新工科开放式创新实验室体系建设研究

李红双

（沈阳航空航天大学 机电工程学院， 辽宁 沈阳 110136）

0 引言

世界正处于第四次工业革命的新起点，智能化、数字化、网络化等革命将会影响所有学科的工作、问题、创新和解决方案［1-3］。 教育部积极推进新工科建设，发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》等通知，探索形成了高等教育人才培养理念与共识，开拓了工程教育改革新路径［3-5］。 高校培养学生的创新思维、创新能力、设计与实践能力，实验室是培养学生创新实践以及创新设计的首选阵地，在新工科背景下，一些高校实验室的硬件、软件、教学和管理等方面均做了初步的改革与实践，取得了初期的改革成效［6-8］。 笔者对目前实验室存在的问题以及现状进行了分析，结合多年的实验教学工作，提出了新工科背景下开放式学生自主创新设计实验教学新模式，改革取得的成果为新工科开放实验室创新模式奠定了基础。

1 工科类院校实验教学现状分析

1.1 实验教学缺乏创新性

高等教育实验教学是对理论学习知识的验证，是培养学生实践动手能力与创新能力的主要教学环节。目前，实验的教学方式非常单一，实验基本上都为课内实验。 调研显示，大部分高校的实验类型均是验证性和演示性占主要部分，设计性和综合性实验比较少，开放式创新性实验更少，实验内容缺少系统综合性与创新性［9-11］。 教师在实验过程中起到主导作用，多数学生是在“看实验”，而不是“做实验”，体会不到做实验的真正乐趣。 学生创新思想和创新意识没有调动起来，导致学生积极性普遍不高。

1.2 实验设备陈旧

大部分高校基础实验的设备都很陈旧，绝大多数高校实验室在设备共享上都存在很大的问题。 设备只能为某课程单独用，实验室只有学生做实验才开放，实验设备分散放置，利用率都很低。 由于经费问题，实验室难以引进先进的实验仪器，实验教学已无法适应学科前沿领域发展的新形势，不利于新工科人才培养。 随着高校招生人数的增加，实验设备有限，实验教学质量在逐渐下降。

1.3 实验室管理封闭

目前，实验室长时间处于关闭状态，学生对实验设备的功能以及设备用途不了解，只能从教材中获取理论知识，实践操作机会很少，无法通过实践环节验证理论知识。 实验室的封闭管理，使得学生求知欲望减退，甚至不愿意去参与科研类的教学活动。 这会导致学生对科研失去兴趣。

2 构建开放式创新实验室运行机制

教育部提出要加强校内实验教学资源建设，构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台。 人工智能时代迅速发展，机械类专业性学科不是单一的学科，而是多学科之间的交叉融合，不同学科专业之间相互协作已是必然之路。 各高校联合企业建立交叉学科开放性实验平台是适应新工科发展的必然趋势，符合创新型人才培养的目标。 校企联动构建综合型开放实验室平台，为企业创新型人才需求培养提供了良好条件，形成纵向衔接、横向联动、相互促进又相互独立的实验教学体系。 以沈阳航空航天大学为例，建立开放式创新实验室，各学科之间学生在各自专业技术上相互交流、取长补短，为新工科院校开放实验教学平台的建设和学生的发展带来了新的机遇。

2.1 实验室预约机制

实验教学是课程的重要教学环节之一，是对理论知识学习的实践检验。 开放式创新实验室不受传统实验固定思维约束，打破只看不做的模式；综合创新型实验室全天开放，实验室设备及其相关文件会在网上发布，学生根据实验室的设备仪器自己设定实验方案，网上提交，教师审核通过后可进行实验。

2.2 实验设备共享机制

目前，高校的实验设备分布在不同的学院与实验室，无法实现资源更好地共享。 为解决上述问题，建立综合性开放式创新实验室可以实现资源的共享。创新开放式实验室进行设备协调与调用，多学科交叉，学生跨学科组队，可以更好地提升学生团结协作能力。 构建开放性自主创新设计实验室不仅可以实现机械类传动机构的创新设计，还可以满足控制类学生的相关创新设计。

2.3 实验教学评价机制

如何评价学生在创新实验中做出的成果，按照新工科标准，根据课程培养目标，制定实验教学课程评价体系，实验成绩评定不再根据学生出勤情况以及实验报告完成好坏作为评价标准。 在开放创新实验中，通过考核学生的方案设计、实验整个过程小组的分工协作、实验过程对问题的解决以及实验完成的情况，把整个创新实验过程作为考核标准，并不是单纯的以实验结果为导向来评价学生实验的成绩。

2.4 创新成果宣传机制

学生团队自主设计完成的创新成果，实验室征求学生团队同意后，制作相应的展板以及通过网络等对其宣传，让学生形成一种自主创新的氛围，不再畏惧创新。 尤其对大一学生早期创新设计思想灌输，激发出学生的创新思维。 学生团队的创新成果每年集中一次进行展示，为其他学生自主创新设计形成一种积极的信号。 学生创新成果可以申请专利，为后续学生继续深造打下坚实的科研基础。

3 开放式创新实验室作品创作模式

3.1 构建创新实践平台

开放式创新实验室教学是以学生为主体，以培养学生创新能力和实践操作应用能力为理念，构建创新实验项目自主设计式教学模式，能够有效地促进实验室资源的开放共享利用。 为让学生更好地实现自主创新设计实验，建立了开放式创新实验平台，学生团队通过线上了解实验平台的功能，独立设计实验方案，提交设计方案，通过后预约进驻实验室，完成创新设计成果。 图1 为传动机构平台实验元件。

图1 传动机构平台实验元件

3.2 团队自主研发创新项目

创新实验作品从申请到方案设计以及最后制作和加工，全部由学生小组独立完成。 开放性创新实验锻炼了学生创新意识、实践操作能力和团队合作能力，学会了新知识与新设计操作方案，增强学科前沿知识的拓展，激发学生探究创造的兴趣。

4 开放创新设计实验室取得成效

以沈阳航空航天大学为例，表1 为创新实验室开放前后机械设计课程期末成绩对比，可以看出实验室开放后2017 届机械3个班级学生的成绩明显高于2016 届机械3个班级学生成绩，不及格率明显下降，学生学习兴趣大幅度提高。

表1 创新实验室开放前后成绩对比分析

由表2 可以看出，创新实验室开放以后，学生自主创新设计的能力与创新思维有了大幅度提高，参与创新实践的人数越来越多。

表2 创新创业项目与竞赛学生参与人数

5 结语

创新实验室开放为学生创新实践提供了良好的设计平台，为新工科创新型人才培养奠定了基础，解决了理论课内实验限制学生创新思维能力的发挥问题，调动了学生的主观能动性，激发出了学生的创新意识，学生创新能力大大提高。 实践证明，创新实验室开放可以大幅度提高学生的学习成绩，提高学生参加创新创业大赛的热情，在实践教学中实现新工科背景下创新创业型人才的培养。