以创新实践能力培养为导向的能源动力类实验教学模式探索

李小平，矫承轩，张 召

（吉林大学，吉林长春 130025）

在“双碳”目标背景下，为应对新一轮科技革命和产业变革的挑战，服务国家战略和区域发展需求，推动能源与动力工程专业建设继续深化、拓展和突破，培养多样化与创新型工程科技人才[1-2]，探索中国特色、世界水平的工程教学实践与改革，国内能源动力类相关院校针对自身的教学特点，结合自身优势及区域发展需求，在实验教学体系、教学模式、实验平台建设、实验室开放管理以及人才培养等方面都积极开展研究和探索，对提升人才培养能力有着一定的借鉴作用[3-5]。相关行业对本专业毕业生的能力要求也在发生改变。在新的社会需求驱动下，高校对学生的培养从基本理论知识逐渐向创新实践能力转变[6-7]。实验教学作为高等院校工科专业实践实验教育的重要环节，在培养学生创新实践能力教学体系中起着重要的作用。因此，有必要给学生营造一个相对开放的实验环境，让学生成为实验教学课程的主体，自主管理实验过程[7-8]。然而，能源动力类学科的实验教学项目，尤其动力机械及工程专业的专业课程实验项目，会涉及到高温、高压、高速旋转的设备，涉及到燃油、气体燃料等危险化学品，实验项目、材料等存在一定的风险[9-11]；具有实验设备造价高，测试原理、操作规程复杂，设备台套数少、实验耗材消耗大等特点。同时，受校内教学资源、师资力量、配套资金、实验室管理运行机制、课程体系等诸多因素的影响，在当前实验条件下，学生自主管理实验过程在能源动力类相关专业进行全面的推广还存在诸多安全隐患[12]，因此，本文从实验室资源整合、实验教学方法以及特色教学模式等方面进行研究，探索一种适合本学科培养学生创新实践能力的实验教学模式，以期对能源动力类学科人才培养有一定的参考价值。

一、实验教学现状

（一）实验室资源零散，功能不明确，资源利用率不高

实验室布局没有整体考虑，最初是每个教授或各自团队根据不同的科研项目建设自己的实验室，每年可能因为承担的科研项目不同，需要投入的设备不同，所以每个实验室的功能性质随着科研项目的变化而变化，安全防护等级也不一样，这对实验室的管理和建设都不利，甚至可能在两个课题组承担的项目内容相当时，存在重复建设现象。另外，在共用仪器设备的使用上也存在不少问题，以排放分析仪为例，各课题组在进行发动机尾气排放测试时都需要用到排放分析仪，在用到时需要把其从不同的实验间台架拆下来挪到相应的实验间安装上才能使用，同时，这个设备需要工作气，所以气瓶、气路以及外围的一些附属设施都需要挪来挪去，一方面拆卸安装浪费时间，另一方面设备在搬运过程中很难保证设备零件不松动或不损坏等。

（二）教学模式陈旧，考核方式单一，实验项目少且更新慢

本学科专业课程实验实践教学主要依附专业课程，实验学时少，限制了实验项目，同时课程根据培养方案制定，因此课程内容更新较慢，在课程不变的情况下，实验项目也很难更新。同时，实验只是理论课程的一个环节，实验设备、实验材料、实验方法等对于学生来说几乎是全新的概念，且涉及一些大型仪器设备，仅用1~2 学时课程让学生熟练地使用仪器设备完成实验项目，所以实验课基本是沿袭传统实验教学模式：教师先按照实验指导书要求讲解实验要求、实验内容、实验步骤等，有时还要先给学生演示一遍实验操作步骤。学生按部就班地按照规定步骤完成实验操作、实验数据处理及实验报告[13]。这种实验教学过程是一种典型的“鹦鹉学舌”式教学。教学模式依然是教师讲，学生听，教师在课堂上的主体地位没有发生变化，学生被动听讲的地位也没有改变。实验成绩考核单凭实验报告，而报告大同小异，对于动手能力和创新能力强的学生以及走过场的学生没有区分办法，导致学生对实验课程越来越不重视，表现在课堂上就是缺乏参与感，如此形成恶性循环。

（三）科研与教学相对独立，教学实验脱离行业主流和学科前沿

本学科对于本科生教学实验室和科研实验室独立运行管理，科研实验基本是学科及行业的前沿或主流技术，用到的设备也是先进主流设备，而教学实验只是为了验证理论课程的一些原理结论，所用的设备都是陈旧的，基本只能满足实验测试需求，导致学生日后无论是继续深造还是进入工作岗位，都对主流设备或先进设备不熟悉，需要重新学习；另外，学生也不能了解到行业或者学科的先进测试技术和方法，实验实践教学起不到培养学生创新实践能力的作用。

二、改革方案与措施

（一）构建优质服务、高效运行的实验教学环境

一方面，整合现有实验室资源，合理分区分类布局，按热能工程基础实验室、能源与动力工程实验室、空调及暖通认识实习实践基地、动力装置拆装实践基地和大学生创新实践基地等模块分区建设管理，根据实验室功能用途及性质分类，建设燃料电池实验室、发动机性能实验室、零部件实验室、结构拆装实验室、新型动力装置实验室、热工基础实验室以及虚拟仿真和电控实验室、大学生车队创新实践基地等功能型实验室，实现分类布局，有利于实验室安全和管理，同时实验室功能明确，方便统一规划建设，主题明确，突显吉林大学汽车特色。另一方面，跟踪学科发展前瞻性技术和先进仪器设备，集中经费投入，构筑高水平实验平台，建设世界先进、国内一流的示范实验平台与实验基地，同时挖掘科研资源，将科研成果转化为教学实验项目，打造“科教融合”示范实验平台，建设吉林大学汽车特色工程实验室。同时，建设多元化实验实践教学平台，如虚拟仿真发动机拆装及电控平台、虚拟仿真风—光—电实践实习平台、实践实训基地、大学生车队、竞技竞赛，满足不同兴趣爱好的学生学习，激发学生的学习兴趣，培养学生实践实验能力，同时吸引更多专业的学生加入，扩展学科优质生源。建设实验室信息化系统，利用“互联网+教育”模式实现实验教学线上、线下相结合[14]，虚拟、现实相结合，营造高效运行的实验教学环境。

（二）构建多层次实验教学课程体系

以学生创新实践能力培养为导向，在教学实践过程中,不断探索和革新,构建以“基础性实验—专业方向性实验—综合性实验—设计性实验—创新性实验”五个层次的实验教学体系，每一层次的课程都有配套的实验教材和实验讲义，不仅可以满足不同类别、不同专业本科生培养的需求，还可以为相关专业的研究生提供所需的选修课程。基础性实验注重对学生基本实验技能的培养；专业方向性实验注重学生专业性实验技能的提高；综合性和设计性实验作为过渡性实验阶段引入到学生实践技能培养体系中，以培养学生分析问题、解决问题的能力为主；创新性实验将专业的科研成果转化为实验装置及内容，注重学科交叉和学科前沿内容，拓展学生创新思维，激发学生的创造兴趣和能力，增强学生的自主性。充分利用多元化实验实践教学平台，坚持“虚实结合、能实不虚、以实补虚”的原则，不局限实验教学方式和实验教学内容，拟推出绩点量化考核方式[15-16]，不同专业或不同层次的学生可以根据自己的兴趣爱好选择不同的实践实验项目以完成相应课程的实践实训要求。

（三）构建科教融合、教赛融合的教学模式

借助科研平台，将前沿的科研技术成果转化为实验教学项目，一方面，让学生了解行业前沿技术，结合大学生“挑战杯”、大学生创新创业项目等活动，构建科教融合、教研结合、科研反哺教学的实践教学模式。以热射流高能点火特性测试实验为例，将科研项目热射流高能点火系统转化为本科生的实验平台，开展本科生教学实验。另一方面，让学生了解高速摄像机的用途及测试原理，了解利用纹影技术测试原理及在能源动力类领域的应用，同时还让学生了解行业的先进技术——射流点火技术。针对不同层次的学生开展不同的实验项目，实现多层次实验教学体系，同时科研与教学深度融合，拓展了学生的知识面，也开拓了学生的创新思维，在学科具有示范推广价值。

工大汽车在吉林工业大学时就成了行业内公认的一个品牌，随着南方高校汽车学院的崛起，吉林工业大学与吉林大学合校，利用工大汽车的品牌效应，同时借助当下汽车专业火热的大学生车队方程式、智能车、巴哈越野车等赛事，借助吉大汽车特色大学生创新实践平台，面向学校相关专业，每年招纳100 余名学生，组成吉大方程式赛车（油/ 电组）、节能车、越野车、无人驾驶智能车（油/ 电组）六支车队，每年参加国际、国内大学生方程式、节能车、智能车、巴哈等赛事，形成全新的吉大汽车品牌。作为各项赛事的元老成员，吉大汽车在行业以及关注大学生车队赛事的大学生、初中生、高中生中引起了特别的关注，尤其是2018 年、2020 年吉大汽车的吉速车队在大学生方程式赛车油车获得冠军后，吉大汽车这个品牌深入人心，在新生招生及校内专业调剂时吉大汽车品牌效应体现特别明显。同时，这种教赛融合的创新人才培养体系在学生当中越来越受欢迎，每年车队在招纳新人时人数都在成倍增长；同时依托“教赛融合”模式开展的实践实验教学成果产出在逐年提高，近两年大学生创新创业项目每年都在20 项左右，实验技术文章每年有10 余篇，申请专利有30 余项，随着成果的增多，依托“教赛融合”模式完成实践实验教学的学生在保研、出国学生中的比例也在不断提升。

三、结论

本文针对“碳达峰、碳中和”的目标背景下如何培养高素质创新实践能力人才进行了实验教学模式的改革探索，确定了“结合学科传统优势，整合实验资源，改革实验教学方法和考核手段，构建教赛融合、科教融合教学模式”的实验教学改革思路；充分利用学科资源完成大学生创新创业实验平台、实验教学信息化平台与虚拟实验平台等教学平台分区建设管理；构建“基础性实验—专业方向性实验—综合性实验—设计性实验—创新性实验”五个层次的实验教学体系，推出绩点量化考核方式，引入教学质量全过程考核，实现学生综合能力全方位考核，杜绝学生走过场；同时利用先进的科研平台和大学生创新创业实践平台，构建“科教融合，教赛融合”的教学模式，强化对学生实验技能和创新实践能力的培养，提升本科生实验教学成果产出，打造吉大汽车特色品牌。