科教融合背景下专业综合实验教学改革

2023-07-24于贺伟，程屾，张兴宇，李欢，刘国富，魏伟

高教学刊 2023年18期

于贺伟，程屾，张兴宇，李欢，刘国富，魏伟

摘要：专业综合实验是提升学生专业综合素质及创新实践能力的有效载体。科教融合为创新人才培养提供新路径。基于齐鲁工业大学（山东省科学院）能源与动力工程专业培养能适应国家能源领域快速发展要求的高级研究、应用型人才的培养目标，该文从优化课程教学设计、创新教学过程、革新考核方式及拓展实验成果产出四个方面，对科教融合背景下能源与动力工程专业综合实验的教学模式进行探索，以期为同类专业综合实验课程的有效实施提供参考。

关键词：能源与动力工程专业综合实验；科教融合；教学改革；创新精神；实践能力

中图分类号：G642 文獻标志码：A 文章编号：2096-000X（2023）18-0139-04

Abstract： Specialized comprehensive experiment is an effective carrier to improveundergraduates' professional comprehensive quality and innovative practice ability. The integration of science and education provides a new way for the cultivation of innovative talents. Based on the training goal of energy and power engineering major of Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences） to cultivate advanced research and applied talents that can adapt to the rapid development of national energy field， this paper explores the teaching mode of Comprehensive Experiment of Energy and Power Engineering Major under the background of science and education integration. In order to provide reference for the effective implementation of the similar professional comprehensive experimental courses， this paper discusses the optimization of curriculum teaching design， innovation of teaching process， innovation of teaching assessment method and expansion of experimental results.

Keywords： Comprehensive Experiment of Energy and Power Engineering; integration of science and education; teaching reform; creative spirit; practical ability

提升创新教育质量是我国高等教育工作中的迫切要求。2018年《教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中强调，强化科教协同育人，要“将最新科研成果及时转化为教育教学内容，以高水平科学研究支撑高质量本科人才培养”[1]。许多高校将为社会培养“创新型”及“应用型”人才作为办学定位，而如何深化创新教育改革、培养学生的创新能力是亟待解决的重要课题。专业综合实验是培养学生创新思维及提升学生创新实践能力的重要途经，旨在对学生所学理论知识和已有实验技能进行全面综合训练，在培养具备解决复杂工程问题能力的创新型、复合型专业人才方面发挥举足轻重的作用[2]。当前，加强科教融合，以专任教师科学研究促进专业综合实验教学改革与创新越来越受到重视。科教融合将大学的两项基本职能“教学”与“科研”融合起来，强调研究性教学与学习，科研要反哺教学[3]。教师将科研成果与实验教学有机融合，构建教学与科研协同发展、相互促进的人才培养新体系，对全面提升人才培养质量意义重大[4]。

能源与动力工程学院是齐鲁工业大学（山东省科学院）（下文简称“我校”）首批成立的科教融合示范学院之一，而能源与动力工程专业作为科教融合特色工科专业，采用“院所一体化”的运行方式和“类研究生”的培养模式，着力提升本科生的行业视野和科技创新能力，为学校“应用研究型”人才培养定位提供有力支撑。在贯彻科教融合理念实施人才培养新模式的需求下，迫切需要对实验课程进行改革，以满足提升学生创新研究能力及综合实践能力的要求。而在传统实验教学中，教学内容相对固定，教师提前将实验设备调试好、实验条件摸索稳定，再要求学生根据实验指导书完成相关实验[5]。然而，能源与动力工程专业综合实验具有信息量大、学科交叉多、知识更新快和实践性强的课程特点[6]，传统实验教学模式束缚了学生的创新思维，不能满足对应用型及创新型人才培养的目标。因此，本文依据课程特点及实验教学改革目标，以我校能源与动力工程专业的实验教学环节能源与动力工程专业综合实验为研究对象，提出科教融合背景下对课程的实验教学设计、教学过程、考核方式和实验成果产出等方面的改革举措。

一课程简介及学情分析

能源与动力工程专业综合实验作为一门独立设课的核心实验课程，也是支撑我校能源与动力工程专业培养应用型高级工程技术人才的办学定位与人才培养目标的专业必修课程。其课程内容涵盖专业基础课程如工程化学、工程材料、科技发展与学科专业概论，专业核心课程如流体力学、工程热力学、传热学，以及专业方向课程如热力设备原理及系统、热工智能控制原理与系统等。本课程授课对象为能源与动力工程专业本科生，课程开设时间是三年级上学期。学生前期已经在先修课程积累了一定的专业基础知识及专业知识，并通过专业基础课程的实验教学环节，掌握了一定的实验操作技能。同时，在学院“类研究生”的培养模式下，学生自进入大学后便参与自己学业导师的科研项目，得到了一定的科研训练，具备了查阅文献的基本技能。此外，部分学生在该阶段已经确定了考研意向，对查阅文献、科研写作训练等方面兴趣较浓。

二教学改革举措

（一）教学设计

在科教融合背景下，根据我校能源与动力工程专业对应用研究型人才的培养目标，在教学设计中牢牢把握“知识传授、能力培养、价值塑造”的培养理念，根据不同实验特点确立相应的知识目标，主要为利用理论课中所学专业知识理解实验中涉及的原理、过程、设计等问题，并掌握文献阅读方法、文献综述、科技论文写作方法[7]；能力目标主要有培养学生的自主获取知识能力、分析归纳总结能力、创新实践能力等；素养目标包括培养学生的可持续发展观、严谨细致的科学精神、团队协作精神，增强学生对本专业的认同感，引导学生树立“矢志创新、科技报国”的远大志向等。依据教学目标，教研室教师结合自己科研工作，将优质科研成果融入到专业综合实验的教学设计中，发展实验教学促进科研创新，科研成果提升实验教学质量的良性循环模式[8]。实验内容设计要着力体现实验训练的综合性、探究性及可行性[9]，同时做到内容新、知识面广。在规定的教学计划学时下，教研室精选四个模块的综合实验主题，分别为燃煤电站烟气脱硝测试实验、固体酸催化剂的设计合成实验、催化剂催化降解易挥发有机物（VOCs）研究、火电机组及其热工控制虚拟仿真实验，并精心撰写了能源与动力工程专业综合实验课堂教学设计。总体思路是由教师拟定实验主题及实验目标，让学生依据图书馆电子资源了解实验课题背景及研究现状，根据前人研究基础自主设计详尽的实验方案，选定实验仪器设备，记录实验数据并分析实验结果，撰写科技论文报告，着力培养学生的科学思维与科研能力[10]。同时在适当教学环节设计融入思政元素，落实“立德树人”根本任务。

以专业综合实验模块燃煤电站烟气脱硝测试实验为例，说明具体教学设计。该实验主题来源于教研室教师的科研课题。燃煤电站烟气脱硝测试实验是能源与动力工程专业综合实验的重点内容之一，该实验的主要内容包括：

1）了解脱硝催化剂的制备工艺，重点掌握氨法脱硝催化反应原理；

2）根据氨法脱硝工艺，设计脱硝反应实验过程；

3）掌握反应气路中配置模拟烟气的计算方法；

4）掌握温度控制、催化剂放置等脱硝实验台操作方法；

5）掌握脱硝效率测定方法，研究反应条件对脱硝效率的影响机制；

6）理解并掌握团队协作与个人的关系，可以合理地分配任务，并高效完成。

鉴于实验素养提升的重要性，教师在实验过程中不应仅仅局限于简单效率测试，通过列举法、启发式引导法等协助学生了解烟气脱硝工艺的最新进展，加深学生对氨法脱硝机制的理解，增强对环境保护的意识。在实验教学中，教师可在催化剂制备工艺、配置模拟烟气、反应条件的设计、脱硝效率测定及烟气脱硝前沿问题等主要环节有机融入思政元素，引导学生利用马克思主义的基本理论与方法分析和解决问题，树立正确的科学精神与科学思维，增强对本专业的认同感，引导其牢固树立“矢志创新、科技报国”的工匠精神与远大志向。具体的教学设计思路如图1所示。

（二）教学过程

在教学过程中，充分体现以学生为中心的教育理念，激发学生学习的自主性。学生组成实验小组，依据实验主题及实验目标，自己了解背景知识，调研实验课题研究现状，然后进行小组集中讨论选定本组的实验题目并设计出具体实验方案，同时对实验采取的原材料、实验过程及实验结果给出预判[11-12]；学生将设计的技术路线及实验方法提交至指导教师，进行可行性审核，教师审核通过后学生可在实验课时或充分利用课余时间自主开展实验并采集数据；在实验过程中遇到问题学生先主动思考解决问题的方法，再与指导教师探讨可行性；结束实验后，学生对采集的数据进行分析，绘制实验图表，经组内集中讨论得出结论，开始撰写实验报告书。教师在实验教学过程中起到辅导与引导作用。典型教学组织实施过程如图2所示。这种实验教学模式，为学生的个性发展、思维开拓提供了一定的空间，有助于提高学生的专业实验技能和科研素养。同时，在教学中可在查阅文献了解专业前沿问题、设计实验方案、小组协作等主要环节有机融入思政元素，培养学生的可持续发展观，增强学生对本专业的认同感，引导学生牢固树立“矢志创新、科技报国”的远大志向，培养学生的团队协作精神。比如，在火电机组及其热工控制虚拟仿真实验中，通过学生查阅国内外相关公开文献报道，引导学生思考在“双碳”背景下火电机组的发展新动态，增强学生科技报国的信心与决心。

（三）实验考核方式

传统的实验考核方式缺少客观性，且考核评价机制较为单一，多采用平时成绩与实验报告成绩的加权成绩作为课程的最终成绩。这种实验考核方式过分强调实验报告，难以激发学生的主动探索与创新精神。因此，在设定了明确的教学目标和实施有效组织的教学过程后，有必要革新专业综合实验考核机制（表1）。能源與动力工程专业综合实验课程建立了知识目标、能力目标及素养目标三位一体的教学目标，考核分值分别占到30%、50%和20%[13]。知识目标考核包括实验方案的设计、课堂提问互动情况、实验课题背景掌握情况；能力目标考核包含查阅文献获取知识能力、实验操作能力、分析问题与解决问题能力、归纳与总结能力等，体现在实验操作情况、实验数据的整理及分析情况、报告撰写情况等；素养目标考核包括实验基本素养、团队协作情况、组员之间的互评等。特别指出，综合实验报告要求学生以科技论文形式撰写，即包含摘要、关键词、实验课题研究背景及意义、实验材料及方法、结果与讨论、总结、参考文献和实验心得等内容，且需根据实验过程记录的数据绘制图表，同时要求学生对实验结果进行深入地探讨和分析，并得出有效结论。

（四）实验成果产出

通过教师科研与专业综合实验的有机融合，学生经历一个完整的科学研究过程。在研究过程中促使学生迸发出新的创意，为学生申报大学生创新创业训练计划项目和参加各类科技竞赛提供素材[14]。在专业综合实验结束后，学生可以继续挖掘值得研究的问题，经过选题、在指导教师的指导和辅助下，确定研究内容和任务、设计实验实施技术方案，撰写项目申报书，积极申报校级、省级及国家级大学生创新创业计划训练项目。另一方面，在教学过程中可以将实验内容进行拆解，在“教”中“赛”，在“赛”中“学”[15]，为学科竞赛积累素材，学生借助完成专业综合实验产出的科研成果，可参与各项学科竞赛，这样能充分调动学生的积极性。专业综合实验与学生创新项目及科技竞赛相结合的方式，对提高学生的自主探究和科研能力，全面提升人才培养质量有着积极促进作用。

三实施成效

通过将教师优质科研成果融入到专业综合实验的教学设计中，创新专业综合实验内容及教学模式，得到了良好的教学效果。在实验过程中，充分发挥了学生的主观能动性，根据实验主题查阅课程研究背景，自主获取知识；同时以小组为单位经过讨论设计实验方案，学生能理解并领会团队协作与个人的关系；在实验过程中动手操作实验，提升实验技能；在实验结束后，学生分析处理实验数据。学生交上来的实验报告，不再是雷同的具有实验目的、实验原理、实验过程及实验结论等板块的报告形式，而是每名学生独具特色的包含摘要、课题背景介绍、实验材料及方法、结果与讨论及实验心得等内容的科技论文形式研究报告，学生的科研实践能力及综合素质得到有效提升。另一方面，教学相长，教师在教学过程中不断思考，促进教师持续掌握最新科研动态，拓展教学广度、加强教学深度，实现实验教学促进科研创新，科研成果提升教学质量的良性循环发展。

四结束语

科教融合背景下能源与动力工程专业综合实验课程改革的重要途径是形成实验教学促进科研创新，科研成果提升教学质量的良性循环机制。依托教师科研成果，构建以学生为主体、以实验课题设计流程为依据的综合实验教学模式，引导学生自觉走上提高科研素养的道路。通过对课程教学设计、教学过程、教学考核方式及实验成果产出等教学模式进行改革，可有效激发学生的探索兴趣和学习自主性，在培养工科专业创新型及应用型人才中发挥举足轻重的作用。

参考文献：

[1] 教育部关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见[EB/OL].http：//www.moe.gov.on/sresite/A08/s7056/201810 /d0181017_351887.html.

[2] 郑超，赵新海，张存生，等.材料成型及控制工程专业综合实验体系改革与实践[J].实验室科学，2021，24（5）：158-163.

[3] 魏伟，张兴宇，程屾，等.科教融合背景下流体力学课程的教学改革与实践[J].高教学刊，2021（23）：150-153.

[4] 贺占魁，黄涛，杨九民.高校科学研究支撑实验教学机制探究[J].实验室研究与探索，2019，38（6）：194-197.

[5] 张小彬，叶宏，程里，等.材料科学与工程专业综合实验课程教学改革初探[J].山东化工，2015，44（23）：108-109.

[6] 贺业光，李延吉，王伟云，等.应用型转型背景下的能动类专业实验教学改革与实践[J].科教导刊：电子版，2020（18）：144.

[7] 朱静，沈国良，班玉凤，等.专业认证下《化工专业综合实验》课程目标达成情况的评价与分析[J].广州化工，2021，49（15）：258-260.

[8] 金元宝，吴丽艳，秦书芝，等.应用型高校药学专业综合实验教学改革与探索[J].教育教学论坛，2021（35）：104-107.

[9] 张倩，李明，王军，等.“新工科”培养模式下自动化专业综合实验构建[J].实验技术与管理，2020（1）：163-166.

[10] 李晓丹，胡心雨.以专业认证为导向的材料专业综合实验教学改革与实践[J].广州化工，2022（22）：168-169.

[11] 周晨亮，赫文秀，吴刚强.工程教育认证对《化工专业综合实验》教学改进的研究[J].广东化工，2021（2）：197-198.