建设四类实验资源 构建“分层次递进式”实验教学体系

杨广武， 胡松青， 张亚萍， 郭文跃

(中国石油大学(华东) 理学院， 山东 青岛 266580)



建设四类实验资源 构建“分层次递进式”实验教学体系

杨广武， 胡松青， 张亚萍， 郭文跃

(中国石油大学(华东) 理学院， 山东 青岛 266580)

实验资源是从事实验教学的物质基础，高校的实验教学创新和体系建设应该以实验资源的建设为依托。中国石油大学(华东)材料物理专业通过建设“认知教育平台”、“实验教学示范中心”、“专业实验室”、“创新实验平台”四类实验资源，构建了包含“认知型、基础型、提高型、创新研究型”四个能力培养层次的“分层次递进式”实验教学体系。实践证明，“分层次递进式”实验教学体系符合学生的学习和认知规律，激发了学生的积极性，培养了学生的工程实践能力和创新精神，使更多的高素质专门人才和拔尖创新人才脱颖而出。

实验教学； 实验资源； 分层次教学； 教学改革

0 引 言

实验教学是提高学生综合素质、培养实践能力的关键教学环节，是实现创新人才培养目标的重要组成部分。教育部《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》指出，要“大力加强实践教学，切实提高大学生的实践能力。……合理制定实践教学方案，完善实践教学体系”。因此，必须深化实验教学改革[1-3]。实验资源是高校开展实验教学的物质基础，是培养高素质创新型、应用型人才的重要保证，实验资源的拥有量和利用率在一定程度上反映了高校的教学水平、科研水平和管理水平[4-5]。近年来，高等教育教学改革不断深入，各高校的实验资源配置也得到了丰富和补充，但是在实验资源的高效利用和提高方面尚需要不断完善，许多专业面临着教学资源分散，定位模糊，实验教学体系薄弱等问题。如何合理配置和整合资源，使其发挥最大效益，探索构建科学的实验教学体系，全面推进素质教育，成为高校实验教学亟待解决的关键问题[6-7]。中国石油大学(华东)材料物理专业结合实际情况，依托四类实验资源建设，在构建“分层次递进式”实验教学体系方面进行了积极的探索和实践，逐步摸索出提高人才培养质量的新途径，并取得了显著成效。

1 “分层次递进式”实验教学体系

1.1 实验教学体系改革的理念与思路

材料物理专业实验教学体系的建设思路是：以提高人才培养质量为目标，以“理工结合，石油特色，重视基础，突出优势”的专业建设思路为指导，以专业人才培养方案和学科发展规划为依据，以实验资源整合和实验平台建设为基础；科学设计从基本技能到现代技术，从综合应用到创新能力培养的“分层次递进式”实验教学体系，实现实验教学“巩固基础、拓宽知识、提高能力、增强素质、促进创新”的教学目的；在实验体系建设的基础上，进一步推进实验教学内容、模式、方法的改革与创新。

1.2 “分层次递进式”实验教学体系的具体内容

通过不断的探索与实践，材料物理专业依托“四类实验资源”建设，构建了包含“四个能力培养层次”的“分层次递进式”实验教学体系。如图1所示。

图1 材料物理专业“分层次递进式”实验教学体系结构图

“四类实验资源”是指“认知教学团队”、“实验教学示范中心”、“专业实验室”、“创新实验平台”；“四个能力培养层次”是指“认知型”、“基础型”、“提高型”、“创新研究型”。其中，认知型实验占15%，以参观、展示、实习为主，是专业认知教育的重要组成部分，目的是培养和调动学生的专业认知能力，帮助学生建立材料物理专业的“感性认识”，内化对专业知识的理解，并进一步将自己的认识上升到价值观层面，确立明确的学习和奋斗目标。基础型实验占40%，以演示性和应用型实验为主，附属于理论课程，是根据专业培养目标应该达到的最基本要求。目的是使学生在基本实验方法的训练中，巩固所学理论知识，掌握基本操作技能和方法，建立科学实验的基本思维方式，培养学生观察、分析、解决问题的能力。提高型实验占30%，以综合性、设计性实验为主，围绕材料学科实际应用问题进行，主要包括专业应用技能训练和现代大型检测仪器使用训练，目的是培养学生综合应用理论、方法、仪器，解决材料科学相关问题的能力和进行科学研究的专业素质。创新研究型实验占15%，实验项目和选题主要来自教师或学生的研究课题，由具有较高学术水平的教师以系统项目训练的形式指导学生开展实验课题研究，以言传身教的方式把学生引入科学研究的殿堂，而实验的内容、方案、进度等则主要由学生自主安排，目的是使学生获得系统的科学研究方法训练，掌握科学的实验研究方法，培养学生的自主性和创新精神。

2 实践内容与措施

2.1 依托认知教育团队，塑造学生的专业认同和感性认识

美国著名教育心理学家布鲁纳认为：“学习任何一门学科的最终目的是构建学生良好的认知结构”[8]。培养学生的专业认知能力能够促使学生有效地监控和调节自己的学习，培养学习的兴趣和积极性。“专业认知实验”主要是针对大一新生，以实验室走访参观、实验项目介绍、科研项目成果展示为主，使学生了解专业学习和未来发展所要具备的知识和技能，建立对专业学习的整体认识；“专业认知实习”主要是深入企业、工厂等实训场所、实习基地，亲身感受实际操作，了解先进设备等，还原专业课程的必然联系和工程实际的本来面目，逐步建立和培养学生的工程意识和工程素养。

为了保证认知型实验的教学质量和长远发展，材料物理专业建立了专门的认知教育团队，团队由拥有较高教学和科研水平的教学名师、讲课比赛获奖者、高层次人才计划入选者等组成。目前已经建立起以团队首席教授为核心，以教授、副教授为骨干的一支专兼结合、德才兼备的高水平教师队伍，成员包括：山东省教学名师1名，教育部新世纪人才2名，山东省泰山学者1名，山东省杰出青年基金获得者1名，校青年教师讲课比赛特等奖获得者1名。

认知型实验项目的开设以及高水平教学队伍的参与，帮助学生迅速融入大学的学习生活，建立起对专业课程体系的整体认识，树立了学习目标，提高了工程实践能力。

2.2 建设实验教学示范中心，打造精品实验课程

自 2005 年起，教育部在全国范围内开展了实验教学示范中心的建设工作。实验教学示范中心肩负着突出学校特色优势专业、融合优质资源、探索新时期人才培养需要的实验室建设和教学改革功能[9-10]。《高等学校本科教学质量与教学改革工程实施方案》指出：“实验教学中心应力争建设成为具有辐射和引导作用的创新性实验教学示范中心”。中国石油大学(华东)物理实验教学示范中心成立以来，一直致力于大学物理实验系列课程的教学改革与实践，取得了良好的教学效果，2006年评为山东省首批省级实验教学示范中心[11]。为了进一步加强实验资源建设，深化材料物理专业实验教学改革，材料物理专业以物理实验教学示范中心为基础，共同组建了“一个中心，两个平台，多个模块”的物理实验大平台。“一个中心”即大学物理实验公共管理中心；“两个平台”是指基础物理实验平台和材料物理专业实验平台；“多个模块”是指依托实验平台开设的若干实验模块。

图2 “一个中心，两个平台，多个模块”的物理实验大平台结构图

物理实验大平台的建设符合研究型大学人才培养的需要，促进了实验资源的整合、优化、共享，为材料物理专业的实验教学提供了强大的依托平台，提高了学生的专业水平和综合能力；同时也加快了物理实验教学示范中心的改革和建设，所开设的“大学物理实验”于2007年被评为山东省省级精品课程。

2.3 依托专业实验室，夯实专业基础，提高综合素质

著名物理学家冯端院士指出：“实验室可以比拟为现代大学的心脏”[12-13]。专业实验室的教学内容贴近科学研究，实验设施又多为科研成果的转化产物，最有利于培养学生的专业实验能力、科研能力和创新能力。目前，材料物理专业实验室总面积约740余m2，拥有各种教学用实验仪器设备360余台，固定资产总价值约800万元，拥有一批包括：磁控溅射仪、化学气相沉积系统、太阳能电池光电性能测试系统、扫描隧道显微镜、X射线衍射仪、热重分析仪、氮气吸附脱附实验仪、红外光谱仪、紫外分光光度计、电化学工作站、盐雾腐蚀实验系统等较先进的材料制备和性能分析表征实验教学设备，已成为设备较为齐全、功能较为完整、教学手段和方式较为先进的材料科学与工程实验教学基地。在“立足教学、服务科研、内涵发展”的建设方针指导下，材料物理专业依托专业实验室资源和特色研究方向，建立了材料基础实验室、材料综合实验室、腐蚀与防护实验室、新能源实验室、计算材料学实验室和材料演示实验室6个专业实验室，并开设了电工电子学实验、材料性能分析与检测实验、计算材料学实验、腐蚀与防护实验、材料科学综合实验、新能源材料设计实验6门专业实验课程。

这些实验课程主要是面对大三、大四高年级的学生，通常是已经学习了本专业的必修和选修课，具备一定的理论基础和实验技能，因此，实验主要分为两大类。一类是加强学生对理论知识理解和实验技能巩固的基础型实验，另一类是培养学生综合运用所学知识，分析和解决问题能力的提高型实验。在此基础上，为了使学生了解学科的新发展和新技术，提高学生的自主学习兴趣，任课教师汲取材料物理学科技术发展的新成果，将专业实验教学的开展与承担的科研项目联系在一起，开发了“纳米结构碳材料的制备与表征”、“染料敏化太阳能电池制备与光电性能测试”、“过渡金属氧化物的制备与电化学储能性能研究”、“无铅压电陶瓷制备及性能测试”、“TiO2光催化剂的制备与催化性能研究”等一系列具有材料学科前沿特点的自主设计实验项目，建立了融知识、能力、素质为一体的开放型实验教学新体系，激发了学生探索材料未知领域的主动性、积极性。

2.4 依托创新实验平台，激发学生智慧潜能

“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力”。《高等教育法》明确规定：“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才”[14-15]。 材料物理专业通过“创新研究型实验”，使学生接受科研选题、文献查阅、实验方案设计、设备搭建改造、研究计划执行、数据整理分析、科学报告和论文写作等全方位的科研训练，培养学生的自主性和创新精神。为满足不同能力层次学生的实际情况和培养需求，材料物理专业搭建了由“普及、进取、精英”三个培养层次构成的“金字塔式”创新实验平台(图3)。

图3 “金字塔式”创新实验平台

其中，“普及”层次为“科研实习”。科研是提高教育质量和层次的关键，著名物理学家钱伟长认为：“教学没有科研做底蕴，就是一种没有观点的教育，没有灵魂的教育”[16-17]。2012年4月教育部在“关于全面提高高等教育质量的若干意见”中指出：“促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容。支持本科生参与科研活动，早进课题、早进实验室、早进团队”。目前，对于大部分大二、大三的学生来说，除了课程实验外，基本没有接受过科研训练，单纯依靠学生提出科技活动及创新实验研究课题往往不切实际。因此，材料物理专业首先把“科研实习”作为创新精神培养和创新实验平台建设的第一步，要求所有学生从大二下学期开始，独立或以2或3人组成实验小组，参与到导师的科研项目当中去，进行为期一年的“科研实习”，并以“师生双选”、“项目化管理”、“导师负责制”等措施确保“科研实习”的顺畅实施和管理。

“进取”层次则要求逐渐淡化导师的监督和管理，鼓励一部分在“科研实习”过程中建立良好研究基础的实验小组，积极申请“大学生创新训练计划项目”等本科生科研项目，在项目的引导和管理下，自主安排实验的内容、方案、进度等，以加强学生自主学习意识、科研能力以及团队意识的培养。材料物理专业从制度、经费、师资、条件等多方面采取有效措施，全方位保障大学生创新实验计划项目运行。如成立本科生科技创新项目管理领导小组，负责大学生创新性实验计划项目的申报、评审、运行、验收，并制订相关管理文件和工作计划，实现对大学生创新实验计划的全面管理；建立行之有效的激励机制，在“本科生综合测评管理办法”和“推荐免试研究生管理办法”中明确规定，对参与大学生创新项目的负责人和成员分别给予相应的奖励分值，对指导大学生创新性实验项目的教师，给予一定的工作量奖励。近年来，材料物理专业的大学生创新活动开展地如火如荼，专业学生每年获批各类大学生创新实验项目20余项，其中国家级3～5项。

“精英”层次支持少部分具备一定能力的个人或实验小组，以其优秀作品或研究成果为基础，参加国家和高校组织的各类科技竞赛，从而推动科技创新活动，激发其创造力和科学精神。材料物理专业把参加科技竞赛作为重点工作进行开展，并通过完善创新人才培养模式、搭建科技创新实践平台、健全科技竞赛管理体系等举措，形成大学生科技竞赛文化活动的长效机制，保障了科技创新人才培养的可持续发展。自2006届张炜强同学参加第五届“挑战杯”全国大学生创业计划大赛，并获得山东省三等奖以来，材料物理专业的科技竞赛活动蓬勃发展，极大地支持了创新研究型实验的开展。仅2013年，材料物理专业就在“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛、创业计划大赛、全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛、全国大学生电子设计竞赛、山东省大学生物理科技创新大赛等各类国家级、省级科技竞赛活动中获奖9项。

“金字塔式”创新实验平台充分考虑了学生的个体差异和培养需求，既满足了普通学生接受科研熏陶和培养创新能力的需要，又为学有余力的学生提供了发挥个人才能和施展才华的舞台。

3 实践效果

经过10多年的探索与实践，中国石油大学(华东)材料物理专业的实验资源建设和实验教学体系建设取得了长足的发展，实验教学和人才培养质量得到了极大的提高，成绩斐然。自材料物理专业2006届本科生严克友在SCI一区杂志Nanotecnology发表高水平研究论文以来，先后已有28位同学在Journal of Physical Chemistry C、高等学校化学学报等杂志发表文章，申请发明专利和实用新型专利33项，在各类国家级和省级科技竞赛中获奖32项，获得山东省优秀学士学位论文5篇。

4 结 语

“认知教育团队”是塑造学生专业认同和感性认识的有效载体；“实验教学示范中心”能够发挥优质教学资源的辐射和引导作用；“专业实验室”是夯实学生专业基础和培养实践能力的重要场所；“创新实验平台”则能够为卓越人才的培养和发展提供优良的基础条件。中国石油大学(华东)材料物理专业以实验资源建设为前提，以实验体系建设为核心，通过依托四类实验资源建设，构建了包含“认知型”、“基础型”、“提高型”、“创新研究型”四个能力培养层次的“分层次递进式”实验教学体系，形成了从感性到理性、从简单到复杂、从基础到前沿、从专业能力到创新精神培养的一整套科学的实验系统，提高了材料物理专业的人才培养质量。多年的教学实践证明，分层次、多元化的实验教学有利于激发学生的积极性和创造性；有利于因材施教，培养不同层次学生应有的能力；有利于增强学生工程实践能力，特别是创新意识和能力的培养。

[1] 易 红．高校实验教学与创新人才培养[J]．实验室研究与探索，2008，27(2)：1-4．

[2] 陈 爽．应用型人才培养模式的实验教学改革 [J]．实验室研究与探索，2012，31(8)：1-3．

[3] 陈 炜，张其平．重新认识与组织实验教学 [J]．实验室研究与探索，2011，30(10)：357-359．

[4] 王文科，杨胜科，杨红斌，等．整合实验资源 构建创新型实验教学体系 [J]．中国地质教育，2007(4)：32-34．

[5] 杨树国，梁国华，黄 乐．发挥实验资源优势 提高人才培养质量 [J]．实验室研究与探索，2011，30(10)：179-182．

[6] 王 睿．优化实验室资源配置 提高实验室使用效能 [J]．实验室研究与探索，2011，30(10)：400-402．

[7] 房成鑫．关于高等院校实验资源共享的探索 [J]．实验技术与管理，2014，31(8)：260-262．

[8] 田 新，李 永，俞 辉，等．兴趣驱动认知实践 应用引导创新体验——“案例式”嵌入式软件实验教学课程建设经验谈 [J]．实验室研究与探索，2009，28(4)：175-177．

[9] 王淑静，郝建民，柳洪洁．依托国家级实验教学示范中心 搭建创新人才培养平台 [J]．实验室科学，2012，15(2)：1-2．

[10] 王海林，李相银，王志兴．物理实验教学示范中心建设学生科学素质培养 [J]．实验技术与管理，2012，29(8)：122-124．

[11] 张亚萍，马红章，王殿生，等．建设物理实验系列课程培养学生创新能力 [J]．实验室研究与探索，2014，33(6)：214-218．

[12] 范振华，张风平.改革专业实验教学 提高学生综合能力 [J]．实验室研究与探索，1999，18(1)：18-20．

[13] 邓秀新．大学应成为培养创新人才的土壤——访华中农业大学教授、校长邓秀新院士 [J]．实验室研究与探索，2014，33(6)：1-4．

[14] 李学慧，徐 朋，张秀玲，等．物理实验教学与科学研究融合 培养大学生创新意识与能力[J]．实验技术与管理，2009，26(8)：5-13．

[15] 王吉会，赵乃勤，李宝银，等．创建实验教学新体系培养学生创新能力 [J]．实验室研究与探索，2005，24(3)：8-10．

[16] 葛文君．关于高等学校科研促进教学的几点思考 [J]．哈尔滨学院学报，2007，28(9)：1-3．

[17] 卜迟武，杨绮云，徐克非，等．结合科研项目 提高实验教学质量 [J]．实验室研究与探索，2010，29(7)：270-271．

Relying on Four Resources to Construct Hierarchical Experimental Teaching System

YANGGuang-wu,HUSong-qing,ZHANGYa-ping,GUOWen-yue

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Experimental resources are the important base for experimental teaching, therefore, it is also the foundation for experimental teaching reformation and experimental teaching system construction. Aiming at improving students' ability and personality, China University of Petroleum constructed hierarchical experimental teaching system consisting of cognitive experiment, basic experiment, advanced experiment and creative experiment. The reformation and construction of this experimental teaching system rely on four types of resources, that is, cognitive education platform, experimental teaching demonstration center, specialized laboratory and creative experiment platform. The practice showed that the series of reformation stimulated students' interest and inspired their engineering practice ability and innovative spirit, and more high-quality specialized students and innovative talents were emerged.

experimental teaching; experimental resources; hierarchical teaching; teaching reformation

2015-02-28

国家自然科学基金(21403302)；中国石油大学(华东)教学研究与改革重大项目(JYA201402)；中国石油大学(华东)精品实验建设项目(JS201414)

杨广武(1981-)，男，山东青岛人，博士，副教授，从事新能源材料方向的教学与研究工作。

Tel.：18724772877; E-mail：yanggw@upc.edu.cn

G 420； G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0159-04