新工科背景下实验室建设与创新型人才培养——以土木、水利与海洋工程专业为例

白春妹

（中山大学土木工程学院 广东 珠海 519082）

2017 年以来，教育部积极推进新工科建设，与传统工科相比，新工科被赋予了很多新内涵[1-2]，新工科以交叉融合为特色，通过协同共享培养创新型和具有多元化知识的卓越工程师，从而提升国家竞争力，服务于新经济发展。在新工科建设理念下，高校面临新的机遇和挑战，高校实验室建设管理也应积极改革以适应新工科培养创新型和复合型人才的需求。新工科建设对创新型实验室提出了新的改革要求，尤其体现在实验室开放管理、实验师资队伍建设等方面[3]。本文以中山大学土木、水利与海洋工程专业为例，探讨新工科背景下实验室建设如何更好地服务于创新型人才的培养。

1 新工科背景下高校实验室建设面临的新机遇与新挑战

在新工科建设理念下，多学科交叉融合已成为新常态，实验室建设与管理也面临新的机遇与挑战。土木、水利与海洋工程专业作为新工科建设的主要专业之一，以培养“大土木”创新型人才为目标，是一门跨学科交叉融合的工程学科，具有很强的实践性和广泛的就业前景[4-5]。土木、水利与海洋工程专业在“大土木”创新型人才培养过程中，必须注重实验和实践教学环节，因此必须重视“大土木”创新型实验室的建设。

传统高校土木工程实验室建设存在一些不足[6-7]，主要体现在以下几个方面：①实验室管理相对封闭，贵重设备共享率及使用率偏低，对外开放程度不够，造成一定程度设备资源的闲置和浪费。②实验室信息化程度不高，传统土木工程实验室在实验室准入预约使用、实验室安全管理、仪器设备预约使用等方面的信息化手段利用率偏低，无法有效满足新工科发展的需求[8]。③实验室师资队伍的科研水平相对较弱[9]，目前高校实验技术人员绝大多数是本科或者硕士学历，研发水平有限，难以将高校实验室科研和知识创新的作用发挥到最大化，影响对高水平人才的培养。④多学科交叉融合性的实验室建设欠缺，新工科建设强调多学科交叉融合，对人才培养模式也提出了新要求，而传统土木工程实验室在学科交叉融合方面仍显不足，难以适应新工科创新型人才的培养需求。

2 实验室建设需适应新工科背景下创新型人才培养的新要求

新工科建设背景下，土木、水利与海洋工程专业以厚基础、宽口径、强实践、广交叉的人才培养模式为目标，积极推动落实新工科建设对复合型人才培养的需求，从而更好地服务于我国高速发展的工程建设。在土木、水利与海洋工程专业人才培养中，需打破传统土木、交通、水利、海洋等院系之间的专业壁垒，建设一系列具有交叉融合特色的实践创新实验室。中山大学土木工程学院将土木与水利、交通和海洋工程等学科融合发展，以“水土交融”为特色，在进行充分专业论证的基础上，重点发展基础设施运维、地下空间工程、海洋土木工程、水资源水生态、河海动力过程、城市水务六个学科方向，努力建设一流的“大土木”工程学科，培养构建人类美好家园的卓越工程师和科学家。为服务于创新型和复合型人才培养目标，中山大学土木工程学院建设了一系列实验室如图1 所示，包括混凝土结构实验室、土木工程材料实验室、材料力学实验室、岩石力学实验室、虚拟仿真实验室、水力学实验室、城市水务实验室、水环境生态实验室、河海动力实验室、近海与海岸岩土实验室、绿色水泥基实验室，以及中山大学河南研究院平舆试验场等。在未来几年内，学院将陆续再建设一些特色创新型实验室，比如智能建造实验室、海洋工程环境实验室等（图2，p59）。学院已建及待建实验室将有力支撑中山大学土木工程学院六个学科方向的发展，更好地服务于新工科背景下创新复合型人才的培养。

图1 中山大学土木、水利与海洋工程专业的实验室体系建设模块

图2 中山大学河南研究院平舆试验场的部分图片

2.1 建设虚拟仿真实验室，创新实验教学模式

实验室是人才培养的重要阵地，在土木、水利与海洋工程专业人才培养过程中，需打破传统专业的壁垒，将计算机、人工智能、大数据、VR/AR技术等信息化手段充分应用于土木、水利与海洋工程领域，构建专业性的虚拟仿真实验室，建设交叉融合的实践创新课程。在新工科交叉融合课程的建设中，需加强建设虚拟仿真实验，以便更好地辅助教学，尤其对于危险性较高的实验或其他不便于实验室内操作的实验项目。通过将虚拟仿真实验和传统实验进行有机融合，为学生提供“虚实结合”的教学体验，从而开拓学生的创新性思维，丰富实验教学模式，增强学习兴趣，提升教学效果。中山大学土木工程学院虚拟仿真实验室目前配置有LED 巨幅大屏幕、建模渲染服务器、三维激光扫描仪、无人机、高性能工作站、VR眼镜等设备，能够同时满足50 人进行复杂的BIM模型建模渲染以及相关户外数据模型信息采集等工作。目前，学院虚拟仿真实验室已建成一系列虚拟仿真实验系统，涵盖地下空间工程、岩石力学、土力学、水力学等多学科实验模拟仿真，未来还将对接河南研究院平舆试验场的大型足尺实验的虚拟仿真模型，建立起较为完善的“大土木”行业虚拟仿真实验系统，服务于“大土木”创新型人才培养。

2.2 积极推动实验室信息化建设并扩大实验室开放

高校应积极推动实验室信息化建设，打破不同学院之间相互独立、各自为政的现象。学院内部不同专业实验室之间也应打破相互独立的现象，增强实验室之间的资源共享、优势互补和协同创新，进一步促进交叉融合发展。新工科建设需充分利用信息化手段对实验室管理模式进行改革，通过创建实验室与仪器设备共享平台，使实验室和仪器设备面向全体教师和学生开放共享，充分提高实验室和设备的使用率，鼓励学生开展交叉融合的综合性实验，进一步提升人才培养水平。图3 是中山大学土木工程学院实验室与仪器共享平台的主页，通过共享平台，学生可查看任何实验室的仪器设备，根据教学科研需求，预约使用相关的实验室和仪器设备。相比于传统纸质申请手段，通过信息化共享平台进行预约使用，所有的实验室和仪器设备的信息更加透明，有利于扩大实验室的开放程度，也更有利于促进学科之间的交叉融合。

新工科建设背景下，实验室信息化建设还体现在实验室安全管理方面。实验室安全管理是新工科建设的重要保障[10]。为保障实验室的安全管理，需建立学校、学院和实验室三级联动安全责任体系，明晰实验室各主体的安全责任。中山大学先后出台了一系列规章制度，包括“中山大学实验室管理办法”“中山大学实验室安全管理办法”“中山大学实验室安全管理委员会议事规则”“中山大学实验室安全责任追究实施细则（试行）”“中山大学实验室安全准入培训和考核工作实施细则（试行）”等制度文件，从而保障实验室的安全运行和管理。此外，中山大学还建立了信息化的实验室安全管理系统，可实现对实验室内重点区域的监控，比如危险化学品存放区，及时发现异常并通知相应人员，最大限度地降低安全风险，保障实验室的安全。

2.3 提升实验室技术人员水平

实验师资队伍是高校师资队伍不可或缺的一部分，高校应积极引进高水平、高学历的专业技术人才充实到实验技术人员队伍中。不断提升实验技术人员的专业水平和业务能力，鼓励实验技术人员参与教学科研项目，组织实验技术人员参与各种培训和学术研讨会，开阔实验技术人员的视野，紧跟科学技术进步的步伐。促进实验教学改革，通过设立实验教学改革项目，鼓励实验技术人员主持或参与实验教改项目，将思政元素引入实验课程中，探索新工科创新型人才培养的新思路和新方法。鼓励有科研能力的实验技术人员申报和承担科研项目，提高实验技术人员的科研能力和专业水平，只有不断地学习新知识、新技术和新方法，才能更好地服务于实验教学和创新型人才的培养。通过提升实验技术人员的待遇和地位，充分调动实验技术人员的工作积极性，可起到保证实验技术人员稳定性的作用。中山大学高度重视高层次专业技术队伍的建设，通过设置了“百人计划”专业技术人才岗位，加大引进高水平专业技术人员进入学校的实验技术人员队伍。优质的专业技术人员队伍是满足国家重大需求、学科发展，以及创新型人才培养的重要保障。

3 结语

土木、水利与海洋工程专业作为新工科建设的主要专业之一，以培养“中国特色、世界一流”的“大土木”创新型工程人才为目标。新工科建设背景下，高校实验室建设与管理也面临新的挑战，需不断进行创新改革，以满足新工科对多学科交叉融合和信息化的要求。中山大学土木工程学院将土木与水利、交通和海洋工程等多学科融合发展，突出“水土交融”的特色，重点建设了一批具有交叉融合特色的实验室。在土木、水利与海洋工程专业人才培养过程中，充分运用计算机、大数据、VR/AR 等信息化技术到土木、水利与海洋工程领域，构建虚拟仿真实验室，服务于“大土木”创新型人才的培养。此外，新工科建设还应积极推动实验室的信息化建设，通过建立实验室与仪器设备共享平台，扩大实验室和仪器设备的开放程度，提高实验室和设备的使用效率，鼓励学生开展交叉融合的综合性实验。实验室安全管理系统是信息化建设的另一举措，可实现对实验室内重点区域的监控，降低安全风险，进一步保障实验室的安全。新工科建设还应进一步提升实验技术人员的水平，优质的实验技术人员队伍是培养创新型人才的重要保障。鼓励实验技术人员承担或参与教学科研项目，积极促进实验教学改革，提升实验技术人员的科研能力和专业水平，提高实验技术人员待遇，充分调动实验技术人员参与创新型人才培养的积极性。