新工科下的能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)模式

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[摘要]實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的重要環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)模式設(shè)計的合理性影響教學(xué)的效果。基于新工科的理念，針對東莞理工學(xué)院能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，重新梳理實驗教學(xué)內(nèi)容，打破課程界限重構(gòu)了實驗教學(xué)模式。通過利用資源完成實驗教學(xué)模式的建設(shè)，實現(xiàn)多層次實驗環(huán)節(jié)協(xié)同，進一步培養(yǎng)學(xué)生的興趣和創(chuàng)造力。

[關(guān)鍵詞]能源動力；實驗教學(xué)；新工科；創(chuàng)新意識

1引言

高等教育的目標(biāo)是培養(yǎng)有獨立工作能力的專業(yè)人才，但新一輪科技革命與我國發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、發(fā)展動能轉(zhuǎn)換交匯，內(nèi)外環(huán)境的變化對高等教育發(fā)展帶來新挑戰(zhàn)[1]。教育部于2017年啟動了新工科建設(shè)，對人才培養(yǎng)提出了更高的要求。新工科建設(shè)是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才[2-3]。新工科建設(shè)是現(xiàn)階段實驗教學(xué)的起點和目標(biāo)，有利于提高學(xué)生的實踐思考能力、培養(yǎng)學(xué)生的實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。對于熱流科學(xué)，實驗仍是獲取新知識的主要途徑，科研也離不開實驗研究。此外，實驗教學(xué)對于提升畢業(yè)生的就業(yè)競爭力的作用日益突出，這也是能源市場對人才培養(yǎng)改革的需求?？梢?，實驗教學(xué)對于能源動力類專業(yè)的人才培養(yǎng)具有十分重要的意義。我?！皠恿こ碳肮こ虩嵛锢怼币患墝W(xué)科獲批為廣東省優(yōu)勢重點學(xué)科，學(xué)科的實驗教學(xué)強調(diào)“提高實踐能力、培養(yǎng)實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新意識”的人才培養(yǎng)理念，要求強化學(xué)科和專業(yè)的優(yōu)勢特色，實現(xiàn)實驗教學(xué)內(nèi)容與節(jié)能行業(yè)緊密結(jié)合，助推區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展。因此，為辦出具有地域特色的能源專業(yè)，滿足地方工業(yè)技術(shù)發(fā)展的需要，能源動力類專業(yè)教學(xué)隊伍進行了一系列的探索。針對我校能源動力類專業(yè)實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，將探索實驗教學(xué)的內(nèi)在規(guī)律和要求，從實驗教學(xué)課程方面著手，改善實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，以期充分調(diào)動學(xué)生的積極性，探索如何優(yōu)化能源動力類專業(yè)實驗?zāi)Ｊ?，增加學(xué)科前沿類、創(chuàng)新類教學(xué)內(nèi)容以適應(yīng)新型工科人才培養(yǎng)。

2實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及存在的問題

按照2018級能源專業(yè)人才培養(yǎng)方案的要求，學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課的實驗環(huán)節(jié)全部包含在課程內(nèi)，實驗學(xué)時數(shù)被包含在各門課程的總學(xué)時數(shù)中。其中，能源專業(yè)包含有實驗環(huán)節(jié)的學(xué)科基礎(chǔ)課程共4門，包括《工程熱力學(xué)》、《工程流體力學(xué)》、《傳熱傳質(zhì)學(xué)》、《測試技術(shù)》；含實驗環(huán)節(jié)的專業(yè)課程有12門，包括《壓縮機技術(shù)》、《燃燒學(xué)》、《制冷原理與裝置》、《熱工過程自動調(diào)節(jié)》、《鍋爐原理》、《空氣調(diào)節(jié)》、《樓宇自動化》、《內(nèi)燃機原理》、《分布式能源系統(tǒng)概論》、《汽輪機原理》、《發(fā)電廠集控運行》和《可再生能源技術(shù)》。這些課程的實驗部分4-10學(xué)時不等，每門課程設(shè)置2-4個實驗項目。經(jīng)過近六年的實踐，這種實驗設(shè)置模式存在的問題逐漸呈現(xiàn)。

2.1缺少完整的實驗安全教育環(huán)節(jié)

目前，實驗室安全工作大多停留在宏觀管理層面，師生參與度較低[4]。較少能源動力類專業(yè)專門開設(shè)獨立的實驗室安全教育課程，一般在實驗項目開始前期進行簡單的培訓(xùn)，學(xué)生對實驗室安全的認識不足，這將導(dǎo)致學(xué)生在實驗中麻痹大意，使實驗室安全隱患累積、產(chǎn)生和導(dǎo)致實驗室安全責(zé)任事故。

2.2實驗分組人數(shù)多，影響學(xué)生積極性

根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)要求，實驗教學(xué)在學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面應(yīng)該發(fā)揮更大的作用，但是學(xué)生在實驗過程中積極性不足。一方面原因是儀器人均臺數(shù)不足，能源專業(yè)不斷擴招，雖實驗儀器的數(shù)量每年均有增加，但相對于學(xué)生人數(shù)仍顯不足。另一方面，實驗項目歸屬于相應(yīng)的課程，所以在相應(yīng)時間內(nèi)只能進行一門課程的實驗項目，最多也只能同時開展4個實驗項目。這兩方面導(dǎo)致了實驗每組人數(shù)近5人，造成了學(xué)生在完成實驗過程中相互依賴的心理，表現(xiàn)為實驗前不預(yù)習(xí)，實驗中被動、實驗?zāi)康牟幻鞔_，實驗后抄襲實驗報告等。另外，也造成了儀器設(shè)備的使用時間分配不合理，造成資源的浪費。

2.3實驗項目傳統(tǒng)，缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

原有實驗教學(xué)從屬于某一門課程，教學(xué)內(nèi)容缺少交叉融合、協(xié)同育人；另一方面，多數(shù)實驗項目在定制的儀器設(shè)備完成，這類儀器設(shè)備由教學(xué)設(shè)備廠生產(chǎn)，實驗步驟均已規(guī)定好，主要采用教師演示、學(xué)生模仿的教學(xué)模式，學(xué)生只需要根據(jù)規(guī)定的實驗步驟完成實驗，難以發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。陳家星等[5]也認為這種方式缺少對實驗操作的具體考核，不利于激發(fā)學(xué)生的思考、討論與合作。目前，多數(shù)實驗項目的設(shè)置是根據(jù)市場上已有設(shè)備進行考慮，少數(shù)實驗項目是基于自行搭建的平臺。與其它高校相比較，我校的能源專業(yè)實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)生被動接受多，自主學(xué)習(xí)和動手環(huán)節(jié)少；實驗項目缺乏探索性與創(chuàng)新性，不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3學(xué)科基礎(chǔ)課和專業(yè)課實驗獨立設(shè)課的改革方案

通過訪談發(fā)現(xiàn)，省內(nèi)的能源動力類高等院校的實驗教學(xué)也存在類似問題。針對這一問題，根據(jù)課程知識內(nèi)容的承啟關(guān)系和教學(xué)規(guī)律，在保證原培養(yǎng)方案科學(xué)性的基礎(chǔ)上，充分考慮我校能源實驗條件，提出了整合零散設(shè)置在課程中的實驗內(nèi)容，合并開設(shè)系列實驗課程的解決方案。根據(jù)現(xiàn)有專業(yè)人才培養(yǎng)方案，將能源專業(yè)在第三學(xué)期開出的《工程流體力學(xué)》和《工程熱力學(xué)》課程所含的實驗項目，加上實驗室安全教育環(huán)節(jié)，獨立設(shè)置成《熱工基礎(chǔ)綜合實驗(一)》，該實驗課共16個學(xué)時，1個學(xué)分。將第六學(xué)期開出的《測試技術(shù)》課程調(diào)至第四學(xué)期，與第四學(xué)期開出的《傳熱傳質(zhì)學(xué)》和所含的實驗項目獨立設(shè)置成《熱工基礎(chǔ)綜合實驗(二)》，該實驗課也為16學(xué)時，1個學(xué)分。熱工基礎(chǔ)綜合實驗兼顧專業(yè)基礎(chǔ)課程知識學(xué)習(xí)與學(xué)生能力培養(yǎng)，精選基礎(chǔ)理論經(jīng)典教學(xué)內(nèi)容，著重基本實驗技能與綜合實踐能力培養(yǎng)，實驗項目包括“漸縮噴管流動測試實驗”、“沿程阻力和局部阻力系數(shù)測定實驗”、“液體導(dǎo)熱系數(shù)測量實驗”等16個模塊。在第五學(xué)期將《壓縮機技術(shù)》、《燃燒學(xué)》、《制冷原理與裝置》和《熱工過程自動調(diào)節(jié)》課程的實驗合并設(shè)置為32學(xué)時，2個學(xué)分的《能源專業(yè)課程實驗(一)》。在第六學(xué)期將《鍋爐原理》、《空氣調(diào)節(jié)》、《樓宇自動化》、《內(nèi)燃機原理》、《分布式能源系統(tǒng)概論》、《汽輪機原理》課程的實驗合并設(shè)置為32學(xué)時，2個學(xué)分的《能源專業(yè)課程實驗(二)》。在第七學(xué)期將《發(fā)電廠集控運行》和《可再生能源技術(shù)》課程的實驗合并設(shè)置為16學(xué)時，1個學(xué)分的《能源專業(yè)課程實驗(三)》。專業(yè)課實驗兼顧知識應(yīng)用與專業(yè)工程能力培養(yǎng)兼顧，主要為工程應(yīng)用類實驗，如“往復(fù)式壓氣機性能實驗”、“太陽能負載實驗”、“制冷機性能實驗”等，結(jié)合專業(yè)知識背景，及學(xué)科科研實驗基礎(chǔ)開發(fā)建設(shè)的。第六學(xué)期還開設(shè)動力設(shè)備拆裝實訓(xùn)。表1為各實驗課程的學(xué)時數(shù)分配情況。實驗獨立設(shè)課后，按照每周2學(xué)時進行，對于總學(xué)時為16的課程，實驗時間為9-16周；對于總學(xué)時為32的課程，實驗時間為1-16周。實驗部分獨立設(shè)課后，除了能解決上述問題外，還能積極調(diào)動師生的積極性。

3.1加強對學(xué)生實驗環(huán)節(jié)的考核，提高其積極性

對實驗環(huán)節(jié)重新設(shè)計后，實驗成績將根據(jù)學(xué)生參加實驗的表現(xiàn)和實驗報告的成績共同確定。要求學(xué)生完成規(guī)定的實驗項目，不得缺席；實驗報告成績不及格的學(xué)生，不能獲得相應(yīng)學(xué)分。改變了原來實驗成績只作為平時成績納入總成績的情況，使學(xué)生對實驗教學(xué)環(huán)節(jié)更加重視。

3.2減少實驗小組人數(shù)，提高實驗設(shè)備的利用率

由于新設(shè)的實驗課程包含2門或2門以上的課程，包含的實驗項目7~16個不等。因此，在同一時間可開展不同課程的多個實驗項目，可采用循環(huán)制的形式將學(xué)生分為若干組，使每組人數(shù)不超過3人。例如，《熱工基礎(chǔ)綜合實驗(一)》包括了3個工程流體力學(xué)的實驗項目，共有實驗設(shè)備12臺，還包括了4個工程熱力學(xué)的實驗項目，共有實驗設(shè)備12臺，即該新設(shè)實驗課程共有7個實驗項目，24臺實驗設(shè)備。1個自然班近45人，可分為21組，每組2~3名學(xué)生，按照每周完成1個實驗項目的進度，7周可完成該課程全部實驗，還有1周為實驗室安全教育。通過這樣的設(shè)置方式，實驗設(shè)備可多次使用，從而提高利用率。

3.3增加原來課程的理論教學(xué)學(xué)時

由于原課程中包含了實驗學(xué)時，導(dǎo)致理論教學(xué)學(xué)時減少。例如《工程熱力學(xué)》共計64學(xué)時，扣除8個理論學(xué)時后只剩56學(xué)時，授課時間遠遠不足。導(dǎo)致了課程教授內(nèi)容有所縮減，講授速度快，對于學(xué)習(xí)能力較差的學(xué)生，不能全部接受，容易導(dǎo)致學(xué)生的厭學(xué)心理。獨立設(shè)置實驗課后，在一定程度上，能解決這一問題。

4綜合性、設(shè)計性實驗項目的開發(fā)

為了實行多層次教學(xué)，發(fā)揮不同層次課程協(xié)同作用，實驗教學(xué)堅持提高綜合性、設(shè)計性實驗的比例，加強綜設(shè)實驗項目建設(shè)。專業(yè)基礎(chǔ)課程實驗的主要目的是通過教學(xué)實驗鞏固充實基本理論內(nèi)容，專業(yè)課程實驗強調(diào)在實驗教學(xué)過程增加綜合性、設(shè)計性的實驗內(nèi)容，注重工程訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨立個性和創(chuàng)新能力。學(xué)生對專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，是經(jīng)過理論到實踐、單一到綜合、基礎(chǔ)到應(yīng)用，最后進行實驗訓(xùn)練的過程。

4.1設(shè)置柔性的實驗項目供學(xué)生選擇

由于存在個體差異，學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識水平不一致，因此實驗教學(xué)對于所有學(xué)生的要求有所區(qū)別，既要加強共性化實驗教學(xué)體系建設(shè)，也注重個性化實驗教學(xué)體系建設(shè)[6]。學(xué)生可根據(jù)自身的興趣和水平選擇實驗項目，只需完成規(guī)定的學(xué)時即可。根據(jù)學(xué)生的反饋，可對實驗項目進行難度系數(shù)進行量化，基礎(chǔ)理論知識扎實的學(xué)生可以選擇高難度、綜合性更強的實驗項目，充分發(fā)揮其理論知識；而基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可選擇難度相對較低的實驗項目，以加強學(xué)生的實驗積極性。

4.2打破傳統(tǒng)的教學(xué)模式，培養(yǎng)創(chuàng)新意識

專業(yè)課程實驗作為理論學(xué)習(xí)和創(chuàng)造性研究、開發(fā)、設(shè)計的結(jié)合點，應(yīng)該重視其教學(xué)模式。對于能源動力類專業(yè)，需打破原有“手把手”的教學(xué)模式，采用學(xué)生自主預(yù)習(xí)綜合性實驗、提前計劃設(shè)計性實驗的模式。綜合性、設(shè)計性實驗的作用不只是簡單地驗證理論的正確性。這種模式充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，從提高學(xué)生的參與度，培養(yǎng)探索性和創(chuàng)新性。

4.3加強實驗環(huán)節(jié)的考核，評價實驗效果

實驗報告是對實驗數(shù)據(jù)進行處理和總結(jié)，也是實驗內(nèi)容的一部分。實驗報告的質(zhì)量，可以檢驗學(xué)生對課堂理論知識的理解、對實踐操作的掌握程度、思考問題和解決問題的能力以及對待實踐的態(tài)度等。相對于驗證性實驗，綜合性、設(shè)計性實驗的難度更大，需要學(xué)生做好預(yù)習(xí)工作，完成預(yù)習(xí)報告。在實驗過程中，由于實驗沒有統(tǒng)一的步驟，需要學(xué)生在實踐中不斷去思考，在實驗計劃的基礎(chǔ)上不斷調(diào)整。實驗結(jié)束后，學(xué)生完成實驗報告。因此，要加強對實驗前的預(yù)習(xí)報告、實驗過程操作情況、實驗后的報告的考核。不允許沒有預(yù)習(xí)報告的學(xué)生進行實驗；實驗過程中，指導(dǎo)老師要記錄每組操作情況，可在實驗室大屏幕上將數(shù)據(jù)量化；實驗完成后，檢查實驗數(shù)據(jù)以確保實驗的有效性，避免課后返工。特別對于設(shè)計性實驗，其實驗項目一般研究方向明確，具有可行性基礎(chǔ)，但不一定有確定的實驗結(jié)果。因此，數(shù)據(jù)的檢查更加重要。對于總抄襲實驗報告、投機取巧的學(xué)生要求其進行現(xiàn)場實驗考核。

4.4增加實驗室開發(fā)時間，加強學(xué)生個體間知識的流動

雖然很多高校在開放實驗室模式進行積極有益的探索，但對其重視程度仍然不夠，開放程度不夠[7]。在新工科建設(shè)和開放式創(chuàng)新的背景下，為了加強突出了學(xué)生在實驗教學(xué)過程中的主體地位，鼓勵學(xué)生進行實踐，實驗室每周固定時間開發(fā)，可設(shè)置3~4個半天的時間，由學(xué)生提前預(yù)約時間和實驗項目。對于實驗過程中出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)教師首先啟發(fā)、引導(dǎo)學(xué)生自行處理，而不是學(xué)生一提出問題就立即回答。另外，也為學(xué)生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗場地，通過以比賽為導(dǎo)向進行創(chuàng)新和實驗，增強人才的工程實踐和集成創(chuàng)新能力培養(yǎng)，打造更加符合拔尖創(chuàng)新人才成長需要的實驗條件。

5總結(jié)

針對新工科背景下如何培養(yǎng)具有實驗素養(yǎng)和創(chuàng)新意識的人才進行了實驗教學(xué)的改革，提升了實驗教學(xué)理念，實現(xiàn)多層次實驗教學(xué)有效協(xié)同。不管在科研崗位還是工程崗位上，科學(xué)的實驗手段對能源動力類轉(zhuǎn)惡業(yè)的人才都十分重要。在能源動力類專業(yè)的人才培養(yǎng)方面，通過對能源專業(yè)實驗環(huán)節(jié)的獨立設(shè)課，有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新意識，提高實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的教學(xué)效果，開拓學(xué)生的專業(yè)視野。在開展實踐教學(xué)改革方面，還要不斷提出新的設(shè)想，將其付諸實現(xiàn)。實驗教學(xué)改革永無止境，要不斷根據(jù)技術(shù)的進步和社會需求不斷探索，加快推進能源專業(yè)的實驗教學(xué)改革進程，實現(xiàn)教學(xué)模式變革，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)興趣和創(chuàng)新意識，在高素質(zhì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)過程中發(fā)揮了重要作用。

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作者：王文豪 楊小平 何清 單位：東莞理工學(xué)院