研究生实验能力培养的教学新模式

张素侠　刘习军　钟顺

摘  要：实验能力是工科专业研究生的重要科研能力之一。随着研究生教育的发展，出现学硕和专硕等不同的研究生类型，从而提出具有创新实验能力和面向工程解决实际问题能力的人才需求，因此对实验教学提出更高要求。该文针对新形势下实验能力培养中出现的基础差异和培养目的差异性问题、实验教学对实验室在时间和空间上的依赖性问题以及新工科背景下多学科交叉融合问题的求解等问题，提出线上线下混合式的研究生实验教学新模式，从研究生的基本理论和实验操作技能、创新实验的设计实施、科学实验与工程的联系、多领域交叉融合实验的设计等4个方面提升实验能力。实践表明，新模式下的教学使学生的学习实现从感性到理性的升华和从浅显到深刻的递进，既提高实验操作能力和实验水平，又增强趣味性，研究生实验能力得到显著提高。该文的研究成果推进研究生混合式教学的发展，为创新型人才培养提供实践的平台。

关键词：实验能力；研究生；线上线下混合式教学模式；实验能力；人才培养

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）14-0043-05

Abstract： Experimental ability is one of the important research abilities for graduate students majoring in engineering. With the development of graduate education， different types of graduate students appear， such as master of science and master of engineering， which put forward the demand for talents with innovative experimental ability and engineering oriented ability to solve practical problems. Therefore， higher requirements are suggested for experimental teaching. In this paper， we focus on the basic differences and differences in the cultivation of experimental ability in the new situation， the dependence of experimental teaching on the laboratory in time and space， and the solution of interdisciplinary integration problems in the new engineering background， and propose a new mode of online and offline hybrid experimental teaching for graduate students， which improves the experimental ability from three aspects： the basic theory and experimental operation skills of graduate students， the design and implementation of innovative experiments， and the connection between scientific experiments and engineering. The practice shows that the teaching under the new mode makes the students' learning realize the sublimation from sensibility to rationality and the progression from simple to profound. It not only improves the experimental operation ability and experimental level， but also enhances the interest. The experimental ability of graduate students has been significantly improved. The research results of this paper promote the development of mixed teaching for graduate students and provide a platform for the cultivation of innovative talents.

Keywords： experimental ability; postgraduate; online and offline hybrid teaching mode; experimental ability; talent cultivation

高等教育是我國培养高级人才、进行科技创新、推动科技进步的重要基础，其目标是为了培养掌握坚实理论基础和系统专业知识、具备从事科学研究或担任专业技术工作，并具备一定创新能力的专业人才[1]。实验能力是工科专业研究生的重要科研能力之一，随着工程技术的发展和交叉学科的出现，对于研究生的实验能力提出了更高的要求。同时，在实际的研究生教育中，出现了学硕和专硕等不同的研究生类型，根据不同的人才需求提出了具有创新实验能力和面向工程解决实际问题能力的培养要求。因此，研究和创新研究生实验教学的模式，满足新形势下的人才培养新需求，提高创新型人才培养的质量，是急需解决的重要问题。

为了提高实验能力培养的质量，很多教师和学者进行了改革尝试。一些教师着重关注创新能力的培养。邢丽坤等[2]以传感器实验教学为例探讨了大学生创新能力培养问题，认为实验教学具有直观性、综合性和创新性，是培养学生实际动手和创新能力的关键环节，设计了从验证性实验、综合性实验、设计性实验到创新性实验的分层递进式实验教学模式。刘倩等[3]基于POPBL（problem oriented and project based learning，问题导向的项目式教学）教学模式，通过将问题细化并引导学生对其中的科学问题进行思考、查阅文献、自行提出研究方案并进行展示讨论，对获得的研究结果进行讨论和总结，形成完整的研究报告，激发学生自主学习的主动性，提高学生的科学素养。柳玉英等[4]在现代仪器分析课程教学实践中，结合学校研究生各自的知识结构和研究领域，通过因材施教、因需施教、自主学习等灵活多样的教学方法，以及分层次渐进式开设基础性、综合性和设計性实验等一系列措施，有效培养与提升研究生的创新意识和创新实践能力。杨梅松竹等[5]探讨了虚拟现实技术在医学研究生生物医学实验技术中的应用，构建了形态学实验结果客观性评价体系，提高了图片展示效果，实现实验的可重复性。李璐等[6]基于科研思维和创新能力培养，通过提高学生对科研的兴趣、在实验环节加强科研实践、为学生创造学术氛围等措施，来培养研究生的创新意识和综合素质，调动学生实验学习的积极性和探究性。还有一些学者关注应用型实验技能的培养，例如刘晶磊[7]对应用型专业实验技能的培养模式进行了创新和实践，以土木专业为例，探索高校与企业的合作培养，解决高校因场地有限和实验仪器不足产生的问题，同时让企业的实验实践老师对学生进行专业化的辅导，让学生有足够的空间研究实验内容，激发学生的自主思考和动手能力，培养学生的实验自主创新能力。

从以上的研究中可以发现，在目前的研究中，或者关注实验创新能力，或者关注实际应用能力，但是很少能够同时实现工程应用能力和实验创新能力的培养，即同时满足学硕和专硕实验能力的培养需求。因此，本文考虑研究生基础的差异性和能力培养需求的差异性，以工程振动测试技术课程为例，探索线上线下混合式的实验教学新模式，实现多学科交叉融合背景下的工程领域创新人才培养。

一  研究生实验教学中需要解决的几个问题

工程振动测试技术是工程力学专业的学科基础课，是机械、土木、化机等专业的选修课。通过对该课程的学习使学生掌握振动测试技术的基本原理和方法，以及通过实验技术验证理论计算的结果，为解决现代科学技术和工程实际问题提供十分重要的手段。该课程主要介绍测试理论与技术及其在工程中应用，主要在两个方面做出改进，一是加强测试技术的基本理论和分析方法；二是新引进与本课程相关的新的科技成果的新概念、新方法，提高起点，结合工程实际，反映现代分析方法和实验数值计算处理技术的新发展等，对相关内容进行优化组合，在教师的指导下，应用有关振动测试系统完成有关的基本实验内容，结合工程实例，能利用其基本原理按有关实验要求，组成振动测试系统，在实验中正确应用。

在目前的研究生教学中，存在三个方面的问题需要解决。

（一）  传统教学模式不能有效考虑研究生类型差异性和基础差异性

随着研究生教育的迅速发展，出现了学硕和专硕等不同类型的研究生，其培养目标有一定的差别：一个注重理论创新，一个更偏重于工程应用，而目前的教学模式不能同时满足分类培养要求。

同时，即使是同一类型的研究生，学生大多来源于不同的本科院校，也可能是不同院校的不同专业，各个学校的本科专业的课程设置可能不同，有的学生可能学过相近课程，有的学生可能没有学过；对于学习过的课程，各学校讲授的要求也可能不同，有的内容被忽略不讲；对于讲过的内容，各个学校要求的理论深度也不同。这些会造成研究生的基础差异进而影响实验教学的学习效果，目前的教学模式很难有效解决这个问题。

（二）  实验教学依赖实验室，受到时间、空间和实验室条件的限制

传统的实验教学都在实验室中进行，上课时间一般为2学时，包括教师讲解演示和学生实验操作等内容，教师对于实验原理的讲解和学生的理解会占用一部分时间，从而缩短了学生在实验室的操作时间。同时，当学生较多时，设备的台套数不能满足每个学生都动手操作的需求，不利于锻炼学生的动手能力；当学生遇到困难或有新的想法时，学生没有深入思考的时间并进一步解决问题，验证新想法需要的反复实验很难在课堂及时完成，而离开实验室又没办法进行。实验教学特别是创新性实验受制于实验室的时间和空间限制的特点，不利于学生的实验创新能力培养。

（三）  学生对科研问题缺乏了解，科研实验联系实际工程问题的能力有待提高

实验课程一般在研究生一年级开设，在这个阶段，学生对工程问题了解很少，所以很难将基础实验与前沿工程问题联系起来。随着工程结构向着大型化、柔性化等极端尺度的发展，出现了新的特点和技术需求，学生不知道如何解决新的工程问题，很难完成从学习型向研究型的转变，学生的学习积极性和学习效果也都打了折扣，不利于实验能力的提高。特别是在多学科教学融合背景下，学生的研究内容更多地具有跨学科特性，处理实际工程中的新问题和跨学科问题的实验能力培养还不足。

二  研究室实验能力培养的线上线下混合式教学模式

（一）  创新理念及思路

课题组根据多年来的教学经验、研究生指导经验和教改项目的研究，有以下发现。

1）学生在优秀课程资源基础上的自学是解决学生基础差异性的重要方法，同时在一定程度上可以解决学生人数多而设备少的问题。

2）将在线教学录像用于学生的课前预习和课后复习，可以有效减少课堂的工作量，使更多的课堂时间用于动手实验练习和创新性内容的研究。

3）设计可塑性强的创新实验可以满足不同类别的研究生要求，学生可以根据不同的侧重点进行不同的实验，也为学生的创新性想法提供了实践的平台，解决创新能力培养的问题。

4）将科研成果转化为实验内容，让学生看到基础实验在前沿科研工作中的应用过程，为学生用所学技术解决实际工程问题提供范例，锻炼学生的科研素养。

基于以上四点认识，提出了线上线下混合式的研究生实验教学新模式。

首先将实验内容分为设计基础性实验、创新性实验、科研成果转化实验、学科交叉实验四个层次，每个层次满足不同需求。其次进行线上资源建设，教学团队编写出版了2本新形态教材《工程振动测试技术》和《振动理论及工程应用》，建成了2门在线开放课程工程振动测试技术（国家级一流）和振动理论及工程应用（天津市一流），为新的教学模式的实施做好准备。

将实验相关的基础理论和基础实验技能等内容放入开放课程中，便于学生对实验教学内容的理解；将新的科研成果或新的測试手段融合在实验中并进行全程录像，以主要知识点的方式给予提醒，以利于学生实验前进行预习，上课时学习更深层次的内容；将测试仪器工作原理引入动画显示，以视频形式展示给学生，使其易于理解，开拓思路；将测试系统的实验过程进行录像，学生如有疑问或新想法可通过重复观看实验过程进行重复思考。

在研究生实验教学的评价方面，综合考虑所学的基本知识，设计不同的实验题目，提出包含方案设计、实验操作、实验报告等方面更为科学合理的课程评价体系。实验方案设计部分根据问题提炼能力、文献调研能力、方法论证能力、表达能力和团队合作能力等指标进行评价；实验操作部分根据原理掌握、动手能力、仪器使用、团队协作等指标进行评价；实验报告部分根据结果展示规范程度、问题分析能力等指标进行评价[3]。该考核方法从更加重视思考性和创造性的角度，全面、科学地给予学生评价。

（二）  新模式解决教育问题的实施方法

根据教育部制定的工程力学专业要求、工程振动测试技术课程的教学大纲以及课程教学的实际情况，综合考虑实验教学的专业性、实践性的特点，设计基础性实验、创新性实验、科研成果转化实验和多学科交叉融合实验四个层次的实验内容。结合实验教学录像的方式进行教学，解决上述三个问题。

以振动测试实验课程为例，具体的实施方法包括以下方面。

1  基础理论和基础性实验

基础理论主要为振动基本理论。基础性实验的内容包括振动系统认知实验、振动传感器的安装实验和振动传感器校准实验。

将振动实验录像应用于讲课前的预习和复习，使学生对实验内容有一个具体的实物化概念，带着疑问和好奇学习，实现从具体到抽象化概念再到具体的学习过程，不仅增加了学习兴趣，激发了学习热情。自学后，可以找齐不同学校和专业引起的基础差异性问题，使课上处于同一起跑线。

这个预习的过程可以在实验室以外完成，不受实验室条件、时间和空间的限制。同时可以节省教学时间，更多的时间用于培养学生的动手能力。

2  创新性实验

创新性实验包括高阶振动基本参数测试实验、虚拟仪器的应用及编制实验、车辆桥梁耦合动态应变及冲击系数实验三个实验内容[8-9]。这些实验体现了理论内容在解决实际工程问题中的应用，许多新概念和新装置也需要被思考。

这些实验的特点是可塑性强，学生可以选择自己感兴趣的内容进行试验，例如虚拟仪器的应用，可以根据学硕和专硕的不同要求设计不同的实验内容，同时，学生如果有新的想法也可以在这里实现。所以创新性实验很好地解决了第二个问题。

3  科研成果转化的实验

包括中华文物编钟的振动特性测试实验、龙洗综合振动实验及重力波实验、车辆桥梁耦合系统模态分析实验和覆冰导线舞动实验[10]。

在中华文物的振动特性中，彰显了中华文化中的深奥科学原理，不仅有重要的科学价值，而且极具艺术观赏性。在工程模拟实验中，不仅锻炼了学生的动手能力，还加深了对工程实际的了解，对知识的实际应用转化进行了尝试，这有利于提升学生的观察力和能动性，增加求知欲。

以上三类不同的实验，解决了教学中三个层次的问题，为研究生创新能力培养搭建了平台。

4  多学科交叉融合的实验

主要包括重力波测试实验[11]。实验中既包括振动领域的振动测试信号采集，还包括图像重构和处理技术。在实验方案设计中，实验系统包括三个部分，如图1所示。一是包括壳液耦合系统、激振器放大器和信号发生器的重力波激发系统，涉及到非线性振动问题；二是由工作台、幻灯机和反光镜组成的部分，运用光学成像，产生变形后的云纹图像，重点解决图像投影到水底的问题，涉及精密仪器与测量专业的内容；三是由CCD摄像机和图像采集系统构成的图像采集部分，涉及光学和动态采集问题。而在后期的图像重构和处理中，涉及图像处理技术和振动相关问题，所以是多学科交叉融合的实验。

（三）  新模式的创新点

1  线上线下混合式的教学新模式，能够满足学生基础差异性和培养目标差异性要求，符合研究生教育的发展趋势

在新的教学模式下，学生通过自学在线开放课程，完成基础理论和基本实验技能的学习，找齐本科课程设置的不同、讲授内容的不同以及理论深度的不同造成的基础差异，使学生在课堂上处于同一起跑线；在创新性实验和科研转化实验中，可以根据不同的培养目标要求进行包含不同侧重点的实验，满足不同类型研究生的培养需要。这种考虑差异性的教学模式符合研究生教育发展的趋势。

2  改进教学方法和教学手段，突破实验室局限，有利于研究生深入学习和创新能力培养

混合教学模式中，将测试仪器、测试系统和实验过程进行录像后，以主要知识点的形式给予提示，以利于学生实验前进行预习和课后的复习，便于学生对实验教学内容的理解，如有疑问或新想法可通过重复观看实验过程并进行重新思考。

将实验学习从实验室内延伸到实验室外，节省了实验室内的时间。同时学生可在课程的基础上进行自己的设计和想法实施，为创新型实验的实施提供了场地，为新思维的培养提供了空间。

3  新的教学内容，科研成果向教学转化，促进创新思维的培养

课程内容的创新性是课程高水平的重要保障，课程内容的持续更新、与时俱进，是满足未来学生发展的重要方式。新形态课程的实验内容中，有5个实验是从天津大学科研成果转化而来，自主设计制作，在全国均属首例。科研成果体现了最新的技术手段和发展趋势，可加深研究生对科研问题的理解，使研究生提前进入研究性训练；同时新颖的内容激发学生对课程的兴趣，促进学生学习效果的改善；将科研创新成果以教学的方式呈现，让学生看到创新的过程和思路，促进研究生创新思维的培养。

三  结束语

研究生实验能力培养的线上线下混合式教学新模式应用以来，在后续的科研工作中开展实验研究的人数明显增多，实验内容比例增大，研究生发表的高水平论文的比例明显提高，研究成果很好地提升了研究生的科研能力和水平，也为以后进入工作环境、走向工作岗位打下了良好的专业基础。实践表明，本文提出的研究生实验能力培养的教学新模式成为创新型人才培养的重要部分，為今后的大规模推广应用奠定基础。

参考文献：

[1] 张航，陈怡．高等教育人才培养目标的时代变迁与路径选择[J]．江苏高教，2019（9）：35-40．

[2] 邢丽坤，凌六一，李良光，等，传感器实验教学改革促大学生创新能力培养[J].科教导刊，2019（31）：136-137.

[3] 刘倩，魏涛.POPBL模式微生物学实验课程教学改革探索[J]．生物学杂志，2022，39（3）：120-124.

[4] 柳玉英，王平，刘青，等.研究生现代仪器分析创新能力的培养模式探索[J]．实验室研究与探索，2019，38（10）：198-201.

[5] 杨梅松竹，李辉，陈金华，等.虚拟现实技术在研究生生物医学实验教学中的探索与应用[J]．高教学刊，2022（24）：115-119.

[6] 李璐，苏琼，孙初锋，等.基于科研思维和创新能力培养的精细化工实验教学改革探索[J]．广东化工，2020，47（19）：180.

[7] 刘晶磊．应用型专业实验技能培养模式的创新与实践——以土木专业为例[J]．科学咨询，2021，12（49）：244-246.

[8] 刘习军，张素侠，崔福将，等.利用实验教学全程录像，提高实验教学质量[J].教育教学论坛，2020（13）：388-390.

[9] 刘习军，张素侠，崔福将，等.虚拟仿真实验在教学中的应用[J].高教学刊，2019（26）：115-117.

[10] 刘天翼，刘习军，霍冰.连续体覆冰导线模型的舞动实验研究[J].实验力学，2016（2）：186-192.

[11] 刘习军，张素侠，刘振宇，等.FTP法测量矩形壳液耦合系统中的重力波[J].天津大学学报，2006，39（6）：675-678.

基金项目：2014年度国家自然科学基金项目“考虑松弛-张紧效应时深海系缆-平台耦合运动及稳定性研究”（51479136）；2019年度天津市线上线下混合式一流建设课程项目“工程振动与测试（振动力学）”（无编号）；2018年度天津市自然科学基金项目“细长柔性体畸变模型的非线性修正规律研究”（JCYBJC18700）；天津大学研究生创新人才培养项目“以《线性振动》课程为例的案例式教学探讨”（YCX202238）

第一作者简介：张素侠（1978-），女，汉族，河北抚宁人，博士，副教授，博士研究生导师。研究方向为非线性动力学与控制。