实验室开放管理的新工科人才培养探索

王文成, 侯崇升, 吴小进, 杜 德, 任启迎

(1.潍坊学院 信息与控制工程系，山东 潍坊 261061；2.北京新大陆时代教育科技有限公司，北京 100044)

0 引 言

随着物联网技术、工业机器人、大数据和云计算技术等为代表的第四次工业革命的到来，创新已经成为经济和社会发展的主要驱动力量。主动服务国家创新驱动发展和“中国制造2025”等重大战略实施，加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，已成为高校新工科教育改革的一项重要任务。2014年，我国教育部公布的改革措施：全国1 200所普通本科高等院校中，将有600余所逐步向应用技术型大学转变。2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设。

作为高等教育的重要组成部分，实验教学为学生巩固课堂知识提供了有效保障，在培养大学生这种综合素质方面起着不可替代的作用[1-6]。但是对于工科专业，企业越来越青睐于有一定实践经验的人才，传统的实验教学方法已经在很大程度上难以满足当今社会对实践性人才的培养要求[7]。推进和扩大实验室开放的力度，提高学生实践能动性，是实验教学改革的有效途径[8-11]。相对于传统的封闭式实验，开放性实验就是把实验室的资源向学生开放，让学生在课余时间根据自己的兴趣和知识掌握情况自主设计实验。在该过程中，学生成为了实验的主导者，科学地规避了不同学生学习能力的差异，提高了实验设备的有效利用。因此，探索新工科人才培养形势下的开放实验室管理模式具有重要的现实意义。

1 传统实验教学存在的问题

传统实验教学是理论教学的拓展和延伸，为人才培养起到了举足轻重的作用，但也存在一定的问题[12]：

(1) 实验模式固定。传统的实验中，实验内容已经基本确定，实验指导书中对于实验项目的步骤和方法描述非常详细，学生按照教师和实验指导书的要求按部就班地操作就可以完成，测出的数据千篇一律，实验报告大致相同。导致学生在实验过程中处于被动学习和机械操作的状态，遏制了创造性思维的发挥和创新能力的提高。

(2) 实验内容陈旧。在传统的实验教学中，实验环节只是理论知识的补充和实践，大部分实验项目属于半定量或定性实验，采用验证性的实验方法为主，学生只是按标准的程序在实验台上验证原理和定律。这类实验与产业最新技术联系不多，内容枯燥乏味，难以激发学生的学习兴趣和创造欲望，影响了学生对课程内容的理解及解决实际问题能力的培养。

(3) 实验课时偏少。传统的课程教学体系往往对实验课时有明确规定，课程实验时间有限，要培养出具有一定动手能力的学生，难以在有限的实验课时内实现。加上近几年招生规模的扩大，校内各种教学资源的建设也跟不上。大多数实验是2人一组，甚至是4人一组，学生不能对每一个实验环节都亲自动手去完成，学生动手能力的培养受到一定限制。

(4) 实验模块孤立。传统实验主要根据章节内容安排实验，以孤立的单元性操作实验为主，综合设计性实验和创新性发挥的实验少。对于专业综合课程设计、毕业设计以及学生自主性大学生创新竞赛活动，由于时间不固定或需要用特定实验设备，在缺少实验室管理人员的情况下，实验很难进行。这样的实验设置不利于学生思维能力、独立能力和创新能力的培养。因此，扩大实验室开放的力度并完善实验室管理准则势在必行。

2 开放实验室建设的措施与建议

开放实验室是工科专业实验教学的一种新的运行模式，对其进行建设的举措和建议如下。

2.1 搭建网络化信息管理系统

信息化和网络化技术的迅速发展及普及，为传统的实验室管理模式向开放的实验室管理提供了契机，通过实验室网络化信息管理系统解决教师与学生、学生与实验项目之间的沟通瓶颈具有显著的现实意义[13-16]。一方面，根据实际需求合理地安排实验室开放时间和实验室资源，提高资源的利用率；另一方面提高管理人员的工作效率，保证开放实验室的安全有序运行。实验室信息管理系统的运行采取“学生预约，老师审核”的原则，使用人员包括实验室管理员，指导教师和学生。其权限分配规则为：①管理员具有最高的权限，主要负责对整个实验室活动的设备协调和管理，可以对指导教师和学生用户分配权限、增加或删除用户、发布公告、对后台系统数据进行维护。②指导教师主要负责对实验项目的管理，包括实验设置、实验安排、预约批复、学生考核管理、学生考勤、实验情况查看等。③学生通过账号登录到系统，查询实验项目开放的相关信息，并进行实验预约。在预约被批准前，可以对预约信息进行修改。如果预约成功而后续实验缺勤，将会被计入个人诚信系统。

管理系统工作如图1所示，实验管理员根据实验室活动安排，制定相关实验计划，协调其他实验室设备。开放实验室指导教师根据实验设备安排实验项目，并通过网络发布。学生根据自身情况查看实验进行提前预约，由实验教师批复后在规定时间进行实验。实验进行前需要通过校园卡进行考勤，分配实验台后进行实验。学生实验后需要提交实验记录由实验教师进行管理。

图1 实验室信息管理系统运行原理

2.2 引导学生参与实践活动

开放实验室作为产学研结合的重要基地，其开放的模式遵循“学生为主体、教师做引导”的实验教学理念，为学生营造良好的实践环境。

(1) 强化创新学分为抓手。设立创新学分与引导学生参与开放实验室的实践活动相互支撑，是高校实施创新教育、培养高素质人才的举措之一。目前，潍坊学院的多个工科专业已经将自主创新学习纳入人才培养方案，并科学地建立实践学分认定标准。对于学生参加课外创新实践活动并获得科技成果者，按规定获得创新学分，成果形式包括学生利用开放的实验室资源开展各类科技开发、第二课堂活动、综合性实践项目、申请专利、发表学术论文、参加社会实践等。这种让学生带着问题开展实验实践活动，促进了大学生创新能力的培养，实现了开放实验室和创新学分改革的有机结合，在校园内营造了良好的创新学习氛围。

(2) 组织开展大学生学科竞赛活动。大学生学科竞赛是培养学生动手能力和创新意识的有效途径，是课内外实践教育相互融合的重要环节。开放实验室为学生参与大学生竞赛提供了良好的环境和平台，通过参与各类竞赛，学生的综合运用知识的能力大幅提高，一批优秀人才脱颖而出。学院除了参加每年国家或山东省举办的电子设计大赛、数学建模、机器人比赛、挑战杯、软件设计大赛等。还与著名公司合作举办带有学院专业特色的大赛，例如与飞思卡尔、台湾凌阳、新大陆集团、青岛英谷教育等企业联合组织的单片机大赛、嵌入式系统设计竞赛、物联网应用技术大赛等。2016年以来，潍坊学院学生参加学科竞赛荣获国际大奖2项，获国家级一等奖30项、国家级二等奖46项、国家级三等奖54项，获省级一等奖82项、省级二等奖95项、省级三等奖128项。打破2017世界大学生超级计算机竞赛总决赛国际超算竞赛世界纪录，获得最高计算性能奖。获得竞赛奖项的学生除了能够提升自身的专业技能，还为升学或就业增加筹码，这条途径与极大地调动了学生参与实验室开放的热情。

(3) 鼓励学生积极参与科研项目。工科类专业的高校教师具备一定的科研能力和学术水平，能够组织开展课题研究。对于有科研潜力的学生，教师在开展的课题研究的过程中，积极吸引学生参与，践行“科研导师制”。指导老师根据科研项目情况从自己承担的科研项目中选出适当的子课题，提出实验要求，由实验室定期发布开放研究题目。对项目内容感兴趣且有思路的学生将会与老师联系，在导师的指导下搜集资料、设计方案并进行实验。在此过程中，导师负责该实验耗材的费用，传授科技资料的整理、实验方案设计及科技论文的写作等知识，让学生亲历科研活动，激发学生的创新精神，同时也减轻了指导老师的负担。学院季涛博士的科研团队在开展“高校能源监管平台”项目的过程中，吸引多名学生参与，将课堂中学习的PLC技术、工控组态、现场总线技术在项目中得到了应用，为走向工作岗位积累了宝贵的经验。

(4) 建立校企合作实验室。目前，许多高校特别是地方高校都成立校企合作专业，并且相关专业技术代表着当前新兴产业的发展方向。若高校与企业联合共建开放实验室，既可发挥高校学科专业优势，又能利用企业市场优势与资金优势。实验室实施开放性教学，学生将提前了解企业的业务范围，并以职业人的身份在企业的实际工作岗位上得到培训和专业训练，提升了大学生的走向工作岗位的竞争力。学院与青岛英谷教育有限公司就自动化(车联网)方向开展校企合作，且筹建车联网实验室，学生可直接利用企业开发的设备进行科技制作，为后期介入该行业奠定了基础。

2.3 完善实验室管理政策和制度

对于开放实验室的管理和运行除了常规的制度、配备专门的管理人员和兼职指导教师之外，还有一些积极措施起到锦上添花的效果。

(1) 采用继承与创新相结合的多层次管理模式。对于开放性实验室，由于学生更换较快，难以实现由指导教师带领每一批学生由技术入门到精通。实验室的运行应确定以“学生为主，教师为辅”的思路，自身形成长期的自我管理模式。在运行初期，由专职教师值班指导学生的实验、传授科研研究的基本思路，充分发挥其引领和带动作用。当开放实验室连续运行到一定程度后，则可以培养一批具有较强实践动手与创新能力的学生。该批学生将承担部分导师的责任，以老带新，协助刚进入实验室的学生尽快熟悉实验设备和实践流程，相互之间对遇到的小问题可随时协助解决，最终形成连续可以继承的科研模式，从而将开放实验室的运行进入学生自主管理的良性循环。

(2) 设立开放实验室专项基金。开放实验室的运行必然会导致低值仪器设备损耗和耗材的增加，如电子类实验需要电子元器件消耗，而化工类实验需要大量药品消耗。因此，为保证开放式实验室的长期开放和实验项目的顺利开展，设立开放式实验室专项基金至关重要。有了专项基金的保障,教师可结合实验室现有条件,设置一些课外实验项目,如代表学术发展前沿的、先进的、综合性或设计性的实验项目等,通过自由选课、预约开放等形式,吸引有兴趣或特长的学生进入实验室学习。同时，可以以项目申报的形式获得一定的实验经费支持。项目申报的内容可以是指导教师提供的一些综合性和创新性的实验项目，也可以是学生自拟的科技开发、科技发明与制作、设备改造等课题。对于学生自主申报课题，需要学生独立提出技术方案和实验规划，统一经实验室组织审定资助适量的经费，并根据研究的情况进行评审结题。例如，地方院校为调动学生在科研创新活动中的自自主参与性，综合自身实践情况，设立了大学生科技训练计划(SRTP)实践活动专项资金，根据项目的不同给予2 000元左右的支持，并制定了基金使用和项目结题相关规定。为学生开放性实验项目的实践提供了有力的物质支持，有利于促进创新创造性人才的培养。

(3) 制定合理有效的激励措施。实验室的开放必然会导致实验教师工作量增加，仅凭他们的奉献精神与责任感来维持正常持续运转并不现实，这需要从责、权、利的政策上通盘规划。科学的政策是开放实验室良性循环的动力，既激发指导教师和实验室管理人员的工作热情，更能激发学生的创造热情，增强师生的归属感和自豪感，使这项工作可持续开展，培养更多具有创新能力的高级人才。为此,学院对实验岗位的聘用采用专兼职结合和公开招聘的方式，吸引专业技术人员进入开放实验室。对于参与实验室开放的教师，实行坐班政策，确定工作量补贴和薪酬发放，从政策上保证实验人员的工作积极性。对一些实验任务多、实验项目简单且实验技术人员缺乏的实验室，聘请优秀高年级学生从事实验室管理、入门辅导和值班的任务，既能解决因实验项目开放带来的管理人员不足，又可锻炼学生的管理能力，既为家庭困难的学生提供帮助，又可相对减少人员经费的支出。此外，对教师指导学生科技课题、学科竞赛等项目学校优先支持，对于取得科研成果的学生，针对其成果的层次分别进行表彰奖励。12年来,信息与控制工程学院的创新实验室为国家培养了一批批具有创新意识和创新能力的人才。

3 结 语

加强开放实验室建设，是学生实践能力和创新能力的培养有效途径，也是实验教学改革的重要课题。几年来,潍坊学院作为地方性的普通高校,遵循应用型人才培养的办学思路,充分发挥开放实验室的作用，从设立大学生科技创新基金、开展SRTP大学生科技训练、设立创新学分、组织参加大学生科技竞赛等方法，既注重培养学生的“工匠精神”，更着力培养创新精神和创造能力，学生实践创新能力成绩显著。总之，实验室开放模式的创新和改革，不但充分调动学生进行实践创新的主动性，而且可以减轻实验室管理人员的工作强度，为培养高素质工科人才探索出一条新的途径。