开放环境下的学生自主实验模式构建与实施

陈盈 ，陈磊

(1.台州学院 数学与信息工程学院，浙江 临海 317000；2.淮南师范学院 计算机与信息工程系，安徽 淮南 232038)

随着科技和信息化的快速发展，各个领域的关键技术和知识不断更新，对各种专门人才的需求也越发迫切。作为专门培养具有创新精神和实践能力人才的高等教育，对研究性领域和应用性领域向来是齐头并重。因此，除教给学生必备的专业知识的理论教学，实验教学作为培养学生实践能力的主要组成部分，与课堂教学一起被认为是目前培养专业能力的重要途径，也是学生巩固所学理论知识、接受工程素质训练、展现个人创新能力、达成就业愿景的必经之路①于延,张军,周国辉等：《面向应用型人才培养的开放式实验教学模式》，《计算机教育》2010年第16期，第 127-130页。。就某些工科课目而言，实验教学的重要性甚至超过理论教学。

如何在有限的实验课时里，构建合适的实验教学内容和教学方式，使学生能掌握新知识新技术并应用于实际，实现教育部“卓越工程师教育培养计划”②教育部：《教高[2011]1号:关于实施卓越工程师教育培养计划的若干意见》2011年,http://www.moe.edu.cn/publicfiles/business/htmlfiles/moe/s3860/201102/115066.html.提出的强化培养学生的工程能力和创新能力，具有十分重要的意义。

1 传统实验

传统实验教学被视为理论教学的辅助手段，其目的在于帮助学生掌握与验证较为复杂或不易理解的理论知识。随着各高等院校对实验教学的逐渐重视，已开始提出一些基于应用型人才培养的实践工程案例教学方法，但在教学模式上则依然多采用传统教学目标定位下的实验教学方法。从教学效果上看，存在较大的不适应性，有以下不足：

（1）教学内容不系统

传统的实验教学侧重于学生的单项技能和对知识的验证，在内容设置上存在一定的局限。各实验内容过于独立，缺乏将各知识点串联起来的机制，也缺乏让学生系统学习、深入钻研、综合运用各实验知识点与技能的主线。

（2）教学模式少改革

虽然目前有实验教学改革的呼声，但多数院校的教学方法和流程依旧类似，如图1：

图1 传统实验教学流程

从学生预习，完成预习报告，到实验前教师详细讲解实验原理、步骤等，到学生操作，进行实验过程，直到最后完成实验，撰写实验报告，教师批，整个实验过程中，学生无需思考，甚至不需要掌握原理，只需按照实验指导“依样画葫芦”，记住实验方法和步骤。这样的教学模式固然可以使学生熟悉一些基本操作技能，但对于学生分析和解决问题的能力并无提高，对学生思维，尤其是创新能力的培养存在很大的局限性。

（3）教学资源欠充实

虽然各校设备处每年都不断投入实验教学资源建设，但某些学科的实验教学过程中依然存在教学资源欠充实的问题。如计算机网络实验，摩尔定律作用下的硬件设备更新极快，今年上报设备处的实验器材，待第二年采购后配置到实验室，已然落后于社会应用实际。另外，部分设备由于贵重而采购数量较少，在固定的实验课时内也导致了学生参与的机会偏少等问题。

2 开放环境下的自主实验

实验教学建设是一项专门工程。培养既适应社会需求、具有创新意识，又适应技术革新、具有实践能力的高素质专业技术人才是实验教学的最终目的所在。在实践中，我们探索了基于开放环境的学生自主实验教学模式，取得了不错的成效。

2.1 开放环境

开放环境①白云,柴钰：《加强开放式实验教学培养学生的创新能力》，《实验室研究与探索》2010年第8期，第109-112页。是指在实验教学过程中，所有实验资源向学生开放,让学生成为实验主体的实验环境。开放环境能有效锻炼学生的实践与工程创新能力、培养学生的综合能力。开放环境的内涵是实验教学的开放性,即:实验教学的主体、目标和方式是开放的，同时实验教学的资源、内容和时间也是开放的。这种开放性是基于实验教学方式的多样性、人才的个性化和发展目标的多元化等因素②吴旭,陈仁安,魏德志等：《构建开放式实验教学体系的实践及研究》，《中国现代教育装备》2012年第1期，第30-32页。。开放环境的内涵如图2所示：

图2 开放环境内涵

（1）主体开放。是指各类实验室利用现有的可用资源，面向广大在校学生或科研与技术人员开放使用。实验不再限制专业和年级，只要是对科研有兴趣，愿意通过实验发现和解决问题，都可以作为实验的主体。

（2）目标和内容开放。是指可根据实验目标选择实验内容。学生根据关键的知识点，可自行设定实验目标，自主命题，并确定实验内容。教师需要做的，是设计并提供大量的与相关学科的最新发展紧密衔接的知识点，允许学生到教师那里找实验问题，甚至直接参与教师的科研项目。

（3）方式和资源开放。是指完成实验的方式和途径可由学生自行选择，既可用实物实践，也可虚拟仿真，只要最终能达成实验目标，解决实验问题即可。实验室的仪器设备、实验材料等资源均向学生开放。

（4）时间开放③王志军：《也谈开放式实验教学》，《实验室研究与探索》2010年第3期，第98-99,126页。。是指实验室开放运行，学生根据需要，通过电话、网络和直接到实验室预约等方式自主安排实验时间。

2.2 自主实验

自主实验④秦娥,李卫锋：《计算机网络实验平台下自主实验的探索与实施》，《现代计算机》(专业版)2012年第6期，第33-35页。，是以学生为出发点，学生对实验享有充分的决定权，在完成基本的技能实验后，自主思考实验内容的多样性，针对某一问题提出具体的解决方案。自主实验是在开放环境下，学生自主拟定实验题目，根据实验内容提出实验所需仪器设备和材料，并最终在自主安排的实验时间内独立或合作完成实验。

自主实验需要学生在熟练完成基础实验的前提下，能独立提出对于某个问题的解决思路和方案，并设计实验。

自主实验是实现学生创新能力培养的重要方面，通过启发并培养学习兴趣，让学生保持积极的心态，主动获取所要学习的知识，对于发掘和提升学生的学习潜能，促进学生的自主发展、全面成长，进一步掌握所学知识的脉络体系等都具有显著的积极意义。

3 基于开放环境的自主实验模式

3.1 模式构建

根据开放环境和自主实验的要求，我们构建了基于开放环境的学生自主实验教学模式，如下图3所示：

图3 基于开放环境的自主实验模式

我们曾在文献①陈盈,董毅骅,陈垚至：《基于开放式实验的学生工程能力培养》，《计算机教育》2012年第3期，第7-10页。中提出过实验分级体系的概念，图3进一步给出了针对开放环境的实验分级体系下的自主实验模式架构，包含两个层次：

（1）实验层次。从基础实验到综合实验，再到专业实验。这三种类别实验的区分在于，基础实验以验证性实验为主，以掌握某个或某些技能点为目标；综合实验以交叉性实验为主，以课程所涉及的两个或多个技能点的交叉应用为目标；专业实验则以设计性实验为主，由学生自行设计实验方案并加以实现、以熟练运用某个或某些技能点为目标，实际上已具备自主实验的雏形。

（2）知识技能层次。实验的本质是知识点的实践。由相应的实验内容出发，根据知识点的难度分解与分级，对于“基本知识点、交叉知识点和专业知识点”，提供 “基本技能、进阶技能和创新技能”的分级架构。针对知识点和技能的逐步深入，从提供较详细的指导，到根据掌握的基础知识点熟练运用并解决前后知识点和技能交叉后形成的新问题，再到结合给出的一些知识点提示自行设计并完成具有一定难度或复杂度的任务。

在实验层次和知识技能层次都达到熟练掌握的程度后，最终可进行自主实验。以培养学生一定的主动学习能力以及团体协作能力为主，在知识点和技能上则着重以初步的综合、专业的知识点和技能为目标，要求自主完成。通常在自主实验中会包含一些不能应用已学知识或技能所解决的技术难题，以培养学生的分析与解决问题的能力，并借此引申出下一阶段的基本实验，形成知识环。

3.2 模式实施

根据开放环境下的学生自主实验模式，我们在完成分级实验体系的两个层次中的基本知识点和技能的要求后，开始实施自主实验模式。

在具体流程方面，我们改进并完善了文献②邓于：《高校开放实验教学管理模式探索》，《重庆文理学院学报》(自然科学版)2012年第1期，第90-93页。的做法，提出了如图4所示的自主实验实施流程。

图4 自主实验实施流程图

从知识点的公布，到学生选题，再到学生自行设计并完成实验方案，然后学生到实验室预约时间并完成实验，最终提交报告并在教师批阅后获取成绩，整个流程条理清晰，逻辑分明。此外，我们在自主实验模式实施过程中采取的一些机制革新也取得了较好的效果：

（1）优化自主实验机制。在基础实验阶段的自主实验，采取实验室开放，但是实验不开放，即学生可以对基础实验反复进行操作，但不能选择新的知识点，是一种有限制的自主实验。在综合交叉实验和专业设计性实验阶段后，则同时进行实验室开放和实验开放，学生可真正自主实验。

（2）建立沟通指导机制。虽然自主实验以学生为本，但教师提供及时而全面的指导则是创新实验活动得以顺利开展的保证。我们采用项目驱动法的方式提供全程指导，根据实际情况，定期开展讲座或第二课堂，学生小组以项目形式对其当前研究进度和待解决的问题给出报告。为充分体现自主实验环境的时间开放性，我们建立了专门的网上自主实验讨论区，通过发帖和回复等方式提升师生沟通。

（3）改革成绩评价机制。为了激发学生的学习兴趣，提高实验主动性并促生其成就感，我们和教务处协调之后，提供了自主实验的课外学分评价体系。凡经教师批改实验报告成绩达到良好以上者，可在申请后获得与其实验贡献度相应的课外学分。

4 结束语

自开放环境下的学生自主实验模式实施以来，浓郁的学术气氛和课外学分奖励使实验室预约不断，更多的学生经由自主实验获得了创新和工程实践能力的锻炼，并在学生科研项目申请和各级各项竞赛中取得了丰厚的回报。当然，培养高素质的创新型应用型人才是一个长期的系统工程，需要我们协调课堂理论和实践教学，并不断探索以能力为本的多元化实验教学模式。