新工科背景下交叉学科实验教学体系的探索与实践*

马 艳 黄宏佑 冉瑞龙

(西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院，重庆 400715)

我国的工科教育经历了特定的发展历程及数次变革。在“中国教育现代2030”“中国制造2025”“工业制造4.0”等一系列国家战略的引领下，需要进行面向未来的新工科专业布局。教育部于2017年提出了“新工科”的教育理念并形成了新工科建设的“三部曲”[1]。面向科学技术前沿、面向国家重大需求、面向新经济环境的“新工科”建设是培养跨学科交叉复合型人才的重要战略举措。2020年5月，教育部决定在部分高校培育建设一批未来技术学院，这更是推进新工科建设再拓展、再突破的重要举措。“新工科”教育理念的提出，对于高校教师而言，要从主动服务国家战略需求和产业发展需求的高度出发，主动思考在新经济、新形势、新需求下，如何对工科学科建设进行内容升级和优化再造，以及对于未来工科学生的培养目标、培养方式、培养内容进行思考与探索。

在新工科背景下，人才培养更需凸显创新性、交叉性、引领性、发展性等特征。学科交叉融合正是新工科创新和融合的具体体现，即是在承认学科差异的基础上结合专业特色,拓展内涵和外延，促进学科间相互渗透交叉。西南大学的纺织专业已在培养教研复合型人才与国际合作方面对学科交叉融合进行了有益尝试[2]。中国科学院原院长路甬祥曾指出，交叉学科的发展是科学突破的重要路径，能使科学发展发生革命性变化[3]。在新经济业态下，产业交叉融合日益广泛，不断涌现的新产业，需要具有交叉知识背景的复合型工程技术人才。

实验教学体系在基于交叉学科的人才培养体系中具有举足轻重的作用，是有效地帮助学生将理论知识转化为动手能力的重要环节。新工科背景下交叉学科实验教学体系的建设，强调学生具备创新思维、实践能力以及发现和解决问题能力的综合素质。从某种程度上来说，这不仅仅是教学改革，更不是单一学科门类之下的实验平台或实验设备的比拼，而是全周期、多方位培养体系的尝试，是新工科背景下对于交叉学科人才培养新理念的实践。我们以此为契机，在新工科和学科交叉的背景下强化实验教学与科学前沿知识相结合、实验教学与科学研究相结合、实验教学内容与交叉学科专业知识相结合，做好未来人才的前瞻性和战略性培养。

1 纺织专业交叉学科复合型人才培养的特点

“中国制造2025”明确提出“以人才为本”,新工科背景下要求高校培养出具有创新能力和解决实际问题能力,能很好适应新经济发展需求的高水平人才,推进建成创新型国家[4]。对于培养新工科人才的大学来说，新工科的建设是综合学科、跨界培养、管理能力等方面综合实力的彰显。通过建立交叉学科教学团队，设置交叉学科专题式课程,打造交叉学科教学科研平台,推进跨相关专业的合作与学习，都是新工科背景下交叉学科复合型人才培养的有效抓手[5]。

在新工科课程的教学过程中,优化实验教学内容、建立完善的实验教学体系、打造一流的实验教学平台尤为重要。同时，以教师的前沿科研内容引导学生“双创”项目立项，这种教研结合的人才培养方式与交叉学科人才培养特点和要求高度契合[6]。

国际纺织产业的格局已发生变化，中国作为纺织品出口大国，纺织行业面临越来越多的挑战,随着国际市场低迷，我国的纺织品出口利润开始呈现较为缓慢的增长趋势[7]。就教育而言，知识的产生更多源于我们身处的环境和遇到的实际问题，这也赋予了知识的跨学科属性[8]。随着新技术、新学科的发展，海量的知识和技术渗透融合到了纺织行业，纺织专业已经成为学科交叉融合的典范。基于新工科背景下纺织专业学生的培养具有创新性、交叉性、引领性、发展性等多个特点，应鼓励宽口径的基础教育，这种宽口径不仅仅是指基础课程的数量增加，而是更强调相关交叉学科知识内容的有机融合，培养全新纺织人才，提升工科学生对行业贡献的附加值。

2 西南大学纺织专业人才培养的现状

西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院成立于2020年7月，是由原生物技术学院和原纺织服装学院合并而成的交叉学科高水平特色学院，融合了农、理、工、艺等多学科，能够在新时代更好地适应国家“双一流”建设，彰显“西大版本”的“未来技术学院”特色。西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院的纺织工程专业是重庆市特色专业，重庆市级一流建设专业，也是西南地区唯一的纺织工程专业，在西南片区具有绝对影响力。学院拥有纺织科学与工程硕士学位授权点，并设有“纤维材料与工程”交叉学科博士点。“纤维材料与工程”学科，是以材料科学与工程、纺织科学与工程、农业生物工程、化学化工、环境工程等学科为依托形成的多学科交叉融合新兴学科。新学院的成立，为新工科背景下纺织工程专业交叉型人才的培养奠定了良好基础。

纺织工程专业的核心实验课程和教学重点主要包括《纺织材料学实验》《纺织生物技术实验》和《生物质纤维材料实验》等。相关学科与纺织工程所形成的交叉学科已成为纺织领域发展的新动力，纺织工程专业实验课程内容丰富，可以认为是建立在生物学、生物技术、材料学、化学等学科基础上的交叉学科实验课程体系。通过专业实验课程教学体系的教学特点是: 既有系统的理论性，又有较强的实践性；学科交叉融合知识点较分散；使用的专用仪器设备较多, 技术要求高, 实践性强。

西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院在积极探索适应当前科学技术发展的学科专业体系建设方面做出了很多新的尝试，如：打破学科壁垒组建协同式创新团队，实施导师团队专题式教学等；强调运用交叉学科知识来理解发现科学问题，解决科学问题，在专题教学内容上实现了横向融合和纵向升华；在师资队伍建设方面，有意识引进具有交叉学科学历背景的老师充实现有师资队伍，注重培育跨学科、跨领域的创新科研团队；鼓励学生参加更多的学科交叉活动，培养学生的创新精神,提高其实践能力,为学生融入社会或进行更高层次学术深造打下良好的基础；加强蚕桑纺织与生物质科学学院纺织服装虚拟仿真实验室的使用和维护，扩充相关虚拟实验；通过各类国际合作项目积极推进新工科复合型人才培养的国际化进程。另外，在教研结合方面实施基于科研项目的创新学习，让学生在解决实际科研问题的过程中，把各学科交叉知识进行有机融合，形成整合一体的知识体系，并通过理论联系实践，提升知识运用的能力，完成学习的全过程。

西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院的成立促进了跨专业教师的交流和合作，也为跨学科人才培养提供了更多的机会和更大的平台。在新的经济发展形势下，在新工科教育理念的背景下，实验教学环节需要我们树立更强的交叉学科教育理念，具有更多跨学科思维，在教学过程中更加注重课程体系建设系统化、知识复合化，让学生的知识结构保持开放状态，能够融会贯通接收来自各个相关学科的知识。

3 纺织专业交叉学科实验教学体系建设

3.1 实验教学体系建设路径

西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院现有授予理学学位的生物技术专业和授予工学学位的纺织工程专业。近年来，学院坚持“艺工结合”“理工结合”的人才培养理念和“‘科学前沿’‘民生需求’‘产业发展’三重驱动”的发展理念，以社会新经济的需求为导向，进行了新工科复合型人才培养的探索和实践。为了促进学科交叉融合，新开设了《纺织生物技术》《纺织材料学》《生物质纤维材料》等系列课程，同时，学院部分教师的科研方向也开始聚焦生物材料等具有典型交叉学科背景的前沿研究领域。而在实验教学环节，基于学科交叉融合的实验教学对施教者提出了更高的要求，为此，学院通过加强实验技术岗教师技能培训、完善实验平台、优化实验室管理等措施，从实验教学体系、实验教学方法、实验教学队伍、实验教学管理等4个方面进行系统探索和实践，初步推出了基于新工科背景的纺织专业交叉学科实验教学体系建设路径(图1)。

图1 基于新工科的纺织专业交叉学科实验教学体系建设路径

3.2 基于模块化课程体系的实验教学内容

纺织工程专业实验课程内容丰富，涵盖面广，是建立在生物技术、材料科学、化学等学科基础上的实验课程体系，各学科飞速发展，实验教学体系也需要创新和发展。再就是纺织工程专业实验课程的教学内容、授课方式都离不开交叉学科的支撑，因此，本科实验课程内容设置和授课方式的优化都需要基于新工科和学科交叉的双重背景，在教学内容和教学方式两方面进行创新。内容和方法彼此促进，是纺织工程专业实验课程教学改革的重点。在内容设置上既要考虑相关的专业基础知识，又要体现多学科知识的交叉融合。

以《纺织材料学实验》《纺织生物技术实验》为例，两门实验课程学时数有限，知识点多且分散，如何在有限的课时内让学生能够最大程度掌握相关学科知识，是对教学的一大挑战。本研究对实验课程内容重新筛选、设计和整合，划分模块，并结合纺织材料最新研究进展，将科学发现、产业发展、技术发明等相关学科知识合理融入到每个模块中，在实验课程设置上做到“点”“面”结合，即在传统教材中选取经典知识点, 在相关学科的前沿进展中补充交叉的内容，拓宽学生知识面，最终建立模块化课程体系，由此力争让该实验教学课程体系充分发挥学生的个性，提高学生的创新精神和实践能力。

以《纺织材料学实验》为例，在实验教学中以能力培养为主线，分3类模块整理出共12个模块的教学内容(图2)。实施这样的实验教学方案，可以让学生全面地了解纺织材料、生物质纤维材料的分类和组成，辨别各种材料的宏观形貌、微观形态，掌握纤维及其制品的结构与理化性能的测定方法，熟悉各类材料常规测试仪器的构造、测试原理及相关测试条件，还可使学生了解应用纺织酶制剂的生物制造技术、纺织品生物前处理、纺织品生物后处理、纺织材料生物处理过程的优化与控制、纺织工业废水生物处理以及纺织材料的生物降解、着色、改性等工艺技术。

图2 《纺织材料学实验》的模块化实验课程体系

该体系分为鉴别类实验，测试类实验和综合性实验3个板块。

一是鉴别类实验。纺织材料的源头革新在于原材料的创新，首先要不局限于实验教材，根据目前国际上最新的纺织材料分类，让学生全面了解目前纺织材料的分类和特点。这一板块的教学借助微课等演示性实验，采用演示和体验式教学，让同学们更多是全方位多角度纺织材料的特点。

二是测试类实验。在学生认识和能够鉴别常见纺织类材料的基础上，可以围绕织物、纤维、纱线等材料的力学性能、透水性、悬垂性、细度等重要特性设计各种测试性实验。实验方法可以分组讨论并允许大胆尝试使用新方法，实验结束后各小组间进行实验结果的比较和讨论。

三是综合性实验。按照学科交叉、由易到难、注重创新的原则设置该部分内容。这部分内容不占用课堂教学时间, 主要针对想提前进入实验室准备考研的同学和申请了各类创新性项目的同学。这部分学生可以通过进入开放实验室的方式完成自主设计实验内容，鼓励用创新实验方法完成项目内容，通过实验过程系统复习和巩固课堂上学习的理论知识，锻炼动手能力，培养良好的科研素养。

就《纺织生物技术》实验而言，课时数相对较少，课堂实验只有3个学时。我们根据交叉学科的知识点整理了6个模块内容，部分可供学生自学。6个模块的内容涵盖生物技术在纺织领域的应用、纺织用酶的应用、淀粉酶退浆实验、棉织物的生物抛光实验、真丝织物的生物酶后整理，以及羊毛纤维的生物酶后整理。

3.3 基于立体化教学模式的实验教学方式

3.3.1 立体丰富的实验教材

适当的教学方式可以将教学内容有效地转化为学生可以掌握的知识和技能。在优化教学内容的基础上，我们还大胆尝试与之相应的新的教学方式。之前的实验教学主要依托校外现有发行教材进行教学，有些实验内容不太适应蚕桑纺织与生物质科学学院的实验室条件以及拟定的学时数。本研究针对《纺织材料学》和《纺织生物技术》两门课程设计制作共18个微课并融入TED视频等多媒体形式，建立了集经典教材、PPT、微课、优质网络内容为一体的丰富的实验教材。立体化实验教材将紧贴模块的相关内容，环环相扣，循序渐进，充分激发学生的学习热情，助力师生乐教乐学。

3.3.2 虚实结合的实验形式

在“互联网+”的大背景下，微课、翻转课堂以及基于云端、二维码等创新型多媒体教学手段也开始作为实验教学的有益补充。除了模块化教学中的真实性实验，我们还引入了由纺织工程实验教学团队前期设计研发的FCF-9无纺布与纺丝/BCF丝综合机虚拟实验，让学生在安全性最好、成本最低的实验条件下快速了解从原料到成品的生产过程，并可满足学生课前预习和课后反复练习。

另外，充分利用前期针对实验室仪器设计的QR二维码，学生在上实验课的过程中通过手机扫码，及时了解仪器的使用说明，内容包括“仪器功能介绍”“仪器基本数据”“仪器操作指南”3个部分。由此便于学生更好地了解仪器的使用规则，避免因操作不当引起仪器的损坏或者影响自身安全。

3.3.3 难易递进的教学层次

目前参与到老师科研课题组的本科生越来越多，传统的基础实验教学已经无法满足各个层次学生的学习需求。针对不同的学习需求，我们尝试了由易到难，层层递进的实验教学体系，形成从基础知识到科学前沿、从基本操作到自主设计，层次逐渐提升的实验教学体系，期望最终形成以科研带教学，以教学促科研的良性循环。与此同时，我们还建立了多层次的实验考核方法，全面考查学生的实验能力，即从实验技能考核、实验理论考核、实验报告考核、创新能力考核等4个层次，对学生的能力进行考核。

4 纺织专业交叉学科实验教学体系的支撑条件

4.1 建立优势互补的实验教学团队

实验技术队伍的建设是保障实验教学、实验平台管理等各环节良好运行的核心要素。面向新工科建设的要求，实验技术教师需要能够承担实验教学任务的同时，具备一定的科研能力，能够了解最前沿的科研进展和最新的技术发明，能够把科研创新的思维和能力融入实验教学当中，具备适应新工科背景下交叉学科实验教学体系所需的教学能力,在教学策略和教学方法上具有创新意识[9]。

基于上述要求，蚕桑纺织与生物质科学学院在人才引进和人才队伍建设方面十分注重交叉学科师资队伍的融合。纺织工程专业的教师团队由不同专业背景并具有不同教学经验的教师组成，围绕现代纺织行业中涉及的交叉学科方向，涵盖材料学、生物学、化学、物理学、电子制造等多个学科领域。在实验教学的实践中，同样重视依托交叉学科的特点和优势，通过定期研讨、外出调研、培训等方式拓展教师的知识技能，鼓励教师申请相关实验技术研究项目，最终打造出一支以高级实验师、实验师、助理实验师组成的梯队，作为高效协作、特点互补、资源共享的实验教学团队。同时鼓励学生们主动参与“学业导师”的各项科研项目,通过融入课题组，掌握更多的实验技能和形成良好的科研素养。另外，还通过“大学生创新创业训练计划”以研促教，让学生在训练计划中尽可能熟悉和掌握更多的实验技能。

4.2 建立教研兼用实验平台管理体系

为了更好地发挥本科教学实验室和专业科研实验室在学科交叉复合型人才培养中的重要作用,蚕桑纺织与生物质科学学院在进行实验室硬件建设的同时，继续强调打通实验室开放瓶颈，鼓励实验仪器设备和相关资源的开放共享。

科研实验室是学生重要的学习和实践场所之一,对于主持“大学生创新创业训练计划”的项目负责学生，鼓励其进入指导老师的课题组，充分利用指导老师所在科研实验室的各项资源开展相关实验。通过这种教研相互融合方式，构建“以研促教、教研融合”的实验教学平台。

虚拟实验室和虚拟实验已成为现代高效实验教学的重要手段[10-11]，是学科交叉融合的新技术和新产物。目前西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院正在建设涵盖完整纺织服装产业链的虚拟实验教学平台,并继续提高虚拟实验室的建设速度和开放使用效率，在实验教学的过程中，做到“虚实结合”，让学生利用最新的现代化技术手段，感受实验教学的生动和魅力。

实验平台的高效运行离不开制度的保障，在实验平台运行维持制度方面，学院通过申请建立院级多学科交叉仪器设备共享平台等途径，努力探索新工科背景下交叉学科实验平台的高效运行维持机制，支撑实验平台的良好运行。