高校实验教学中创新教育现状与对策

张运楚， 姜爱民， 徐红东， 张君捧， 杨红娟

(山东建筑大学 a.信息与电气工程学院; b.实验与设备处，山东 济南 250101)



高校实验教学中创新教育现状与对策

张运楚a， 姜爱民b， 徐红东a， 张君捧a， 杨红娟a

(山东建筑大学 a.信息与电气工程学院; b.实验与设备处，山东 济南 250101)

实验室是高校的心脏，对学校的健康发展至关重要，实验教学是培养大学生创新能力的重要载体。在界定创新能力涵义的基础上，反思了应试教育、传统文化对当代大学生创新意识的负面影响，指出了当前高校实验教学中创新教育存在的认识误区，对弱化验证性实验、开放式实验教学不到位、实验教学师资队伍结构严重失调等问题进行了深入剖析，给出了以创新意识启蒙为核心、实验与理论教学一体化教学模式、稳定实验教学队伍和优化实验资源配置等对策。

创新教育； 创新意识； 实验教学； 验证性实验

0 引 言

人类现代文明的巨大进步，得益于近代启蒙运动所带来的思想观念的解放，得益于科学发现、技术创新以及由此而形成的先进生产力。由此可见，创新是一个民族进步的灵魂和国家兴旺发达的不竭动力[1]。高校实验室是科技创新的摇篮、创新人才的培养基地、社会服务的窗口和学校健康发展的心脏，其重要性已被广泛公认。多年来，教育工作者针对高校实验教学存在的问题作了大量有益的探索，提出了多种教学模式，设计了分层递阶层次化实验教学内容，实践了问题导向、项目导向等教学方法，有力地促进了创新教育的良性发展[2-6]。但是由于高校差异性大、制约因素多，仍存在大量问题有待解决。

本文首先界定了创新能力的涵义，反思了应试教育、传统文化对当代大学生接受创新教育的不利因素，分析了目前我国高校实验教学中创新教育存在的问题，给出了相应对策。

1 目前高校实验教学中创新教育存在的问题

1.1 对创新教育存在认识误区

所谓创新能力，是指个体运用一切已知信息，产生某种独特、新颖、具有社会或个人价值的产品的能力。实验教学中的创新教育，就是在实验过程中融入创新活动的特征要素，借以激发和培养学生的创新能力。

创新能力由创新意识、创造性思维和创新技能三个要素构成。创新意识是指人们根据社会和个体生活发展的需要，所激发的创造前所未有的事物或观念的动机，以及在创造活动中表现出的意向、愿望和设想。它是人类意识活动中的一种积极的、富有成果性的表现形式，是人们进行创造活动的出发点和内在动力，是创造性思维和创造力的前提。创造性思维是以感知、记忆、思考、联想、理解等能力为基础，以综合性、探索性和求新性为特征的高级心理活动。而创新技能是指创新主体具有的行为技巧及动作能力，包括信息加工能力、动手操作能力、掌握和运用创新技法能力、创新成果表达能力以及物化能力等。

创新意识的培养和开发是培养创造人才的起点，也是难点。当前的创新教育多把重点放在创造性思维能力和创新技能的培养，忽略了创新意识的核心地位。正如一个人熟悉爱迪生的发明故事和工具，却不能成为一个发明家一样，必须让学生懂得，即使掌握了世界上所有的创新方法都不可能使你成为一名优秀的发明家，只有创新意识才是创新的源动力。

我国大学生长期受应试教育的影响，又缺乏培养创新意识的传统文化背景和社会资源，缺乏欧美科技强国“车库文化”的创新传统。欧美国家的“家庭实验室”、“车库文化”是其强大创新力的缩影，它既是孩童时期创新意识启蒙的乐园，也是成年后创业的摇篮。像迪斯尼、苹果、惠普、微软帝国、谷歌、YouTube、DELL这些大名鼎鼎的公司起点，都是间“车库”，欧美人把他们的“车库”变成了形形色色的车间、实验室和家庭作坊，备齐工具就可以做自己感兴趣的事。可以说，正是鼓励创新的“车库文化”造就了今日强大的美国。

1.2 忽视验证性实验对培养创新能力的作用

传统实验教学中的验证性实验饱受诟病，认为验证性实验依附于理论课程、缺乏弹性，不利于培养学生主动探索精神和创新意识，是导致学生对实验课程兴趣降低的主要原因。为了配合实验教学改革，多数高校在制定实验教学大纲时对实验内容进行了大刀阔斧的删改，增加综合性、设计性和研究性实验，制定了将验证性、综合设计性和研究创新性等实验类型有机结合的分层递阶式实验教学课程体系，但无一例外都存在弱化验证性实验现象。

验证性实验在结论明确的前提下，以理论验证、促进知识理解和巩固、培养操作技能和数据处理方法。综合性实验通常涉及到一门或多门课程中较多的知识点，强调知识之间的相互联系和系统性，用于培养学生运用理论知识和工程观念分析解决问题的综合能力。设计性实验主要培养学生工程领域设计制作以及对设计过程的组织管理等方面的能力，训练培养学生的工程师素养。研究创新性实验多以教师的科研项目或学生开放式实验课题为载体，着重培养学生的研究意识，激发学生科学研究、科学探索的兴趣[7]。

上述实验教学课程体系符合由易到难、由简到繁、由被动变主动的认知规律，貌似完美，但许多学校常因实验室硬件资源、师资以及理论教学体系的配套改革等实施条件不足而未到达预期效果，甚至流于形式。存在的主要问题有：

(1) 过度弱化验证性实验的创新教育功能。鉴于有限的实验学时，在增加综合性、设计性及研究性实验内容后，势必要压缩验证性实验的学时，弱化验证性实验教学内容、教学方法和手段的研究。多采用封闭式实验箱或实验台的“插”、“拔”式枯燥实验手段，甚至采用软件虚拟仿真实验代替实物操作，导致验证性实验过程的符号化、黑箱化、傻瓜化。这种过度弱化验证性实验的教学方式，是对传统实验教学模式的矫枉过正，不利于学生创新意识、创新技能的培养[8]。

上世纪由于商品化教学仪器不足，高校验证性实验教学多采用自制教仪，简陋原始。但是，实验过程具有“原生态”的临场参与和作品意识感，充分调动了学生的主观能动性。以电子技术中的单管放大电路实验，多采用铜条板、多孔印刷线路板焊接，或面包板插接来构建测试电路，学生必须了解电路原理、元器件知识及功能测试方法，学会器件布局，掌握焊接技能、仪器仪表使用，学会调试及故障分析排查，了解电路干扰源及抗干扰措施，最终才能完成电路构建，获取实验数据。虽然实验结论明确，但整个实验过程存在许多不确定性和探索性。因此，在完成实验后，学生会觉得很有成就感和自豪感，这会进一步激发学生对实验学习的兴趣，进而潜移默化为学生的创新能力。

事实上，验证性实验具有两个功能：一是复现有关理论或知识的发现过程，为学生提供实验方案设计范例，熟悉实验方案设计的各个要素，通过研究、分析和模仿，渐渐触类旁通。二是启蒙并强化实验科学思想，培养学生的科学精神，从认知的角度实现学生自我意识的升华，以一种更有广度、更有深度的视角观察和思考世界，并将这种认识作为一种日常习惯贯穿于生活、工作与学习的每一个细节中，培养其创新意识。

英国哲学家培根把实验作为自然科学研究的基本方法，认为人的感官受到一定的局限，在认识中容易发生主观和片面的错误，只有深入地进行科学实验，才能弥补感官的缺陷，保证感觉经验的可靠性。培根是第一个系统地制定了认识的归纳法的哲学家。他认为，归纳法是认识的最可靠的方法。他把它叫做“新工具”。培根的归纳法为人们提供了一个概括经验事实，正确地形成概念、发现规律、达到公理的新的有力的手段，这对当时实验科学和哲学的发展起了积极的推动作用。马克思和恩格斯称他是“英国唯物主义和整个现代实验科学的真正始祖”。

(2) 缺乏实验与理论教学的一体化设计。必须承认，实验教学对理论课程的依附本质，不会因实验教学课程体系的改变而消失。多数学校的实验教学改革，因未将实验与理论课程教学进行一体化设计，未能达到预期效果。由于综合性、设计性和研究性实验的内容存在多样性、探索性，实验过程以及所需的时间也往往因人而异，具有不确定性。如果不能为学生提供必须的时间、空间和实验器材选择的自由，那么就达不到期望的人才培养效果。

目前，高校实验教学多采用验证性实验随理论课程进度分散安排在课外或课内，综合性、设计性和研究性实验则采用独立实验周集中进行，辅以课外业余时间。以作者所在的学院为例，一般课程实验学时约占课程总学时的20%～50%，模拟与数字电子技术则集中设置2个实验周、1个设计周，因生均实验资源和学生培养方案总学时的限制，除集中实验教学环节能固定安排在8 h之内，大部分课程实验只能安排在8 h之外的业余时间。一方面实验室资源在工作日8 h之内闲置率较高，不能有效发挥其效益；另一方面时间过于集中、强度大，导致学生疲于应付、学习效率和主动性不高，不能给学生提供从容思考的时间和空间和及时的指导。

(3) 视创新教育为结果而非过程。一般认为，只有问题复杂性才能更好地导致创新行为，因此一些高校多将创新教育放在设计性、研究性实验环节，甚至把各类竞赛作为创新教育的主要载体而大加推崇。层次化实验教学体系中，实验教学资源的需求如同倒立的金字塔，层次越高，所需教学资源就越多；而受益的学生数量则呈正立的金字塔，层次越高，学生受益面越窄。通过选拔机制为一些优秀的学生提供优质教学资源是合情合理的，具有积极的示范效应。但在高端实验资源稀缺时，这种选拔性创新教育将剥夺大部分学生获取自身发展的培养机会，导致新的教育不公平。

1.3 对虚拟仿真实验的作用存在认识误区

虚拟仿真实验的价值，体现在真实实验平台无法开展或高危险的实验教学，或大型、综合的虚拟实训，或模拟真实实验教学中成本高、资源(包括能源和试验原材料)消耗大、污染严重的实验教学内容。但是，目前存在一种认识误区，认为可以用虚拟仿真实验替代实物真实实验、减少实验投入、更便于实验时间和空间的开放[9]。

以电子设计自动化EDA(Electronic Design Automation)软件为例，各类EDA工具，如Pspice、Multisim、Ewb等，对电子技术实验教学的必要性和重要性已被广泛认可，它在一定程度上可以弥补实验室元器件与设备的不足，有效延伸实验时间 、空间和场地，摆脱了实验室对学生的限制，丰富了实验教学的内容，在理论教学和真实实验之间架起一座过渡与沟通的桥梁。

但是，如果EDA仿真环节所占比例过大，会使学生缺少足够的实际动手操作的机会，对培养学生的创新技能非常不利。对EDA工具软件的应用，不应停留在表层功能上，更应以培养卓越工程师的工程素养为目标，明确EDA工具软件在电子产品功能设计、探索、研究、验证、物化等环节中的作用及工艺流程，强调虚拟仿真实验对实物实验的指导意义，强调“虚化实”的目标激励价值。当学生在计算机上看到设计结果后，会有一种尽快用实物元器件实现电路功能的“冲动”，能否保护并提升学生的这种“动力”，是EDA用于实验教学成败的关键。只有这样，才能在实验教学中体现EDA工具在电子工程行业中的核心应用价值，才能逐步培养学生的技术创新能力。

1.4 开放式实验教学的困境

开放式实验是一种“自助式”个性化实验教学方法，也是国际上普遍采用的实验教学模式。开放式实验教学设置多层次模块化实验内容体系，让学生在规定的教学时段内自主选择实验项目和实验时间，赋予学生更多的自主权、更大的灵活性和学习空间，更加有利于对学生创新能力的培养。开放式实验教学的开放性体现在实验时间和空间的开放、教学内容的开放、指导方法的开放、实验成绩评价的开放和实验室管理的开放等几个特点。

作为实验教学改革的一项重要举措，许多高校纷纷实行开放式实验教学，并且取得了一定成效。但在具体的实施过程中，经常陷入因配套改革不到位所造成的困境中[10-12]，主要问题有：

(1) 实验教学资源不足。开放式实验教学对实验资源有很高的要求，包括实验师资、实验场地、仪器设备、工具材料等，都必须根据开放实验内容进行冗余配置。许多学校因条件所限，只能选择部分内容，主要面向参加毕业设计或各类技能竞赛的学生开放，而面向学生基本技能训练、兴趣培养的开放实验比较少，开放层次不够、实验项目不足、开放时间有限、实验器材配置单一，可选择性较低。另外，由于学生长期处于应试教育的学习状态，造成大部分学生思维方式缺乏独立性、自主性，再加上引导不力，影响了学生参与开放实验积极性。

(2) 实验室管理手段落后。开放式实验教学对现有实验室日常管理模式产生一定冲击，表现为①开放实验与常规实验教学的矛盾，过度开放会减低仪器设备的完好率，如果设备的保养维修跟不上，必将影响到正常的实验教学质量。②开放实验过程复杂多变，必须对各种实验资源做好优化调度。③开放实验因其时间、空间的开放，尤其是以学生为主，弱化教师的干预度，加大了仪器设备及人身的安全风险。

(3) 运行经费缺乏。实验教学的开放必然增加实验材料的消耗、增加设备的维护费用、加大实验管理人员以及教师的劳动强度，甚至占用他们的业余时间。一方面现有的实验室运行经费已不能适应实验室开放的需要，资金严重不足；另一方面实验人员和教师付出的额外劳动得不到合理补偿，这些因素直接影响到实验教师和实验人员参与开放实验教学工作的积极性，影响了实验质量和开放的效果。

1.5 实验教学师资结构严重失调

国家教委颁布的《高等学校实验室工作规程》要求，高等学校实验室的设置，应当“有合格的实验室主任和一定数量的专职工作人员”，包括“从事实验室工作的教师、研究人员、工程技术人员、实验技术人员、管理人员和工人。各类人员要有明确的职责分工。要各司其职，同时要做到团结协作，积极完成各项任务。”实验室工作人员大致分为专职的实验室管理人员、专职的实验技术保障人员和兼职实验指导教师三个系列，其中专职实验室管理和技术保障人员队伍的稳定是决定当前实验教学改革及创新教育成败的关键。

国外高校非常重视实验技术保障人员的稳定，其科学素养、科研能力和工程实践能力较高，绝大部分只从事学生实验前后的准备、仪器设备的日常检修维护和实验教学手段的开发，基本不参与实验教学过程的指导。实验内容设计和指导多由讲授与实验内容相关理论课的教师负责，在简单阐述实验内容后由学生根据自己的认知进行发挥，老师只是负责解答一些学生在实验过程中遇到的困难[13]。

长期以来，我国多数高校将实验室专职工作人员作为教辅人员进行管理，待遇低，发展空间小，严重挫伤了他们的工作热情，导致实验教学队伍不稳定、不系统，尤其是基础课教学型实验室，不少高学历的中青年教师不愿意或不安心于实验教学，致使这支队伍在知识结构、年龄结构等方面都存在较多问题，在一定程度上制约了实验教学改革的深化，限制了实验教学质量的提高。再加上大学“扩招、升格”对师资队伍学位学历的要求，许多学校没有及时补充实验教学队伍。随着老一代实验人员的退休，出现了严重的年龄“断层”，作为下策，不得不让理论课授课教师承担实验室日常管理、检修维护、实验指导等所谓的“一条龙”服务，岗位不清、责权利不明，疲于应付，难以将创新教育“润物细无声”地贯彻到实验教学全过程。

2 思路与对策

2.1 树立以创新意识启蒙为核心的创新教育理念

法国思想先驱卢梭指出[14]：“教育的问题不在于教他各种学问，而在于培养他爱好学问的兴趣，而且在这种兴趣充分增长起来的时候，教他以研究学问的方法。” 因此，国外很多大学一直推崇学生自学能力、创新意识的培养。

创新教育的过程，不是受教育者消极被动的被塑造过程，而是充分发挥其主体性、主动性，使教学过程成为受教育者不断认识、探索和完善自身人格的过程。鉴于我国学生长期受应试教育的影响，又缺乏培养创新意识的传统文化背景和社会资源，高校实验教学应以培养大学生的创新意识为核心，辅以创造性思维能力和创新技能的训练，避免那种孤立的、运动式和功利性的浮躁创新教育模式，才能真正调动学生的主动性，彻底走出目前创新教育乏力的困境。同时，要改变教学理念，加大自制“原生态”实验教学装置的开发，不过度依赖商品化的实验教学平台，不追求实验过程的“完美”，当实验指导非常完整、完美、无懈可击时，就把学生的探索过程取代了，这不利于创新意识的培养。

2.2 实验与理论教学的一体化教学模式

实验与理论教学一体化教学是指以提高学生创新意识、科学素养、实践精神和团队合作精神为目标，整合理论教学与实验教学的各个环节，实现课程理论知识与实验知识在组织方式、知识排序方式以及知识习得方式上有机融合的教学模式[15]。

和传统的实验教学模式相比，一体化教学在教学内容上，能将理论教学和实验教学的内容合二为一、或环环相扣，从而组成一个有机整体来施教，有效避免二者的分离和脱节；在教学方式上，打破传统理论课与实验课时间和空间段的严格划分，便于两者在时间和空间上的结合，有利于实施基于问题、项目、案例的互动式、研讨式教学法和自主、合作、探究的学习方式。在学生层面上，一体化教学也会大大提高了学生学习的积极性、主动性和创造性，促使学生从被动学习向主动学习转变，有利创新能力的培养。

2.3 稳定实验教学队伍

实验教学改革是一个系统工程，实验教师队伍是承担该工程的主力军，高校应予以充分重视，建设一支高素质、强能力、结构合理、相对稳定的实验教学队伍是实验教学中创新教育成败的关键。因此，应改变实验教学队伍地位低的现状，适时调整相关政策，明确实验室岗位职责，合理设岗，理顺人员编制，不要一味追求高学历和高职称。重视实验室教学队伍业务能力的培养和提高，提供各种机会让他们参加培训、研讨、交流和考察等活动，促进实验指导教师和实验技术人员积极学习，不断提高自身的素质。要打通教师系列与实验系列之间的职称分水岭，真正体现实验教学的重要性，改变实验教师工作热情受挫的现状，使实验教师对实验室的工作有更强的责任感、荣誉感。

2.4 优化实验资源配置

创新教育过程具有自主性、探索性和多样性的特点，因此，高校实验教学资源应据此进行优化配置。人员安排上，应有足够的师资为学生提供个性化的指导，能跟踪每个学生的学业进展动态。在经费投入上，应保障必须的耗材和选择的余地，能接触到工程行业中主流的测试设备。在时间和空间上，要便于学生利用业余时间片段，保证学生可以进行时间跨度较大的实验创作。同时，加快实验室管理的信息化平台建设，为实验室创新教育和日常安全提供技术保障。

3 实践和成效

根据上述改革思路，我们在电路、电子技术等多门专业基础实验课程中，尽量多采用“原生态”实验装置和材料，设置了课程设计和综合实验周等实验教学环节，将“虚实”实验手段有机结合，为实验过程注入不确定性、探索性和作品性等要素。教学实践表明，这种实验模式提高了学生学习的主动性，出勤率高、课堂气氛活跃，完成实验后，学生都觉得很有成就感和自豪感，这会进一步激发学生对实验学习的兴趣，进而潜移默化为学生的创新能力，为后续的电子设计大赛、智能车大赛，以及参与教师科研项目等创新实践活动提供人员和能力准备。鉴于“原生态”实验模式溢出效应显著，我们正将“原生态”实验模式推广到单片机等嵌入式系统实验教学，制定了“口袋实验室”(PocketLab)计划，为每一修课学生提供一套微单片机、接口器件等散件，以及基本的装配、测试工具，置于一个便携式工具盒内，学生可以不受实验室空间的限制，随时随地展开实验操作。“口袋实验室”计划将“原生态”和“移动性”实验模式相结合，突破了开放实验教学资源不足的“瓶颈”，将会成为培养学生创新能力的有效载体。

同时，我们成立了以“课程群”为主体的教学资源配置模式，将理论教学、实践和实验教学等课程资源和教师资源优化“绑定”，激发了教师从事实验教学的工作热情，一定程度上缓解了实验教学师资的不足，为建设相对稳定的实验教学队伍做了有益探索。

4 结 语

实验室是学校的心脏，对学校的健康发展至关重要。多年来，教育工作者针对实验教学改革作了大量有益的探索，提出了多种教学模式，实践了问题导向、项目导向等教学方法，有力地促进了创新教学的良性发展。但是由于高校差异性大、方案实施制约因素多，仍存在大量问题有待解决。因此，应结合国情，对实验教学中创新教育进行更深人的思考和研究。本文首先界定了创新能力的涵义，反思了应试教育、传统文化和社会资源对当代大学生接受创新教育的不利因素，分析了目前我国高校实验教学中创新教育存在的问题，探讨了提高实验教学中创新教育效能改革思路，具有一定的借鉴意义。

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Situation and Countermeasures of Innovation Education of Experiment Teaching in Universities

ZHANGYun-chua,JIANGAi-minb,XUHong-donga,ZHANGJun-penga,YANGHong-juana

(a. School of Information and Electrical Engineering; b. Lab and Equipment Management Office,Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Laboratory is the heart of college, and is essential for the healthy development of the college. The experiment teaching is an important carrier of cultivating the students’ ability of innovation. Based on defining the connotation of the innovation ability, we reflect on the negative effects of examination oriented education and traditional culture on contemporary college students’ innovation consciousness; then point out the misunderstanding existing in the current education of innovation in experiment teaching of college. Issues, such as weakening the verification experiment, open experiment teaching not in place, and the teaching staff structure serious imbalance, are analyzed in-depth. The corresponding countermeasures are given with the enlightenment of innovation consciousness as the core, the teaching mode of the integration of theory and experiment, the stabilization of experiment teaching team and optimization of experimental resources.

innovation education; innovation consciousness; experimental teaching; verification experiment

2015-02-28

张运楚(1968-)，男，山东曹县人，博士,教授，主要研究方向：智能安防技术，数字图像处理与模式识别，计算机视觉。

Tel.：13553196752；E-mail: yczhang@sdjzu.edu.cn

G 642

A

1006-7167(2016)02-0224-05