设计性实验对学生工程实践能力的探究

索忠源，姜 峰，王 鑫，张志浩，王毅坚

(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)

·创新型人才培养·

设计性实验对学生工程实践能力的探究

索忠源，姜 峰，王 鑫，张志浩，王毅坚

(吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132022)

以吉林化工学院材料成型及控制工程专业实验教学为例，论述了设计性实验的重要性、特点及对学生工程实践能力的影响，总结和引证了设计性实验对培养学生工程实践和创新能力的作用，并提出了开展设计性实验的一些思考。实践表明：设计性实验的开设，不仅提高了学生的实验技能以及综合分析问题、发现问题和解决问题的能力，而且使学生的工程创新实践能力得到全面锻炼。

设计性实验；材料成型及控制工程；工程实践；创新能力

实验教学在高等学校教学工作中非常重要，是衡量学校教学科研质量的一个重要因素，也是大学生个体工程素质的体现。要达到培养具有高素质创新能力的优秀学生，探讨有效、实用的创新素质实验教学模式，无疑已经成为当前实验课面临的一项具有挑战性的重要课题[1-3]。而设计性实验，因其具有综合性、全面性、设计性、创新性等区别于传统实验教学的特点与优势，已经成为各个高校开展教改的一项重要课题。

设计性实验是指在学生具有一定基础知识和基本操作技能的基础上，运用某一门课程或多门课程的综合知识，在给定实验目的、要求和实验条件，或指定实验仪器的情况下，由学生根据实验要求独立查阅资料、独立制订实验方案(包括实验原理、实验工艺的选择、实验过程设计、实验步骤的拟订等)并加以实现的实验[4]。材料成型及控制工程专业是吉林化工学院新开专业，几年来，我们在针对材料成型及控制工程专业学生开展设计性实验方面进行了大量有益的尝试与实践，取得了较好的教学效果。本文对吉林化工学院材料成型及控制工程专业开设设计性实验教学的重要性及特点加以阐述，并提出在该专业开展设计性实验的几点思考。

1 开设设计性实验的重要性

1.1 利于学生运用理论课程与实验课程综合知识

材料成型及控制工程专业涉及的知识面很宽，需要掌握的理论知识也很多，通过专业实验课程教学将这些复杂的专业课知识形象化非常重要。特别是设计性实验而非验证性实验可以将各个知识相互贯通，互相连接，便于学生的综合知识运用。设计性实验与理论课的关系如图1所示。通过设计性专业实验课教学可以将晦涩难懂的专业知识通过具体实验过程展示给学生，让学生自己动手、动脑，用更加形象、直接的实验产生更强的感性认识，从而加强对专业知识的理解和掌握。例如，在金属学理论课中，讲述亚共析钢、共析钢、过共析钢之间成分—组织—性能的关系问题，通过开设的“方便方法区分钢的种类”实验，激起了学生的极大热情。将同样直径尺寸的三类钢，分给三组学生，每组3人，每人都有自己的试样。学生拿到试样，打磨、抛光、腐蚀、金相观察，自己亲手看到试样的组织形貌以便区分；有的小组，采用硬度法，很快就区分了三类钢；更有细心的学生，在打磨过程中，发现三种钢冒出的火花不同，以示区分，学生对钢的种类有了更深入的理解。远比老师在课程上照本宣科或者采用验证性实验来验证什么是亚共析钢、共析钢和过共析钢的知识收获更多。这种设计性专业实验可以将知识理解更深化、更具体，做到相辅相成的效果。

图1 设计性实验与理论课的关系示意图

1.2 利于培养学生动手能力及工程实践创新意识

工科的学生不仅要具备坚实的专业知识，还必须具备一定的动手能力。动手能力过硬，有信心解决实际问题以及一些意想不到的困难，会使他们毕业后能胜任工作岗位。例如某一组学生在利用恒温油浴炉做腐蚀实验时，油浴炉突然不工作了，他们没有直接去找指导教师，而是断电后，利用万能表，逐一检测是哪的原因。最后查出是油浴炉里的炉丝短路将保险丝烧断引起的，很好地解决了故障。另外，较好的动手能力对于一些要继续攻读硕士、博士的学生而言，显得更为重要。在硕士、博士阶段，每一个人都要面对很多实验设计和操作，没有一定的实验动手能力是不行的。通过设计性实验可以培养每一名学生的动手能力，让他们可以学到在书本上学不到的东西。

创新是科技进步的源动力，实验本身就是一种创新。培养学生注重实验环节，开展设计性专业实验对培养学生创新意识具有非常重要的意义。从进入实验室开始，学生有更多的机会去亲自动手操作设备，实施实验过程，处理数据、分析数据。学生学会了材料性能检测，各种力学设备如拉伸、压缩、扭转、摩擦磨损等实验设备的熟练使用及分析；熟练操作热处理炉，根据不同工况及材料设定其合理的热处理工艺，查阅图书资料，完成各种介质中的淬火操作；洛氏硬度、布氏硬度和显微维氏硬度计的使用、分析；能独立制备一个质量较高的金相试样(包括磨样、抛光、腐蚀)，并能熟练应用金相分析软件进行金相组织分析。

在实验过程中学生难免会遇到这样或者那样的问题，学会自己去图书馆、利用网络查找资料，与同学、老师交流，解决问题、拓宽知识，这些对于他们都是非常重要的。通过开展设计性实验教学，对培养学生的动手、动脑、工程实践创新意识培养都非常有益。

1.3 利于提高授课教师的自身素质

设计性实验涉及知识点多、设计难度较验证性实验难度大得多，提高教师的自身素质是关系到这种实验教学成败的重要因素。各高等学校都非常注重高校教师队伍的建设，包括引进博士、到企业培训，甚至邀请专家等方式。多让教师参与实验教学，对提高教学质量和培养教师自身授课水平非常重要。教师在参与实验教学中能学到很多知识，本身设计实验就是一种极好的锻炼。将科研工作中、工程实践中的前沿课题放到课堂上来，为提高教学和科研的互补性提供基础，从而做到教学与科研相辅相成，相互促进[5-7]。另外，教师在备课和讲课之中也会提高自身的语言表达能力、逻辑思维能力和知识储备。

2 设计性实验的特点

设计性实验的特征主要体现为实验内容的探索性、学生参与的自主性和实验方法的多样性[8-9]。

设计性实验在开设过程中，教师只布置实验目的并提供实验场所和设备，不讲解实验具体要求和讲解操作过程。在实验中引入未知因素，让学生受到从实验对象遴选、查阅资料、设计实验方案、进行完整的实验操作等系统的训练。这样可以让学生有更大的空间思考自己干什么、怎么干的问题。拓宽学生的探索创新空间，提高其分析问题、解决问题能力。这就是开展设计性实验的精髓所在。

设计性实验具有一定的难度，应该加强整体设计和综合考虑。要注意教师的合理引导与学生自我积极性的激发相结合。在吉林化工学院材料成型及控制工程专业实验室、分析测试中心以及工程训练中心提供的平台上，由学生为实验的主体，主导并安排整个实验，指导教师则负责辅助指导与点评。设计性实验以新材料的研究模式进行实验，鼓励学生自立实验课题，并依托实验室资源由学生自己构思实验方案、独立完成实验并提交实验报告，并在实验中部分或全部体现设计性实验特点。

引进先进方法、技术、设备等硬件设施，实验项目更多涉及学科交叉，以扩大学生的视野、提高学生的创新能力，实现实验方法多样性。同时，鼓励、引导学生通过一个实验可以达到举一反三的目的；可以采用不同方法达到一个实验目的。既可以促使学生深入学习方法和原理，又可以得到实际操作能力的训练，巩固理论教学效果。

3 全面开展设计性实验教学的一些思考

3.1 加强实验室经费投入

实验室硬件条件是保证设计性实验得以顺利开展的最重要环节之一。应该加大实验基础设施投入，加大多台套、多型号实验设备，为设计性实验教学奠定物质层面的基础。由于设计性实验是学生自主设计完成的，实验过程中失败和反复的次数较多，这就要求有充足的经费、实验场地及时间保证。因此，教师可以通过立项获得科研经费以及学校教改项目经费，为顺利开展设计性实验教学提供经费保证。

3.2 开放实验室

设计性实验所安排的学时量偏紧，如吉林化工学院材料成型及控制工程专业的一个“合金钢的热处理工艺”实验，规定4学时，而学生在实验过程中所需要的实验课时远远超出实验规定课时。这是由于本设计性实验内容多、过程复杂，每一单元环节要求高，实验训练的持续时间长，甚至很多需要重复实验所造成的。这也是大多数设计类实验所遇到的普遍问题。要合理解决好该问题，实验室要做到真正的开放，要在学生课余的时间段，包括周一至周五晚上、周末，百分之百开放实验室，为学生提供充分自主和开放的实验条件。

3.3 提高教师自身素质及涵养

设计性实验涉及的内容广，实验过程中的不确定因素多，教师指导时间长、工作量大，因此对教师的要求更高。要求教师要有过硬的理论知识、实践经验、动手能力，教师要不断提高自身素质，增强组织协调能力，与时俱进，不断充实自己。更重要的是，教师应该具有“蜡炬成灰泪始干”的精神，要静下心来加强修养，努力干好自己的工作。

4 结束语

设计性实验的开设，调动了学生的学习积极性，给学生提供了极大的自由发挥的空间，培养了学生的创造性思维，提高了学生的实验技能以及综合分析问题、发现问题和解决问题的能力，使学生的工程创新实践能力得到全面锻炼。尽管在设计性实验的开设过程中还存在很多不足，相信随着经验的积累以及与同行的交流与学习，以后会做得越来越好。

[1] 李艳玲. 综合性设计性实验的开设与管理[J]. 实验室研究与探索, 2008, 27(8): 110-111.

[2] 杨一平, 李苹, 王贵学, 等. 培养学生具有创新素质的实验教学模式探讨[J]. 实验室研究与探索, 2011, 30(7): 259-261.

[3] 郑鹭斌, 严菲, 王晓栋. 高校综合性设计性实验开设与管理的探讨[J]. 赤峰学院学报, 2013, 29(6): 206-207.

[4] 梁兵. 探析综合设计性实验对学生能力的培养[J]. 百色学院学报, 2009, 22(3): 62-64.

[5] 朱利敏, 王长生, 王顺兴, 等.《机械工程材料学》综合设计性实验教学改革与实践[J]. 实验室科学, 2008(1): 49-50.

[6] 曾小彬. 深化实验实践教学改革提升应用型人才培养质量[J].实验室研究与探索, 2010, 29(3): 1-3.

[7] 田运生, 刘维华, 王景春. 综合性设计性实验项目建设的探索与实践[J]. 实验技术与管理, 2012, 29(2): 126-129.

[8] 张可方. 水处理技术综合性实验的组合和开设[J]. 实验室研究与探索, 2006, 25(8): 966-968.

[9] 何峰, 冯小平, 谢峻林. 材料专业设计性实验教学改革与实践[J]. 实验室科学, 2012, 15(2): 9-12.

Study of Designed Experiment on Engineering Practice Ability of Students

SUO Zhongyuan, JIANG Feng, WANG Xin, Zhang Zhihao, WANG Yijian

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Jilin Institute of Chemical Technology, Jilin 132022, China)

The importance and characteristics of the designed experiments are investigated by Jilin Institute of Chemical Technology majoring in material forming and control engineering teaching as an example. The influence on the engineering practice ability of students is discussed. And the role of designed experiments for students of engineering practice and innovation capability are summarized and cited. Some thoughts on designed experiments are proposed. Practice shows that: the designed experiments, not only improve the students' experimental ability and comprehensive analysis of the problems, the ability of finding and solving problems, but also make innovations in engineering practice ability of the students to fully exercise.

designed experiment; material forming and controlling engineering; engineering practice; innovation capacity

2014-02-17；修改日期: 2014-03-15

吉林化工学院教研基金资助项目(2011045)。

索忠源(1979-)，男，博士，副教授，主要从事非晶合金及其复合材料的研究。

G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.02.050