新工科高校实验课程教学模式改革探索

金克盛 黄英 张科

【摘要】高校新工科实验课程是培养新时期创新人才的重要途径，而传统实验教学方式受到各种限制，使学生学习主动性不足。开放式实验教学模式能培养学生的创新思维和独立科研能力，提高高校学生发现问题、分析问题、解决问题的能力，通过在《土力学综合实验》课程中的尝试，已有多名本科、硕士学生完成学位论文，取得了明显的成效，已列入学校“金课”建设课程。

【关键词】开放式实验  教学模式  创新思维  改革  探索

【中图分类号】TB-4;G642   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）06-0183-02

实验教学是高校新工科课程教学内容不可或缺的组成部分，它是理论教学与实践操作之间的重要衔接，是抽象性与具体性的有效结合。在新时期培养新工科创新型人才的教学过程中，它具有不可替代的地位。实验操作可以培养大学生的创新思维和实践能力，有助于树立严谨、科学的大学生实验风格，培养大学生面对问题的态度和研究问题、分析问题、解决问题的能力。实验教学可以加深大学生对每个工程特征参数的理解，帮助大学生毕业后更快地融入实际工作，培养大学生具备优化工程设计、节约工程投资、确保工程安全的能力。丁肇中教授曾说：“做实验确实非常重要，因为任何理论绝对不能推翻实验。”英国科学家培根说过：“没有实验，便没有科学。”[1]

传统的实验教学方式受实验课时、实验设备等条件的限制，学生依照实验指导教师安排好的实验内容、实验步骤进行实验，缺乏个体创造性思维，个别学生甚至感到枯燥无味，实验积极性不高[2]。在这种传统的实验教学模式下，一些具有较强自学能力的学生可以在短时间内完成实验，但由于条件有限，没有进一步研究的机会;另一方面，由于自学能力较弱的学生没有事先掌握实验的基本原理、操作规范、數据处理方法等，实验时常常无从下手，在规定的时间内也就不可能完成相关的实验内容。

随着慕课、翻转课堂、网络虚拟教学等教学形式的出现，高校新工科实验课程的教学形式也出现了很多新的变化[3-5]。本人从事土力学理论、实验课程教学十多年，现以《土力学综合实验》课程为例探寻符合新时代高等学校新工科专业实验课程发展的教学模式。《土力学综合实验》课程是《土力学》理论课程的重要组成部分，通过该课程的学习，能够加深学生对土体的各项物理力学指标的认识和理解，提高学生的实际操作能力以及分析问题、解决问题的能力。

一、存在问题

目前的《土力学综合实验》课程只安排了16个课时，要完成土的颗粒分析实验、界限含水率实验、击实实验、渗透实验、固结实验、直接剪切实验等常规土工实验。每个实验指标之间都是相互联系的，但以往都是单独实验，学生缺乏对各个指标合理性的判断。并且，每个实验都要完成土样准备、试样制作、实验操作、数据处理、结果分析等步骤，工作量繁重，所以要在16个课时内完成所有的实验是不可能的，为了完成实验，很多前期的准备工作都是由指导老师提前准备，学生直接进行测试，导致学生所学的知识不完整、不系统。而且，学生完成的实验也都是在教师预先设定的框架内被动地完成，这在一定程度上抑制了学生主动思维和创新思维，以及学生的实际动手能力和分析问题、解决问题的能力;另一方面，当代高校给大学生提供了很多机会去参与各种科研课题、创新项目的研究，但大部分学生因为没有实验条件去验证自己的设计，从而错失了知识转化的大好机会;而与此同时，实验室中的部分仪器却长期处于闲置状态，设备利用率不高。

二、改革目标及意义

（一）改革目标

通过《土力学综合实验》课程的改革，将单一的独立实验融合为综合性的开放实验，甚至可以延展为土力学课程设计。在教育部正在开展的专业认证的框架下，根据《土工实验规程》和《土力学综合实验大纲》的要求，结合土力学的理论知识和具有实际工程背景的毕业设计内容，在老师的指导下，实验的全过程由学生自主安排、自主完成，有兴趣的同学还可以选择合适的课题，继续毕业论文研究，充分发挥学生的主动性、自觉性和创新性，强化学生的自学能力、实际动手能力、组织协调能力、撰写报告能力以及深入分析问题、解决问题的能力。高校实验室设备利用率也得以同步提高，充分挖掘实验设备的价值。

（二）改革意义

通过新工科学校实验课程教学模式的改革，培养学生的实验操作能力、数据分析能力等工程素养，为学生学好后续的相关课程、更好地开展毕业设计和投身工程建设，建立良好基础。当代新工科高校培养的大学生既能够满足培养方案的毕业要求，随着综合素质、工程素养的提高，毕业后也能更早更快地进入工作状态，更好地为用人单位和实际工程项目服务。

三、开放式实验教学的模式

开放式实验教学模式是创新实验模式的一种探索，它既改变了传统的验证型实验教学模式，又能引导学生的发散思维、创新思维，激发学生自主学习和探究的动力，有目的地针对具体问题进行实验设计，培养大学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。开放式实验教学模式包括的实验类型有验证型、设计型、创新型、综合型等[6]，所有实验向学生开放，学生可根据各自的关注点和兴趣爱好选择不同类型实验，这种实验模式有助于充分发挥学生的主观能动性，注重个性发展，突出学生的教学主体地位。教师在辅助学生的过程中，要建议学生多开展设计型、创新型、综合型实验，建立全方位、多层次的立体教学模式。在实验过程中，学生可以根据自己发现的问题、科研嗅觉、兴趣爱好，选择深入研究的方向，继续开展科研、毕业论文等方面研究。

四、教学内容、教学方法、教学评价、考核方式的创新

高校新工科实验课程教学模式改革中，课程建设的特色在于开放式的综合实验，重点在于实验教学与理论教学的结合，难点在于学生全过程自主实验。

（一）教学内容

（1）实验内容的拓展：将目前由老师制样的实验环节，放手给学生自己制样，学生需要自己调试仪器设备。（2）实验指标的评价：目前测试的各个指标独立没有关系，无法评判各个指标的合理性;现需要根据各个指标的基本特性，综合分析各个指标之间的相关性和合理性。（3）实验指标的应用：结合土力学的理论知识和毕业设计，以实际工程为背景，将测试的实验指标应用于素土、加固土、污染土的强度、变形分析中。

（二）教学方法

（1）主体的转变：将目前“以老师为主、学生为辅的灌输式教学”转变为“以学生为主，老师为辅的自主式学习”。实验过程不再以指导教师为主体，而是以学生为实验主体，按照《土工实验规程》《土力学综合实验指导书》的说明，学生自己设计实验方案并开展实验，老师只是起着辅助的引导、指导作用。（2）时间安排的灵活：将统一安排实验时间转变为由学生根据自己的实际情况和实验进度来灵活安排实验时间，老师和实验室只需要做好时间上的协调和配合。（3）项目测试顺序的灵活：土力学实验项目的测试顺序不是固定不变，学生可以根据自己的实验方案和实验进度灵活安排实验项目，可以单个项目测试，也可以几个项目一起综合测试。（4）实验报告格式的灵活：目前的实验报告是统一固定的填表格式，现拟转变为由学生参照研究论文的格式进行自主撰写、编排、打印成册。

（三）教学评价

（1）实验方案：评价学生设计的综合实验方案的完整性、系统性、合理性、可行性。（2）实验过程：评价学生的实验操作、设备使用、实验登记、实验记录、出勤等情况。（3）实验数据的处理：评价学生实验数据处理方法的合理性、实验指标的相关性和合理性、图表制作的规范性、实验误差的可控性等。（4）实验指标的应用：评价学生将测试指标应用于不同土体的强度、变形计算过程的邏辑性、系统性以及计算结果的合理性、可靠性以及研究内容的实用性和应用价值。（5）实验报告的撰写：综合评价学生自主撰写实验报告的格式、逻辑性、规范性、系统性以及文字组织能力、文档编排能力。

（四）考核方式

（1）综合评分：以上述教学评价指标为依据，针对各个实验小组进行综合评分。（2）单个评分：根据各个实验小组中每个学生的具体情况，进行单个评分，要求每个学生提交在教学评价指标中承担的具体工作情况说明。

五、开放式实验教学模式改革的成效

土力学实验室连续三年利用暑假，对高年级学生开放（每年150人），设立了和建筑工程相关的一些创造性实验，学生根据各自的兴趣选择不同的实验，通过实验准备、仪器操作、数据分析等方面的锻炼，学生对建筑工程中各种土的物理力学指标如何获取有了直观的认识，掌握了各种指标在建筑工程勘察、设计、施工、监测中的作用，补上了用人单位反映的毕业生到单位后对土的物理力学指标不熟悉的短板。

另一方面，对有想法、感兴趣的学生，实验室配合实现其设想，锻炼学生的科学研究能力，部分学生利用此实验平台的研究内容和研究成果顺利完成了本科、研究生毕业论文（图1）;继续深造的同学通过此次锻炼，为自己研究生阶段的学习奠定了坚实的基础;个别学生利用研究成果公开发表了自己的学术论文。

通过开放式实验教学的探索，丰富了学生的假期生活，实践了学生的理论知识，提高了学生的科研能力，实现了学生的创新思维，充实了学校的人才培养。《土力学综合实验》课程已列入学校“金课”建设课程，开放式实验教学模式必将是未来高校实验课程教学模式的发展方向。

六、总结

开放式实验教学模式可以不受课程、年级、时间的限制，进行多层面、全方位的实践锻炼，充分发挥学生的个人兴趣、专业特长、创新思维及独立科研能力。通过对《土力学综合实验》课程教学模式改革的探索性尝试，采用开放式教学模式，培养学生的创新性思维和科学研究能力，取得了卓有成效的教学成果。在以后的教学过程中，要不断完善开放式教学模式，为喜欢钻研的大学生提供更好的实验平台。

参考文献：

[1]夏有为.理论绝对不能推翻实验——访诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授[J].实验室研究与探索，2002，21（5）：6

[2]鄂大辛，庞愉平.开放实验的研究与实践[J].实验技术与管理，2003，20（2）：116-119

[3]孙隽，杨延梅.高校实验课分层教学的改革探索[J].实验技术与管理，2016，33（7）：200-204

[4]张幸花.互联网+思维下的高校教学改革[J].中国高校科技，2018（8）：95-96

[5]刘坤，陈通.新工科教育治理刍议[J].中国大学教学，2020（1）：37-41，64

[6]徐晶，胡宾.开放式创新型实验教学改革初探[J].实验室研究与探索，2002，21（5）：21-22，36

作者简介：

金克盛，男，汉族，讲师，硕士，主要研究方向：特殊土体工程特性的理论研究和教学。