基于探究性实验的农业工程专业教学实验室优化配置和管理思考

沈明卫， 郝飞麟， 何 勇， 冯 雷， 叶章颖

(1. 浙江大学 生物系统工程与食品科学学院， 杭州 310058；2. 浙江树人学院 生物与环境工程学院， 杭州 310015)

0 引 言

农业工程属于综合性的交叉学科，是现代科学技术与农业产业化、现代化的有机结合[1]。主要包括农田水利建设，水土保持设施，农业动力和农业机械工程，设施农业环境工程、农业信息化管理，农副产品的加工、储藏、运输工程等，并随着农业生产内容以及技术手段的发展，这些领域的内容不断得到拓展。

农业生产范围广，包括大田和设施栽培与养殖，涵盖产前、产中、产后等各个环节，所涉及的学科领域和知识非常广泛，农业工程专业本科生培养目标是使学生在掌握工程实践知识的基础上具有解决农业生产中问题的能力，因此基于知识应用的探究性实验在专业课程的实验教学中起着举足轻重的作用[2-3]。农业工程专业的部分专业课程如生物生产机器人、精细农业、生物环境工程等从专业设立之初就开始大量采用探究性实验教学。与传统的验证性实验相比，探究性实验范围广，技术手段多样，而且能与时俱进地密切联系行业发展热点，如生物环境工程课程实验可以选择对温室、畜舍、水产养殖等设施进行设计、环境因子调控并分析设施环境成因，探索与设施环境相关的植物、动物生理生长、行为等。对融合了学科交叉内容的课程来说，这些实验的顺利开展对学生适应新技术、新产业、新业态和新模式起着举足轻重的作用。

由于探究性实验与学科研究内容的发展密切相关，随着学科研究领域的拓展和深入，课程探究性实验内容日益丰富，对教学实验室装备提出了新的要求[4]。因此，如何对现有的教学实验室配置和管理进行调整和优化，提升教学实验室的运行水平，推动课程探究性实验的可持续健康发展，是一个具有现实意义的问题。

1 教学实验室现状

农业工程专业现有教学实验室是按照2002年专业合并后根据课程设置需求进行建设，分为专业基础和专业方向课程实验室，主要以验证性实验内容为主，辅以一定的拓展性实验。专业方向课程涉及到农业工程学科下多个二级学科领域，分为核心课程和个性课程，每一门核心课程都建有相应实验室；个性课程根据实验教学的需求进行动态配置或融合到其他教学实验室。专业方向课程实验教学根据课程内容要求，结合学科方向，鼓励并推动学生进行探究性实验实践。

(1) 学科实验室投入大，设施好。随着农业工程学科领域的不断发展，探究性实验内容和技术手段也不断得到延伸，如在生物生产机器人探究性实验，学生可以设计播种、收获、产后处理等不同作业机器人结构功能和控制系统，也可以参加美国农业生物工程师学会(ASABE)和国内每年开展的各类农业作业机器人竞赛项目等，这对专业教学实验室的设施设备提出了新的要求。专业教学实验室虽然近年来设施设备投入在加大，但是与学科方面的投入相比还是相差甚远。如农业工程学科从2017年以来国家和学校投入学科实验室的设备设施建设经费超过5 500万元，这还不包括科研经费在实验室设备上的投入。而教学实验室从2012年以来国家和学校等渠道投入教学设备费仅有300万元左右(这包含2017～2018年下达的中央高校改善办学条件专项资金)，因此在实验设施和设备条件上无法与学科实验室相比。学科的发展与实验教学内容的变化是密切相关的，尤其在探究性实验中，老师把学科发展的新思想和方法应用的实验教学中，学生受到鼓励和启迪踊跃进行实验创新探索，这需要设备和设施条件作为支撑[5-6]。由于学科和教学实验设施设备水平差异大，部分指导老师利用学科或科研实验室的设施设备条件，把本科生探究性实验探索活动放在学科或者科研实验室进行，学生也更加倾向于使用功能先进的测试仪器设备，使得学科和科研实验室负荷加大[7]，相应地教学实验室的利用率则下降，这种状况在这几年的发展中显得尤为明显。

(2) 借助学科实验室影响研究生科研探索活动。当探究性实验需要借助学科或科研实验室的设施设备条件来进行实验探索时，便会产生资源和管理的矛盾。由于学科或科研实验室承担科研任务和压力，是研究生进行科研探索的主要场所，本科生的加入占用实验空间和设备等资源，导致使用和管理出现问题：① 目前的学科和科研实验室空间都根据教师承担课题以及研究生招生等情况进行调控，而科研实验室面积核算时并未包含本科生探究性实验的需求，本科生探究性实验的加入增加了科研实验室使用空间上的负担；② 本科生对实验设备的安全使用和操作经验尚不足，在操作功能多、结构复杂的贵重仪器时，需要进行系统、全面地培训和操作指导下才能顺利进行，但科研实验室的负责老师由于任务繁多，很少有精力来进行实验操作指导，而仪器操作使用的研究生难以承担本科生仪器设备操作指导的责任和义务，且流动性大，存在一定的风险。

(3) 未充分发挥教学实验室技术人员作用。相对于科研实验室，教学实验室的管理人员是专职的实验技术人员，人员流动性小，能够严格遵守仪器设备的操作规范，能够对每一个进入教学实验室进行设备操作的学生都要进行培训和指导。但由于其工作范围和职责的划分，被限定在教学实验室，而教学实验室由于设施设备方面投入相对少，实验室硬件条件相对落后，部分设施设备条件无法满足探究性实验要求，降低了学生的使用意愿，使得教学实验室的使用率下降，造成实验教学技术人员和实验室空间的严重浪费。

2 对策与措施

2.1 优化实验教学资源

(1) 建立校内公共教学实验室。在现有的农业工程专业的专业基础课程中，部分课程实验内容与其他学院开设的专业基础课程有一定程度的重复，如机械制造基础、机械设计基础和生物系统传输过程的实验教学内容与机械工程学院、能源工程学院的部分课程的实验教学内容相类似。农业工程专业在充分调研和遴选的基础上，通过与其他学院实验教学合作和共同建设公共教学实验室，实现专业基础实验教学资源共享[8]。在拓展实验资源的同时，可将这部分的实验室空间和设施设备转移到实验教学的特色项目。

(2) 组建科研与教学一体实验平台。农业工程专业课程虽然具有相对的独立性，实验内容各有特点。但不同课程的实验教学也有相通的地方，如生物物料学与生物质材料工程、可再生能源工程等课程实验教学中都需要用到测试生物质材料热学、力学等物料特性的设备。鉴于此，学院根据课程实验教学内容交叉融合的特点进行专业教学实验室的进一步优化调整，提高资源和资金利用率：① 把课程体系中实验内容完全不同、个性特色明显的课程单独建设或保留原实验室。把实验内容和技术手段上有交叉的部分建立共享教学实验室，如对各课程实验教学中涉及的机器视觉、信息获取处理、控制等内容建立机器视觉和控制实验室，对生物质材料测试(包括光学、热学、力学等特性)建立生物质材料测试实验室等，减少各课程实验空间和设施设备上的重复投入，提升空间和仪器设备的利用效率[9]；② 由于设施设备投入差异大，学科或科研实验室对学生探究性实验具有更大的吸引力，加大了科研实验室的运行负荷。对与探究性实验内容有交叉的学科或科研实验室，通过协商和建立运行管理机制，将部分探究性实验使用频度高的科研仪器设备转移到相应课程的教学实验室，由教学实验技术人员管理，或者融合科研与教学实验室的设施和设备，组建基于科研和实验教学于一体的实验平台[10]。

2.2 优化教学实验室管理人员

(1) 拓展教学实验室实验工作人员的工作范围。实验教学人员的考核和管理是学校教学改革的内容[11-12]，农业工程专业必修课程的实验学生一般在60人左右，选修或个性课程(绝大部分为探究性实验)的实验学生一般在20～30人之间。探究性实验特点是实验内容重复性低，对仪器性能要求高且多样性，学生乐于使用科研实验室的仪器设备和设施条件，使科研实验室实验技术人员增加了实验教学工作量。而目前科研实验室仪器设备使用和管理基本上以研究生为主，亟需实验技术人员投入管理，根据专业课程特点和探究性实验的发展要求，把部分(30%左右)实验教学人员的工作职能逐步转移到教学和科研实验室共享平台或者科研实验室的仪器设备管理和运行，缓解教学和科研共享平台以及科研实验室管理压力，促进科教实验平台和实验室规范化管理和运行。这项措施实施2年来，大大缓解了实验教学管理人员配置失衡的现象。

(2) 提高实验室工作人员综合素质。实验室是学生进行探究性实验以及科研探索的场所，有创新思想的碰撞以及新思路和想法不断涌现，需要实验设施和设备条件去协助实施和实践。实验技术人员不仅要掌握仪器设备的操作和维护、运行管理等，还需协助实验设施的设计和实验方案的制定等，这需要实验室工作人员对实验室所进行的研究探索有相当了解和掌握，对实验人员也提出了更高专业要求。通过参加国内外学术会议以及各研究团队学术交流沙龙以及仪器设备的培训和实验仪器研发项目等，多渠道提升实验室工作人员的专业技术水平，更好地为探究性实验服务。

3 改革成效

随着农业工程学科的迅速发展，探究性实验内容日趋丰富，对仪器设备多样化和实验室管理提出了新的要求[13]。通过现阶段的调整和实施，取得了一些成果。① 农业工程专业与校内其他专业基础课程实验教学资源进行合作共享，并参与建设一些高水平的基础实验教学中心，为农业工程相关专业3门基础课程提供了国家级实验教学资源；② 通过基于专业领域方向的教学实验室调整和优化，增强了实验室以及仪器设备的共享性，减少部分仪器设备的重复投入，提升了教学实验室条件，为探究性实验和学科竞赛的顺利开展提供支撑[14-15]；同时缓解了探究性实验对科研实验室的压力；③ 通过对实验教学技术人员工作内容调整，充分利用实验技术人员人力资源，并相应调整考核等要求提升实验技术人员的积极性和科研实验室的专业化运行和管理水平。

2021年农业工程专业本科生探究性实验探索成果经过整理后分别获得2项发明专利授权和2项软件著作权。将探究性实验内容与国内外学科竞赛内容相结合，将优秀的实验探索成果参加国内外竞赛，分别荣获2021年ASABE国际农业机器人大赛冠军和2021全国大学生人工智能与农业机器人竞赛一等奖等多个奖项。

4 结 语

探究性实验是新工科建设的重要内容，农业工程是交叉性学科，特别着重于知识的综合运用和实践。探究性实验是学生开始进入专业领域研究探索的阶段，需要指导老师启发思路和讨论实验方案设计等，同时需要实验技术人员在实验室安全、设施设备操作使用，实验方案实施等方面进行专业指导，这对实验教学专业技术人员提出了新的要求，也对配套的实验室配置和管理机制提出了新的挑战。从实验室配置优化、与科研实验室共享运行以及转变实验技术人员工作职责等调整结果表明，传统的实验教学体系存在的问题得到妥善的处理，取得了阶段性的成果。要促进这种模式的持续拓展和深入，需要进一步调整和优化，推动课程探索性实验课持续健康发展。