以创新素养培育为导向的实验课程体系及开放式教学模式的研究与实践

井瑞洁，温 璟，商 凯，于 辉，姚 雷，程媛媛，李庆凯

（山东农业工程学院，山东济南 250100）

关于创新素养， 国际上尚未形成公认定义，而像创造性“4P”定义观点、“4C”层次理论等都指出创新素养有其共同内涵。例如创造性的“4P”观点把创造性分为过程、产品、个人、环境四个方面，即创新素养不仅限于知识和能力，而是包含技能、态度、人格等多方面因素。师保国教授曾提出创新素养包括创新品格与创新能力两大方面，将其定义为创新知识、创新思维、创新态度或品格等多方面的综合外在表现。 遵循这一思路，创新素养应涵盖创新意识（创新思维）、创新人格、创新能力等多个方面[1，2]。

学生创新素养的培育是素质教育的具体化和深入化， 必须通过创新教育方式方法来实现，以培养学生的创新精神与实践能力为基本价值取向，着力研究与解决如何培养与提升学生的创新意识、创新思维、创新精神和创新能力的问题。习近平总书记指出，教育“要在增强综合素质上下功夫，教育引导学生培养综合能力，培养创新思维”， 这对加强学生创新素养培育及实验教学改革工作具有重要的指导意义。

1 国内外关于大学生创新能力培养的研究

美国麻省理工学院（MIT）成立之初，就确立了理论与实践相结合，且致力于研究以应用为本的理念，并且于1969 年实施了“本科生研究机会计划” 项目， 开创了本科生科研能力培养的先河[3，4]。 之后美国各大高校纷纷建立了本科生科研活动指导机构， 大力鼓励支持本科生参加科研训练。 我国最早实施本科生科研能力培养的是清华大学的“大学生研究训练计划”。 而后，国内的研究型高校相继开展了类似教学活动。 2007 年，教育部实施了促进大学生创新精神与科研能力培养的“国家大学生创新性实验计划”，将大学生创新精神与科研能力培养上升到国家的高度，成为高校教育教学改革的一个重要方面。

目前国内在大学生创新能力培养方面主要存在以下几种形式：

一是通过鼓励引导学生参与教师科研项目培养科研创新能力。

陈显平（2022）提出引导学生参与科研项目来培养光电工程本科生的创新实践能力[5]；廖小建等（2021）提出鼓励学生参与课题研究等活动提升学生综合素质和科研创新能力[6]。

二是依托学科竞赛、科学创新类项目促进创新能力提升。

钱伟龙等（2022）基于“大创项目”探讨了大学生创新创业能力的培养模式[7]；钟美等（2022）提出通过学科竞赛提升创新创业能力的策略[8]；赵永萍等（2022）提出依托科技创新活动培养大学生创新能力的四级组织管理模式[9]；方赵嵩等（2022） 分析了学科竞赛对建环专业学生创新能力培养的促进作用[10]。

三是以团队培养、产教融合等方式进行创新人才培养。

《“团队式”培养模式对食品类本科生创新能力培养的研究》中提到，通过研究生带队对食品类本科生采用“团队式”培养，使本科生的创新能力得到提升（赵慧君，张振东等，2022）[11]；马婷婷（2022） 提出以产教融合促进大学生创新创业能力[12]；王国虹（2022）结合《能力本位教育：地方农业院校的探索与实践》一书，探讨产教融合与农业院校创新创业人才培养的互动联系[13]。

四是高职教育阶段、研究生教育阶段的创新人才培养。

《基础、提升、实现:当代大学生创新能力培养模式建构》中提到，应从创新教育的教学理念、教学范式、教学评价等环节构建创新教育的教学体系， 通过实践教学实现学生创新能力的养成（山东省教育科学“十三五”规划课题“高职院校艺术设计专业学生‘三段式’创新能力培养模式研究”（YC2019281））（王黎莉， 邱文伟，2022）[14]；易菲（2022）指出目前研究生课程教学与实践创新能力培养脱节[15]。

2 国内基于创新能力培养的实验课程体系建设、实验教学模式的研究

近年来，国内在创新能力培养方面针对实验课程体系、实验教学模式也作了系列研究。 杨平等（2013）提出了以生为本，课程的应用性放在首位，建立开放、研究探索式的实验课程体系[16]；徐胜臻等（2013）构建了立体化有机实验课程体系以促进创新人才培养[17]；张玉等（2016）从教学内容、教学模式、教学评价以及实验教学条件等方面探讨教学与科研融合视角下的食品专业实验课程体系改革[18]；于军等（2016）从医学实验教学的角度提出综合实验课程体系的构建对学生创新意识和实践能力的培养具有重大意义[19]；彭垠婷等（2017）对以培养大学生科学创新能力为导向的实验课程体系进行了探索[20]；曹媛等（2017）以重大科研平台为基础构建出系统层次化实验课程体系[21]；聂三安等（2018）结合生物科学专业综合实验课程的特点探索构建综合性实验课程新体系[22]；康海燕等（2019）以创新能力培养为目标对集成电路专业的实验教学体系进行了探索[23]；王丽华等（2022） 以开设物流系统规划与设计课程为例， 探讨了将创新精神和科研能力元素融入到专业课程教学中[24]；肖付刚等（2022）通过对食品专业进行一系列改革探索，提升了创新创业能力[25]。

3 现状述评

可以看出，国内高校对大学生创新能力培养非常重视，但仍有一定局限性：由于多数情况下依靠学生在实践中自行摸索与领悟，导致出现诸如动手操作兴趣虽然浓厚但实验技能基础非常薄弱，思维虽然活跃但创新、科研思维缺乏等问题。 比如在参与教师科研项目的过程中，由于大多数情况下学生只是承担某项具体的实验工作，因此只能接触到科研项目的局部，而对于科研项目的来源、选题依据、整体设计等缺乏全面了解，科研与创新思维没有得到很好的锻炼；在开展大学生创新创业项目的过程中，则受限于科研创新素养欠缺，例如缺乏扎实的实验功底、严密的科研创新思维等，因此难以产出优秀的创新性科研成果。

虽然部分学者以提升创新能力培养为目标对实验课程体系、 实验教学模式进行了系列研究，但多是针对某一专业、某一课程单独进行研究，且不够系统。 目前将实验课程体系与实验教学模式相融合进行创新素养培育的研究鲜有报道，针对农工专业大类的创新素养人才培养研究则更少。

基于此，为有效促进大学生创新素养的培育与提升，必须依托于设计科学规范、教学目标明确的系统化的实验教学体系。

本文在归纳总结前人相关研究成果的基础上，关注实验课程体系与创新素养人才培育的深度融合，探索时间空间、实践内容、仪器设备“三开放”的实验教学模式。 实验课程体系作为人才培养方案的核心，直接关系到人才培养目标的实现与人才培养质量的提升；并且在开放式教学培养模式下， 不仅可以促进理论与实践有机融合，提升学生的实践操作能力，同时还可以培养学生的科研与创新思维，提升科研与创新能力。

4 建设思路

山东农业工程学院根植农业教育、服务区域经济社会发展，培养应用型人才，初步形成了“农工融合”的办学特色，以开设实验课的农工科专业为研究对象，对其实验课程体系及实验教学培养模式进行探究。 以创新素养为导向，以实验项目为基础，按照人才培养方案要求，遵循学生认知与能力培养的规律，循序渐进，依托基础性实验、综合设计性实验、科研创新性实验三个层次构建实验课程体系； 依托实验教学管理系统，通过优化实验教学指导书、 建设完善实验项目库、创新实验教学形式等方式，提出优化策略和具体的实施方法， 探索开放式的实验教学培养模式。（见图1）

图1 建设框架Fig.1 The framework of construction

5 实验课程体系的构建

5.1 以实验项目为基础， 以培养学生应用创新能力、科研素养为目标，构建实验课程体系

一是层次化实验项目体系建设（实验项目建设与设置）。

结合应用型人才培养方案要求，优化实验课程教学大纲，科学合理设计实验项目，整合实验项目资源。注重设置综合性、设计性实验，增加综合性、设计性和创新性实验项目数量，在实验内容方面注重与教师的科研项目、学生的科技创新活动、毕业设计（论文）及企业社会需求相结合，同时结合人才自主培育的特点，设置部分选做实验项目，建立基础性实验、综合设计性实验、科研创新性实验相结合的层次化实验项目体系。

二是实验课程体系设计。

将大学生的创新素养培育分为3 个阶段：分别为基本素养、创新思维、创新能力。低年级阶段（大一、大二）：注重培育学生的基本素养，主要包含专业基础知识、实验基本技能等，偏重激发学生的创新意识，培养动手能力；中高年级阶段（大二、大三）：本阶段学生已具备基本素养，重点培育学生的创新思维，以综合性、设计性实验为主，促进创新思维的开发与提升；高年级阶段（大三、大四）：本阶段学生已经初步具备设计能力，主要培育学生的综合素质与创新实践能力，学生通过完成具备探索性的实验， 全面促进其创新意识、创新思维及创新实践能力的提升。

三是实验课程设置。

以实验项目为基础，在实验课程设置方面分为3 个层次：

第1 层次：面向低年级阶段学生开设基础实验课程，夯实学生实验技能基础。

打破传统基础实验侧重验证理论知识、实验技能单一的缺陷，对基础实验进行改革，以夯实实验基本技能为目标，提升规范化操作实验项目比例，丰富基础实验项目形式，为满足学生在高年级科研创新活动中的多样化实验技能需求奠定基础。

比如食品质量与安全专业的实验课程《食品微生物学实验》中共收录了6 个实验，包括普通光学显微镜的使用技术、食品中常见微生物的观察和识别技术、微生物的制片、染色、计数与镜检技术、培养基的制备和灭菌技术、微生物消长测定技术等方面的内容， 通过本实验课程的学习，可以使学生巩固和加深食品微生物学的理论知识，熟练掌握研究微生物的基本实验技能、实验方法，规范实验操作。实验项目“基于培养介质的微生物消长的测定”的引入，可拓宽实验操作技能的范围， 初步锻炼学生的科学研究及创新能力；学生通过观察不同材料、进行各项操作、分析实验结果、完成实验作业等环节，进一步加强独立分析问题和解决问题的能力，并提高实验动手能力。 同时注重培养学生实事求是、严谨认真的科学态度和良好的实验习惯，为今后的学习工作夯实基础。

第2 层次：面向中高年级阶段学生开设综合设计类实验课程，强化培育学生创新思维。

创新思维是推动科学研究的动力，科学研究的过程就是科研创新的过程，而科学研究中的核心阶段就是研究方案的设计，在方案设计过程中可以很好地锻炼学生的联想思维、 发散思维、综合思维、批判思维、逆向思维等创新思维，因此针对有一定专业知识基础的学生，以综合性、设计性强的实验项目为主要实验教学形式，在实验教学内容方面适当融入本专业的科研成果，加大科研成果转化为实验和实践活动的力度，可有效培养学生的科学创新思维。

比如食品科学与工程专业的《食品微生物检验A》课程收录了2 个实验，包括食品样品的采集、处理及大肠菌群的检验和食品中金黄色葡萄球菌的检验， 两个实验均为综合设计性实验，通过该实验，学生能够针对某一食品查找、解读国标， 选择所需检测的微生物指标并进行实验设计，掌握相应的样品处理方法和检验方法，能够对数据进行记录、处理和结果报告，培养严谨认真的科学态度以及良好的团队协作能力，提高学生实验设计能力及科研逻辑创新思维能力。

第3 层次：面向高年级阶段学生开设科研创新性（综合探索性）实验课程，促进学生综合素质与创新实践能力的提升。

针对具备一定专业素养及科研设计能力的高年级学生，开设由学生自主选题、自主设计、自主实施完成的科研创新性实验，培养学生的科研创新实践能力。 科研元素贯穿于整个实验过程，学生可以具备的科研基本素养、创新思维为基础进行科学创新实践。

比如农业科技创新实验中心开设的《设施蔬菜栽培学实验》——设施黄瓜品种比较实验计划制定、实施、测产评价，《茶树栽培技术》——茶树短穗扦插穴盘工厂化育苗技术；基础兽医实验室开设的《基础兽医学实验》——未知抗菌药物对大肠杆菌体外抗菌活性的测定；植物生理学实验室开设的《植物与植物生理实验》——盐胁迫对种子发芽率的影响，《工厂化育苗原理与技术》——蔬菜嫁接育苗技术；植物病虫害标本馆开设的《园林植物组织培养》——组培苗的增殖与生根培养；畜产加工实验室开设的《食品生物化学A 实验》——唾液淀粉酶活性的影响因素； 食品科学与工程专业的《食品营养学课程设计》——膳食营养素需要量的确定及膳食调查等实验课程，以研究设计为主要内容，在实验开展过程中教师会给予学生足够的发挥空间， 结合科研项目、科技前沿、社会需求等设定选题，让学生围绕选题查阅有关文献资料，自拟实验题目，设计实验方案，明确实验目的，根据方案进行实验仪器、实验药品、耗材等的选择，实验分组及任务分工、不同实验阶段的安排等，对科研创新思维的提升起到很好的锻炼作用。

以3 个层次实验课程为主体，构建符合创新能力发展规律的实验课程体系，现以食品科学与工程专业的实验课程体系设置为例，具体见图2。

图2 基于创新能力发展规律的实验课程体系（食品科学与工程专业）Fig.2 The experimental curriculum system that conforms to the development law of innovative literacy of college students (Food science and engineering)

图3 实验课程支撑资料Fig.3 The Supporting datas of experimental courses

图4 实验项目支撑资料Fig.4 The Supporting datas of experimental projects

图5 动态实验项目基本库Fig.5 Dynamic library of experiment projects

图6 基于实验项目的多维度实验课表Fig.6 Multi-dimensional experimental class schedules based on experimental projects

图7 实验运行监控——实验完成进度Fig.7 Experiment operation monitoring - experiment completion progress

图8 实验室与实验教学综合服务平台Fig.8 Integrated service platform of laboratory and experiment teaching

6 开放式教学模式的探索

6.1 创新实验教学形式

一是在课堂实验教学中培养学生的创新思维与能力。

课堂实验教学是对学生进行科学性训练的中心环节，在实验课程体系的基础上，通过教学活动锻炼学生的基本技能与创新实践能力，让学生学会各种创新实践与研究方法，培养学生的专业素养。

（1）采用多种教学方法，激发学生的创新思维和创造力。坚持以学生为中心，以师生互动、生生互动为原则，针对不同类型的实验课程，分别采用讲授、启发研讨、翻转课堂、任务驱动、演示参观、虚拟仿真、线上线下混合教学等多种教学方法开展实验教学。

（2）在实验教学开展中，注重突出学生的主体地位，教师主要是对实验过程进行指导，同时加强对课前、课中、课后三个阶段学习过程的管理，以此提升学生的创新思维与实践能力。

二是优化实验教学评价模式，在评价标准中突出创新。

教师对学生的评价注重多元化，综合课堂表现、专业素质、实践能力及实验操作的创新性等给予恰当评价。尤其是针对学生实验过程中表现出的创新意识、创新思维，教师应及时肯定，并引导协助其发展。

2022 年10 月，依据中共中央、国务院《深化新时代教育评价改革总体方案》 和山东省教育厅 《关于推动课堂教学改革全面提高普通本科高校人才培养质量的通知》（鲁高教字〔2022〕4号）等文件精神，学校制定了《关于进一步加强学业评价改革的实施方案》， 通过本方案实施，进一步加强了学习过程管理， 提高了创新素养人才培养质量。

在教学评价过程中， 进一步强化过程管理，推行全过程学业评价，优化“非标准答案”考核方式，实现从“考核知识为主”向“能力和知识并重”转变，科学合理测评学生学习效果。 评分标准向引导独立思考和创新转变， 考核中加强 “应用型”、“开放型”、“创新型”命题比例，主观题的评分标准有弹性，允许有不同见解的答案，考核时关注答题的思维过程。将独立思考和创新因素作为重要的评分标准，对学生具有创新的、探讨性的观点给予充分肯定。现以《食品微生物学实验》课程考核方式为例，具体见表1。

表1 《食品微生物学实验》课程考核实施方案Table 1 The implementation plan of "Food Microbiology Experiment" course assessment

三是开放实验教学场所。

学校正式建制的各类教学科研实验室，在完成正常教学与科研任务的前提下，充分利用现有师资、仪器设备、实验室环境条件等教学资源对学生开放。在课余时间有针对性地对学生进行开放和指导，作为计划内实验教学的一种有效的补充和延伸。

（1）学校有计划地遴选开放实验项目。

（2）大创项目，学科竞赛，创新创业活动，毕业论文（设计）。

（3）支持本科生参与科研活动，早进团队，早进课题组，早进实验室。

突破课堂实验教学学时的限制，以及学生能力间的差异，为学生提供实践锻炼和自主发展空间，提高学生的动手能力和创新能力。

6.2 依托实验教学管理系统， 探索开放式的实验教学培养模式

实验教学管理系统以实验项目为主线，以“教师—学生—实验室”为主体，紧密贯穿实验教学体系、实验教学准备、实验教学过程、实验教学质量等各教学环节， 体现出实验教学的动态性、层递性和系统性，形成一体化的实验教学管理体系。

一是建设完善实验项目库，规范实验项目管理。

（1）根据人才培养方案制定实验教学大纲，根据人才培养需要和实验室实际情况，科学合理设计实验项目，做到“十明确”：明确教学目标，明确实验原理， 明确实验内容，明确方法步骤，明确实现条件，明确所需耗材，明确实验分组， 明确学生作业，明确考核要求，明确考核标准。

（2）规范实验项目审核程序， 组织校外专家对实验项目合理性（重点对综合性、设计性、创新性项目）进行审核、论证。 按照课程负责人提出方案、编订实验教学大纲、 组织专家对实验项目合理性进行审核、论证、提交开课学院（教研室）审查批准、报教务处备案的程序进行实验项目审核。

（3）以实验项目为基础，认真编制《实验（实训）指导书》。

（4）教学主管部门依托实验教学管理系统，建设完善实验项目库，实施动态管理。

依托实验教学管理系统， 以实验课程为单位，建设实验教学大纲、实验（实训）指导书等学习资料。

依托实验教学管理系统， 以实验项目为单位，建设该实验项目开出所需设备、耗材、房间等资料。

以实验项目为主线，形成动态实验项目库。

二是加强实验教学过程建设， 规范过程管理， 规范实验项目开出， 切实保证实验教学质量。

（1）严格按照实验教学大纲， 开足实验项目。

多维度实验课表中可体现出实验项目名称、 授课教师、授课时间、授课地点、选课学生详情等信息， 实现实验教学的精细化管理。

通过实验运行监控的实验完成进度情况， 可显示所有排课模式的实验任务完成情况： 排课比例的统计规则是任务下每个学生安排的实验项目与学生之和等于实验任务学时，此时为100%，一般不到100%的原因是有学生少安排或未安排实验， 或实验项目安排学时之和不足教学任务学时， 认为实验开设不足。

（2）规范实验准备、实验指导、实验报告、实验考核各环节，保证实验项目规范开出。

①做好实验教学准备：教务处等教学主管部门设置教学任务，教师基于实验课程选择教学大纲、 实验指导书和实验项目， 并基于实验项目进行实验排课、实验分组等；

②规范实验教学过程： 教师进行实验预习管理、 学生签到管理、实验过程指导、实验报告批阅和实验成绩管理等；

③保证实验教学质量： 教学主管部门及二级学院教学实验中心对实验完成进度、选课完成情况、成绩录入情况进行监控， 管理系统统计汇总项目开出率、 实验室使用率等实验教学有关数据。

（3）认真及时做好实验教学资料归档。

三是与实验室开放管理系统、 大型仪器设备共享平台结合，做到时间空间、实践内容、仪器设备“三开放”，形成开放式实验教学培养模式。

（1）依托实验室开放管理系统及实验室开放管理办法，实行开放实验项目立项制—实验场所预约制—学生“第二课堂”积分制，激励教师、学生积极参与实验室开放，形成开放式实验教学的有效补充。

（2）依托大型仪器设备共享平台及大型仪器设备开放共享管理办法， 实行实验预约制-专人负责制-科研教学共享制， 既实现了大型仪器设备的正常运行与高效利用，又锻炼提升了学生应用仪器设备开展实验的创新能力与操作能力。

7 实践成效

通过多年的探索与实践，学校农工类专业初步形成了层次清晰的开放式实验教学模式。目前全校有47 个实验室（建制实验室）对外开放，近2年教师、学生申报开放实验项目数、大学生创新创业项目数、自主预约开放实验室人次数、大型仪器设备共享率逐年递增。2022 年、2023 年大学生申报校级创新项目累计134 项、创业项目累计34 项，2023 年校级大学生科技创新重点项目立项37 项，举办2023 年第十届山东省大学生科技创新大赛校赛并评选出102 项项目参加省赛；2023 年， 学校大型仪器设备校内共享学时达6831.2h。

通过实验课程体系与实验教学模式的改革，学生的实践能力与创新能力得到明显提升。通过调查，62.7%的学生表示通过该实验课程体系提升了学习兴趣，68%的学生表示该教学模式提升了自主学习能力，83%的学生表示提升了实验操作技能，75%的学生表示提升了对所学知识的综合运用能力，72.4%的学生表示提升了创新思维与创新实践能力，77%的学生表示提升了团队合作能力。

本文主要从实验课程体系、 实验项目体系、实验教学创新形式、开放实验教学场所、实验教学信息化管理平台五个方面，深入探索了创新素养培育为导向的实验课程体系及开放式教学模式。 通过实验教学改革，学生不仅能够系统掌握专业知识与技能， 而且创新能力得到有效提升，可以更好地满足国家、社会与企业需求。 我们将继续探索并不断完善实验课程体系与开放式教学模式，推动应用型创新人才的自主培育， 以期对其他地方院校的创新型人才培养改革提供借鉴。