学生解决工程问题能力为目的的实验教学设计思路。文章以环境工程专业本科生环境生态学实验为例，提出下述实验教学思路：根据理论课内容体系合理设置实验课内容;通过多样化实验形式，高效、全面掌握某一环境问题的现状及解决思路，而非某指标测试方法;通过实验设计、数据分析、文献调研培养学生深入思考、解决问题的意识和能力。希望通过上述本科生实验教学设计助力新工科学生的培养，为我国工程领域输出更多优秀人才。

关键词：工科;实验教学设计;生态学;工程教学认证

中图分类号：G640      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）19-0001-05

Abstract： Under the background of engineering education accreditation， some problems about instructional experiment for undergraduates were identified in this study， such as the poor content and simple organization form， lack of prospective， weak connection with the corresponding theoretical coursed. Hence， this paper discussed some new thoughts on instructional experiment designing aiming at training students' ability to solve engineering problems. Some constructive suggestions were proposed in this paper with the course of Environmental Ecological Experiment as an example. Firstly， the experimental course content should be set reasonably according to the theoretical course system. Various experimental forms （such as on-line form， field survey） should be applied to grasp of the status quo and solutions of an environmental problem efficiently and comprehensively， rather than just master a test method. To cultivate students' consciousness and ability to think deeply and solve problems， scientific experimental design， data analysis， literature investigation and research should be systematically taught. It is hoped that the above experimental teaching design of undergraduate students can help the cultivation of engineering students and produce more qualified personnel for engineering field.

Keywords： Engineering course; design of instructional experiment; ecology; Engineering Education Accreditation.

工程教育认证的核心是以学生为本，使其提高对相关产业发展的适应性，为国家经济社会发展和工业现代化建设做出更大贡献;工程教育认证也是国际工程教育学位互认的重要指标[1]。自2018年起，我国已有123所院校的环境工程专业通过了工程教育认证。对于环境工程类工科学生，实验教学环节是培养学生实践能力、创新能力、团队协作能力、加深对理论知识理解的重要环节[2]，也是工程教学中“问题分析”“研究”“设计/开发解决方案”等毕业要求的关键支撑环节。然而，目前的本科生实验教学设计仍存在一些问题及改进空间，本文将以环境生态学实验课程为例进行说明。

一、现有工科本科生教学实验存在的不足

（一）内容形式单一

环境监测、环境生态学、环境工程原理课程等是环境工程专业的核心课程。除理论课程外，均设置了相关实验课程。以山东大学环境生态学课程为例，该课程配有16学时实验教学，共6个实验，分别为（1）土壤比重、容重和孔隙率的测定;（2）土壤电导、pH和全盐的测定;（3）土壤水分和水势的测定;（4）环境因子对植物光合作用的影響;（5）淡水浮游植物藻细胞计数;（6）盐分对植物种子萌发的影响。实验目的主要为掌握生物及环境介质的重要理化性质表征指标及其测定方法，以验证性实验为主，缺乏探究性、综合性实验，该现象具有普遍性[3-4]。然而，探究性、综合性实验能够更好地培养学生分析问题、解决问题的能力，提高其创新能力，进而强有力地支撑工程教育认证中关于“分析问题”“设计/开发解决方案”“研究”等毕业要求的达成。实验类课程目前以实验室内演示实验或学生实验的形式开展，形式较单一。在2020年疫情的背景下，很多实验课程推迟授课。通过模拟仿真、视频学习等方式进行实验授课的新模式尚未得到广泛应用[5]。4624FE93-17E2-474A-B669-84299D17E965

（二）理论联系不足

环境生态学课程理论主讲了个体与环境、种群生态学、群落生态学、生态系统生态学以及生态学理论在环境治理中的应用五个部分。6个课程实验中，除第5个“淡水浮游植物藻细胞计数”实验，均是对环境因子的测定或个体对环境的反应，对应理论课程个体与环境章节;且前三个实验均为土壤理化性质的测定，在理论课中仅为一小节的内容（如图1中深灰色部分所示）。可见，实践教学环节与相关理论课程联系不足，实践实验类教学环节不能很好地与重点理论教学内容对应。通过高校调研可知，對理论课重点知识支撑不强的问题也是较为普遍存在的问题[6]。

（三）缺乏前瞻性

目前环境专业实验设计以掌握某些指标的测试方法（如土壤孔隙率、比重、藻密度等）为主，存在测试方法传统老旧、更新缓慢等问题[7]，且教学实验与科研实验严重脱节[8]。在科技飞速发展的今天，掌握前沿测试方法技术对于今后的科研或从事相关工作具有重要意义。如应用血球计数板进行藻密度计数实验中，采用传统光学显微镜人工计数的方法需要10 min得到一个样品的藻密度。然而，目前存在图像处理软件，可自动拍照并识别微藻细胞，30 s可精确得出样品藻密度值，大大提高了效率。当然，指标测试的基本原理与方法是学生需要掌握的教学内容，同时，追踪传统方法的改进过程，实时掌握最新的方法技术亦十分必要。此外，对于一个大学生而言，掌握方法本身并不是首要目的。大学与高中的差别在于，大学传授的更多是学习的方法和能力，而非知识本身。了解某技术方法开发的过程，可激发学生对新技术、新工艺的追求热情，提升学生的创新意识。

（四）缺乏科研素养的培养

当前本科生教学实验主要按照以下流程：（1）实验前根据实验指导书誊抄实验目的、实验步骤;（2）实验中按照实验步骤进行实验，获取数据;（3）实验后进行数据处理，撰写实验报告。上述流程缺乏对实验设计思路（如为什么研究盐度对种子发芽的影响？是否有其他影响因子？）[9]、仪器药品使用规范（如药品不慎接触皮肤如何处理？）、数据处理与科学表达方式（如数据用平均值±误差线的形式表达？组间是否存在差异？）的思考和训练。然而，思考实验设计是培养解决问题意识的基础;了解仪器药品的使用规范是保障人身安全的必要途径;数据的科学表达是培养严谨精神的方法。以山东大学为例，50%以上的本科生毕业后会继续深造或从事本领域工程工作，因此上述基本素养的培养，可以更好地实现本科学习与研究生科研或工程相关工作的衔接。

二、工科本科生教学实验设计的思考

根据上述工科本科生教学实验中存在的问题，提出了如图2灰字部分所示的全流程解决思路，主要分为实验前、实验中和实验后三部分进行改进。

（一）实验前的教学设计

在实验指导书的编制中，可增设实验设计环节，即让学生探索针对某一对象、过程等有哪些影响因素以及如何研究。如，在盐度对种子萌发影响的实验中，可在最初提问：“有哪些因素会影响种子的萌发？如何验证这些因素对种子萌发的影响？”学生通过理论课程的学习和相关文献的调研预判潜在的影响因素，自行设计验证试验。通过这一步骤，可强化学生理论联系实际的意识、探索知识的意识以及掌握了解前沿的途径，同时培养学生分析和解决问题的意识和能力。

与理科生不同，作为工科生的教学实验均具有一定的应用背景和意义。实验前指出实验的背景和意义可帮助学生了解掌握该实验方法后的应用场景，激发学生学习的兴趣，培养专业自信心和自豪感，也为今后从事相关工作打下知识基础。

当前的实验预习报告仅体现了实验过程需要使用的仪器和药品名目。实验前仍需掌握仪器的运行原理、使用步骤和注意事项;药品的理化性质、处理处置方法和突发事件防护方法。与国外实验室相比，我国高校不缺乏高精尖仪器设备，然而，仪器的维护和不当运行是我们仪器事故率高的重要原因。近年来，实验室安全事故频发，使学生生命和财产安全受到很大威胁。从本科生起培养安全防护意识至关重要。掌握仪器的运行原理可帮助学生分析实验中出现的问题，确保实验数据的准确性;在仪器维护和人员保护中也起到重要作用。如拉曼光谱仪使用中需要使用激光激发，如使用不当可能导致眼部受到激光照射;如荧光显微镜频繁开关会大大缩短光源寿命;如高温消解后的试管不能置于冰水当中降温等。在药品的使用前，需了解其腐蚀性、挥发性、毒性及其处理处置方法，如酸性液体、有机溶液、生物溶液使用时如何防护，使用后能否直接排入排水系统中，不慎接触皮肤或眼睛如何处理等，这些都影响着实验室的正常运行和人员、仪器与环境的安全。每一个即将进入实验室的人均需具备相应的安全意识和防护知识。

在预习报告中学生会大篇幅誊抄实验指导书中的实验步骤，然而誊抄后是否真的掌握其测试过程存疑。可增加流程图绘制及潜在误差分析，帮助学生巩固实验步骤，培养其分析问题能力。

（二）实验中的教学设计

在实验内容设计上，需改良或新增某些实验内容，尽可能地覆盖相应理论课中重要的知识点。如图1浅灰色新增部分所示，在原有土壤指标测试实验基础上，结合山东省环境现状，可增设土壤盐碱化现状与改良方式的调研实践。通过数据挖掘掌握我省乃至我国土壤问题现状，培养专业认同感和使命感;通过文献调研掌握盐碱地治理的相关生态方法，巩固理论课生物与环境的互作、修复生态学等相关理论知识。结合专业特色及科研教学相结合的理念，增加“人工湿地植物与净水关系”这一观摩实验，让本科生进入科研实验室参观，通过观摩和聆听讲解了解人工湿地这一典型的利用生态学解决环境问题的案例，通过人工湿地系统构成，不同组成部分的协作关系，污染物在系统内的迁移转化过程等前沿研究的讲解，使学生巩固生态学理论知识，培养利用理论知识分析并解决工程问题的意识和能力。

针对实验形式单一的问题，建议通过模拟仿真、演示实验、科研实验室参观、野外调研等方式丰富实验形式。在真实实验中，如过滤操作耗时0.5～1 h，如利用模拟仿真实验方法则可以更有效地节约实验课时，进而安排更丰富的实验内容。部分先进的科研用测试仪器贵重，无法很好地实现高台套数，可酌情进行演示实验，以便学生在掌握基础测试原理和方法的基础上，了解前沿测试技术。针对实验内容单薄的问题，可结合相关科研实验室参观的方式，使学生了解实验背后的研究背景、影响因素和机制。如在淡水浮游植物藻细胞计数实验前，带领学生参观水化控制科研实验室，参观实验室模拟水体系统，直观掌握光照、温度、二氧化碳、氮磷营养物等影响微藻生长的参数如何调控，讲解微藻增殖和动态变化过程，之后进行微藻计数实验。通过30 min的参观讲解，学生可以了解生态因子与种群动态的互作关系，掌握微藻计数的应用背景和意义，更具全局观，而非像最初的微藻计数实验仅使学生掌握微藻的技术方法。4624FE93-17E2-474A-B669-84299D17E965

由于教学实验人数较多，一般2～3人一组。在实验中测试样品基本统一发放，且不同组样品相同。在后续实验设计中，可不同组发放不同样品。如在微藻计数实验中，不同组发放某一培养条件下培养时间不同或者不同培养条件均培养至对数期的微藻藻液。学生计数后，可组间共享数据，进而分析某条件下微藻生长曲线，结合理论课程有限空间下种群增长模型拟合得到微藻种群的内禀增长速率，进而验证不同条件对微藻种群增长的影响规律。通过这种实验设计，可通过一个实验强化“环境因子对个体的影响”“种群增长”“种内关系”等多个理论课程的重要知识点。

（三）实验后的教学设计

在课程设置中，环境监测课程涉及了质量控制和质量保证章节，内含数值的修约、偏离值的判断、组间差异性分析、环境常见数据的图表表达等内容。环境生态学等实验为大二课程，学生尚无平行样、空白样等概念，实验数据计算后保留多位有效数字，甚至随意删减不满意数据，这种实验及数据分析方法缺乏科学性，可能造成后续学术不端的后果。因此，应在本科实验中培养科学严谨的态度，正确表达数据、合理分析数据。

部分学生得到数据结果后结束实验报告;部分同学较优秀，对数据的误差来源及结果进行分析，后者是值得提倡的。在实验结束后，学生对实验原理、步骤都有了更深入的理解，对预习报告中分析的潜在误差来源有了新的认识，需根据实验过程进一步分析误差来源，这也是对学生分析和解决问题能力的培养。此外，需通过文献调研掌握该方面研究的关键进展和结论。如在盐度对种子发芽影响的实验后，可进一步通过文献调研对比自身实验结果与报道的差异性，掌握不同类型种子对盐碱的耐受能力，可酌情深入研究种子对盐分的耐受机制等。通过该训练，可以使学生更好的掌握使用现代工具解决问题的能力，培养学生深入思考、终身学习的习惯。

以淡水浮游植物藻细胞计数实验说明教学设计的主要改进点，如图3所示。实验前思考实验设计原理，了解应用背景，巩固前备知识，掌握仪器和药品的安全使用和处理处置方法。实验中通过演示、参观、调研和实操等多种形式全方位掌握某环境问题现状、测试手段和前沿解决方法，根据预习和教师讲解获得准确数据。实验后科学处理实验数据，分析存在的问题，了解相关研究结果，巩固相关理论知识。

三、结束语

本文在工程教育认证的背景下，分析了现有教学实验存在的问题，探讨了以学生为中心，以能力培养为目的的实验教学设计思路，以期培养具有分析、解决工程问题能力的合格工科毕业生。本文得到的关键实验教学设计点如下：根据理论课内容体系合理设置实验课内容;通过多样化实验形式，高效、全面掌握某一环境问题的现状及解决思路，而非某指标测试方法;通过实验设计、数据分析、文献调研培养学生深入思考、解决问题的意识和能力。

参考文献：

[1]章联军，王晓东，徐清波，等.工程教育认证背景下工科专业毕业实践教学体系重构[J].计算机教育，2021（5）：74-79.

[2]李天星.实验项目设计及创新型人才培养——以生态学实验项目为例[J].实验室研究与探索，2013，32（10）：107-109.

[3]李礼，彭琴，李强，等.环境本科专业环境生态学实验教学设计与思考[J].绿色科技，2020（19）：214-216.

[4]李欣，张红梅，叶燕，等.基于OBE理念的《生态学实验》课程教学改革[J].创新创业理论研究与实践，2021，4（2）：42-44.

[5]谢佳燕，王宏勋，闫达中，等.线上线下混合式教学在生态学课程中的探索与实践[J].科教导刊，2021（8）：107-109.

[6]丁国骅，张池莹，李银蝶.生态学专业课程改革中应用“科研反哺教学”的实践和探索——以“生物多样性调查与评价”课程为例[J].丽水学院学报，2020，42（5）：121-124.

[7]袁建立，张仁懿，艾得协措，等.普通生态学实验课程的建设与实践[J].高校生物学教学研究（电子版），2021，11（2）：50-53.

[8]张伟，王晨，左其亭.基于污泥处理科学研究的本科教学实验设计研究[J].科學咨询（教育科研），2021（6）：31-32.

[9]吴涛，许杰.“对分+设计性”教学模式在“生态学实验”课程教学中的应用[J].当代教育实践与教学研究，2017（6）：219-220.

基金项目：国家自然科学基金青年基金“微藻生物膜内污染物迁移转化与附着微藻生长调控机制研究”（52000122）;山东省重点研发计划重大科技创新工程“基于生物质资源化的污水绿色再生回用技术与设备研发”（2019JZZY010411）;山东省自然科学基金博士基金“基于附着型微藻培养的反渗透浓水净化与资源化技术”（ZR2019BEE020）

作者简介：庄林岚（1989-），女，汉族，天津人，博士，助理研究员，研究方向为生物/生态法水质净化与污染物控制机制与技术。4624FE93-17E2-474A-B669-84299D17E965