创新研究性实验教学模式　提高解决复杂工程问题能力

马小玲　谭宏斌

[摘 要] 以工程教育专业认证所提出的提高学生创新与解决复杂工程问题能力为出发点，从专业综合实验环节着手讨论了传统实验环节的设置弊端，提出基于复杂工程问题的实验教学设计改革，叙述了研究性实验教学模式的积极作用，以本校“无机非金属综合实验”课程为例，讨论了基于复杂工程问题的实验教学设计，为学生创新思维与复杂工程问题解决能力的培养提供参考和借鉴。

[关键词] 工程教育;复杂工程问题;创新能力;研究性实验教学

[中图分类号]G642   [文献标志码] A [文章编号] 1008-2549（2021） 04-0084-02

2016年教育部评估中心发布的《中国高等教育质量报告》和2017年“新工科”计划等重大战略部署中，指出我国工科生应具备的工程教育的核心能力——创新和解决复杂工程问题的能力严重不足。本科生在校期间的实验模块设置是此项综合能力获得培养的主要载体和形式之一。而现有的实验环节有诸多不完善和急需改进之处。本文结合专业实验体系，对如何提高本科生工程教育的核心能力进行探讨。

一、传统的专业实验课程设置

专业实验课程是专业理论课程的补充，同时也是理论的有效验证方式之一。从抽象理论到实际实验操作可以为后续生产实习和毕业设计的展开打下实践能力基础。但是，目前很多高校人才培养体系中，实验课程设置传统保守，典型实验设计就是指导教师讲解实验原理、实验仪器、实验步骤，学生完全是出于被动地位的照搬操作，传统模式很难激发学生的专业兴趣，从而限制了学生的主动探索和创新思维精神，制约了解决复杂工程问题能力的提升。因此，为适应工程教育专业认证和“新工科”计划新要求，以实验课程项目为主线，培养学生创新协作精神、提高解决复杂工程问题能力的教学设置改革势在必行。而实践过程中，研究性实验学习模式的创建是培养学生复杂工程问题解决能力的核心要素。实验项目的设置要以解决问题为切入点，激发学生对问题的兴趣和探索激情，通过团队合作交流分析和解决问题，提高综合素质。这是与传统验证性实验本质区别所在。

二、基于解决复杂工程问题的实验教学设计

（一）实验项目开发

复杂的工程问题，并不一定是在技术层面复杂难解，更多的是多方纷杂的因素，多学科领域的知识掺杂在一起，构成以往未曾出现的场景或者不常见的问题，没有成熟的解决方法和标准。工程教育培养的目的就是需要学生能在复杂问题中找出平衡的解决方案。

解决问题的能力主要通过开设专业性的知识教学和实践来加以培养，但很多高校的实践环节由于辅助条件有限，很难搭建一个能够覆盖工程全流程环节的实践平台。所以，依据学校自身条件和工程能力培养要求，专业实践环节的设置要尽可能创造出能让学生从基本原理出发，通过抽象的、创造性的分析和合适的建模，超越现有技术标准、质量要求和操作规程，从新的角度、采取新的技术路线和工程方法去解决问题的真实完整的工程场景环境。为研究性实验学习模式的展开创造条件。

以本校“无机非金属综合实验”课程为例，课内所开设的水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性及胶砂强度测试都属于验证性实验，可以加深学生对课程学习内容的理解和应用，实现专业上基本动手能力的培养;混凝土配合比设计及拌合物性能测试属于综合实验，可以加深学生对课程多个知识点的综合理解和应用，加强问题解决能力的培养。上述实验项目都是传统水泥基材料设计与基本性能的检测，都属于材料的常规制备方法及设计手段，实验项目中包含复杂工程问题属性不高，学生对实验项目本身的兴趣点不高。在本专业通过工程认证后，为了从专业实践环节落实学生解决复杂工程问题能力培养的目标，将增材制造新技术（水泥基材料的3D打印）实验作为储备项目，将次研究性实验项目作为有效载体，使学生通过知识、技术、方法的综合应用，提高学生利用所学专业知识设计新方法、制备新材料的创新能力，实现体验复杂工程构建的经历。

3D打印混凝土及砂浆作为一种新型成型技术，在原材料的选择、配合比设计和配制理论、外加剂的使用等方面都突破了现有的工程实践标准和规范，实验项目中涉及材料、设备和软件多学科方向的知识点，问题本身具有诸多不确定性因素，已有的工程问题解决方案参考和借鉴价值小。引入水泥基材料3D打印实验项目，恰恰能够依托上述问题，通过提升实验课程高阶性、突出课程创新性、增加课程挑战度，从而使研究性实验项目在课内实验中得以实施，学生的创新思维、原创性分析、抽象建模等解决前沿性复杂工程问题的能力得以培养。

通过课内研究性实验项目的学习，还可以提高学生参与科技竞赛创新活动的积极性和自信心，而这类活动具有明显的学科交叉性、综合创新性，而且需要学生在相对独立的情况下，完成团队建立、自主选题、自行设计方案，对于学生综合创新和解决复杂问题能力的提升有很大的促进作用。研究性实验项目的开发使专业课内实验同时具备了开放创新、项目实践、创新创业和科研训练的性质，集“专业实践能力、工程实踐能力、创新实践能力”的培养于一体。

（二）教学活动设计

任何一个好的教学项目实施，都离不开科学合理的教学设计，研究性实验项目的实施要摒弃传统老师讲解演示，学生照搬操作的灌输式实验模式，强调要采用导学互动式的教学方法。具体实施步骤如下：

教师首先发布实验任务，任务来源可以是多方位的，学生根据兴趣和自身专长选择实验任务，自行组队（4～6人为一组），指导教师启发学生自主设计实验方案。而后通过师生互动和生生互动讨论确定方案，方案的确定要经过简要的论证答辩环节。设计此环节的主要目的是，检验学生在实验方案设计前期自主查阅文献能力、解决复杂问题的全局判断力，沟通表达能力。为后面毕业设计环节的顺利展开奠定基础。接着在教师指导下完成实验，在前期实验设计和实施实验的过程中，学生会了解新技术、新方法在工程应用方面的优越性，既可以拓宽学生的创新思维，又能使学生充分体会到严谨的科研思维和逻辑推理在实验设计中的重要作用，将科研项目类的实验任务引入实验课堂，更能激发学生的兴趣点和科研热情，吸引学生主动走进实验室，为培养学生的科研素养创造了环境条件。最后，学生分析总结实验设计与结果，并在教师指导下总结改进措施。真正实现OBE理念中以学生为主体的变教为导、以导促学、学思结合、导学互动的实践模式。

从实验任务发布开始到实验结果的分析与总结全过程中，教师都要进行过程评价，因为过程评价可以促使学生对学习过程的重视和投入，另外可以及时发现实验设计方案中的问题，随时沟通调整，鼓励和支持学生创新性地解决问题，改善学习效果。过程评价中还应注意小组中成员分工与合作情况，依据贡献大小给予过程评分。在整个教学环节的实施过程中，教师不再是单一的知识传授者，更主要的是做启发学生自主探索，解决问题的引导者和支持者。

另外，实验指导教师应将实验项目进行过程中学生遇到的典型理论知识瓶颈案例总结反馈至理论课教师，通过交流沟通，提出改进方法，做到理论与实践协同发展。学生创新与解决复杂工程问题能力培养可以持续改进。促进理论课教师与实践教学教师的相互交流，形成两类教师参与学生培养的协同效应。

研究性实验教学项目的实施是实验教学改革发展的必然趋势，既要求学校配套足够的教学资源辅助该实验改革的进行，还要求指导教师要有扎实的工程技术能力和先进的教育理念和模式，学生要掌握基本的理论知识和实验操作，才能最大限度发挥出研究性实验项目对学生创新和復杂工程问题解决能力的培养。

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（责任编辑：王义祥）