课程实验在工程创新人才培养中的作用及实践探索
课程实验在工程创新人才培养中的作用及实践探索
摘要：分析了高校课程实验的定位、内容设置、考核及评价方式等现状，介绍了对国内外实验教学方法和特点等方面的调研结果，展示了浙江大学光电系开展的以实践创新能力培养为核心的专业课程实验改革与探索，指出课程实验的重要性以及在学生工程创新能力培养中的作用。
关键词：课程实验；实践教学体系；项目学习与实践；工程创新能力；实验教学考核
实践教学是培养创新人才的有效手段。近年来，各高校围绕大学生实践和创新能力的培养，在实践教学方面作了不少努力，尝试了一系列改革，也取得了一定的效果。浙江大学光电系近年来开展了以实践创新能力培养为核心的专业课程实验改革与探索，取得了一定的效果。
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天龙一条龙一、课程实验在大学实践教学体系中的地位和现状
大学生工程实践与创新能力的培养是贯穿其整个大学生涯的，是一个不断培养和提高的过程。在诸多实践教学环节中，课程实验贯穿于从大一开始的基础课程实验到大四的专业课程实验，涉及内容多、知识面广、比重大。通过课程实验既可以帮助学生巩固所学理论知识和
提高理论联系实际的应用能力，又可以帮助学生建立科学的实验方法、良好的实验习惯和熟练的实践技能等创新性工程人才应该具备的基本素养，让他们受益终生。因此课程实验是大学实践教学体系的重要组成部分，在大学生的工程创新能力培养中发挥着积极作用。
然而就目前大多数高校的课程实验教学状况而言，在实验教学定位、实验教学内容设置以及实验考核与评价等方面存在的一些问题，与其重要性和所处地位存在着很大的矛盾。
1.关于课程实验教学定位。首先，理论教学在我国的教学体系中长期占据主导地位，过分强调传授前人知识并注重其全面性和系统性以及深度和难度，导致老师和学生将主要精力放在理论课程中；其次，由于学分原因，很多高校的课程实验(特别是专业课程实验)大多不单独开课，而是作为“课程”的实践环节。因此课程实验往往被认为是从属于理论教学的一种辅助手段，仅仅在于帮助学生验证或加深对课堂知识的理解，而忽视了其对学生动手能力和实践能力的培养和促进作用。再次，很多学校对教师的考核以课堂教学为主，有些学校的课程实验则由实验教师或助教指导，而理论教师投入较少。
2.关于课程实验内容设置。一是验证型实验偏多。对于这类实验，在实验教程或实验指导书上基本会给出详细的实验步骤和预期结果，学生只要参照既定步骤去复现实验结果，几
乎不需要“动脑”，因此学生对这些实验在时间和精力上投入不够也没有兴趣，流于形式走过场的现象很普遍。二是设计／综合型和创新／研究型实验少。对于这类实验，一方面需要教师设计和策划一批既结合课程内容能够在课程实验中实施，又要使大部分学生能够做出结果的项目，工作量很大；另一方面，要为学生提供开展这些项目的实验设备和其他硬件条件，并在其实施过程中要给予学生充分的讨论和交互机会，以帮助解决遇到的问题和困难，对教学的软、硬条件都提出了很高要求。因此目前这类实验通常是众多实验中进行尝试的个案，要在全部课程实验的全部学生中推行，需要一个由点到面的逐步改革推广的过程。
3.关于课程实验考核及评价方式。作为课程的实验环节，一方面由于其成绩将合并到理论成绩中，在课程总成绩中的比例一般不大于30％。并且由于以验证型实验为主，学生对实验缺乏积极性，应付做实验写报告的不在少数；另一方面老师很难对学生的实验情况全面了解，因此主要根据实验报告的规范性，内容完整性等方面进行评分，导致轻实验重报告、互相抄袭等行为产生。因此建立科学合理的实验成绩考核和评价方式，从实验预习与准备、实验过程与结果、实验报告、设计型实验完成情况等多方面进行考核和评价，将有助于提高学生的实验积极性，达到课程实验的预期目的。
二、以实践创新能力培养为核心的课程实验改革与探索
如何发挥好课程实验教学对理论教学的促进和提高作用，通过实验不仅巩固理论知识，提高分析问题和解决问题的能力，同时培养学生的学习积极性和求知欲，应是高校实践教学改革的重要内容之一。为此浙江大学光电系首先开展了国内外教育教学调研活动，包括通过在国外留学的百余名浙大光电系学子，调研国外大学实验教学情况：通过网络教学调查系统和召开座谈会，收集在校学生对实验教学的意见和建议。
国外高校实验教学情况调研得到的信息有：实验内容大多以设计实验为主，学生要经历“提出问题一查阅资料一研究讨论一确立方案一分工合作一解决问题一分析总结”这样一个完整的研究过程，而不是简单的观测实验；在实验开始前需要进行准备工作，写好预习报告；有课前提问，要求提交报告和结果讨论；从学生到老师都有一种认真的精神，做完实验后报告也写得很认真，而在国内的时候有些实验课还是有点不尽如人意的感觉；实践性实用性很强，与实际应用关系密切；实验考核占总成绩的比例很大(如50％)，等等。
在校学生对实践环节也提出了意见和建议：每个学期的实验任务繁重，几乎每门课都有课程实验，没有时间做实验预习(另一方面不预习也完全可以进行)，应付做实验、写报告；
每个实验步骤都仔细给出，除仪器操作外的步骤写得过于详细；希望减少实验量，简化实验步骤(给学生多一些思考的空间)；很多实验做了感觉“没什么用”或者不知道有什么现实意义，很快就忘记；希望减少小实验，增加自主设计型、综合型的实验内容，等等。
这些调研结果，让我们看到了国内外实验教学方面存在的差距，对实验教学改革既指明了方向又启发了改革思路。近两年来，对专业课程的实验教学实施了一系列以实践创新能力培养为目的的实验教学改革和探索，取得了较好效果。
1.理论教学方法的同步改革。教学改革包括实验教学改革的核心问题是教学方法改革，因此采取理论与实验协同改革的指导思想，提倡理论教学联系实际、结合科研的启发式、讨论式、互动式教学。课堂教学中，任课教师既要结合课程知识，介绍相关研究领域的最新技术与发展趋势，充分调动学生的好奇心和求知欲以及学习自主性和积极性，培养他们对科学研究的兴趣；同时要根据相关研究领域与科研项目以及工程问题，注重教授知识的实际应用性，采用基于问题、基于项目、基于案例等的教学方法；并提出需要学生思考和解决的问题，为开展设计型、研究型课程实验做铺垫。
2.设置递进式层次化的实验内容。实验教学要符合学生的认知规律，贴近教学实际，为此
要构建从基础规范型、综合设计型到研究创新型的递进式层次化的实验内容。三个层次实验对于学生能力培养的效用各不相同。基础规范型实验要求学生理解和巩固理论知识，掌握基本知识点、’实验方法和技能。综合设计型实验要求学生能够利用多门课程或多个原理及概念实现给定的实验项目，注重培养学生综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力。研究创新型实验是教学与科研相结合的有目的、有意识的探索与研究活动，目的在于激发学生的创新欲望、培养学生的科学研究兴趣和研究创新能力。前两个层次实验每个学生必做，第三层次为选做内容，体现了“以人为本”、“因材施教”的教学思想，为发挥和施展优秀学生的潜能和创造力提供了平台。
3.开展“基于项目的学习和实践(PBL&P)”。对于综合性强的专业课程实验，开展“基于项目的学习和实践(Project Based Learning and Practice PBL&P)”的实验改革。即采用科研立项的方式，由2～3市值名学生组成的项目组通过课题的实际研究和具体实现，推进以学生为中心、以自我引导为基础的教育，从而培养学生的科研与创新能力、团队协作精神和终生学习技能。这类实验包含了项目申请、方案设计、开题答辩、实物制作和调试，总结报告撰写和答辩验收等科研全过程；也使学生经历了从单纯模仿到个人(团队)创造、从依赖辅导到独立设计、从被动接受到主动发现的转变，能够充分调动学生的主观能动性，激发求知
欲和创造力。
光电系从人力和软硬件条件等方面全面支持教学改革和实验建设。课程组教师不断引导和鼓励学生在课程学习中勇于实践和创新，并及时公开展示学生的优秀成果，建立学生对于自我实现的成就感和认同感，让学生在收获知识、提高能力的同时也体会实践的快乐。
经过几届学生的实践探索，学生自主出题的比例越来越高，如“基于单片机的无弦琴设计”、“AutoDustbin自动垃圾桶”等，不仅创意好而且也完成得非常出。基于这些课程实践，近两年来光电系本科生已发表科技论文6篇。
4.加强实验预习和实验准入条件设置。为避免学生在没有预习的情况下进行实验操作，在课程网站上建立“实验准入测试系统”，学生在实验前必须要通过该系统的测试。所谓“准入测试”是要回答从题库中随机抽出的与将要进行的实验内容、实验仪器和实验器件相关的题目，并且要求答题正确率达到80％以上，才能通过该测试，才被允许进入实验室进行实际的实验操作。
5.构建虚实结合的实验环境。运用现代网络技术和计算机技术，构建了计算机光学仿真环
境和虚拟光学实验室，虚实结合，拓展实验时空。如光电系专业课“光电信息综合实验”中的一些实验，运用Java、Quick Time、Flash祝福的钟声、VIRTOOLS等技术，在计算机上创建一个包括实验仪器、器件、实验对象以及实验信息等在内的网络化虚拟实验环境，实验者通过操作电脑上的设备和器件，仿真实验的整个过程，实验结果以示意图、表格、动画、声音等多媒体形式反馈。这种虚拟的实验环境不仅克服了传统实验室的时空限制，而且增加了课程实验的趣味性、开放性和共享性。同时作为学生的“实验预习”要求和“实验准入”条件，可以大大提高实际实验的效果和效率。
6.开展多元化的考核与成绩评定。传统的理论教学大多以期末考试成绩作为学生学习情况好坏的评价标准，而实验教学多参考最后实验报告给分，二者都存在着诸多弊端而被教育学家和学生诟病。为此我们开展以能力为导向、过程与结果相结合的考核与成绩评价体系。目前采用的两种评价方式为面向绝大多数学生的“综合评价”和面向少量优秀学生的“优生免考”。
三、课程实验在学生T程创新能力培养中的作用
通过多门专业课程实验教学的改革和实践，我们认为课程实验在大学生工程创新能力的培
养中，发挥了以下几个方面的作用。
1.通过课程实验教学的基本型和综合设计型实验，帮助学生理解、巩固和掌握课程的理论知识，提高知识运用和理论联系实际的能力，引导学生自觉将所学理论知识应用于实践活动。
实验的预习要求和实验准入测试，能够使学生带着疑问、带着问题参与实验，在实验中认真有效地分析并解决问题，同时培养学生良好的实验习惯、认真严谨的实验态度并获得工程技术人员必备的科研素质。
2.支持数字人民币支付以能力为主线、以问题为纽带、以综合为导向的研究创新型实验，是学生早期参加科学研究、教学科研相结合的一种重要形式。让学生经历科学研究和项目设计的全过程，实现思维能力、动手能力及科研能力的强化训练，从而培养学生敢于思考、勤于实践，勇于突破，重于创新的科研精神。在因材施教方面，为优秀学生提供了主动学习探索的更大空间和更多自主权，激励学生通过自身的努力实现自己的想法的探索精神。
3.有助于学生树立良好的团队合作意识，提高交流沟通和总结撰写等综合能力。对于研究
创新型实验大都需要由两个或两个以上的学生组队完成，这需要团队内部有明确的分工与合作，期间还需要组员内部的交流与配合来共同完成实验任务，让学生充分地认识到团结的力量以及团队合作的重要性。

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