“新工科”背景下實驗教學改革路徑研究

　　【摘要】梳理了我國工科專業實驗教學的現狀和問題，并針對這些問題，提出了“新工科”背景下的實驗教學模式。以大連海事大學交通運輸專業為例，從實驗室建設、優化和完善實驗教學大綱、課程組織流程和考核方式、師資隊伍建設4個方面提出了實驗教學改革路徑，為培養工程型人才奠定了良好的基礎，對“新工科”背景下的工科專業實驗教學的探索和改革具有一定的借鑒作用，同時為其他院校交通運輸專業的實驗教學體系改革提供一定的參考。

　　【關鍵詞】新工科;實驗教學;改革

　　0引言

　　進入21世紀以來，以互聯網、大數據、虛擬現實、人工智能、區塊鏈等為代表的信息技術蓬勃發展，已經或即將對高等教育教學的變革產生顛覆性影響。為適應信息技術的發展，進一步提高工程教育質量，2006年3月，教育部啟動了工程教育專業認證工作，以此構建中國工程教育的質量監控體系;2010年，教育部啟動“卓越工程師教育培養計劃”，強調走中國特色新型工業化道路、建設創新型國家、建設人才強國，迫切需要培養一大批能夠適應和支撐產業發展的、具有國際競爭力的創新型工程人才;2017年2月以來，教育部積極推進“新工科”建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”，為“新工科”建設指明了路線[1-4]。

　　從工程教育專業認證到“卓越工程師教育培養計劃”，再到積極建設“新工科”，實踐創新能力的培養已成為新時代工科專業培養的共識。實驗教學作為實踐能力培養的重要環節，在培養工科學生專業水平、創新能力和分析解決問題能力等方面都有著理論教學不可替代的作用[5]。如何在積極響應“新工科”建設要求的背景下，提升工科專業實驗教學水平、對接未來新技術和新產業的發展、培養更多創新型工程技術人才，是一個值得探索的問題。

　　1工科專業實驗教學的不足

　　傳統的教學模式下，學生多以理論學習為主，實驗教學只為驗證理論課的某些內容而設立，導致實驗教學的受重視程度無法與理論教學相比，實驗教學不夠高效，學生對實驗的理解不夠透徹[6]。設施、課程和教師3個方面的不足和相互制約共同導致傳統工科專業實驗教學未能完全滿足新時代對工科人才培養的要求，具體表現在如下4個方面。

　　(1)實驗室資源不能滿足未來工程人才發展需求。隨著社會對工程人才要求的不斷提高，現有實驗室資源已不能完全滿足未來對學生培養的要求。不足之處具體包括，現有基礎實驗儀器臺套數不足，導致實驗課計劃課時較少;缺少先進的實驗設備和測試手段，部分實驗教學質量難以提高;“新工科”建設對學生提出了新要求，需開展新的實驗教學內容，而相應的儀器設備尚未配套，相關實驗內容難以開展。(2)學生實驗能力有待提升。工科專業培養最終目標是培養滿足實際需要的應用型人才，要求實驗內容設計必須面向工程實際問題。但傳統的教學模式仍過于偏重純課堂的理論教學，實驗課程設置較少，設計性和綜合性實驗課時和內容比例偏低。

　　(3)教學手段和考核方式較為單一。傳統的工科專業實驗教學流程和考核方式較為單一，僅講解實驗內容和實驗方法，最終的考核方式也只是實驗報告的提交，難以考查學生的綜合實驗能力。(4)實驗教學師資水平有待提高。隨著實驗課程重要性的提升、新科技的不斷涌現和工程專業知識的實時更新，對于實驗教學隊伍也有了更高的要求，實驗指導教師的實驗手段和技能有待進一步提高。2“新工科”背景下的實驗教學模式基于上述問題，以“新工科”背景為契機，基于我國工科專業發展的特點，筆者設計了“新工科”背景下的實驗教學模式。從服務于教學目標的角度，從教學內容、教學過程、教學保障3個角度切入，實現工科專業實驗教學質量的提升。

　　2.1 豐富的實驗教學內容，有層次的實驗課程體系實驗教學內容包括完善的實驗設備、實驗課程種類/數量滿足要求、增加綜合性和設計性實驗的比例3個方面。①高校實驗室作為科學研究、實驗教學和人才實踐能力培養的重要基地，其建設水平影響和制約著高校整體水平的提升，完善的實驗設備是保障整個實驗教學過程的基礎;②與理論教學相比，實驗教學更具直觀性、實踐性、綜合性等特點，在培養學生的創新意識、實踐能力和創業精神等方面具有特別重要的作用，應設置豐富的實驗課程種類和足夠的實驗課程數量[7];③隨著我國工科專業對人才培養質量需求的不斷提高，對大學畢業生的創新意識、實踐能力也提出了更高要求，綜合性和設計研究性實驗的重要性也愈加凸顯。

　　2.2 實驗教學循序漸進，實驗過程全過程跟進教學過程分為自主預習→課堂講解及設計實驗→研討匯報及實驗考核3個階段。①實驗課程的相關理論知識是支撐整個實驗課程順利進行的基礎，實驗的原理和實驗操作步驟等相關知識也是整個實驗的重中之重，因此實驗預習環節必不可少;②學生僅通過自主預習并不能掌握全面的實驗知識，還需要教師在實驗課上全程跟進并對實驗內容進行講解，最后通過自主設計實驗來準確透徹地掌握課程;③除了實驗報告，學生的表現也與課程考核結果息息相關，因此，設置合理的考核機制也是評價學生表現的重要前提。

　　2.3 健全的實驗教學質量保障體系

　　教學保障分為優化教學管理組織機構、教師相關能力培訓和完善教師引進政策3個方面。①各專業應在相應的辦學理念主導下，組建完備的教學組織管理機構，制定一系列教學計劃、完善專業結構、建立規章制度和管理模式，使實驗教學有計劃、有保障;②作為高校實驗教學的主要力量，實驗教師隊伍需要在知識、能力、經歷、素質等方面均能夠勝任創新工程科技人才培養工作。

　　因此，為了保障師資隊伍的高質量，需要對教師進行相關能力培訓;③高校教師在所研究方向上具有較高的理論水平，但是對于“新工科”要求下新增的課程來說，其理論知識不夠，因此完善的教師引進政策必不可少。上述實驗教學模式注重對學生進行科學思維與解決復雜工程能力的訓練，同時在教學過程中關注個人創新創造能力協調發展，培養了學生的實踐動手能力、解決復雜工程問題能力和科研創新能力，對培養工程技術人才有著促進作用。

　　3交通運輸專業實驗教學改革思路與路徑

　　3.1 合理利用實驗室現有資源，進一步加大實驗室建設力度大連海事大學交通運輸專業的基礎課與專業課實驗教學任務由運輸管理模擬實驗室和國際多式聯運實驗教學中心承擔，運輸管理模擬實驗室和國際多式聯運實驗教學中心主要負責綜合性實驗，可以使本科生將其所學的專業知識綜合一體地運用，輔助學生解決港口規劃、集裝箱堆場設計等各種實際問題，加之大數據方法等的有效應用，實現場景和方法的有機結合，提高本科生運用知識解決問題的能力。在實驗設備臺套數方面，與學生人數相比，原有實驗設備臺套數不足;在軟件方面，“交通運輸地理與空間分析”“港口物流系統仿真”“運籌與優化”等原有課程軟件陳舊亟須更新，“外貿運輸實驗”“港口運營實驗”“機器學習方法與應用”等新開設課程則需要新的軟件投入。

　　為適應“新工科”建設要求，針對上述問題，大連海事大學增加了教學用計算機，滿足教學要求;對亟須更新的軟件和新增實驗所需軟件如集裝箱場站作業軟件、港口設備管理軟件、集裝箱港口作業實訓軟件、散雜貨港口作業軟件、StowMan軟件等執行招標采購。通過實驗室設備及軟件的增加與完善，提升了實驗教學質量、提高了實驗效率，使學生能夠對航運、港口、內陸集疏運系統有更清晰的認知，并對課程知識掌握得更為準確和透徹，為學生提升解決復雜工程問題能力給予了支持與保障。

　　3.2 以“新工科”培養目標為導向，優化和完善實驗教學大綱

　　(1)調整實驗課程性質，增加實驗課時。為進一步提高學生的動手能力和解決復雜工程問題能力，將早期的課內實驗調整為獨立的實驗課程。如從“運籌與優化”課程中劃分出了“運籌與優化(Matlab)—實驗”課程;結合AIS系統相關內容從“國際多式聯運”課程中劃分出了“外貿運輸實驗”課程;從“集裝箱碼頭業務和港口機械與裝卸工藝”中劃分出了“港口運營實驗”課程。把原課程中的實驗內容針對港口方向和外貿運輸方向各自的特點，劃分成獨立的實驗課程，以往實驗課程僅輔助學生認識結構，新實驗教學大綱強調鍛煉學生解決復雜工程問題的能力，深化學生對理論課程教學內容的認識，使學生能更系統、更全面地把握整個實驗操作流程，更深入地了解和掌握實驗方法和相關軟件的使用，課程教學和實驗操作同時進行，有利于形成綜合性實驗，提高實驗教學質量。

　　(2)增加課程設計相關內容，提高設計性實驗的比例。隨著我國交通行業對人才培養質量需求的不斷提高，對大學畢業生創新意識、實踐 能力也提出了更高的要求。因此，教育部提倡實驗室要向學生開放，提高綜合性和設計研究性實驗的比例。此外，交通運輸專業于2012年6月第1次申請并通過了教育部組織的全國工程教育專業認證，并于2015年11月通過了第一次認證復審，專家在對專業認可的同時，提出要強化實驗環節建設。

　　因此，交通運輸專業在持續改進過程中不斷提高課程的實驗比例，增設了“交通運輸網絡規劃課程設計”“貨運業務課程設計”“港口規劃與工藝課程設計”等綜合性和設計研究性實驗課程。課程設計實驗的設立加深了原有實驗的深度，有效地彌補理論教學中對貨運業務、港口規劃設計等知識點欠深入的不足，能夠更為有效地幫助學生理解課堂教學中的理論知識和技術方法，有助于提高學生對交通運輸相關領域知識的認識和掌握，將不斷衍生出的新知識和傳統工科更好地結合，進一步推動“新工科”建設。

　　(3)探索AR/VR相關系統，逐步完善交通運輸實驗課程體系。教育部重點實驗室是國家科技創新體系的重要組成部分，其主要任務是面向科學前沿，聚焦國家戰略需求和行業、區域發展需求，開展創新性研究，提高高等學校創新能力，推動學科建設發展[11]。大連海事大學積極申請大連市重點實驗室，實驗室采用增強現實(AR)/虛擬現實(VR)模擬器和操作支持決策系統，使研究者可以親身體驗港口的實際環境，通過與虛擬環境的互動來學習知識，提升研究能力，節約了一定的時間和成本。

　　3.3 優化實驗流程，改進實驗考核

　　(1)增加實驗預習環節，提高學生自學能力。在實驗課程組織流程中增加了預習環節，學生通過對實驗內容的預習，了解實驗的原理，基本掌握實驗的操作步驟。通過對實驗內容的預習，可以鍛煉學生的自學能力，更好地激發學生學習的主動性，加深學生對實驗課程相關理論知識的理解，同時也起到了提高實驗課效率的作用。

　　(2)改進實驗考核方式，細化評價指標。新的考核方式尤其要注重對學生動手能力、操作過程的考核。對學生的操作熟練程度、主動性等進行隨堂打分，并結合最終實驗報告內容的完整性、創新性、論述的合理性、結果的準確性等多方面給出綜合成績。改革后的考核方式要求學生將前期所學的理論知識與實驗項目結合起來，進行消化、吸收、理解及掌握，最終將課堂所學到的知識融會貫通并加以綜合運用，提升了課程設計的整體深度，以“港口規劃與工藝課程設計”為例，改革后課程組織流程和考核方法。

　　3.4 加強師資隊伍保障建設

　　針對學院實驗室管理，采取學校與學院二級統一管理的方式，大連海事大學下設了實驗實習科具體負責實驗教學工作。國有資產與實驗室管理處負責統籌學校實驗室建設與運行維護管理工作、實驗人員隊伍管理與建設工作。為進一步加強學校實驗室建設，優化實驗教師隊伍結構，促進實驗教學水平的不斷提高，依據工程教育認證和學校綜合改革方案的要求，結合實際制定了《大連海事大學實驗教師錄用暫行規定》，進行了一系列關于實驗教室師資隊伍管理的改革，包括完善實驗教師隊伍分類管理制度體系設計、建立實驗教師隊伍多元化用人機制和健全實驗教師隊伍成長發展體系3個方面，保障實驗教學的順利進行。

　　4結語

　　實踐創新能力的培養已成為新時代工科專業培養的共識，實驗教學作為實現人才知識、能力、素質協調發展的重要途徑和手段，其地位愈加重要。圍繞“新工科”建設的內涵發展要求，分析了我國工科專業實驗教學的現狀和問題，提出了“新工科”背景下的實驗教學模式，以大連海事大學交通運輸專業實驗教學為例，提出一系列實驗教學改革路徑和思路。為充分調動學生的主觀能動性、強化學生的實驗技能、提高學生分析和解決復雜工程問題的能力、培養工程型人才奠定了良好的基礎，對“新工科”背景下的工科專業實驗教學的探索和改革起到一定的借鑒作用，為其他院校交通運輸專業的實驗教學體系改革提供一定的參考。

　　【參考文獻】

　　[1]高等工程教育研究編輯部.“新工科”建設復旦共識[J].高等工程教育研究，2017(1)：10-11.

　　[2]高等工程教育研究編輯部.“新工科”建設行動路線(“天大行動”)[J].高等工程教育研究，2017(2)：29-30.

　　[3]高等工程教育研究編輯部.“新工科”建設指南(“北京指南”)[J].高等工程教育研究，2017(4)：25-26.

　　作者：趙 旭，苗雨瑩，王美蓉

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