新工科背景下高校实验教学改革与探索

刘 赞 朱鹏程 杨林初 钟 伟 康 超

江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212100

随着高技术的不断发展，国内外企业对高校人才培养的需求模式也在不断发生着变化，对高校培养人才的举措更提出新的要求。为此，教育部2017 年2 月及6 月相继发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》与《新工科研究与实践项目指南》等相关政策措施，推动我国工程教育改革新理念、新结构、新模式、新质量及新体系的发展。这些政策的提出，为当下新技术、新经济及新产业对综合人才的需求建设指明了方向，更需要高校培养出更好、更全面的人才［1-4］。为此，各高校积极探索新工科背景下的学生培养，也提出了相应的举措，主要集中在新工科背景下各类专业人才培养模式的探索与高校专业建设等方面［5-9］。然而，高校实验教学也是人才培养的重要环节，对学生的素质教育与创新教育起到至关重要的作用。目前，我国众多高校仍存在重理论教学，轻实验教学的现象，已经不符合时代进步的发展方向，不符合企业对人才的需求，那么探索新工科建设背景下，高校实验教学的改革措施已尤为重要。

为此，各高校也在积极探索实验教学的新方法、新理念，然而，新工科背景下的实验教学还处在探索阶段，在实践环节中仍存在诸多问题。基于此，本文主要讨论高校实验教学存在的问题，并结合人才培养的目标给出了实验教学改革的措施。

一、高校实验教学改革的紧迫性与必要性

高校实验教学作为学生认知原理、实际探索与锻炼的关键环节，是增强学生动手实践能力的重要途径，也是学生综合能力的核心体现。然而，随着社会的全面发展，企业对高校培养人才的综合能力有了显著的要求，传统的呆板式教学已严重制约学生的发展，无法满足时代发展的必要要求，这也导致对高校实验教学的改革与探索具有紧迫性与必要性。

（一）时代发展的紧迫性与必要性

目前，我国高校的教育水平与思想理念变化节奏非常快，尤其在新工科背景下的发展异常迅速，传统落后的实验教学手段、教学方法、教学理念已经完全不能满足新时代学生的多元化需求及学科创新的发展，身处信息高度集成、融合的多样时代，学生的需求不同，教授的知识也在推进发展。因此，借助新工科发展的背景，各高校积极开展实验教学改革与探索是符合时代的发展需求，也是各高校必经的自我革新与办学水平提升之路，是非常必要的与紧迫的。

（二）高校人才培养价值认可的紧迫性与必要性

众所周知，科技是第一生产力，是推动并影响社会发展的重要因素，而人才是联系知识与现实的纽带，是实现科技转化的关键，也是各大高校积极实现的目标，其中推动高校实验教学改革与提升是达成这一目标的重要途径之一。伴随企业需求的不断变化，通过积极探索实验教学的改革之路，不仅可以有效提升教师队伍的能力，探索出行之有效的教学模式、教学手段、教学方法，同时也可以有效提高学生的综合素质，提高各高校人才在日趋激烈的市场环境中的竞争能力，获得社会对高校人才培养价值的认可度，继而提高了学校的知名度与影响力。因此，积极开展实验教学改革是非常必要与紧迫的。

二、高校实验教学存在的问题

（一）实验教学案例单一

随着高校人数的逐年递增，高校教师考核的工作量也在逐年提高，实验教学的任务量相比以前呈现线性增长态势，这为实验教学的老师带来了前所未有的压力，容易造成实验教学的呆板与教学案例的单一化。以机械类液压与气动实验为例，该实验作为机械专业必不可少的教学内容，重点培养学生能够运用课堂所学理解液压泵、液压阀的组成、结构特点和工作原理，使学生能够正确设计压力控制实验回路，完成调压、减压、保压和卸荷几种压力控制方式，以及能完成节流阀及调速阀进油节流调速、旁路节流调速、回油节流调速实验。该实验课程面向所有机械类专业开放，实验教学任务相对繁重，实验课程教学时间紧，导致实验教学前期的案例讲解较为单一，容易降低学生对该实验教学的兴趣，学生对液压实验的理解不够深入，进而导致在实验操作环节暴露较多问题，多表现为液压元件的功能及作用认知不清、液压工作原理的本质特性浮于表面、动手拆装困难，多方面使得实验教学结果不理想，距离人才培养的目标仍然存在一定的差距。

（二）多场景实验教学手段缺乏

目前，全球学术交流及高校教学的开展严重受阻，这些外在的不利因素，对高校的实验教学开展提出了更高的要求。然而，目前各高校的实验教学仍多以现场教学为主，而实验教学的时间经常被集中压缩；学生疲惫于实验的预习、报告撰写，未能真正将时间花在对实验的理解与分析上，所有的工作仅是为了完成这项实验任务；同时，对于教学老师而言，繁重的教学任务堆积在一块，往往造成老师持续高效的教学效果变差。此外，不可抗力的发展造成线下教学的停止，多为突发状况；而前期许多教学老师未对实验教学手段进行升级与探索，仍采用单调的实验教学手段，导致在线下、线上等多场景下的实验教学手段缺乏，不利于促进实验教学资源的整合与发展，降低了实验教学的培养目标，严重的有可能造成教学事故。

三、实验教学改革措施

高校实验教学改革是适应新工科发展的需求，只有做好学生教学的培养工作，保证实验教学的教学质量，激发学生主动学习能力，才能培养出高质量的人才，具体可采用如图1 所示改革措施。

图1 高校实验教学改革措施

（一）实验教学新模式

为使高校人才掌握理论知识基本的应用原理与操作流程，适应新工科背景下的高校教育培养，解决现有实验教学存在的问题，需要从专业课程实验规划的顶层设计进行有效制定，构建面向机械类专业实验教学的新模式，促使教学效果最大化，具体可通过如下实验教学新模式开展：1.范式线上展示：为促进学生对各实验教学课程的认知，构建实验室线上展示平台，重点介绍各实验平台的应用，促进学生自主阅读、查询实验相关知识的兴趣；2.线上第二课堂构建：为激发学生的随时学习主动性，实验教师可构建线上课程实验视频讲解，突出实验重点，融入课程思政元素，使学生积极完成实验教学的预习；3.虚拟教学构建：为促进实验教学在多场景下的应用，开展必要的虚拟教学是非常必要的，可结合当下炙手可热的数字孪生技术，使学生从虚拟环境中理解实验理论的意义，发挥学生主导实验的目的，激发学生的创新思维。

（二）实验教学资源共享与实验创新

实验教学是学生实践理论知识的重要环节，是进一步构建学生理论认知与兴趣的关键，其在本科教育教学中具有举足轻重的作用。然而，目前一般高校的实验设备利用率或者绩效不高，继而导致资源的极大浪费，未能有效发挥软硬件的作用。因此，高校需要不断适应时代需求的发展，积极开发与开设紧跟需求的实验课程，具体可通过以下方式执行：1.教学资源的共享：实验教学往往面向的专业众多，教学老师需要根据不同专业的特点，设计不同的教学侧重点，做到有的放矢，而实现该教学效果的前提是需要教学资源共享，继而促使教学老师在相应规章下充分借助相关实验设施，最大化设计实验课程；2.实验创新：在教学资源共享的前提下，实验老师可结合学生需求，积极开设多维度实验课程，创新现有固化的实验课程，充分调动学生的积极性，探索多元化的实训课程、认知课程、开放课程等；3.教学—科研设备互通：高校中科研设备的利用率往往不是很高，尤其普通高等高校更是如此，造成极大的资源浪费。如果在条件允许的情况下，加强科研与本科/研究生教学的互通，直接或间接引导学生对更专业知识的了解与应用，将能激发学生学习的热情。

（三）实验教学模块化

目前，各大高校针对实验室建设及实验教学做了大量的工作，也在积极探索提高实验教学的方法与措施，但总的实验教学方向朝着先进化、精准化、高效化的方向发展。为此，各高校机械类专业积极引进先进的实验平台并配合相应的实验驱动平台的有效利用，取得了一定实验教学效果。然而，部分高校在实验教学方面仍有所欠缺，主要在于实验设备应用目标不明确，设备资源未有效利用，学生动手能力未有效激发。究其原因，主要在于实验硬件的建设未与实验教学相符，造成设备集成化程度较高，学生操作工序繁琐，或者设备自身决定了不能实操，仅能作为实验教学的演示，最终无法达到教学目标，学生体验差。因此，高校实验建设需要开展高精准的模块化平台建设，尤其对于多学科融合的实验，需要以3 ～5 人为基准实行小范围内的实验教学，使平台各模块功能充分发挥，形成教—学—用的高质量执行。具体可通过以下途径进行改革：1.实验内容的模块化分割；2.实验设备的模块化购置，或者实验设备的模块化改造利用；3.科研—教学设备的有效结合；4.实验过程的模块化操作与督导。

（四）需求驱动教师能力提升

教师作为学生培养工作的执行人与负责人，其教学水平的提升直接影响着学生能力的培养与教学质量的保证。同时，实验教学更要注重理论教学在实际过程中的应用，更应结合企业的实际建议及学生实际需求对实验教学进行设计。因此，高校亟须对实验教学老师制定相应的能力培养政策，促进高校实验教师在知识应用方面能力的提升，具体可通过如下措施：1.定期培训：各教学部门可定期请相关合作实训基地专家对实验教学老师进行培训；2.定期实操：各教学部门可结合合作单位，定期安排实验教学老师进行实操学习，提升老师动手能力；3.教学比武：各教学部门定期举办实验教学比武大赛，促进实验教师教学方法/方式的交流学习；4.研修学习：各教学部门定期安排实验教师研修学习参观，引进先进的教学理念与方法。

四、结语

高校实验教学是人才培养的重要环节，对新工科背景下高校能力的培养举足轻重，需要以新的实验教学模式为方法，打破实验教学资源壁垒，实现实验教学资源的共享，激发教师对实验教学的创新，真正培养出理解知识、应用知识的可塑性人才，为高校高水平学生的培养提供保障。