面向“卓越工程师计划”开放实验室建设探索

杜文辽，李安生，王良文，王新杰

（郑州轻工业学院 机电工程学院，河南 郑州 450002）

2010年6月，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），该计划着眼于培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务［1-2］。“卓越计划”的特点是创立高校与行业企业联合培养人才的新机制，强化大学生的工程能力与创新能力。开放实验室在时间、空间、内容、方法、手段等方面部分或全面开放，它是联系高校与企业的桥梁，成为促进学生创新能力培养的有效途径［3］。

郑州轻工业学院机电学院在2001年成立了开放实验室，对机械类及近机械类学生全面开放。10余年来，该实验室在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、全国大学生机械创新设计大赛、大学生工程训练综合能力竞赛等代表性学科竞赛中取得了良好的成绩［4］。但是在开放实验室建设的过程中也遇到了一些挑战，比较典型的是：实验室开放模式粗放，软硬件资源利用效率低；实验选题盲目、宽泛，研究的深度不足，缺乏可持续性；实验室开放机制呆板，学习、研究活力不够。针对这些问题，我们在实践中不断探索，取得了很好的成效。

1 集约式开放实验室的建设

1.1 传统开放实验室的粗放特点

开放实验室的建设改变了传统实验室的工作重心，也就是从验证、巩固和加深理论教学的内容转移到对学生动手能力、创新能力和解决问题能力的培养［5］。实验室开放有利于充分利用实验室的设备资源，可以调动学生的学习积极性和主观能动性［6］，更符合素质教育培养目标的要求。但是，在开放实验室的建设过程中，也有开放模式比较粗放的缺点，具体体现在以下2个方面：硬件和软件资源的使用及管理。

硬件资源使用和管理的粗放体现在实验仪器设备的管理，往往存在重复建设和过度投资［7］。实验室开放缺乏统筹设计，教学单位的独立与开放实验室实验项目的综合是其中的主要矛盾。机械设计专业开放实验室的实验项目往往与机械制造专业开放实验室的实验项目相同或者类似，同一台设备、同一个实验仪器重复购买［8］。另外一个突出问题是过度投资［9］，片面追求设备的先进性与综合性。比如机械效率综合性能实验台，本来要求学生自己测得数据、整理数据、分析数据，但是订购的一些设备把这些必要的内容和步骤完全忽略，直接给出所测机构的效率曲线，这样对学生动手能力和分析能力的锻炼就非常有限。

软件资源使用和管理的粗放在于实验项目资源的浪费和实验指导教师资源管理的无序。开放实验室所进行的实验项目往往和教师的科研直接相关，与实验内容直接有关的项目技术报告和各类相关文档是实验室的宝贵财富［10］，但是科研项目的一个显著特点是时限性［11］，如果这些资料不能够很好地管理，势必造成实验资源的浪费，不利于实验室的可持续发展。开放实验室软件资源使用与管理的另一个突出问题是实验指导教师资源的无序管理［12］。高校教师大多分配在各研究所或中心，指导开放实验项目时往往是实验室管理人员根据自己对院系教师的了解而指定。指导教师选择的合适与否很大程度上取决于实验室管理人员对指导教师科研项目的熟悉程度，而很多情况下，他们并不可能对每个教师的科研项目了解得那么深入，这就必然会出现实验项目找不到合适的指导教师，而指导教师指导的实验项目又并非是其最擅长的课题。

1.2 集约型精细化开放实验室建设

为了克服开放实验室建设中的粗放式管理带来的上述典型问题，我们的思路是建设集约型精细化开放实验室，具体包括硬件资源的集约精细化管理和软件资源的集约精细化管理。

硬件资源的管理主要是实验设备的购置、使用、报废的全生命周期式管理方式的建立。在实验设备的购置方面，主要在全院范围内实行二级论证制度，打破原来系、研究所、中心这种条块分割的局限。每学年，各教学科研基层单位提出开放实验室的设备购置计划及论证报告，学院根据开放实验室的功能分工，对设备购置方案进行整合。主要的思路就是将功能相同或类似的设备进行优选，配置在一个实验室。在选择实验设备的时候，基本指导思想是要能回答出设备目前能做什么，以后能做什么，设备对学生的动手能力、分析问题能力、创新能力培养体现在哪里。根据需要开放实验项目可以按照一个实验室挑头，几个实验室分工协作的方式进行组织实施。在设备使用过程中，制定设备使用制度，例如对机械创意组合实验设备，我们设计的设备管理表格如表1所示，随时可以发现设备使用中的问题。设备的报废同样要经过严格的论证，给出是继续使用、改造、报废等几种结果，提高设备的利用率，减少浪费。

表1 创意组合模型构件清点情况表

实验室软件资源建设同样是非常重要的内容，其中比较重要的是开放实验室项目管理和实验指导教师资源的管理。科技项目资源是实验室的宝贵财富，如果不能很好地管理和应用将是巨大的浪费［13］，对实验室的可持续发展也很不利。根据项目的类型进行资料的分类存放，建设项目资源库。定期对资料进行整理并更新资源库的内容，注意项目的技术演进。制定资源库宣传资料，使大家了解资源库的内容。同时，资源库对全院师生开放，达到知识共享。对于申报同类型开放实验的项目，借鉴已有的资料，一方面可以吸取以往的经验，另一方面可以更新了解相关技术的发展脉络。

实验指导教师资源是开放实验室的另一宝贵资源。由于开放实验的特点，对实验指导教师的要求相应比较高，对于一个开放实验项目，如何能够找到合适的指导教师，这是经常碰到的一个问题。建立指导教师资源库，将分散在各个系、研究所的教师资料进行整合。教师、学生、实验管理人员与教师资源库之间交互关系如图1所示。根据实验项目的内容，实验课题负责人可以在教师资源库中组织一个教师或多个教师进行指导。

2 开放实验室实验选题机制建设

开放实验室实验项目的选题一般具有综合性、创新性、与教师科研活动结合紧密等特点。与“卓越计划”的培养目标相结合，在具体的实验项目选题中还应该从学生兴趣培养、项目选择内容、项目选题导向上进行考虑。

图1 教师、学生、实验管理人员与教师资源库之间关系图

首先，实验项目选题应该贯彻学生科研兴趣与教师科学引导相结合。在进行了大学课程基础知识的学习以后，很多学生都有跃跃欲试的冲动，希望能够把学到的知识应用到实际课题中去，同时，他们也会有很大的困惑，不知道该怎么将书本的知识与具体的应用结合进来。这时就需要教师进行适当的引导。图2所示学生作品“洒水机器人”，就是在学习了机械原理、机械控制基础、液压与气动等基础课程后，教师引导学生完成的一个开放实验项目。该作品由机械部分、气动部分和控制部分组成，通过网络实现远程控制机器人进行洒水作业。

图2 家庭智能机器人

其次，实验项目选择内容应体现知识面的覆盖与知识点的突破相结合。作为开放实验项目，其综合性体现在能够覆盖尽可能大的知识面，通过一个实验项目锻炼学生对多个相关知识的应用和掌握。但是，一个好的实验项目还应该体现先进性。因此，选题不仅仅体现在知识点的简单累积，还应该在某几个或某一个点上有所突破。如图3所示，学生实验项目“集中驱动凸轮-连杆组合机构”，该实验项目包含凸轮机构、连杆机构和二者进行组合的几何模型，还包括机构仿真的运动模型以及机械系统运动循环图知识，所锻炼的还有计算机图形学、计算机编程等方面的能力。而学生在实验中的突破则是根据对机构运动规律的要求，正确绘制机构运动循环图，并进行组合机构的计算机辅助几何设计。

图3 集中驱动凸轮-连杆组合机构设计系统

另外，在实验项目选题的导向上应与国家的科技发展方向相结合。“卓越计划”旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务。开放实验项目组织实施就要贯彻“卓越计划”的这一培养目标，实验的选题方向要有意识地与国家的科技发展方向相结合。另外，鼓励学生积极参加大学生课外学术科技作品竞赛（“挑战杯”）、大学生创新创业训练计划及教育部主办的全国大学生学科竞赛，如大学生机械设计大赛、结构设计竞赛、工程训练综合能力竞赛等。根据各项赛事的日程，学院从多个渠道对学生进行广泛动员，分别是学院—辅导员—班干部—学生系统、学院—任课教师—学生系统，以及实验室—网站—学生系统，对学生报的实验项目进行实验室论证，把握项目的先进性和可行性。图4是学生在开放实验室完成的各项赛事中的部分参赛作品。

图4 开放实验室部分参赛作品

3 开放实验室运行机制建设

3.1 实验室开放的时间空间机制

在开放实验室的建设中，要注意避免为开放而开放的粗放型时间空间机制。在时间上，建立项目实施预约制度，在项目评审通过后，项目主持人向实验室提出预约，由实验室管理员进行项目的时间安排。在空间上，为了适应开放实验室实验项目综合性的特点，突破传统的“固定式”实验场所的限制，采用柔性实验场地，也即根据实验项目的需要，由一个或多个实验场所共同完成整个项目。这就对实验室管理员提出了更高的要求，即项目进度的把握能力和协调能力。

3.2 实验室开放的项目实施机制

与传统的实验模式不同，开放实验室的实验项目往往具有综合性、先进性的特点，其功能主要是在对未知进行合理假设的基础上，通过实验进行方案的验证。因此如何把握项目的综合性和先进性是保证实验项目质量的一个重要内容，对实验项目的实施进行过程控制是保证项目可持续研究的重要环节。

（1）在实验项目选题上采取三级论证模式，即课题组—实验室—学院逐级对课题的综合性和先进性进行把关。首先组成一个项目小组，在项目小组内进行讨论和论证，通过实验项目的提出、实验方案的筛选，项目组提出项目申请。开放实验室要根据现有的实验条件对实验的可行性、实验指导教师的安排进行论证。然后学院对实验项目的综合性和先进性在全院范围内进行论证，论证的结果分为同意、方案修改后同意、不同意3种。只有通过论证的项目才能够组织实验的实施。

（2）开放实验室项目探索性的特点，决定了对项目实施的过程控制是保证项目可持续研究的重要环节。项目进行当中，要对可能出现的问题做好预案，特别是项目难以进行下去的时候，要及时进行项目再论证，做出实验继续进行或者终止的结论。对于继续进行的项目，应该是通过再论证能够找到解决办法的项目。通过再论证，可以避免实验资源的浪费，同时可以对项目内容进行更深入的理解。对于完成的项目，要及时对项目进行总结，总结内容存储在教师资源库中的已完成项目中，作为以后相关项目的参考。

3.3 实验室开放的激励机制

学校制定开放实验室管理办法，对实验室管理员、实验指导教师工作量核算等方面做出规定和要求，为实验室开放的可持续性提供制度保障。学校每年召开学科竞赛表彰大会，对在各项大赛中获得优异成绩的教师和学生给予物质和精神奖励。对于获得国家级的创新实验项目进行经费配套。另外，由于参与开放实验项目的学生在动手能力、创新能力方面均得到很好的锻炼，他们在找工作时也更能受到用人单位的青睐，学校也主动利用各种渠道进行宣传，带动、鼓励更多的学生投入到开放实验项目中。

4 结束语

“卓越计划”的实施，对开放实验室的建设水平提出了更高的要求。在开放实验室建设过程中，通过不断探索，郑州轻工业学院机电学院逐渐建成一个集约型精细化的开放实验室，在实验选题机制和运行机制建设方面摸索出了一套比较成功的经验，为实验室开放水平的提高奠定了一个良好的基础。

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