大学实验教学的四重境界

居沈贵 薛峰 石丽芸 汤吉海

[摘 要]该研究探讨建立大学实验教学初学级、熟练级、竞赛级、专业级四重境界人才培养模式，进而建立引导大学生在实验过程中从初学者到熟练者，再进一步成为竞赛级选手，最后成为具有设计能力和专业素养的技术人员以及具备工匠潜质的人才的培养机制;通过提出用户体验的概念来强化“以学生为中心”的教学思想;并在新时代背景下以及“金课”高阶性、创新性和挑战度的建设框架下，对打造实验教学四重境界的重要性、四重境界结构设计原则进行了有益的探索。

[关键词]实验教学;赛教融合;金课;用户体验

[中图分类号] G642 [文献标識码] A [文章编号] 2095-3437（2020）12-0037-03

2018年颁布的《教育部关于加快建设高水平本科教育 全面提高人才培养能力的意见》和《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》明确提出强化人才培养的核心地位，“双一流”建设的核心是人才培养，同时明确了一流本科教育在“双一流”建设中的基础性地位[1]。要全面落实党的教育方针，以学生全面发展为目标，强化基础、突出重点、建立规范、落实责任，形成全员全过程全方位育人格局，切实提高工作亲和力和针对性，建立学院“三全育人”改革实施目标管理制度。课程是人才培养的核心要素，专业是人才培养的基本单元。学生从大学里受益的最直接、最核心、最显效的是课程[2]。要“合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度，切实提高课程教学质量”，也就是“金课”要具有高阶性、创新性和挑战度三个显著特征。《教师专业标准》的基本理念是“师德为先”“学生为本”“能力为重”“终身学习”。精品课程建设就是要有示范性课程的标杆、一流的师资队伍、一流的课程体系、一流的教学方法以及一流的教学成果[3-4]。根据上述要求和化工原理课程作为南京工业大学的“国家精品课程”相关要求以及化工原理实验教学实际，本文提出了以打造化工原理实验教学的四重境界为核心的人才培养模式来对标金课建设。

一、大学实验教学四重境界的打造

（一）打造四重境界的重要性

1.这是对传统教学的理论拓展

传统的儒家教学思想主张教和学相统一、理论与实践相结合、重视发展学生的思维能力[5]。我们探讨如何继承和发展这些有价值的教学思想有着深远的意义。其一，教和学相统一，既重视教的原则方法，也重视对学的启发指引，注重发挥学生的主体作用和强调正确引导学生在学习过程中的态度问题。其二，理论与实践相结合。宋代的朱熹在他的教学实践活动中强调理论与实践相结合，“为学大抵穷理以致其知，反躬以践其实”。他主张教学中的读书穷理与躬行实践并重，读书穷理是手段，躬行实践是目的。其三，发展学生的思维能力，必须要广于见闻。按认识论的理解，没有广博的间接经验和丰富的感性认识，人的认识不可能由感性认识上升到理性认识，思维水平也不可能由感性阶段上升到理性阶段。儒家教育家很早即认识到了这一点，孔子提倡学生“多闻，择其善者而从之，多见而识之”“多闻阙疑，慎言其余，则寡尤;多见阙殆，慎行其余，则寡悔”。明代大儒王阳明[6]倡导“学、问、思、辩、行”的教学理念，注重师生互动，学生主动学，主动问;思考和辩论质疑，最后统一到实践行动中来，着重点在于如何调动学生学习的主观能动性，拓展学生的创新思维能力。因此，为了实现教学统一，知行合一，发展学生的创新思维，需要对传统教学理论做进一步的创新和探索。

2.这是赛教融合的发展需求

赛教融合有助于加强本科院校的“金课”建设。目前全国范围内的竞赛项目有化工设计大赛、Chem-E-Car能源小车大赛、化工原理实验大赛、数学建模大赛等。学科竞赛是学生知识综合运用的比拼，比赛的内容会涉及数门甚至数十门课程，需要学生掌握扎实的理论基础知识，并能将这些知识灵活应用于比赛中。而传统的课堂教学，每门课程都由不同的教师讲解，相对较为独立，学生通常很难理解课程之间的联系，这就容易使学生感觉自己所学的许多专业基础课用处不大。通过参与学科竞赛，学生和指导教师在解决问题的过程中，将用到的各科知识串起来，形成系统的知识体系。在高校“金课”建设中，教师可以借鉴学科竞赛的经验，改变课程体系的孤立性，实现“金课”建设中的课程融合。

3.这是对递进式进阶思维的拓展

增强终身学习的意识，感悟的质变过程需要强化定向量变的不断积累。清代诗人王国维提出递进式思维的佳句备受后人推崇。“独上高楼，望尽天涯路。”此情此景，有所感悟，尚处于初级学徒级人员要注重基础知识的学习积累。“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”通过对学习过程中碰到的一个又一个难题进行不断思考和学习，最终成功跨越，逐渐深入，熟练掌握本门技巧和方法，成为一名熟练的操作人员。“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”此时渐入佳境，有所领悟，并为之着迷，从而变成具备较强能力的竞赛级别的人员。“行到水穷处，坐看云起时。”忽然开朗，打通任督二脉，融会贯通，最终成为该行业领域的专家级人员，并且在原有设备装置的基础上更上一层楼，设计或创造出新模型、新装置或提出新理论，从而成为本领域的专业技术人员。受此启发，我们提出递进式教学模式。

（二）四重境界结构设计的基本原则

1.符合“金课”建设的高阶性、创新性和挑战度设计原则

高阶性注重学生知识、能力和素质的有机结合，是学生解决复杂问题的综合能力和先进思想，更应该注重能力和思维的训练[2]。创新性应体现在课程应当定位前沿，能反映出时代特征;教学形式应体现先进性、创造性和互动性;学习成果应具有创造性、个性和前瞻性。挑战度则是指课程必须有一定的难度和深度，学生需要付出一定努力之后才能达到学习目标。

2.遵循“以学生为中心”的教学基本原则

用户体验是用户在使用产品过程中形成的一种纯主观感受[7]。传统教学重视知识传授，忽视学生体验。学生作为学习主体，可以将学生视为客户群体，实验仪器为使用对象，学生实验过程为人机模式的交互式体验。学生体验的共性能够经由良好设计实验来认识。计算机技术和互联网的发展，使技术创新形态正在发生转变，以用户为中心、以人为本越来越得到重视，用户体验也因此被称作创新2.0模式的精髓。在中国面向知识社会的创新2.0模式探索中，更应该将重视学生体验作为创新机制的尝试。

以学生为中心的思想强调体验舒适度。实验教学要按照学校的培养计划、办学要求以及社会对人才的要求对学生进行因材施教。实验教学的内容、方法、手段等必须适应因材施教和培养高素质人才的需要。整合优化过程中强化“以学生中心”，注重引导学生的个性化发展，发挥学生的主观能动性，这符合教育规律和人才成长规律[8]。

3.以培养学生的实践操作能力和创新能力为基本原则

理工科学生在接受知识教育的同时还应该树立工程意识以及培养实践操作能力和创新能力，使自身的整体知识结构、工程素养、创新能力得到全面优化[9]。基于问题导向的训练，要求学生主动寻求知识的理解、应用和创新，在遇到问题、分析问题时注重问题分析的系统性;力求让学生深刻体会理论与实践的关系，工程思路严谨性与创新思维灵活性的关系。这种模式不仅能使学生学到有用的知识，而且可以培养其思考、分析和解决问题的能力，有助于其科研训练实效和创新能力的提升。实验教学通过以学生的综合素养、操作水准和实践创新能力以及发现、提出、分析和解决问题能力的提高为主线，建立起专业性、系统性、全面性、科学性的实验教学模式。

（三）四重境界的内涵

创新型大学生是创新型教育的产品，需要对学生的个性特征、行为特征加以引导，将学生培养成为聪明的人、有思想的人、完善的人以及科学、人文、艺术等方面全面发展的人。教师在实验教学实践中可引用《荀子·儒效》 中的名言即“不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之”，不断加强理论和实践的融合，达到知行合一。

1.第一重境界：“懵懂无知，学艺于师”（初学级）

学生通过系统的理论学习后，对具体实验项目的原理已经有所掌握。教师概括性讲述实验教学的原理和实验目的，重点介绍实验装置和具体的工艺流程，重要的观察点和测量点，以及如何对操作技能技巧和控制进行精准把握，最后进行实验操作，精确测量实验数据，处理和分析实验数据，撰写实验报告，总结方式方法。要求教师做到一边演示一边讲解，一边实验一边引导，让学生慢慢达到由生疏到熟练的状态。

2.第二重境界：“熟能生巧，无师自通”（熟练级）

这一阶段不再需要教师进行现场指导，学生自己根据实验目的和要求进行反复练习，以做到实验操作娴熟、记录实验数据准确翔实;对于不合理的数据，能够及时发现并思考问题所在，能够分析问题和解决问题，熟练完成实验报告。这一阶段要注重学生动手能力的培养，引导学生做到高度自律和主动思考，自我提高，不需要教师过多介入。

3.第三重境界：“融会贯通，巧为人师”（竞赛级）

让学生充当教师角色，根据自身掌握的知识进行讲解。学生这个时候会发现自己对原理和概念的掌握似乎不太清晰，对专业语言和词汇的表达似乎不太准确，理解能力还不够透彻，理论和实验操作水平还无法一致，从而思考自己和老师讲述的内容还有哪些方面需要改进和提高。通过不断强化和训练之后，他们能够将实验相关知识点串起来，同时能够解决实验过程中与实验装置相关的小问题，比如阀门开关顺序，测量仪表范围和量程，传感器调零和调试等等。

4.第四重境界：“推陈出新，设计大师”（专业级）

首先，学生经过长时间的沉浸与积累，交流和思考，发现现有实验装置存在的问题和缺陷，开发新的实验装置来弥补不足。其次，结合现代电子测量手段和先进的数据处理技术进行融合和创新，提高实验装置信息化水平，做到与时俱进。最后，还需要结合美学原理设计装置。装置不仅需要具备实用价值，还要具有简约和大气的风格，让使用者在接受专业知识教育的同时获得良好的美学体验感。

二、四重境界在实验教学中的实际应用

直管阻力系数测定实验[10]作为全国大学生化工原理实验大赛的主要比赛项目之一，知识点多，操作复杂度高，实验技巧性强，具有很强的代表性。我们结合化工原理实验教学来阐述实验教学的四重境界。第一重，教师教、学生学。教师讲述实验原理、实验目的、装置流程、物料走向、操作顺序、取样测样点等等，实验内容包括流体流经光滑直管时摩擦系数λ与雷诺数Re的关系及变化规律，掌握流体流经粗糙管时压降ΔP与雷诺数Re的关系及变化规律，掌握流体层流流动时摩擦系数λ与雷诺数Re的关系及变化规律，掌握流体流经阀门和弯头时局部阻力系数ζ的测定方法等。这个阶段，学生从掌握理论知识上升到掌握实践操作，其动手能力得到明显提高。此过程仅仅限于从无到有的阶段。第二重，学生独立熟练操作。学生在掌握基本技能和实验关键点后，需要对装置进行整体把握，掌握控制点和整体的参数协调控制能力。教师告诉学生要做到熟练掌握实验技能，还需要加强锻炼。我们提出客户体验度的概念，让学生在人机互动中熟悉实验装置，使实验数据可重复性高、误差小。学生由被动灌输转为主动学习，不断自我提高。第三重，让学生充当老师，来讲述实验操作原理和目的，指导实验过程。这时需要学生对知识点进行重新整合和归纳，使其逻辑性得到大幅度提高，知识体系得到质的改善。在这个实验过程中学生对装置更加熟悉，其流程和数据测量水准得到提高，能发现各种问题并且逐一加以解决，其动手能力和综合实验能力也得到大幅度提高。第四重，通过长时间的实验操作和思考，计算和处理实验数据，发现实验数据的误差和理论公式并对误差产生的原因进行深层次思考，设计和改进现有实验装置，提出合理化建议，改善实验装置的性能。比如学生在做层流实验时，通过测量ΔP值来反推流速（管长、管内径确定），再通过计算雷诺数确定是否在层流的范围之内（Re≤2000），验证数据是否合理，然后计算层流 （滞流）时的λ值。实现设计实验装置的合理化、人性化和信息化。传统的实验教学对于信息化和智能化的融合，人机互动的考量相对发展滯后。如何对学生的实验数据和数群进行综合分析和讨论，设计或创造出新模型、新装置或新理论，则是对专业级人才培养的一大挑战。

三、结束语

树立“以学生为中心”的教学思想，提升学生在实验课程中的体验度，建立四重境界的进阶式培养模式，不仅能培养基础扎实、动手能力强的学生，还能加强与社会接轨，为社会输送高素养的人才，为我校一流专业建设贡献力量。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 苏双. 高校党校教育研究[D].长沙：中南大学，2013.

[2] 吴岩. 建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-9.

[3] 颜敏.目标引领，科学提升，系统推进：新建本科院校“金课”建设先行之路探析[J].河南教育学院学报（哲学社会科学版），2019（2）：38-46.

[4] 吴炎. 国家级精品课程建设的问题研究：以A大学国家级精品课程为例[D].芜湖： 安徽师范大学， 2013.

[5] 钟杨.儒家传统教学思想的三大特点[J].四川教育学院学报，2003（9）：7-10.

[6] 王阳明. 传习录[M].上海：上海古籍出版社，2018.

[7] 卢克·米勒. 用户体验方法论：最懂用户体验的人教你做用户体验[M].北京：中信出版社，2016：202.

[8] 曾明荣，韩媛媛，赵鹏.化工原理实验教学模式的研究与探索[J]. 实验室研究与探索，2016（5）： 221-224.

[9] 居沈贵，王晟. 基于“问题导向”提升研究生科研训练和创新能力的探索实践[J].化工高等教育，2018（4）：24-26+50.

[10] 居沈贵，夏毅，武文良. 化工原理实验[M]. 北京：化学工业出版社，2016：158-161.

[责任编辑：庞丹丹]