建設(shè)四類實驗資源 構(gòu)建“分層次遞進式”實驗教學體系

楊廣武， 胡松青， 張亞萍， 郭文躍

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

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建設(shè)四類實驗資源 構(gòu)建“分層次遞進式”實驗教學體系

楊廣武， 胡松青， 張亞萍， 郭文躍

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

實驗資源是從事實驗教學的物質(zhì)基礎(chǔ)，高校的實驗教學創(chuàng)新和體系建設(shè)應(yīng)該以實驗資源的建設(shè)為依托。中國石油大學(華東)材料物理專業(yè)通過建設(shè)“認知教育平臺”、“實驗教學示范中心”、“專業(yè)實驗室”、“創(chuàng)新實驗平臺”四類實驗資源，構(gòu)建了包含“認知型、基礎(chǔ)型、提高型、創(chuàng)新研究型”四個能力培養(yǎng)層次的“分層次遞進式”實驗教學體系。實踐證明，“分層次遞進式”實驗教學體系符合學生的學習和認知規(guī)律，激發(fā)了學生的積極性，培養(yǎng)了學生的工程實踐能力和創(chuàng)新精神，使更多的高素質(zhì)專門人才和拔尖創(chuàng)新人才脫穎而出。

實驗教學； 實驗資源； 分層次教學； 教學改革

0 引 言

實驗教學是提高學生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)實踐能力的關(guān)鍵教學環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)目標的重要組成部分。教育部《關(guān)于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》指出，要“大力加強實踐教學，切實提高大學生的實踐能力?！侠碇贫▽嵺`教學方案，完善實踐教學體系”。因此，必須深化實驗教學改革[1-3]。實驗資源是高校開展實驗教學的物質(zhì)基礎(chǔ)，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的重要保證，實驗資源的擁有量和利用率在一定程度上反映了高校的教學水平、科研水平和管理水平[4-5]。近年來，高等教育教學改革不斷深入，各高校的實驗資源配置也得到了豐富和補充，但是在實驗資源的高效利用和提高方面尚需要不斷完善，許多專業(yè)面臨著教學資源分散，定位模糊，實驗教學體系薄弱等問題。如何合理配置和整合資源，使其發(fā)揮最大效益，探索構(gòu)建科學的實驗教學體系，全面推進素質(zhì)教育，成為高校實驗教學亟待解決的關(guān)鍵問題[6-7]。中國石油大學(華東)材料物理專業(yè)結(jié)合實際情況，依托四類實驗資源建設(shè)，在構(gòu)建“分層次遞進式”實驗教學體系方面進行了積極的探索和實踐，逐步摸索出提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的新途徑，并取得了顯著成效。

1 “分層次遞進式”實驗教學體系

1.1 實驗教學體系改革的理念與思路

材料物理專業(yè)實驗教學體系的建設(shè)思路是：以提高人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標，以“理工結(jié)合，石油特色，重視基礎(chǔ)，突出優(yōu)勢”的專業(yè)建設(shè)思路為指導，以專業(yè)人才培養(yǎng)方案和學科發(fā)展規(guī)劃為依據(jù)，以實驗資源整合和實驗平臺建設(shè)為基礎(chǔ)；科學設(shè)計從基本技能到現(xiàn)代技術(shù)，從綜合應(yīng)用到創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“分層次遞進式”實驗教學體系，實現(xiàn)實驗教學“鞏固基礎(chǔ)、拓寬知識、提高能力、增強素質(zhì)、促進創(chuàng)新”的教學目的；在實驗體系建設(shè)的基礎(chǔ)上，進一步推進實驗教學內(nèi)容、模式、方法的改革與創(chuàng)新。

1.2 “分層次遞進式”實驗教學體系的具體內(nèi)容

通過不斷的探索與實踐，材料物理專業(yè)依托“四類實驗資源”建設(shè)，構(gòu)建了包含“四個能力培養(yǎng)層次”的“分層次遞進式”實驗教學體系。如圖1所示。

圖1 材料物理專業(yè)“分層次遞進式”實驗教學體系結(jié)構(gòu)圖

“四類實驗資源”是指“認知教學團隊”、“實驗教學示范中心”、“專業(yè)實驗室”、“創(chuàng)新實驗平臺”；“四個能力培養(yǎng)層次”是指“認知型”、“基礎(chǔ)型”、“提高型”、“創(chuàng)新研究型”。其中，認知型實驗占15%，以參觀、展示、實習為主，是專業(yè)認知教育的重要組成部分，目的是培養(yǎng)和調(diào)動學生的專業(yè)認知能力，幫助學生建立材料物理專業(yè)的“感性認識”，內(nèi)化對專業(yè)知識的理解，并進一步將自己的認識上升到價值觀層面，確立明確的學習和奮斗目標?；A(chǔ)型實驗占40%，以演示性和應(yīng)用型實驗為主，附屬于理論課程，是根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標應(yīng)該達到的最基本要求。目的是使學生在基本實驗方法的訓練中，鞏固所學理論知識，掌握基本操作技能和方法，建立科學實驗的基本思維方式，培養(yǎng)學生觀察、分析、解決問題的能力。提高型實驗占30%，以綜合性、設(shè)計性實驗為主，圍繞材料學科實際應(yīng)用問題進行，主要包括專業(yè)應(yīng)用技能訓練和現(xiàn)代大型檢測儀器使用訓練，目的是培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用理論、方法、儀器，解決材料科學相關(guān)問題的能力和進行科學研究的專業(yè)素質(zhì)。創(chuàng)新研究型實驗占15%，實驗項目和選題主要來自教師或?qū)W生的研究課題，由具有較高學術(shù)水平的教師以系統(tǒng)項目訓練的形式指導學生開展實驗課題研究，以言傳身教的方式把學生引入科學研究的殿堂，而實驗的內(nèi)容、方案、進度等則主要由學生自主安排，目的是使學生獲得系統(tǒng)的科學研究方法訓練，掌握科學的實驗研究方法，培養(yǎng)學生的自主性和創(chuàng)新精神。

2 實踐內(nèi)容與措施

2.1 依托認知教育團隊，塑造學生的專業(yè)認同和感性認識

美國著名教育心理學家布魯納認為：“學習任何一門學科的最終目的是構(gòu)建學生良好的認知結(jié)構(gòu)”[8]。培養(yǎng)學生的專業(yè)認知能力能夠促使學生有效地監(jiān)控和調(diào)節(jié)自己的學習，培養(yǎng)學習的興趣和積極性?！皩I(yè)認知實驗”主要是針對大一新生，以實驗室走訪參觀、實驗項目介紹、科研項目成果展示為主，使學生了解專業(yè)學習和未來發(fā)展所要具備的知識和技能，建立對專業(yè)學習的整體認識；“專業(yè)認知實習”主要是深入企業(yè)、工廠等實訓場所、實習基地，親身感受實際操作，了解先進設(shè)備等，還原專業(yè)課程的必然聯(lián)系和工程實際的本來面目，逐步建立和培養(yǎng)學生的工程意識和工程素養(yǎng)。

為了保證認知型實驗的教學質(zhì)量和長遠發(fā)展，材料物理專業(yè)建立了專門的認知教育團隊，團隊由擁有較高教學和科研水平的教學名師、講課比賽獲獎?wù)?、高層次人才計劃入選者等組成。目前已經(jīng)建立起以團隊首席教授為核心，以教授、副教授為骨干的一支專兼結(jié)合、德才兼?zhèn)涞母咚浇處熽犖?，成員包括：山東省教學名師1名，教育部新世紀人才2名，山東省泰山學者1名，山東省杰出青年基金獲得者1名，校青年教師講課比賽特等獎獲得者1名。

認知型實驗項目的開設(shè)以及高水平教學隊伍的參與，幫助學生迅速融入大學的學習生活，建立起對專業(yè)課程體系的整體認識，樹立了學習目標，提高了工程實踐能力。

2.2 建設(shè)實驗教學示范中心，打造精品實驗課程

自 2005 年起，教育部在全國范圍內(nèi)開展了實驗教學示范中心的建設(shè)工作。實驗教學示范中心肩負著突出學校特色優(yōu)勢專業(yè)、融合優(yōu)質(zhì)資源、探索新時期人才培養(yǎng)需要的實驗室建設(shè)和教學改革功能[9-10]?！陡叩葘W校本科教學質(zhì)量與教學改革工程實施方案》指出：“實驗教學中心應(yīng)力爭建設(shè)成為具有輻射和引導作用的創(chuàng)新性實驗教學示范中心”。中國石油大學(華東)物理實驗教學示范中心成立以來，一直致力于大學物理實驗系列課程的教學改革與實踐，取得了良好的教學效果，2006年評為山東省首批省級實驗教學示范中心[11]。為了進一步加強實驗資源建設(shè)，深化材料物理專業(yè)實驗教學改革，材料物理專業(yè)以物理實驗教學示范中心為基礎(chǔ)，共同組建了“一個中心，兩個平臺，多個模塊”的物理實驗大平臺?！耙粋€中心”即大學物理實驗公共管理中心；“兩個平臺”是指基礎(chǔ)物理實驗平臺和材料物理專業(yè)實驗平臺；“多個模塊”是指依托實驗平臺開設(shè)的若干實驗?zāi)K。

圖2 “一個中心，兩個平臺，多個模塊”的物理實驗大平臺結(jié)構(gòu)圖

物理實驗大平臺的建設(shè)符合研究型大學人才培養(yǎng)的需要，促進了實驗資源的整合、優(yōu)化、共享，為材料物理專業(yè)的實驗教學提供了強大的依托平臺，提高了學生的專業(yè)水平和綜合能力；同時也加快了物理實驗教學示范中心的改革和建設(shè)，所開設(shè)的“大學物理實驗”于2007年被評為山東省省級精品課程。

2.3 依托專業(yè)實驗室，夯實專業(yè)基礎(chǔ)，提高綜合素質(zhì)

著名物理學家馮端院士指出：“實驗室可以比擬為現(xiàn)代大學的心臟”[12-13]。專業(yè)實驗室的教學內(nèi)容貼近科學研究，實驗設(shè)施又多為科研成果的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，最有利于培養(yǎng)學生的專業(yè)實驗?zāi)芰?、科研能力和?chuàng)新能力。目前，材料物理專業(yè)實驗室總面積約740余m2，擁有各種教學用實驗儀器設(shè)備360余臺，固定資產(chǎn)總價值約800萬元，擁有一批包括：磁控濺射儀、化學氣相沉積系統(tǒng)、太陽能電池光電性能測試系統(tǒng)、掃描隧道顯微鏡、X射線衍射儀、熱重分析儀、氮氣吸附脫附實驗儀、紅外光譜儀、紫外分光光度計、電化學工作站、鹽霧腐蝕實驗系統(tǒng)等較先進的材料制備和性能分析表征實驗教學設(shè)備，已成為設(shè)備較為齊全、功能較為完整、教學手段和方式較為先進的材料科學與工程實驗教學基地。在“立足教學、服務(wù)科研、內(nèi)涵發(fā)展”的建設(shè)方針指導下，材料物理專業(yè)依托專業(yè)實驗室資源和特色研究方向，建立了材料基礎(chǔ)實驗室、材料綜合實驗室、腐蝕與防護實驗室、新能源實驗室、計算材料學實驗室和材料演示實驗室6個專業(yè)實驗室，并開設(shè)了電工電子學實驗、材料性能分析與檢測實驗、計算材料學實驗、腐蝕與防護實驗、材料科學綜合實驗、新能源材料設(shè)計實驗6門專業(yè)實驗課程。

這些實驗課程主要是面對大三、大四高年級的學生，通常是已經(jīng)學習了本專業(yè)的必修和選修課，具備一定的理論基礎(chǔ)和實驗技能，因此，實驗主要分為兩大類。一類是加強學生對理論知識理解和實驗技能鞏固的基礎(chǔ)型實驗，另一類是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，分析和解決問題能力的提高型實驗。在此基礎(chǔ)上，為了使學生了解學科的新發(fā)展和新技術(shù)，提高學生的自主學習興趣，任課教師汲取材料物理學科技術(shù)發(fā)展的新成果，將專業(yè)實驗教學的開展與承擔的科研項目聯(lián)系在一起，開發(fā)了“納米結(jié)構(gòu)碳材料的制備與表征”、“染料敏化太陽能電池制備與光電性能測試”、“過渡金屬氧化物的制備與電化學儲能性能研究”、“無鉛壓電陶瓷制備及性能測試”、“TiO2光催化劑的制備與催化性能研究”等一系列具有材料學科前沿特點的自主設(shè)計實驗項目，建立了融知識、能力、素質(zhì)為一體的開放型實驗教學新體系，激發(fā)了學生探索材料未知領(lǐng)域的主動性、積極性。

2.4 依托創(chuàng)新實驗平臺，激發(fā)學生智慧潛能

“創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發(fā)達的不竭動力”?！陡叩冉逃ā访鞔_規(guī)定：“高等教育的任務(wù)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的高級專門人才”[14-15]。 材料物理專業(yè)通過“創(chuàng)新研究型實驗”，使學生接受科研選題、文獻查閱、實驗方案設(shè)計、設(shè)備搭建改造、研究計劃執(zhí)行、數(shù)據(jù)整理分析、科學報告和論文寫作等全方位的科研訓練，培養(yǎng)學生的自主性和創(chuàng)新精神。為滿足不同能力層次學生的實際情況和培養(yǎng)需求，材料物理專業(yè)搭建了由“普及、進取、精英”三個培養(yǎng)層次構(gòu)成的“金字塔式”創(chuàng)新實驗平臺(圖3)。

圖3 “金字塔式”創(chuàng)新實驗平臺

其中，“普及”層次為“科研實習”?？蒲惺翘岣呓逃|(zhì)量和層次的關(guān)鍵，著名物理學家錢偉長認為：“教學沒有科研做底蘊，就是一種沒有觀點的教育，沒有靈魂的教育”[16-17]。2012年4月教育部在“關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見”中指出：“促進科研與教學互動，及時把科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容。支持本科生參與科研活動，早進課題、早進實驗室、早進團隊”。目前，對于大部分大二、大三的學生來說，除了課程實驗外，基本沒有接受過科研訓練，單純依靠學生提出科技活動及創(chuàng)新實驗研究課題往往不切實際。因此，材料物理專業(yè)首先把“科研實習”作為創(chuàng)新精神培養(yǎng)和創(chuàng)新實驗平臺建設(shè)的第一步，要求所有學生從大二下學期開始，獨立或以2或3人組成實驗小組，參與到導師的科研項目當中去，進行為期一年的“科研實習”，并以“師生雙選”、“項目化管理”、“導師負責制”等措施確?！翱蒲袑嵙暋钡捻槙硨嵤┖凸芾怼?/p>

“進取”層次則要求逐漸淡化導師的監(jiān)督和管理，鼓勵一部分在“科研實習”過程中建立良好研究基礎(chǔ)的實驗小組，積極申請“大學生創(chuàng)新訓練計劃項目”等本科生科研項目，在項目的引導和管理下，自主安排實驗的內(nèi)容、方案、進度等，以加強學生自主學習意識、科研能力以及團隊意識的培養(yǎng)。材料物理專業(yè)從制度、經(jīng)費、師資、條件等多方面采取有效措施，全方位保障大學生創(chuàng)新實驗計劃項目運行。如成立本科生科技創(chuàng)新項目管理領(lǐng)導小組，負責大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目的申報、評審、運行、驗收，并制訂相關(guān)管理文件和工作計劃，實現(xiàn)對大學生創(chuàng)新實驗計劃的全面管理；建立行之有效的激勵機制，在“本科生綜合測評管理辦法”和“推薦免試研究生管理辦法”中明確規(guī)定，對參與大學生創(chuàng)新項目的負責人和成員分別給予相應(yīng)的獎勵分值，對指導大學生創(chuàng)新性實驗項目的教師，給予一定的工作量獎勵。近年來，材料物理專業(yè)的大學生創(chuàng)新活動開展地如火如荼，專業(yè)學生每年獲批各類大學生創(chuàng)新實驗項目20余項，其中國家級3～5項。

“精英”層次支持少部分具備一定能力的個人或?qū)嶒炐〗M，以其優(yōu)秀作品或研究成果為基礎(chǔ)，參加國家和高校組織的各類科技競賽，從而推動科技創(chuàng)新活動，激發(fā)其創(chuàng)造力和科學精神。材料物理專業(yè)把參加科技競賽作為重點工作進行開展，并通過完善創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式、搭建科技創(chuàng)新實踐平臺、健全科技競賽管理體系等舉措，形成大學生科技競賽文化活動的長效機制，保障了科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的可持續(xù)發(fā)展。自2006屆張煒強同學參加第五屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生創(chuàng)業(yè)計劃大賽，并獲得山東省三等獎以來，材料物理專業(yè)的科技競賽活動蓬勃發(fā)展，極大地支持了創(chuàng)新研究型實驗的開展。僅2013年，材料物理專業(yè)就在“挑戰(zhàn)杯”全國大學生課外學術(shù)科技作品競賽、創(chuàng)業(yè)計劃大賽、全國大學生節(jié)能減排社會實踐與科技競賽、全國大學生電子設(shè)計競賽、山東省大學生物理科技創(chuàng)新大賽等各類國家級、省級科技競賽活動中獲獎9項。

“金字塔式”創(chuàng)新實驗平臺充分考慮了學生的個體差異和培養(yǎng)需求，既滿足了普通學生接受科研熏陶和培養(yǎng)創(chuàng)新能力的需要，又為學有余力的學生提供了發(fā)揮個人才能和施展才華的舞臺。

3 實踐效果

經(jīng)過10多年的探索與實踐，中國石油大學(華東)材料物理專業(yè)的實驗資源建設(shè)和實驗教學體系建設(shè)取得了長足的發(fā)展，實驗教學和人才培養(yǎng)質(zhì)量得到了極大的提高，成績斐然。自材料物理專業(yè)2006屆本科生嚴克友在SCI一區(qū)雜志Nanotecnology發(fā)表高水平研究論文以來，先后已有28位同學在Journal of Physical Chemistry C、高等學?；瘜W學報等雜志發(fā)表文章，申請發(fā)明專利和實用新型專利33項，在各類國家級和省級科技競賽中獲獎32項，獲得山東省優(yōu)秀學士學位論文5篇。

4 結(jié) 語

“認知教育團隊”是塑造學生專業(yè)認同和感性認識的有效載體；“實驗教學示范中心”能夠發(fā)揮優(yōu)質(zhì)教學資源的輻射和引導作用；“專業(yè)實驗室”是夯實學生專業(yè)基礎(chǔ)和培養(yǎng)實踐能力的重要場所；“創(chuàng)新實驗平臺”則能夠為卓越人才的培養(yǎng)和發(fā)展提供優(yōu)良的基礎(chǔ)條件。中國石油大學(華東)材料物理專業(yè)以實驗資源建設(shè)為前提，以實驗體系建設(shè)為核心，通過依托四類實驗資源建設(shè)，構(gòu)建了包含“認知型”、“基礎(chǔ)型”、“提高型”、“創(chuàng)新研究型”四個能力培養(yǎng)層次的“分層次遞進式”實驗教學體系，形成了從感性到理性、從簡單到復雜、從基礎(chǔ)到前沿、從專業(yè)能力到創(chuàng)新精神培養(yǎng)的一整套科學的實驗系統(tǒng)，提高了材料物理專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量。多年的教學實踐證明，分層次、多元化的實驗教學有利于激發(fā)學生的積極性和創(chuàng)造性；有利于因材施教，培養(yǎng)不同層次學生應(yīng)有的能力；有利于增強學生工程實踐能力，特別是創(chuàng)新意識和能力的培養(yǎng)。

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Relying on Four Resources to Construct Hierarchical Experimental Teaching System

YANGGuang-wu,HUSong-qing,ZHANGYa-ping,GUOWen-yue

(College of Science, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Experimental resources are the important base for experimental teaching, therefore, it is also the foundation for experimental teaching reformation and experimental teaching system construction. Aiming at improving students' ability and personality, China University of Petroleum constructed hierarchical experimental teaching system consisting of cognitive experiment, basic experiment, advanced experiment and creative experiment. The reformation and construction of this experimental teaching system rely on four types of resources, that is, cognitive education platform, experimental teaching demonstration center, specialized laboratory and creative experiment platform. The practice showed that the series of reformation stimulated students' interest and inspired their engineering practice ability and innovative spirit, and more high-quality specialized students and innovative talents were emerged.

experimental teaching; experimental resources; hierarchical teaching; teaching reformation

2015-02-28

國家自然科學基金(21403302)；中國石油大學(華東)教學研究與改革重大項目(JYA201402)；中國石油大學(華東)精品實驗建設(shè)項目(JS201414)

楊廣武(1981-)，男，山東青島人，博士，副教授，從事新能源材料方向的教學與研究工作。

Tel.：18724772877; E-mail：yanggw@upc.edu.cn

G 420； G 642.0

A

1006-7167(2016)02-0159-04