“新工科”背景下实验教学改革路径研究

　　【摘要】梳理了我国工科专业实验教学的现状和问题，并针对这些问题，提出了“新工科”背景下的实验教学模式。以大连海事大学交通运输专业为例，从实验室建设、优化和完善实验教学大纲、课程组织流程和考核方式、师资队伍建设4个方面提出了实验教学改革路径，为培养工程型人才奠定了良好的基础，对“新工科”背景下的工科专业实验教学的探索和改革具有一定的借鉴作用，同时为其他院校交通运输专业的实验教学体系改革提供一定的参考。

　　【关键词】新工科;实验教学;改革

　　0引言

　　进入21世纪以来，以互联网、大数据、虚拟现实、人工智能、区块链等为代表的信息技术蓬勃发展，已经或即将对高等教育教学的变革产生颠覆性影响。为适应信息技术的发展，进一步提高工程教育质量，2006年3月，教育部启动了工程教育专业认证工作，以此构建中国工程教育的质量监控体系;2010年，教育部启动“卓越工程师教育培养计划”，强调走中国特色新型工业化道路、建设创新型国家、建设人才强国，迫切需要培养一大批能够适应和支撑产业发展的、具有国际竞争力的创新型工程人才;2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”，为“新工科”建设指明了路线[1-4]。

　　从工程教育专业认证到“卓越工程师教育培养计划”，再到积极建设“新工科”，实践创新能力的培养已成为新时代工科专业培养的共识。实验教学作为实践能力培养的重要环节，在培养工科学生专业水平、创新能力和分析解决问题能力等方面都有着理论教学不可替代的作用[5]。如何在积极响应“新工科”建设要求的背景下，提升工科专业实验教学水平、对接未来新技术和新产业的发展、培养更多创新型工程技术人才，是一个值得探索的问题。

　　1工科专业实验教学的不足

　　传统的教学模式下，学生多以理论学习为主，实验教学只为验证理论课的某些内容而设立，导致实验教学的受重视程度无法与理论教学相比，实验教学不够高效，学生对实验的理解不够透彻[6]。设施、课程和教师3个方面的不足和相互制约共同导致传统工科专业实验教学未能完全满足新时代对工科人才培养的要求，具体表现在如下4个方面。

　　(1)实验室资源不能满足未来工程人才发展需求。随着社会对工程人才要求的不断提高，现有实验室资源已不能完全满足未来对学生培养的要求。不足之处具体包括，现有基础实验仪器台套数不足，导致实验课计划课时较少;缺少先进的实验设备和测试手段，部分实验教学质量难以提高;“新工科”建设对学生提出了新要求，需开展新的实验教学内容，而相应的仪器设备尚未配套，相关实验内容难以开展。(2)学生实验能力有待提升。工科专业培养最终目标是培养满足实际需要的应用型人才，要求实验内容设计必须面向工程实际问题。但传统的教学模式仍过于偏重纯课堂的理论教学，实验课程设置较少，设计性和综合性实验课时和内容比例偏低。

　　(3)教学手段和考核方式较为单一。传统的工科专业实验教学流程和考核方式较为单一，仅讲解实验内容和实验方法，最终的考核方式也只是实验报告的提交，难以考查学生的综合实验能力。(4)实验教学师资水平有待提高。随着实验课程重要性的提升、新科技的不断涌现和工程专业知识的实时更新，对于实验教学队伍也有了更高的要求，实验指导教师的实验手段和技能有待进一步提高。2“新工科”背景下的实验教学模式基于上述问题，以“新工科”背景为契机，基于我国工科专业发展的特点，笔者设计了“新工科”背景下的实验教学模式。从服务于教学目标的角度，从教学内容、教学过程、教学保障3个角度切入，实现工科专业实验教学质量的提升。

　　2.1 丰富的实验教学内容，有层次的实验课程体系实验教学内容包括完善的实验设备、实验课程种类/数量满足要求、增加综合性和设计性实验的比例3个方面。①高校实验室作为科学研究、实验教学和人才实践能力培养的重要基地，其建设水平影响和制约着高校整体水平的提升，完善的实验设备是保障整个实验教学过程的基础;②与理论教学相比，实验教学更具直观性、实践性、综合性等特点，在培养学生的创新意识、实践能力和创业精神等方面具有特别重要的作用，应设置丰富的实验课程种类和足够的实验课程数量[7];③随着我国工科专业对人才培养质量需求的不断提高，对大学毕业生的创新意识、实践能力也提出了更高要求，综合性和设计研究性实验的重要性也愈加凸显。

　　2.2 实验教学循序渐进，实验过程全过程跟进教学过程分为自主预习→课堂讲解及设计实验→研讨汇报及实验考核3个阶段。①实验课程的相关理论知识是支撑整个实验课程顺利进行的基础，实验的原理和实验操作步骤等相关知识也是整个实验的重中之重，因此实验预习环节必不可少;②学生仅通过自主预习并不能掌握全面的实验知识，还需要教师在实验课上全程跟进并对实验内容进行讲解，最后通过自主设计实验来准确透彻地掌握课程;③除了实验报告，学生的表现也与课程考核结果息息相关，因此，设置合理的考核机制也是评价学生表现的重要前提。

　　2.3 健全的实验教学质量保障体系

　　教学保障分为优化教学管理组织机构、教师相关能力培训和完善教师引进政策3个方面。①各专业应在相应的办学理念主导下，组建完备的教学组织管理机构，制定一系列教学计划、完善专业结构、建立规章制度和管理模式，使实验教学有计划、有保障;②作为高校实验教学的主要力量，实验教师队伍需要在知识、能力、经历、素质等方面均能够胜任创新工程科技人才培养工作。

　　因此，为了保障师资队伍的高质量，需要对教师进行相关能力培训;③高校教师在所研究方向上具有较高的理论水平，但是对于“新工科”要求下新增的课程来说，其理论知识不够，因此完善的教师引进政策必不可少。上述实验教学模式注重对学生进行科学思维与解决复杂工程能力的训练，同时在教学过程中关注个人创新创造能力协调发展，培养了学生的实践动手能力、解决复杂工程问题能力和科研创新能力，对培养工程技术人才有着促进作用。

　　3交通运输专业实验教学改革思路与路径

　　3.1 合理利用实验室现有资源，进一步加大实验室建设力度大连海事大学交通运输专业的基础课与专业课实验教学任务由运输管理模拟实验室和国际多式联运实验教学中心承担，运输管理模拟实验室和国际多式联运实验教学中心主要负责综合性实验，可以使本科生将其所学的专业知识综合一体地运用，辅助学生解决港口规划、集装箱堆场设计等各种实际问题，加之大数据方法等的有效应用，实现场景和方法的有机结合，提高本科生运用知识解决问题的能力。在实验设备台套数方面，与学生人数相比，原有实验设备台套数不足;在软件方面，“交通运输地理与空间分析”“港口物流系统仿真”“运筹与优化”等原有课程软件陈旧亟须更新，“外贸运输实验”“港口运营实验”“机器学习方法与应用”等新开设课程则需要新的软件投入。

　　为适应“新工科”建设要求，针对上述问题，大连海事大学增加了教学用计算机，满足教学要求;对亟须更新的软件和新增实验所需软件如集装箱场站作业软件、港口设备管理软件、集装箱港口作业实训软件、散杂货港口作业软件、StowMan软件等执行招标采购。通过实验室设备及软件的增加与完善，提升了实验教学质量、提高了实验效率，使学生能够对航运、港口、内陆集疏运系统有更清晰的认知，并对课程知识掌握得更为准确和透彻，为学生提升解决复杂工程问题能力给予了支持与保障。

　　3.2 以“新工科”培养目标为导向，优化和完善实验教学大纲

　　(1)调整实验课程性质，增加实验课时。为进一步提高学生的动手能力和解决复杂工程问题能力，将早期的课内实验调整为独立的实验课程。如从“运筹与优化”课程中划分出了“运筹与优化(Matlab)—实验”课程;结合AIS系统相关内容从“国际多式联运”课程中划分出了“外贸运输实验”课程;从“集装箱码头业务和港口机械与装卸工艺”中划分出了“港口运营实验”课程。把原课程中的实验内容针对港口方向和外贸运输方向各自的特点，划分成独立的实验课程，以往实验课程仅辅助学生认识结构，新实验教学大纲强调锻炼学生解决复杂工程问题的能力，深化学生对理论课程教学内容的认识，使学生能更系统、更全面地把握整个实验操作流程，更深入地了解和掌握实验方法和相关软件的使用，课程教学和实验操作同时进行，有利于形成综合性实验，提高实验教学质量。

　　(2)增加课程设计相关内容，提高设计性实验的比例。随着我国交通行业对人才培养质量需求的不断提高，对大学毕业生创新意识、实践 能力也提出了更高的要求。因此，教育部提倡实验室要向学生开放，提高综合性和设计研究性实验的比例。此外，交通运输专业于2012年6月第1次申请并通过了教育部组织的全国工程教育专业认证，并于2015年11月通过了第一次认证复审，专家在对专业认可的同时，提出要强化实验环节建设。

　　因此，交通运输专业在持续改进过程中不断提高课程的实验比例，增设了“交通运输网络规划课程设计”“货运业务课程设计”“港口规划与工艺课程设计”等综合性和设计研究性实验课程。课程设计实验的设立加深了原有实验的深度，有效地弥补理论教学中对货运业务、港口规划设计等知识点欠深入的不足，能够更为有效地帮助学生理解课堂教学中的理论知识和技术方法，有助于提高学生对交通运输相关领域知识的认识和掌握，将不断衍生出的新知识和传统工科更好地结合，进一步推动“新工科”建设。

　　(3)探索AR/VR相关系统，逐步完善交通运输实验课程体系。教育部重点实验室是国家科技创新体系的重要组成部分，其主要任务是面向科学前沿，聚焦国家战略需求和行业、区域发展需求，开展创新性研究，提高高等学校创新能力，推动学科建设发展[11]。大连海事大学积极申请大连市重点实验室，实验室采用增强现实(AR)/虚拟现实(VR)模拟器和操作支持决策系统，使研究者可以亲身体验港口的实际环境，通过与虚拟环境的互动来学习知识，提升研究能力，节约了一定的时间和成本。

　　3.3 优化实验流程，改进实验考核

　　(1)增加实验预习环节，提高学生自学能力。在实验课程组织流程中增加了预习环节，学生通过对实验内容的预习，了解实验的原理，基本掌握实验的操作步骤。通过对实验内容的预习，可以锻炼学生的自学能力，更好地激发学生学习的主动性，加深学生对实验课程相关理论知识的理解，同时也起到了提高实验课效率的作用。

　　(2)改进实验考核方式，细化评价指标。新的考核方式尤其要注重对学生动手能力、操作过程的考核。对学生的操作熟练程度、主动性等进行随堂打分，并结合最终实验报告内容的完整性、创新性、论述的合理性、结果的准确性等多方面给出综合成绩。改革后的考核方式要求学生将前期所学的理论知识与实验项目结合起来，进行消化、吸收、理解及掌握，最终将课堂所学到的知识融会贯通并加以综合运用，提升了课程设计的整体深度，以“港口规划与工艺课程设计”为例，改革后课程组织流程和考核方法。

　　3.4 加强师资队伍保障建设

　　针对学院实验室管理，采取学校与学院二级统一管理的方式，大连海事大学下设了实验实习科具体负责实验教学工作。国有资产与实验室管理处负责统筹学校实验室建设与运行维护管理工作、实验人员队伍管理与建设工作。为进一步加强学校实验室建设，优化实验教师队伍结构，促进实验教学水平的不断提高，依据工程教育认证和学校综合改革方案的要求，结合实际制定了《大连海事大学实验教师录用暂行规定》，进行了一系列关于实验教室师资队伍管理的改革，包括完善实验教师队伍分类管理制度体系设计、建立实验教师队伍多元化用人机制和健全实验教师队伍成长发展体系3个方面，保障实验教学的顺利进行。

　　4结语

　　实践创新能力的培养已成为新时代工科专业培养的共识，实验教学作为实现人才知识、能力、素质协调发展的重要途径和手段，其地位愈加重要。围绕“新工科”建设的内涵发展要求，分析了我国工科专业实验教学的现状和问题，提出了“新工科”背景下的实验教学模式，以大连海事大学交通运输专业实验教学为例，提出一系列实验教学改革路径和思路。为充分调动学生的主观能动性、强化学生的实验技能、提高学生分析和解决复杂工程问题的能力、培养工程型人才奠定了良好的基础，对“新工科”背景下的工科专业实验教学的探索和改革起到一定的借鉴作用，为其他院校交通运输专业的实验教学体系改革提供一定的参考。

　　【参考文献】

　　[1]高等工程教育研究编辑部.“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017(1)：10-11.

　　[2]高等工程教育研究编辑部.“新工科”建设行动路线(“天大行动”)[J].高等工程教育研究，2017(2)：29-30.

　　[3]高等工程教育研究编辑部.“新工科”建设指南(“北京指南”)[J].高等工程教育研究，2017(4)：25-26.

　　作者：赵 旭，苗雨莹，王美蓉

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