应用型专业探究性实验深入开展的探索实践

沈明卫 吴晓琴 徐惠荣

[摘 要] 探究性实验是农业工程专业实验教学的重要方面，经过多年实践，浙江大学农业工程专业探究性实验受益课程增多，实验内容和深度方面得到拓展。为使探究性实验发挥更大的作用，着重分析了经费分配管理、实验室共享互惠、学科竞赛与探究性实验相结合、探究性实验指导规范、建立探究性实验指导小组五个方面的问题，根据农业工程专业培养的特点和要求提出优化方法和途径，在实验实践中取得了一定的效果，提升了探究性实验教学的水平。

[关键词] 探究性实验;农业工程;实验教学

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）03-0109-04   [收稿日期] 2020-09-02

一、农业工程专业探究性实验的现状

实验教学是农业工程专业学习的重要组成部分，对学生的知识理解与运用、动手实践、探索创新等能力的培养起着重要的作用，因此如何提高实验教学水平一直是教师思考的问题和努力方向。农业工程是一门多学科交叉性应用型专业，特别强调应用工程实践知识解决农业生产的实际问题，基于专业知识运用与科研探索相结合的探究性实验实践是理解掌握课程内容并学以致用的重要方面，在农业工程实验教学方面有着举足轻重的作用。

农业工程专业的核心课程，如精细农业、农业生产机器人、生物物料学等课程，从课程开设之初就尝试开展探究性实验教学实践。从2014开始，浙江大学本科生院每年下达探究性实验专项经费来资助本科教学课程进行探究性实验实践，使得探究性實验课程范围得到进一步拓展。目前，农业工程专业课程基本上不同程度地开展了探究性实验实践。从实验报告完成质量以及学生实验心得体会来看，学生通过自主查阅资料、团队讨论合作、定期或不定期地与指导教师交流、实验设计和结果验证分析等环节的锻炼，其综合运用知识探索新知识的能力有了明显提升，并进一步拓宽了专业视野。

探究性实验目前已经成为农业工程专业课程实验教学的主流，其作用和地位毋庸置疑。随着探究性实验的深入，在经费分配、实验室条件、探究性实验指导等方面也出现了一些问题，因此分析制约探究性实验进一步深入开展、优化解决问题的途径和方法，进一步提高探究性实验开展水平具有一定的现实意义。

二、探究性实验深入开展的问题和措施

（一）经费分配管理

农业工程属于交叉学科，农业工程专业下的各课程差异性大，涉及机械、电气与控制、能源、环境、生物科学等领域，学科领域广，所涉及的材料和检测分析手段也各不相同，因此各课程实验经费要求差异大。在实际操作中，基本部分采用平均分配，对实验项目多、学生参加人数多、实验材料费用高的课程在实验过程中按需追加，并在课程之间进行调剂。考虑到部分课程在探究性实验进行过程中会产生一些新的思路，继而产生新的材料以及检测手段等方面的支出，也会在后续争取其他渠道的实验教学经费来补充和解决。

从历年探究性实验和报告来看，各课程实验完成质量良莠不齐。有的课程探究性实验教学有明确的目的、步骤、理论分析和实验方案、实施过程、结果分析和讨论等，实验报告论文质量高。有的存在一些问题，如所实施的实验与课程内容不符，偏离了课程实验内容;实验设计不严谨，实验过程只是依葫芦画瓢，缺乏思考、分析和判断，实验分析牵强，结果不尽人意。

鉴于此，制定了基于探究性实验课程特点的奖励和鞭策机制，根据探究性实验完成质量进行区别资助，起到奖励先进、鞭策落后的作用。在经费上对完成质量优异的实验课程倾斜，尤其是在经费有限的情况下，优先满足历年来探究性实验质量符合要求或者水平高的探究性实验课程，鼓励其持续发展和提高，而对不符合探究性实验质量要求的实验项目减少资助或者停止资助，对今后的该部分课程探究性实验提出和明确整改要求，以提高经费的使用效益。

（二）科研实验室与教学实验室共享互惠

目前农业工程教学实验室有两种类型：一是专业基础实验室，如机械制造实验室、生物系统传输过程实验室等，主要以理解基本理论和概念，提高动手能力为主;二是专业实验室，实验内容丰富，涉及面广，如在生物生产机器人实验室中从事设计、组装和控制各种农业生产机器人的功能和作业过程等，在精细农业实验室中从事农田和作物生长信息采集及数据分析等。这类实验室从事的实验内容与专业领域发展密切相关，是进行探究性实验活动的主要场所。

随着学科研究领域的拓展和研究方法的改进和发展，推动了探究性实验内容和研究手段的不断更新变化，对仪器设备和实验设施提出了新的要求。而专业教学实验室的教学设备投入资金和渠道相对有限，设备和设施的更新速度没有学科或者科研实验室力度大，因此部分教学仪器设备在测试精度和功能方面不如科研实验室的相关设备。为了获得更加精准的实验测试结果，部分探究性实验项目倾向于使用科研实验室的相关设备和设施，但是科研实验室本身承担着繁重的科研实验任务，本科生探究性实验的加入会进一步加重科研实验室的负荷，也在一定程度上降低了专业教学实验室的利用率。

科研实验室的负荷加重和专业教学实验室利用率下降形成了一定的反差，这是个双输的局面，因此如何扭转这个局面，促进科研与专业教学实验室之间的优势互补，对推动探究性实验的持续深入发展有现实意义。通过多方协商调整了实验室的管理思路：一方面，在专业教学实验室空间允许的范围内，把部分用作探究性实验的科研设备和设施阶段性地转移到专业教学实验室，使得基于这些设备设施的探究性实验和部分科研探索活动在相关的专业教学实验室内进行，提高了专业教学实验室的利用率，降低了科研实验室的负荷;另一方面，建立教学实验室使用预约网络平台，提供实验室设施设备及使用的信息，全天候开放教学实验室，为科研探索活动和实验教学提供便利。教学实验室的开放共享使得部分科研经费乐意投资教学实验室的设备设施，部分科研实验室也愿意为探究性实验教学提供服务，为持续、深入开展探究性实验提供了条件支撑。

（三）促进学科竞赛与探究性实验相结合的实践模式

学科竞赛是学生在掌握理论知识的基础上结合课外实践任务来开展探索研究的活动，它以生产实践活动中的实际问题为项目对象，通过方案设计和实施来实现预计的目标，起到锻炼和提高学生分析和解决实际问题的能力，与探究性实验的培养目的一致。目前，国内外各学科领域的竞赛项目繁多，与农业工程专业相关的有全国“互联网+”创新创业大赛、农业机器人竞赛、农业建筑环境与能源工程竞赛、大学生电子设计竞赛等。为了鼓励本科生参加与专业领域相关的学科竞赛，农业工程专业制定了物质及升学方面的奖励措施，从而提高学生参与的积极性。

如何将学科竞赛与课程探究性实验相结合，拓展探究性实验的内容和形式，提高学科竞赛的学生参与度具有现实意义。从2014年开始，农业工程专业在“生物生产机器人”课程的实验教学中尝试把国内和国外的农业机器人竞赛项目内容融入探究性实验探索实践中，使竞赛项目成为探究性实验内容的组成部分，在探究性实验中选取对竞赛项目内容感兴趣、完成质量高的学生参加国内外农业机器人竞赛。学科竞赛与探究性实验教学结合的模式在实践中取得了显著的成绩，荣获了一系列国内外的农业作业机器人竞赛奖项，增进了学生对农业工程专业的了解和热爱。

内容丰富、形式灵活、与时俱进的竞赛项目内容拓展了探究性实验项目的视野和范围，为探究性实验带来了新的思路。调研和收集国内外与课程及专业内容相关的各类竞赛项目，充实到实验教学探究性实验项目数据库中，融入探究性实验内容中，把完成质量高、探索性及创新性强的竞赛项目的研究和实施过程进行剖析和讨论，促进学生之间的交流和思考。这种结合模式在拓展实验教学内容、提升实验教学水平的同时，提高了与课程实验内容相关的学科竞赛的参与度，从而让更多的学生有机会参与学科竞赛活动，有利于让创新性能力强的学生脱颖而出，同时还可以利用学校和学科对学科竞赛的支持和专项资助，补充探究性实验经费不足的部分，起到优势互补、共同发展的作用。

（四）探索建立探究性实验指导规范

经过多年的实践，探究性实验已成为农业工程专业实验教学的主流和重要方面，但是不同课程之间的实验开展水平差异明显。有的课程探究性实验内容与学科竞赛相互补充促进，形成了自己的特色和亮点，成效显著;有的课程实验还处在低水平重复阶段;有的课程东拼西凑，实验质量差强人意;有的课程存在实验原理理解不充分、设计方案不合理等问题，这在由学生自拟探究性实验项目中表现得更为显著。由学生自己来确定探究性实验项目，在实施过程中可能会遇到各种问题，这时更加需要教师的指导和把握，尤其是在学生刚进入专业学习的阶段，如果在探索过程中没有得到充分的指导，部分学生可能会在中途停滞，实验完成质量就难以得到保证，达不到培养学生探索创新能力的目的。

自主研究能力培养是探究性实验开展的重要方面，教师通过指导学生选题、查阅资料、制订方案、实验操作、讨论分析等环节，引导学生自主探索，培养学生的创新思维和动手能力。在学生初步进入实验探索阶段，指导教师起着举足轻重的作用，因此在探究性实验环节要明确指导教师的任务和职责，即对探究性实验探索的每一步建立指导规范和要求：第一步是提出问题，教师要根据课程内容和学生的认知程度创设问题情境，让学生展开对问题的思考和分析，从而提炼出下一步的实验需要解决的问题。教师充分利用专业方向各类研究或竞赛项目中与教学实验内容相关的部分来丰富问题的构成，分析这些问题的解决途径和技术手段，以及延伸、拓展的方面，也鼓励学生从自然规律、生活经验、信息材料等方面提炼问题，培养了学生收集、分析、判断、运用信息的能力。第二步是引导学生应用已有的知识对问题提出可能的设想和解决途径，这是充分发挥学生创造力的阶段。指导教师鼓励学生大胆发挥、不拘一格，同時引导学生在提出问题解决途径时考虑实验及方法的可行性和可操作性。第三步是制订实验方案和计划，这个过程是实验项目小组合作的重要方面，指导教师引导学生思考、查阅资料、讨论并与学生共同讨论实验设想，形成探究性实验计划和执行方案。第四步是实施过程环节，指导教师要求并指导学生在实验过程中规范操作，通过检测、分析、计算得到相应的数据，并进行数据的可靠性和实验可重复性等方面的分析，培养严谨的科学探索精神。第五步是指导对实验结果的分析和提炼过程，引导学生从实验现象和数据中寻找规律，并对可能存在的问题和不足进行讨论。制定探究性实验指导规范并监督和检查实验教学指导环节的执行情况，保障指导工作按要求高质量地完成。

（五）建立探究性实验指导小组

由于交叉性学科的关系，农业工程专业部分课程内容包含的范围非常广，以“生物生产机器人”这门课程为例，其探究性内容包括农业作业机器人部件的结构设计和运动模拟、作业效果分析等，此外，作业机器人运动系统的设计、控制和实现也是该课程实验的重要内容。作业环境、内容不同，机器人的结构、功能也不同。作业环境包括温室大棚农业设施和大田等，作业内容包括播种、施肥、采摘等，采摘可以分为叶菜类、果实类和块根类等。因此，课程探究性实验涉及的知识面广，在实验探索过程中仅仅依靠1～2个课程或者实验指导教师显得非常单薄，尤其当学生人数达到60人以上，实验分组达到10组以上时，组建课程实验指导小组来充实指导力量就显得非常重要了。

对于学生人数多、实验内容交叉性强的课程，根据专业领域建立实验指导小组，要求覆盖学生的实验内容和范围。如在精细农业实验活动中，有的着重于作物生长信息获取系统的设计和实现，有的基于信息的作物生长状况和产量预测，有的着重于病虫害信息之间的鉴别，等等。根据学生探究性实验的知识范围和要求分别安排不同研究领域和专长的指导教师。不同专业范围教师的参与极大地拓展了探究性实验的开展范围和实施深度，使得学生在遇到各种问题时能得到合适、高质量、全面的指导。同时，成立指导小组极大地缓解了原课程或实验教师的实验教学指导压力，使得他们有更多的时间投入所擅长领域实验内容的指导工作中。

从这几年的指导实践来看，建立课程指导小组并根据指导教师专业领域来分配指导的方法，拓展了探究性实验开展的范围和深度，提高了指导水平，获得了学生的好评。今后我们将逐渐在其他专业课程中开展，除了组织建立课程实验教学指导小组外，根据课程实验需要，聘请部分企业或研究机构的技术或研究人员加入指导，通过定期或不定期地与指导教师交流以及实验小组之间的分享讨论和互相借鉴，拓展思路，调整和优化实验内容及指导过程，进一步提高探究性实验的教学质量。

三、结语

探究性实验特别强调理论知识的综合运用和实践创新能力的培养和提高，探究性实验教学的高水平开展对应用型专业的学生培养质量具有举足轻重的作用。随着农业工程专业探究性实验的深入发展，在经费分配、实验室共享、实验指导规范、探究性实验与学科竞赛结合、实验指导小组等方面提出了新的要求，根据现有的实验教学条件提出了新的举措和方法，并进行了调整和优化管理，取得了一定的成果。从学生递交的探究性研究论文和心得体会及步入工作岗位后的反馈情况来看，学生的创新探索、动手实践及团队合作能力等都得到了全方面地提升，为今后进一步科研探索和工作打下了坚实的基础。

农业工程专业是基于一级学科基础上建立的專业，与基于二级学科设立的专业相比，农业工程专业的课程范围广，课程内容的整合度高，设计探究性实验项目和内容的范围也大，因此在拓展和提升实验硬件条件和管理水平的基础上，加强与国内外同类专业开展实验教学方面的交流合作，借鉴国内外同类学科的实验教学内容，把探索性和创新型强的实验内容融合到课程探究性实验中，不断调整和优化探究性实验内容及实施方式，培养适应社会需求的高素质创新型人才。

参考文献

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