新工科人才培养中基础实验教学改革的探索

王文东　袁小庆　史仪凯　赵妮

[摘 要]该研究针对新工科建设存在的问题，提出了加强创新能力培养、融合多学科实现新工科建设多元化、加快工程教育国际化建设、融合“双创”提高新工科人才的创新创业能力等新举措，探索新工科教学模式改革途径。在此基础上，重点研究了新工科背景下基础实验教学模式的改革方案，具体包括加强创新和综合型实验建设适应新工科内涵建设、融合科研竞赛和“双创”设计创新实验、构建网络化实验平台和仿真实验室、深度开放实验室和构建开放式实验课堂等措施，并提出了综合创新实验体系建设的实施方式。

[关键词]新工科;教学模式改革;基础实验

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）07-0030-04

“新工科”的概念首次提出是在2016年，教育部组织高校开展深入研讨，逐步形成了标志着高等工程教育进入新工科建设阶段的文件，比如 “复旦共识”、“天大行动”和“北京指南”。新工科的界定逐渐清晰，不仅要根据经济和社会发展需求设置新的专业，还对传统专业进行调整。新工科的内涵具体而言就是以新经济、新产业为背景，树立大工程观、绿色工程教育、全面工程教育“新理念”，构建新兴工科和传统工科相结合的学科专业“新结构”，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新质量”，建立完善中国特色工程教育的“新体系”[1]。新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才，具有战略性、创新性、系统化、开放式的特征。新工科建设将按阶段推进，需要重点把握教与学、实践与创新创业、本土化与国际化三个任务，关键在于实现立法保障、扩大办学自主权、改革教育评价体系三个突破[2]。

人才培养是高校发展的核心目标，创业能力是新产业发展的必备能力，创新能力是产业和经济发展的源泉，是产业必须具备的核心竞争力[3]。创新教育是一个国家进步发展的不竭动力，是以培养人的创新精神和创新能力为基本价值取向的教育[4]。未来市场竞争激烈，技术更新周期短，产业发展模式多样化，这对复合型工程人才提出了更高要求，创新创业能力尤为重要。因此，新工科建设要把创新创业能力培养植入培养方案[5]。实验室是高等学校培养学生实践操作能力的重要基地，同样也是培养学生综合创新能力的重要场所;开放型实验室为学生提供必要的仪器仪表设备、场地、指导等软硬件条件，是开展新工科教育改革的重要内容，也是培养创新型人才和实施素质教育的客观要求。探索基础实验教学改革途径，培养创新型人才，成为新工科背景下教学中的重要问题。

一、新工科改革面临的问题

新常态下经济的快速发展迫切需要新工科人才支撑，需要高校面向未来布局新工科建设，培养具有创新创业能力和跨界整合能力的工程科技人才。但目前我国工程人才培养还不能很好地适应《中国制造2025》提出的新要求。国家需要建立和完善创新驱动战略背景下的新工科人才标准体系，建立完善的新工科教学质量国家标准，使高校的人才培养定位更加明确，增强人才培养对行业企业人才需求的适应性。目前面临的主要问题可从以下四个方面进行论述[6]。

其一，缺乏顶层的政策引导和设计。新工科人才供给侧结构改革、精准对接重点领域人才需求，需要政策的引导和规划设计。在政府决策层面，需要制定一系列政策鼓励具备工程教育背景的人才或者產业界人才投入工程教育领域。

其二，当前的工程教育体制不够完善。工程教育的理念落实不足，跨学科交叉融合和跨领域创新人才培养机制不够完善，导致人才培养的结构和质量不能完全满足产业发展的需求。

其三，产学研结合力度有待加强。因校企合作育人机制不同，科教融合力度不足，导致在协作育人过程中信息不够融通，资源无法真正共享，因而难以实现真正意义的协同发展目标，企业、研究机构与高校之间共同创新、协同育人的生态系统尚未有效形成。高校对产业发展和重大变化的敏感度不够，不能及时有效地判断产业发展需求，因此培养目标调整不及时。

其四，学生的创新意识和创业能力有待提高。现阶段的工程教育普遍缺乏通识和人文教育，人才培养体系有待进一步完善，需要加强学生创新思维教育，使学生掌握主动、快速适应未来发展变化的能力。在学科发展与改革政策制定过程中，应注重产业战略发展与创新需求相结合，强调人才培养的需求与意义。

二、新工科建设的教学模式改革途径

中国拥有世界上最大规模的工程教育，2016年，工科本科在校生538万人，毕业生123万人，专业布点17037个。工科在校生占高等教育在校生总数的1/3，我国4200多万人的工程科技人才队伍是开创未来的最宝贵资源[7]。

（一）加强人才培养目标中的创新能力培养

新工科背景下的人才培养目标必须与当前经济发展需求和工程教育自身发展特征相结合，创新能力培养是新工科人才培养的核心内容。人才培养过程中必须尊重培养对象自己的思考和选择，制定有针对性的研究目标，界定研究问题，对研究目标进行分析研讨，提出细节性问题，有针对性地研究问题。在培养过程中，必须提高学生主动表达和展示创新想法的意识，加强沟通交流，并且积极鼓励其不断改进完善创新想法。在鼓励思想方面的创造的同时，需要明确知识的价值，而且是多领域知识的交叉融合。

（二）实现新工科建设的学科交叉融合

学科交叉一般是结合两个或多个学科的优势，共同解决共同关注的问题，有助于探寻、创建新知识，建设新工科人才培养方案必须主动寻求多学科交叉融合。它将不同学科的工具资源、知识理论和数据方法等相结合，逐渐形成对复杂问题的统一观点。在多元融合、多领域融通的新经济需求背景下，激励新工科创新型人才的培养，不仅需要多工程领域学科之间的交叉融合，还需要工科与理科、人文社会学科之间的跨界交叉与融通。学科融合是新工科的基本特点，它不仅有助于新工科人才培养，也有助于新工科背景下的师生创新与创业实践。

（三）工程教育国际化吸收和整合优质国际资源

现在各高校国际交流生的数量与日俱增，实验课可以结合研修计划、国际化目标及国际认证，将国际前沿科技融入实验内容当中，培养更多具有国际竞争力的复合型人才。在工程教育领域，具有国际化视野的高层次人才，可以紧密围绕全球工程发展趋势并抓住发展机遇。“一带一路”国际环境下的发展战略，要求新工科建设要服务于国际化新型工程人才培养目标，使国内的工程教育融入国际工程教育环境中。高校的培养方案应该提供跨学科、跨国界、跨文化的课程，营造多样化的文化氛围，促进多元化协调发展。

（四）融合“双创”提高新工科人才的创新创业能力

新工科背景下，“双创”融合需要满足国家新经济与新产业发展体系对广大师生群体的创新活动与创业实践融合的要求。改革后的工程教育培养方案必须考虑将创新创业课程、通识课程与专业课程相结合，开展创新性思维训练与创新创业实践能力培养。通过“双创”融合，教师可以提高科技创新成果的经济与社会价值，所获得的创业能力与经验，可以指导学生的科技创新与创业实践。学生是创新创业的潜在生力军，思想活跃，创造力强，敢于实践与探索，也是未来产业发展的创新创业主体。无论学生阶段的创业实践能否成功，都可以为其将来积累宝贵经验。

三、新工科背景下基础实验教学改革方案

实验室是高等学校开展素质教育、培养学生综合创新与实践能力的重要基地，实验教学是培养学生创新意识和实践能力的重要环节，以新工科为教育主线创新实验教学，才能适应新时代人才培养的需要[8]。其关键点在于建设综合创新实验室[9]，包括综合实验开发、学生自拟实验题目和开放性实验三个部分，面向的选课对象为校内全部理工科专业学生。结合仿真实验平台促进综合创新实验室建设，增加了学生设计和思考的内容。鼓励选择综合创新实验的学生自由组队参加相关的科技竞赛。为达到理想的竞赛效果，必须要求组队成员来自不同专业，各自发挥专业所长，共同完成竞赛作品。科技竞赛成果可以用于更新综合实验内容，同时也可以补充开放实验内容，以实现综合创新实验的目标。在学科融合的基础上，鼓励科技竞赛的优秀作品参与创新创业活动，通过创新意识培养、专业实践，提高学生的综合能力和创新能力，实现学生为主体的综合创新实验最终目标。

新工科背景下的基础实验教学改革基于上述方案，具体开展以下四个方面的建设。

（一）精心设计与优化实验方案，以适应新工科内涵建设

提高实验课占比，在辅助理论教学的基础上提升实验课的效果，发挥其培养学生动手实践能力的作用。课时较多的实验内容可选择独立设课，同时在原有基础上补充创新型和综合设计型实验内容，编制新的实验大纲和指导书，将创新型和综合设计型实验的比重提高到30%以上，以促进研究型大学建设、新工科建设及“双一流”建设。精心设计实验内容是新工科背景下创新型人才培养的基本要求，也是提高实验教学效果的基本前提。目前应用比较多的是基于项目或者问题的实验内容设计方法，其指导思想为可行性、趣味性、实用性和开放性，注重在内涵、理念上研究创新，让学生在实验中体会学有所用。

（二）融合科研、竞赛和“双创”设计创新实验

随着“大众创新、万众创业”口号的提出，国内外各种科技创新竞赛大大激发了大学生从事科技创新项目的积极性。可以在创新实验的过程中发现仪器设备的不足和缺陷，对其进行改造升级，完善创新实验室建设。实践证明，学生通过学科竞赛、科研项目等活动可以有效地培育创新意识。在科技竞赛的基础上，鼓励学生走入实验室并加入科研团队，直接参与指导教师的研究课题，除了要求学生提出自己的方案之外还要开展有关的论证报告。对方案设计可行的学生提供经费支持或者相关的立项资助，可以极大地增加学生的兴趣和信心。

（三）构建网络化实验平台和仿真实验室

在实验中心建立专业的教学网站平台，根据全校实验室大数据，建立教学云平台和公众号，在网站上发布信息，学生可以通过电脑或手机快速接收信息、预约实验，可以简化流程节约时间。传统的以实物为基础的实验方法，因设备有限、场地限制等多方面原因，不一定能满足所有学生的实验要求，而且综合创新型实验直接以实物开展会增加风险和失败率。因此，根据不同学科特点构建仿真实验平台可以有效解决这一问题。仿真实验室有诸多优点，比如技术科学、应用经济、操作安全、节省时间和场地资源、促进开放共享等。仿真实验室在一定程度上解决了由于仪器设备不足导致的困扰，不仅学校可以节约经费投入，而且学生无需担心仪器设备的损坏，降低了一定的实验风险。仿真实验对实验指导的要求相对较少，甚至可以不受实验课程地点的限制，这就可以有效地节约实验室资源和丰富实验教学形式。

（四）深度开放实验室和构建开放式实验课堂

开放实验室主要是为学生提供不受时间限制的实验场所和仪器设备资源，充分利用学校公共资源来锻炼学生的动手能力和创新意识。因为诸多因素，开放实验室在很多高校里并未获得预期的效果。为改变开放实验室效果不佳的现状，必须深度开放实验室，具体措施包括时间与空间开放、教学内容开放、教学方式开放。专业教师将最新研究成果引入实验教学课堂，甚至带领学生亲自去体验实验室成果，这不仅是一种建设开放式实验课堂的有效途径，而且可以优化教学内容、提升教学水平，为学生提供多样化的开放型实验室。

四、综合创新实验体系建设

（一）创新实验项目知识的综合性

综合创新设计型实验要求綜合应用本门课程的多个知识点，甚至需要其他课程或专业知识配合才能完成实验，其目的是培养学生自主学习、设计分析和应用创新的能力。因此，为了提高学生的创新能力，综合创新型实验内容不能局限于本课程的基本理论知识，解决方法应该是涉及多学科交叉融合的知识与技能，完成方式鼓励多学科交叉组队，这样有助于学生得到全方面锻炼，进而提高学生解决实际问题的能力。

（二）综合创新实验实施办法的多样性

不同于传统实验项目，综合创新实验的主体是学生，指导教师辅助指导，教师出题与学生自选题目相结合。综合采用启发式、讨论式、开放式与混合式的教学方法，使实验教学活动真正建立在学生自主选择、主动探索的基础上，通过查阅资料、讨论思考、亲身体验、咨询探究等方式获得本实验的最优方案。因此，综合创新实验实施办法是多样性的。

（三）创新性实验的管理和考核

从人力资源开发和管理的角度，建议采用双向考核，评价与激励共存的管理模式。双向考核即指导教师考核课堂学生，监督学生实验效果;课堂上学生同样考核任课教师，激励教师通过不断改进教学方式来提高教学水平。对教师的激励在于充分调动教师投入新工科专业建设的积极性和主动性。对教师的考核与评价需要注意以下内容：一是考核评价标准应该与新工科专业建设的总体目标和阶段任务相符。二是应该将考核评价与绩效管理相结合，及时反馈评价结果并分析原因、解决问题。对学生的考核与评价可以采取教师评价、学生自我评价、学生互评、结题报告相结合的办法，按照一定的比例确定最终成绩，改变单凭实验报告定成绩的现状。

针对实验室的管理建议采取以下措施：为了落实实验室深度开放政策，对通过认证的学生应该放宽进出实验室的时间，可以不受指导教师的时间限制。开放实验室必须落实监督和管理实验室资源的举措，比如监控系统，学生申领物品的规章制度等。实施师生共管共治，指定时间与区域负责人，发挥组长的带头作用，同时聘请研究生助教协助管理与解决现场问题。

五、结论

目前，新工科改革面临的主要问题有政策方面的顶层设计和引导作用不足，新时期工程教育体制不够完善，产学研结合未达预期效果，学生创新意识和创新创业能力不足等。本文从人才培养目标中的创新能力培养、学科交叉融合、工程教育国际化建设和创新创业能力提高等方面分析了改革途径。

基于实验室在大学生创新能力培养过程中的重要作用，结合综合创新实验室体系建设分析新工科背景下基础实验教学模式改革方案，提出的新举措主要有：通过精心设计与优化实验方案，加强创新和综合型实验建设;鼓励学生参加竞赛和科研团队以及开展“双创”活动，丰富创新实验内容;构建网络化实验平台和仿真实验室，增加实验形式的多样性;深度开放实验室和构建开放式实验课堂，为综合创新实验室建设提供保障等。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 吴爱华，侯永峰，杨秋波， 等.加快发展和建设新工科 主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[2] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[3] 孙德刚，吴欣桐.工程类专业大学生创新创业素质实证研究[J].高教探索，2016（5）：124-128.

[4] 胡敏强，王恩荣，颜伟，等.以创新教育为抓手的电气类专业特色建设[J].中国大学教学，2015（11）：44-47.

[5] 于莉莉，张磊，孟凡波.新工科背景下高校创新人才能力培养研究[J].科技创业月刊，2018（1）：87-89.

[6] 李盟，轧超，陈建辉，等.创新驱动战略背景下新工科人才培养质量评价体系研究[J].当代教育实践与教学研究，2018（3）：214-215.

[7] 张大良.因时而动 返本开新 建设发展新工科：在工科优势高校新工科建设研讨会上的讲话[J].中国大学教学，2017（4）：4-9.

[8] 李春光，李熙琪，刘振中.基于STC理念的新工科创新实验教学模式[J].中国冶金教育，2018（2）：63-64+66.

[9] 張婷，邵垚然，谢怡云，等.构建创新型实验室 培养创业型卓越工程师[J].实验室研究与探索，2018（5）：226-228.

[责任编辑：庞丹丹]