新工科背景下地方工科院校专业实验教学改革与实践探索

王栋　蔡永乐　韩变枝

［摘 要］文章面向新工科建设根本任务，提出了采矿工程、测绘工程等矿业类专业实验教学改革创新思路，整合实践教学资源，优化实验教学设计，以学生为中心，贯彻工程教育理念，注重学生综合能力的培养，创新实验教学模式，探索传统工科专业改造升级路径，这对实现具有创新精神和实践能力的应用型人才培养目标具有重要意义。

［关键词］新工科；矿业类专业；实验教学；改革创新

［中图分类号］ G642.423 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0052-03

在智能化时代背景下，知识更新速度加快，催生了众多新的技术，推动了新产业、新经济的快速发展，科技革命和产业变革浪潮奔涌而至[1]。面对当前和未来产业发展需求，我国积极实施创新驱动发展战略，充分发挥传统优势，掌握核心技术，把握未来方向，努力抢占创新发展高地，这就迫切需要具有科学知识结构、综合实践能力强、创新意识突出、国际视野开阔、团队合作精神和沟通能力良好的新兴工程科技人才[2]。人才培养已迈入体制创新发展的新时代，我国高等教育适时采取“新工科”建设举措，社会各界积极响应，这些举措也得到了众多产业的支持，对经济社会发展产生了积极影响[3]。新工科建设的核心理念就是要求高等院校主动对接产业要求，及时优化调整学科专业布局，实现工科类学科专业的交叉复合、与其他学科专业的交叉融合，拓宽学科专业建设重点，培育新的增长点，通过传统学科专业的升级改造，全面促进内涵建设，大力培养工程科技创新和产业创新人才，为新技术、新经济、新产业服务，支撑国家创新发展[4]。新工科建设的提出是工程教育教学改革的新趋势，也是工程面临的重大挑战，现已成为深化高校工程教育改革的范式[5]。

作为地方应用型建设高校，山西工程技术学院（以下简称“学校”）积极贯彻落实山西省资源型转型综合改革举措，深度融入资源型经济转型发展，主动对接地方经济社会发展需要和企业技术创新要求，以立德树人为引领、向应用型转变为导向，以培养应用技术创新人才为核心，以产教融合、校企合作为抓手，深化教育教学改革，全面加快具有鲜明特色的应用型高校建设。学校以建设工学为主，理学、工学、经济学、管理学等协调发展，以建设培养具有理论基础扎实、实践能力较强、能够满足产业行业发展需求的新时代工程技术人才的应用型高校为发展愿景，新工科建设成为落实立德树人的根本任务、有效实施学校目标定位和发展愿景的重要途径。

新工科建设的关键任务是基于时代和未来卓越工程人才核心素养和能力培养，加快实践课程体系建设，创新教学方法和考核评价方式，形成以学生为中心的持续改进体系[6]。新工科工程实践教育是应对新挑战、实施教育教学改革的切入点和突破口，首要任务是培养学生的创新创业能力。实验教学环节在培养学生知识迁移、科学思维、动手实践、交流沟通、组织管理、探究精神和创新精神方面具有举足轻重的作用。采矿工程、测绘工程等传统矿业类专业是学校的优势特色专业，但是近几年受到产业调整升级改造的影响，人才培养质量远不能满足产业需求。其根本原因在于现代教育理念更新缓慢、培养目标不明确；课程体系和教学方法手段陈旧；实践教学对人才培养的贡献严重不足，是向应用型转变的短板。因此，开展矿业类专业的实验教学改革实践，研究传统工科专业建设新途径，对实现具有创新精神和实践能力的应用型人才培养目标具有重要意义。

一、整合教学资源

整合矿业类各专业实验室和校内外实习基地，成立矿业实验教学中心。以虚拟仿真、线上线下和自建实验教学平台为有效补充，逐年更新实验仪器设备，配齐配全仪器设备台套和实验耗材。校企共建校内现代化煤矿生产实景培训基地，规范管理校外实习基地。按煤矿生产工作过程课程化的建设思路，优化实践项目，分基础实验、综合实习实训、创新实践和社会实践四个模块，项目更新率每学年不少于10%，实践项目间有知识、技能的递进关系，充分体现“两性一度”。课内实验列入教学日历课程化管理，实习实训环节列入学年集中实践月管理，每学期安排开放实验室进行创新实践，完成“大创”项目和学科竞赛项目训练。利用假期在校外实习基地进行社会实践。实施“双百工程”，鼓励青年教师下企业锻炼，并将这列入奖励绩效和职称评审条件，提升教师的实践能力；同时积极聘请校外实习基地工程技术人员到校承担实践教学任务，有效缓解实践教学师资不足的问题，从资源配置、管理机制、保障机制等方面为实践教学改革奠定良好的基础。

二、实验教学考核设计

矿业实验教学中心包含校内煤矿实景教学培训基地、地质实验室、测量实验室、煤矿开采与安全实验室、矿井通风与安全实验室、煤矿开采关键技能操作虚拟仿真实验室、煤化工实验室、煤层气实验室、矿山压力实验室、燃爆实验室等，开设有煤矿地质学、岩体力学与工程等基础课程及采矿学、矿山压力与岩层控制、矿井通风与安全、爆破与井巷工程等覆盖学科所有专业的课程配套实验以及煤矿安全生产实习等，覆盖采矿工程、安全工程专业学生（180人左右），设置15学分，开展42个实验项目，每个实验项目2学时，一般分30组左右完成，每组6人，3周时间内完成。

传统考核采用实验操作+实验报告成绩的模式，实验操作和实验报告各占50%，或操作占60%+实验报告占40%，将每个实验项目根据性质分配权重，加权平均计算后成为该门课程成绩。这种考核方式的评判标准不明确，评定成绩具有一定的随机性，指导教师难以准确评价学生的实践操作表现，激励性差，学生的学习主动性不高。为了提高学生的学习兴趣和学习主动性，我们细化了考核标准并提前告知学生，考核成绩由实验操作（占60%）+实验报告（占40%）构成。实验操作考核包括圆满完成实验任务（占50%），实验小组整体表现（占20%），個人对完成任务的贡献（占20%），实验总结个人沟通陈述表现（占20%）几个部分。实验报告考核主要包含：内容完备（占50%），数据客观（占20%），分析能力（占20%），书写规范（占10%），综合拓展（占10%）这几个部分。实验操作考核和实验报告考核的总分占比均为110%，目的是认可学生、激励学生，允许学生多项选择。

综合拓展加分根据实验项目灵活制订。如鼓励学生利用信息化手段及时查看更先进的仪器设备，熟悉主要技术参数等；阅读相关的国家标准并了解标准内容；查阅文献资料，了解新技术、新方法、新工艺等。

三、实验教学环节改革

传统实验教学一般是教师进行操作示范和原理回顾，在教师的指导下，学生分组进行操作，采集数据，分析数据后完成实验报告。该方式容易导致学生仅仅为了完成任务而去做实验，缺少过程考核，实验报告千篇一律，不利于激发学生的思考、讨论，也不利于学生综合能力的培养。为此，实验教学设计应增加复盘反思，同时转变指导教师的角色，以学生为中心，注重能力培养。

（一）指导教师角色转变

实验前首先明确实验的目的和任务，知识回顾和操作演示采取精讲视频、在线讨论的课前预习方式进行，提前发布学习通知，为实验操作留有更充分时间，便于学生操作实践和讨论。

以完成实验任务为导向，分组讨论实验步骤，引导学生进行预演，为学生预留思考、发挥和创新空间，激励学生主动思考、发现和探索问题，让学生成为实验课堂的主角。教师从示范者角色转变为教练员角色，发挥观察、引导学生的作用。在实验过程中，结合专业知识，适当扩展课程内容，提出有针对性的问题，引导小组讨论，组织学生陈述观点，在组内、组间展开评判，从而实现学生的主动思考。

（二）注重能力培养

实施工程教育改革，就是要主动应对新技术、新经济的挑战，以满足产业和未来发展需求。欧盟提出创新能力框架15项，包含了做中学、与他人合作、规划和管理、主动行动、动机和毅力、动员他人等能力素养。新工科的“新”，首先体现在引领未来的一流工程师培养中，必须注重学生的专业沟通能力的培养，使学生面对复杂工程问题能够有效地与同行及社会公众进行交流，比如文本框架设计、报告撰写和清晰的语言表达，并具备一定的国际视野[7]。因此，在课程考核方式和教学环节设计中，在保证实验教学任务的同时，要更加重视学生的科学思维、交流沟通和团队合作等能力。

专业思考能力。在教学安排中，回顾专业原理知识，结合生产实际预设实验问题，拓展知识内容和应用场景，鼓励学生主动思考，培养学生的专业思考能力。

交流沟通能力。专业沟通素养需要学生具有层次明晰、条理清楚的专业结构知识和前沿知识，在课程考核中设置实验总结个人沟通陈述表现的考核指标，在教学环节中增加复盘反思，培养学生提升自我学习和交流沟通的能力。

团队合作能力。新工科建设要求明确提出，要注重培养学生树立在多学科组成的团队中担任成员、负责人的角色意识。现代企业的人才招聘，更加注重考查团队意识，都提出应聘者要具备良好沟通协作能力的要求。因此，在课程考核中，设置小组整体表现考核指标和个人贡献考核指标，在实验过程中，分组实验并强调团队意识，通过总结复盘反思分享，引导学生提升团队协作能力。

管理协调能力。新工科建设要求培养学生具备现代化项目管理能力，希望培养学生树立工程管理意识，并理解和掌握一定的工程管理方法，以适应现代企业生产需要。矿业类专业所涉及的煤炭开采技术，包括勘查、测量、设计、生产、储存、加工利用及安全保障等各个环节。在实验教学中，统筹实验项目安排，将多个实验台组成一个单元，分级分步模拟生产过程，小组成员担任不同角色，协同工作，完成实验任务。通过小组整体表现考核指标，激励各组学生树立生产管理意识，从而培养学生的项目管理思维。

四、教学设计案例

以矿尘及防治实验中“空气中粉尘浓度的测定”实验为例，2个课时主要安排实践探索和复盘反思环节。

（一）实验准备

实验准备安排线上进行，约20分钟，通过小视频分别介绍本次实验教学安排、实验分组、安全规程、考核要求、知识回顾、操作要点及演示。

教学安排：首先由指导教师回顾原理知识，明确实验任务并告知注意事项；再由学生参考实验指导书和小组讨论制订实验方案并完成实验；最后进行实验复盘反思。

考核标准：以新工科建设要求和现代企业工程技术人才的知识、能力、素质要求为出发点，向学生清楚说明现代社会人才应该具备的能力，以考核标准为引导，帮助学生提升能力。

原理知识讲授：以任务为导向，采用启发式教学方式，引导学生回顾基本原理，并在各环节设置一些针对性的问题，激发学生的学习兴趣，引导学生主动求知和探索。

实验过程：分组合作完成实验任务。教师尽可能不讲不教，以教练身份给予一定指导，随时对安全操作进行检查。

多数学生在实验前，通过线上学习，知悉了教学安排，回顾了基本原理知识，看到了基本操作步骤，表现出浓厚的学习兴趣，也表现出对自主实验、自行探索的好奇和期待。该環节强化了学生在实验过程的主体地位，也突出了以学生为中心的教学思想。

（二）实验过程

实验过程主要有注意事项、模拟预演、过程记录、数据处理和分析讨论等5项工作内容，安排时间约40分钟。

注意事项：教师强调操作规程、安全规程以及实验过程中的注意事项，引导学生按分组情况，充分讨论实验任务和注意事项，提升学生的参与度和团队协作感。

操作预演：教师指导学生做好操作预演，理解实验操作步骤与实验结果的关系，进一步明确各自承担的任务和工作方法，提升学生的动手操作能力，提高实验效率。

实验记录：学生自主完成实验任务，记录实验数据，保证数据准确、翔实。

数据处理：学生对实验过程记录的原始数据进行处理。

分析讨论：学生对数据处理结果进行分析，积极准备复盘反思，进行组内交流。

（三）复盘反思

复盘是指通过回顾以往工作过程的全部细节，结合工作成效现状，总结评判工作过程的优点和不足，发挥优点，改进不足，进而为下一步工作做好准备，这是持续改进的重要步骤[8]。复盘过程主要思考讨论小组分工、动手操作、结果分析、心得体会和教学建议，时间安排约30分钟。复盘不仅能锻炼学生积极思考探索创新的能力，而且能协助教师更新开发实验项目、改进实验方法，实现教学相长。

小组分工：小组成员充分讨论实验预留问题，并提出新问题，选派代表总结汇报。

复盘反思：教师在实验操作中进行适当引导，鼓励学生勇于试错，帮助学生总结积累经验。

结果分析：小组代表汇报分析结果，帮助学生解决预设问题，实现理论和实践有效融通，这个过程培养了学生的总结能力和表达能力。

分享体会：学生充分表达收获和体会，增强参与感，巩固了学习效果。

教学建议：通过师生互动，尊重学生提出的意见和改进建议，有利于促进教学相长。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 刘吉臻，翟亚军，荀振芳.新工科和新工科建设的内涵解析：兼论行业特色型大学的新工科建设[J].高等工程教育研究，2019（3）：21-28.

[2] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3] 陈家星，赵志军，崔国民，等.新工科建设背景下实验教学改革实践与探索：以上海理工大学能源动力类专业实验教学为例[J].高等工程教育研究，2019（S1）：49-52.

[4] 刘庆华，段建东.面向新工科的工程实践教育体系与平台构建的探究[J].现代职业教育，2018（10）：104-105.

[5] 陈悦.挑战与应对：新工科背景下工程实践教育的思考[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2017（4）：89-91.

[6] 熊伟丽，陶洪峰，刘艳君，等.新工科背景下自动化专业工程实践教学体系的建设与思考[J].高教学刊，2019（12）：62-64.

[7] 何妍，朱天晓，刘芬，等.新工科背景下材料专业创新型人才培养模式研究：基于四位一体视角[J].教育教学论坛，2019（46）：49-50.

[8] 张璇.“复盘式”教研活动下的教学反思：以“彩灯的PLC控制”教学为例[J].内江科技，2019（7）：154，130.

［责任编辑：陈 明］