基于教学科研平台的实验项目设计与实践

刘 永， 李红镝， 秦 旻

(重庆交通大学 管理模拟实验中心,重庆 400074)



基于教学科研平台的实验项目设计与实践

刘 永， 李红镝， 秦 旻

(重庆交通大学 管理模拟实验中心,重庆 400074)

针对目前实验教学培养环节中在实验内容、项目体系、教学方式等方面存在的问题，提出了以教学科研平台建设和与之相适应的实验项目体系设计为出发点来提高实验环节培养效果；然后，以管理模拟实验中心新建设的红外视频检测系统为例，探索和分析了实验项目设计的原则、目标和来源，并结合工程应用特点设计和开发了3个典型的实验项目范例，应用于教学实践，实施效果明显。实验项目设计与开发的过程可为其他实验教学改革提供参考。

实验教学改革； 教学科研平台； 实验项目设计与实践； 红外视频检测系统

0 引 言

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》中在人才培养体制改革中就明确提出：“注重知行统一。坚持教育教学与生产劳动、社会实践相结合。开发实践课程和活动课程，增强学生科学实验、生产实习和技能实训的成效。”高等学校作为各行业领域专业人才的培养基地，其人才培养的重点是课程教学培养环节，而实验教学又是整个教学工作中的核心环节之一，对学生的职业实践技能的训练和创新意识的培养起到了至关重要的作用[1-2]。因此，提高实验教学环节的培养质量和成效，不仅关系到学生理论知识的综合运用和动手技能的专业训练，进一步形成利用所学知识解决实际工作问题的能力，而且也对培养学生科研意识与创新能力具有促进作用[3-5]。

然而，从多年的实验教学实践经验来看，实验教学环节主要存在以下3个方面的问题[6-8]：①现代科学技术的飞速发展使得专业技术与应用的知识更新速度飞快，易导致学生在课程实验环节中所学习的技术或者方法并非当前先进或主流的工程技术，甚至有的是已经淘汰的技术，从而导致学生的知识水平和实践能力无法得到良好的培养和锻炼，达不到社会对该专业毕业生的职业要求；②实验项目多以基础验证性实验为主，综合设计性和研究探索性实验项目比例偏少，使得学生所掌握的知识和技能存在一定的局限，达不到就业岗位的能力要求；③实验教学方式单一，大都采用机械被动的“教师讲解与演示，学生模拟仿真”的方式，学生能够较好地完成实验任务，但是其掌握的专业理论知识和实操技能难以达到人才培养的深度和广度要求，同时也缺乏必要的独立思考能力和科研探索意识。

综上所述，如何提高实验环节的培养效果，强化学生知识综合运用能力和动手实践技能，是实验教学改革的重点和难点。解决这一问题，一方面需要必要的实验条件和环境;另一方面需要完备的针对该实验条件和环境的实验项目体系。近年来，我校管理模拟实验中心在实验室建设与发展过程中，对上述实践要求给予了充分考虑，结合学科专业的发展特点和建设规划要求，新建或引进了一批反映科学技术最新进展的专业实验教学科研平台，主要包括红外视频检测系统、自动化立体仓库系统、集成化远程视频实验系统等。同时，也针对这一系列实验教学平台，研究和制定了完备的专业实验项目内容，以期提高实验教学质量和效用。鉴于此，本文以专业实验教学改革为契机，以提高专业人才培养质量为目标，结合社会就业岗位的能力要求，以新建设的红外视频检测系统实验平台为例，从实验项目设计的原则、目标、来源、内容以及实施过程等几方面考虑，对该实验平台的实验项目的设计与开发过程进行了初步的探讨。

1 实验项目设计的原则

实验教学环节作为专业人才培养中的重要环节之一，承载着消化和巩固专业理论知识、培养和锻炼动手实践能力的重任。实验项目是实验教学环节中理论知识与实践技能的科学载体，对其设计与开发显得尤为重要[9-12]。为了保证实验项目设计的有效性和合理性，充分考虑人才培养特点和岗位能力要求，对实验项目的设计原则进行了探讨[11-13]。

(1) 科学性原则。任何实验项目的设计都首先要满足知识体系与实验过程的科学性与合理性。①实验项目所探究的实际问题必须符合客观规律，来源于工程实践，立足于培养学生探索科学问题的思维意识和能力素质；②实验项目所涉及的理论知识内容、实验原理与方法、实验操作程序应该是科学合理的；③实验项目实施过程要符合科学的认知规律，设计合理的技能训练方法，让学生在实验过程中巩固和掌握理论知识和实践技能。

(2) 系统性原则。实验项目设计应该立足于专业知识结构和教学实施过程的系统性。系统的专业知识结构既要满足全面整体的知识认知体系要求，也要达到实验项目的实践技能培养目标，保证学生对知识的理解与技能的掌握的统一性和完整性；实验项目教学遵照“循序、系统、连贯”的实施过程，保证学生获得系统的知识和技能，实现对客观世界的规律性认识和理解，利于学生对知识的融会贯通和综合利用。

(3) 综合性原则。实验项目综合性主要考虑实验内容的复合性和交叉性。实验内容的复合性强调专业知识的综合性，旨在培养学生利用所学知识解决实际问题的综合应用能力；实验内容的交叉性，即实验内容能够综合反映专业知识内容之间的交叉，可以综合采用两种或两种以上专业知识理论来分析问题和解决问题，理论综合应用与实践，达到培养学生综合应用所学知识解决实际问题的能力。

(4) 可操作性原则。实验项目可操作性，一方面要求实验内容符合学生的知识能力水平和认知规律，使得学生能够通过对专业知识的理解和消化完成实验过程；另一方面，实验内容所涉及的实验仪器设备，具备设备可操作性和环境安全性。

2 实验项目目标

开设实验项目的目的在于加强学生的专业知识的理解和认识，综合训练学生的实验技能，培养学生的科学思维能力和创新意识，提高人才培养质量。因此，科学合理的实验教学培养目标是达到实验教学培养效果的重要保证。2010年，在中央与地方共建高校的财政资金支持下，我中心根据学科建设构架和人才培养目标的要求，新引进了一套先进的教学科研实验平台——红外视频检测系统及数据处理软件平台(见图1、图2)。

图1 便携式红外视频检测系统

通过开设针对该红外视频检测系统的实验项目，让学生对该系统的功能和实践应用有所了解，并在教师的引导下，自主完成一些综合性、设计性和探索性的实验内容。具体的实验目标是：

图2 红外视频检测系统数据处理软件平台

(1) 了解红外视频检测系统的工作原理，掌握该系统的实操方法；

(2) 对于命题实验，能够按照规范要求，将所掌握的有关知识、操作方法，灵活应用于解决实际问题中；

(3) 根据教师命题的实验课题范围，能够提出合理可行的实验方案，并加以实施完成，培养独立分析问题和解决问题的能力，提高创新意识；

(4) 能够熟练使用红外图像分析软件来处理和分析现场的红外热像数据，并对实验结果进行理论分析，培养理论联系实际的能力；

(5) 以小组完成实验课题，培养与他人合作的团结、协作精神。

3 实验项目来源

在实验项目的设计上，重点考虑实验项目内容的知识点科学性、综合性、系统性、创新性以及实验的可操作性和安全性。主要来源从两个方面来考虑：

(1) 由常规验证性实验项目展开 根据红外视频检测系统的工作原理、功能特点以及应用领域，对常规验证性实验项目进行改进和完善，积极拓展或延伸现有的实验项目。例如，在采用红外视频检测系统进行沥青路面施工过程温度离析检测时，常规的验证性实验就是采用该系统检测并截取各个施工环节的红外视频图像，在线实时读取并记载施工面的表面温度，通过统计分析软件判断是否发生温度离析。从综合设计性实验的角度出发，可对该实验进行改进，可选取一些特征点、线或面，按照温度与空间位置的对应关系绘制温度变化曲线，根据曲线的状态可进一步判断温度离析的程度。

(2) 从科技文献或其他科研课题中的实践案例中提炼实验项目 通过查阅有关的科技文献，或者总结专业教师主持参与的具有代表性的科研项目，将一些典型的科研环节应用到实验项目中[14-15]。例如，在科研项目——沥青混凝土路面现场热再生应用技术研究中，温度作为影响路面施工质量的因素之一，需要实时监控各个施工环节的温度变化，通过温度变化的反馈来控制和改善路面的施工工艺，提高路面施工的质量。学生通过该环节的实验，能够全面认识现场热再生技术及其在沥青混凝土路面养护施工中的应用，掌握温度控制要点，利用红外视频检测系统探究温度离析现象，研究和设计工程质量改进方案。

4 实验项目设计

遵照上述实验项目的设计原则和目标，结合红外视频检测系统在本学科专业的各种应用优势和专业技能训练要求，重点设计和开发了3个不同类型的实验项目，以期扩大学生的知识面，提高动手实践能力，充分激发学生的实验兴趣和学习的主动性，并理论应用于实践。实验项目内容如表1所示。

(1) 红外视频检测系统的认识与实践。本实验为基础验证性实验，其目的是让学生通过查找相关文献和资料，熟悉和了解红外视频检测系统的基本原理、功能结构、应用领域以及设备的基本调试与操作使用方法，为进一步地使用该实验设备完成实验过程奠定基础。整个实验过程主要包括文献资料与设备资料查阅与总结、实验设备原理与方法的认识、实验设备的实操训练、实验报告的完成等阶段，完成实验需要2学时。

(2) 沥青路面现场热再生过程中温度检测与分析。本实验类型为综合设计性实验，主要是针对现场热再生施工过程中沥青路面温度检测的实验研究，旨在通过实验探究过程，让学生熟悉现场热再生施工机组设备和施工设计，认识对施工过程温度分布检测的重要性和必要性，并学会利用先进的红外视频检测系统对是施工过程中的温度数据进行检测，完成必要数据统计分析，进一步了解现场施工过程的实时温度分布情况，掌握温度控制要求。实验要求学生设计一个利用红外视频检测系统检测某一关键温度检测点的实验方案，并对数据加以分析，了解施工中温度控制要求。要完成这一实验项目，学生除了必须掌握沥青路面现场热再生技术及再生机组设备方面的知识，还必须具备一定的数据统计分析基础。学生可结合公路沥青路面施工技术规范要求，自主确定若干个目标检测点或者区域进行分析，完成温度分布检测与分析，并撰写实验报告。实验报告中不仅要体现数据采集、数据分析的过程和结果，最重要的是还要根据所学的专业知识来分析温度控制要求。考虑到施工环节包括沥青路面加热、铣刨、复拌、摊铺和压实等复杂的施工过程，本实验项目安排4个学时。

(3) 探究温度离析现象。考虑到温度离析研究的复杂性与开放性，以及可利用红外视频检测系统方便地获取施工过程中的温度分布图像图，我们尝试着把这一典型的工程技术实践应用到实验教学专业实训中并设计开发出相应的探索性实验。将影响施工质量的重点环节作为温度检测的基本点或区域，把所拍摄的红外视频图像结合后台的数据统计分析软件来对所拍摄的红外视频图像进行数字化的分析和处理，探究温度离析现象，并提出探索性的质量改进方案。学生自主设计实验方案，按照施工规范中所要求的温度检测点，选取待检测沥青路面施工标段的某个固定空间位置点，依次拍摄若干组红外视频图像。应用红外图像分析软件和统计分析软件进行温度数据的处理、对比和分析，绘制出相应的变化曲线或直方图，更加清晰地认识温度数据的离散程度，进一步得出温度离析的规律性结论，并提出有价值的工程质量改善建议。

5 结 语

充分考虑实验项目体系的完整性，分别从基础验证性、综合设计性、研究探索性3个方面对红外视频检测系统实验平台的实验项目进行了设计与开发，并结合我院工程管理专业实践教学改革的目标和要求，所设计的实验内容已经在我校管理模拟实验中心工程管理专业“公路养护技术与管理”课程内容“就地热再生过程中沥青路面温度离析探究”的实验教学环节中实施，取得了良好的实施效果：一方面，通过教师引导、学生自主设计的实验教学方式，学生熟悉和了解了这套先进的仪器设备和相关工程技术，掌握了设备的实操技能，拓宽了专业视野，为今后从事相关工程技术的岗位工作打下了理论与实践的基础，实验结果既达到了建设该实验平台应用于实验教学的预期效果，也使其更有效地为教学实践服务；另一方面，实验内容提炼于代表性的最新科研项目，具备一定的技能实用性、过程趣味性和科研探索性，极大地提高了学生学习的自主性和兴趣，能够主动去发现问题、分析问题、解决问题，加强了学生独立思考意识和科研创新能力的培养和锻炼，增强了人才培养的效果。

[1] 赵成芳.改革实验教学 提高人才培养质量[J].中国成人教育, 2008(20): 149-150.

[2] 巩建闽. 以改革促地方高校人才培养质量提高[J]. 中国高等教育, 2012(18): 40-43.

[3] 王其军,吕栋梁,钟 烨.深化实验教学改革提高育人质量[J].实验室研究与探索, 2013,32(11):131-133.

[4] 李和平,龚波林,刘万毅.深化实验教学改革强化技能型人才培养[J].实验技术与管理, 2013,30(2): 159-161.

[5] 张玉英,马 军,王晓军.加强实验教学中心建设提升应用型人才培养质量[J].实验室研究与探索, 2011, 30(11):90-94.

[6] 张 静，董 伟，姚 军. 论多形式开放实验室教学模式[J].教育与职业, 2013(18):142-143.

[7] 马 强. 探索实验教学改革对策 促进实验教学创新[J]. 实验技术与管理, 2013, 30(7):185-187.

[8] 许涤龙,李正辉,王 佳.经济管理方法类课程实验教学的问题与对策[J].实验室研究与探索, 2010,29(6):116-119.

[9] 陈丽梅.开放式思维模式下的实验课程教学方法[J].中国成人教育, 2013(11): 131-133.

[10] 刘战伟. 高校经济管理类专业实验教学体系构建[J]. 实验室研究与探索, 2013,32(3):227-229.

[11] 徐 宁,王 玫,吴 倩.“精品实验项目”建设重在诠释经典和方法创新[J].实验室研究与探索, 2013,32(2):112-115.

[12] 施鼎方,徐竞成.开设综合性实验项目 促进创新能力培养[J].实验室研究与探索, 2012,31(8):85-87.

[13] 刘长宏.综合性设计性实验项目建设与管理的研究与实践[J].高校实验室工作研究, 2013(3):96-97.

[14] 刘 永，林 鹰. 基于科研实践的信管专业人才培养模式探索[J]. 图书馆学研究, 2011(12): 10-14.

[15] 郭小宏，杨健民，李朋伟. 就地热再生技术加热等级和作业速度研究[J]. 公路工程, 2013(3): 213-218.

Design and Practice of the Experimental Project Based on Teaching-Learning-Research Platform

LIUYong,LIHong-di,QINMin

(Center of Management Simulation Experiment, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to the current experimental teaching problems existing in experiment contents, project system and teaching method, this paper firstly proposed that the starting point of improving the experimental teaching effect is to build experimental platform and design corresponding experimental project system. Then, taking the new infrared video detection system of management simulation experimental center as an example, we studied design principles, objectives and sources of the experimental project, designed and developed three typical experimental projects combining with engineering application characteristics. Finally, the designed experimental projects have been put into practice, and good results have been achieved. The process of designing and developing experimental project can provide useful information for other experimental education reform.

experimental teaching reform; teaching and research platform; design and practice of experimental project; infrared video detection system

2014-04-03

重庆市高等教育教学改革研究重点项目(112054，132030)；重庆交通大学实验教学改革研究项目(SYJ201017)；重庆交通大学实验室开放基金项目(SYK201411)

刘 永(1983-)，男，湖北襄阳人，硕士，实验师，管理模拟实验中心副主任，主要研究方向为管理科学与信息技术。

Tel.:15823043299;E-mail:liuevery@gmail.com

G 642.0;G 642.423

A

1006-7167(2015)03-0202-04