新工科背景下创新及设计性实验模式改革研究

韩海燕 闫永亮

（1.河北工程大学数理科学与工程学院 河北·邯郸 056038；2.河北工程大学信息与电气工程学院 河北·邯郸 056038）

0 引言

当今高校理工科课程的课程设置中，有很多课程为了加深学生对理论知识的理解，都会适当的开展一些实验课程。但是这些实验课程的上课模式基本上都是固定的，甚至很多课程的所开设实验题目或项目很多年来都是一成不变的，实验设备和实验指导书基本上更新换代的频率也较小，这在很大程度上限制了学生对相关领域的最新研究及应用的了解，是的学生所学的知识与实际应用脱节。

而我国在新的科技革命与产业变革契机下提出了“中国制造2025”等一系列国家创新战略[1]。为响应国家的创新发展战略，教育部从2017年2月以来，积极推进新工科建设工作[2]，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》，积极响应国家的创新计划[3]，全力促进高等教育的创新和发展[4]，旨在培养能够对科技发展前沿有较清晰了解并拥有一定工程实践能力的理工类本科生。

因此在开展新工科研究与实践的背景下，高校中实验课程的设置的目的和要求就不能仅仅停留在对理论知识进行验证的基础上[5]，而是需要对实验课程的教学模式进行创新性和设计性的改革，充分发挥实验课程在新工科教育中的积极作用[6]。因此在本科生实验课程开展时要时刻保持教学内容与学生的自主创新相联系[7]，特别是在国家全面深化高校创新创业教育改革[8]，普及创新创业教育的背景下，充分利用实验平台和实验设备，培养学生的创新思维和设计能力，将理论知识和实际应用相联系显得尤为重要。

1 本科生实验课程中的常见问题

1.1 实验课程目的性单一

目前大部分高校中的实验课程的设置仅仅在于对相应理论课程的知识验证，或者是对于某种实验方法的实际操作。其目的仅在于理解和巩固课堂知识，因此这种验证性实验的实验目的单一。

1.2 实验项目不够灵活

鉴于理工类本科生的课程设置特点，很多课程属于多学科的必修课，但是这些课程部分授课专业，采用同一种实验题目进行教授。比如很多理工类的本科专业都会开设《单片机技术及应用》这一门课程，虽然不同的专业在整体知识构架和就业领域都有很大的不同，但是《单片机技术及应用》这一课程的实验内容并没有根据相应的专业进行调整。这样的实验课程或实验项目的设置没有根据专业性来设置，缺乏课程设置的灵活性。

1.3 实验课程缺乏创新和设计能力的培养

由于传统教学模式的影响，很多实验课程中的实验项目一成不变，实验内容老套死板。每一届的学生都在同一型号的实验平台上操作同样的实验仪器，参照同样的实验指导书做同样的实验项目，根据同样的实验原理测试相似的实验结果和数据。这样的实验课程没有注入创新的活力，学生刻板的学习和操作，不能激发学生的设计思维和创新意识，没有发挥到实验课应有的实践创新作用。

2 创新性、设计性实验模式的构建

为了改变现有高校传统实验课程老套单一的实验模式，增强学生对实验课程的认可程度和参与程度，训练学生的创新和设计性思维，本文提出了一种创新性和设计性实验模式。

从学生的专业特色、学生的创新能力和设计思维出发，该实验模式主要可以从三个不同的层面对实验课程进行改革。主要包括“理论验证模块”“专业设计模块”和“创新设计模块”三部分。

2.1 理论验证模块

该理论验证模块主要是利用实验平台和实验设备对学生所学的理论知识进行验证，其目的是将理论知识更好的消化，通过实验增强理论知识的理解，对理论知识进行很好的巩固和吸收。这一模块基本属于传统实验课程教学模式，属于理论验证性的实验项目。这一模块的理论知识和实验仪器操作是后期“专业设计模块”和“创新设计模块”开设的基础。

2.2 专业设计模块

在这一实验模块阶段，不同专业的学生可以按照不同专业来确定实验项目，使学生的实验项目与专业知识紧密相关，而且培养学生能够在“理论验证模块”的基础上，根据本专业的特点，在专业老师的指导和自己已掌握的知识基础上开展专业相关的课程实验。比如，就《单片机技术及应用》课程而言：对于电子信息专业的学生可以利用单片机理论知识来设计智能电子锁、智能停车等项目；对于应用化学专业的学生可以开展化学工艺中结晶量、饱和度、反应时间等实验参数的测量实验；对于土木工程类专业可以开展桥梁形变度、抗压强度、震动幅度等参数测量的实验。这些实验项目都与学生自身的专业密切相关，与传统的部分专业的统一性实验项目相比，在很大程度上能够提高学生对实验课程的积极性和参与度。

2.3 创新设计模块

该模块按照学生层次来确定实验项目。在该模块的实验项目中，项目的开设提出者不再是指导教师，而是参与实验的学生为项目提出的主体。在该项目中学生以小组的形式提出所要开设的实验项目，实验项目必须是根据本实验课程的基本内容开展，所要解决的是本专业或者是与本专业密切相关的应用领域中所亟待解决的问题。指导老师可以全程参与，但是必需是以客体的身份参与，实验项目的主体为学生。学生以提出问题、解决问题的方式，利用与实验课程相关的知识来设计问题的解决方案。

例如，在《单片机技术及应用》课程中，对于电子信息专业的学生可以利用单片机理论知识来解决自动控制领域中的某一问题；对于应用化学专业的学生可以用来解决某一加工工艺或者某一高危行业中的气体监测问题等等。

在这一层次的实验模块中，学生能够充分发挥自己的创造性，从本专业领域去发现问题、利用理论知识发挥自己的创新思维、结合前期的两个实验模块的训练，设计能够解决问题的方案，能够充分发挥学生学习的积极主动性，也能够激发学生的创新能力和设计性思维。

3 结语

本文结合多年的实验教学经验，针对高校传统实验课程目的性单一、实验项目设置不灵活、不能够充分发挥学生创新和设计能力的特点，提出了一种创新性、设计性实验模式。该模式主要分为“理论验证模块”“专业设计模块”和“创新设计模块”三个层次。其中“理论验证模块”主要是帮助学生通过实验操作巩固学生所学的理论知识；“专业设计模块”主要是将实验课程与本专业方向密切联系，改变同一课程在不同专业开设相同实验项目的情况，提升学生学习兴趣；“创新设计模块”在前两个实验模块的基础上开设的提升型实验项目，最大限度的发挥不同专业学生的创新性和设计性思维。三个实验模块在一门实验课程中所占据的比例为3:2:1。三者之间的关系是：“理论验证模块”是基础，“专业设计模块”是实验联系专业，“创新设计模块”是知识的提升和能力的培养。

在我国在大力发展新工科背景下，本文提出的创新性、设计性实验模式改革，该培养模式即能够使学生掌握基本理论知识和实验操作能力，又能够提升学生的创新设计能力和专业素养，符合我国当前的科技强国大政方针，为高校实验改革发展研究探索了一条新的途径。