大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的四重境界

居沈貴 薛峰 石麗蕓 湯吉海

[摘 要]該研究探討建立大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)初學(xué)級(jí)、熟練級(jí)、競賽級(jí)、專業(yè)級(jí)四重境界人才培養(yǎng)模式，進(jìn)而建立引導(dǎo)大學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中從初學(xué)者到熟練者，再進(jìn)一步成為競賽級(jí)選手，最后成為具有設(shè)計(jì)能力和專業(yè)素養(yǎng)的技術(shù)人員以及具備工匠潛質(zhì)的人才的培養(yǎng)機(jī)制;通過提出用戶體驗(yàn)的概念來強(qiáng)化“以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想;并在新時(shí)代背景下以及“金課”高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的建設(shè)框架下，對(duì)打造實(shí)驗(yàn)教學(xué)四重境界的重要性、四重境界結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了有益的探索。

[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)教學(xué);賽教融合;金課;用戶體驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2020）12-0037-03

2018年頒布的《教育部關(guān)于加快建設(shè)高水平本科教育 全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》和《關(guān)于高等學(xué)校加快“雙一流”建設(shè)的指導(dǎo)意見》明確提出強(qiáng)化人才培養(yǎng)的核心地位，“雙一流”建設(shè)的核心是人才培養(yǎng)，同時(shí)明確了一流本科教育在“雙一流”建設(shè)中的基礎(chǔ)性地位[1]。要全面落實(shí)黨的教育方針，以學(xué)生全面發(fā)展為目標(biāo)，強(qiáng)化基礎(chǔ)、突出重點(diǎn)、建立規(guī)范、落實(shí)責(zé)任，形成全員全過程全方位育人格局，切實(shí)提高工作親和力和針對(duì)性，建立學(xué)院“三全育人”改革實(shí)施目標(biāo)管理制度。課程是人才培養(yǎng)的核心要素，專業(yè)是人才培養(yǎng)的基本單元。學(xué)生從大學(xué)里受益的最直接、最核心、最顯效的是課程[2]。要“合理提升學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度，切實(shí)提高課程教學(xué)質(zhì)量”，也就是“金課”要具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度三個(gè)顯著特征。《教師專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》的基本理念是“師德為先”“學(xué)生為本”“能力為重”“終身學(xué)習(xí)”。精品課程建設(shè)就是要有示范性課程的標(biāo)桿、一流的師資隊(duì)伍、一流的課程體系、一流的教學(xué)方法以及一流的教學(xué)成果[3-4]。根據(jù)上述要求和化工原理課程作為南京工業(yè)大學(xué)的“國家精品課程”相關(guān)要求以及化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，本文提出了以打造化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的四重境界為核心的人才培養(yǎng)模式來對(duì)標(biāo)金課建設(shè)。

一、大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)四重境界的打造

（一）打造四重境界的重要性

1.這是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的理論拓展

傳統(tǒng)的儒家教學(xué)思想主張教和學(xué)相統(tǒng)一、理論與實(shí)踐相結(jié)合、重視發(fā)展學(xué)生的思維能力[5]。我們探討如何繼承和發(fā)展這些有價(jià)值的教學(xué)思想有著深遠(yuǎn)的意義。其一，教和學(xué)相統(tǒng)一，既重視教的原則方法，也重視對(duì)學(xué)的啟發(fā)指引，注重發(fā)揮學(xué)生的主體作用和強(qiáng)調(diào)正確引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的態(tài)度問題。其二，理論與實(shí)踐相結(jié)合。宋代的朱熹在他的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中強(qiáng)調(diào)理論與實(shí)踐相結(jié)合，“為學(xué)大抵窮理以致其知，反躬以踐其實(shí)”。他主張教學(xué)中的讀書窮理與躬行實(shí)踐并重，讀書窮理是手段，躬行實(shí)踐是目的。其三，發(fā)展學(xué)生的思維能力，必須要廣于見聞。按認(rèn)識(shí)論的理解，沒有廣博的間接經(jīng)驗(yàn)和豐富的感性認(rèn)識(shí)，人的認(rèn)識(shí)不可能由感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，思維水平也不可能由感性階段上升到理性階段。儒家教育家很早即認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，孔子提倡學(xué)生“多聞，擇其善者而從之，多見而識(shí)之”“多聞闕疑，慎言其余，則寡尤;多見闕殆，慎行其余，則寡悔”。明代大儒王陽明[6]倡導(dǎo)“學(xué)、問、思、辯、行”的教學(xué)理念，注重師生互動(dòng)，學(xué)生主動(dòng)學(xué)，主動(dòng)問;思考和辯論質(zhì)疑，最后統(tǒng)一到實(shí)踐行動(dòng)中來，著重點(diǎn)在于如何調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，拓展學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。因此，為了實(shí)現(xiàn)教學(xué)統(tǒng)一，知行合一，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維，需要對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)理論做進(jìn)一步的創(chuàng)新和探索。

2.這是賽教融合的發(fā)展需求

賽教融合有助于加強(qiáng)本科院校的“金課”建設(shè)。目前全國范圍內(nèi)的競賽項(xiàng)目有化工設(shè)計(jì)大賽、Chem-E-Car能源小車大賽、化工原理實(shí)驗(yàn)大賽、數(shù)學(xué)建模大賽等。學(xué)科競賽是學(xué)生知識(shí)綜合運(yùn)用的比拼，比賽的內(nèi)容會(huì)涉及數(shù)門甚至數(shù)十門課程，需要學(xué)生掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識(shí)，并能將這些知識(shí)靈活應(yīng)用于比賽中。而傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，每門課程都由不同的教師講解，相對(duì)較為獨(dú)立，學(xué)生通常很難理解課程之間的聯(lián)系，這就容易使學(xué)生感覺自己所學(xué)的許多專業(yè)基礎(chǔ)課用處不大。通過參與學(xué)科競賽，學(xué)生和指導(dǎo)教師在解決問題的過程中，將用到的各科知識(shí)串起來，形成系統(tǒng)的知識(shí)體系。在高校“金課”建設(shè)中，教師可以借鑒學(xué)科競賽的經(jīng)驗(yàn)，改變課程體系的孤立性，實(shí)現(xiàn)“金課”建設(shè)中的課程融合。

3.這是對(duì)遞進(jìn)式進(jìn)階思維的拓展

增強(qiáng)終身學(xué)習(xí)的意識(shí)，感悟的質(zhì)變過程需要強(qiáng)化定向量變的不斷積累。清代詩人王國維提出遞進(jìn)式思維的佳句備受后人推崇?！蔼?dú)上高樓，望盡天涯路?！贝饲榇司?，有所感悟，尚處于初級(jí)學(xué)徒級(jí)人員要注重基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)積累。“衣帶漸寬終不悔，為伊消得人憔悴?！蓖ㄟ^對(duì)學(xué)習(xí)過程中碰到的一個(gè)又一個(gè)難題進(jìn)行不斷思考和學(xué)習(xí)，最終成功跨越，逐漸深入，熟練掌握本門技巧和方法，成為一名熟練的操作人員?！氨娎飳にО俣龋嚾换厥祝侨藚s在，燈火闌珊處?！贝藭r(shí)漸入佳境，有所領(lǐng)悟，并為之著迷，從而變成具備較強(qiáng)能力的競賽級(jí)別的人員。“行到水窮處，坐看云起時(shí)?！焙鋈婚_朗，打通任督二脈，融會(huì)貫通，最終成為該行業(yè)領(lǐng)域的專家級(jí)人員，并且在原有設(shè)備裝置的基礎(chǔ)上更上一層樓，設(shè)計(jì)或創(chuàng)造出新模型、新裝置或提出新理論，從而成為本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員。受此啟發(fā)，我們提出遞進(jìn)式教學(xué)模式。

（二）四重境界結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則

1.符合“金課”建設(shè)的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度設(shè)計(jì)原則

高階性注重學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)的有機(jī)結(jié)合，是學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和先進(jìn)思想，更應(yīng)該注重能力和思維的訓(xùn)練[2]。創(chuàng)新性應(yīng)體現(xiàn)在課程應(yīng)當(dāng)定位前沿，能反映出時(shí)代特征;教學(xué)形式應(yīng)體現(xiàn)先進(jìn)性、創(chuàng)造性和互動(dòng)性;學(xué)習(xí)成果應(yīng)具有創(chuàng)造性、個(gè)性和前瞻性。挑戰(zhàn)度則是指課程必須有一定的難度和深度，學(xué)生需要付出一定努力之后才能達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。

2.遵循“以學(xué)生為中心”的教學(xué)基本原則

用戶體驗(yàn)是用戶在使用產(chǎn)品過程中形成的一種純主觀感受[7]。傳統(tǒng)教學(xué)重視知識(shí)傳授，忽視學(xué)生體驗(yàn)。學(xué)生作為學(xué)習(xí)主體，可以將學(xué)生視為客戶群體，實(shí)驗(yàn)儀器為使用對(duì)象，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程為人機(jī)模式的交互式體驗(yàn)。學(xué)生體驗(yàn)的共性能夠經(jīng)由良好設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識(shí)。計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，使技術(shù)創(chuàng)新形態(tài)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，以用戶為中心、以人為本越來越得到重視，用戶體驗(yàn)也因此被稱作創(chuàng)新2.0模式的精髓。在中國面向知識(shí)社會(huì)的創(chuàng)新2.0模式探索中，更應(yīng)該將重視學(xué)生體驗(yàn)作為創(chuàng)新機(jī)制的嘗試。

以學(xué)生為中心的思想強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)舒適度。實(shí)驗(yàn)教學(xué)要按照學(xué)校的培養(yǎng)計(jì)劃、辦學(xué)要求以及社會(huì)對(duì)人才的要求對(duì)學(xué)生進(jìn)行因材施教。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容、方法、手段等必須適應(yīng)因材施教和培養(yǎng)高素質(zhì)人才的需要。整合優(yōu)化過程中強(qiáng)化“以學(xué)生中心”，注重引導(dǎo)學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，這符合教育規(guī)律和人才成長規(guī)律[8]。

3.以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力為基本原則

理工科學(xué)生在接受知識(shí)教育的同時(shí)還應(yīng)該樹立工程意識(shí)以及培養(yǎng)實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力，使自身的整體知識(shí)結(jié)構(gòu)、工程素養(yǎng)、創(chuàng)新能力得到全面優(yōu)化[9]。基于問題導(dǎo)向的訓(xùn)練，要求學(xué)生主動(dòng)尋求知識(shí)的理解、應(yīng)用和創(chuàng)新，在遇到問題、分析問題時(shí)注重問題分析的系統(tǒng)性;力求讓學(xué)生深刻體會(huì)理論與實(shí)踐的關(guān)系，工程思路嚴(yán)謹(jǐn)性與創(chuàng)新思維靈活性的關(guān)系。這種模式不僅能使學(xué)生學(xué)到有用的知識(shí)，而且可以培養(yǎng)其思考、分析和解決問題的能力，有助于其科研訓(xùn)練實(shí)效和創(chuàng)新能力的提升。實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過以學(xué)生的綜合素養(yǎng)、操作水準(zhǔn)和實(shí)踐創(chuàng)新能力以及發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決問題能力的提高為主線，建立起專業(yè)性、系統(tǒng)性、全面性、科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

（三）四重境界的內(nèi)涵

創(chuàng)新型大學(xué)生是創(chuàng)新型教育的產(chǎn)品，需要對(duì)學(xué)生的個(gè)性特征、行為特征加以引導(dǎo)，將學(xué)生培養(yǎng)成為聰明的人、有思想的人、完善的人以及科學(xué)、人文、藝術(shù)等方面全面發(fā)展的人。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中可引用《荀子·儒效》 中的名言即“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之”，不斷加強(qiáng)理論和實(shí)踐的融合，達(dá)到知行合一。

1.第一重境界：“懵懂無知，學(xué)藝于師”（初學(xué)級(jí)）

學(xué)生通過系統(tǒng)的理論學(xué)習(xí)后，對(duì)具體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的原理已經(jīng)有所掌握。教師概括性講述實(shí)驗(yàn)教學(xué)的原理和實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)裝置和具體的工藝流程，重要的觀察點(diǎn)和測量點(diǎn)，以及如何對(duì)操作技能技巧和控制進(jìn)行精準(zhǔn)把握，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，精確測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，處理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，總結(jié)方式方法。要求教師做到一邊演示一邊講解，一邊實(shí)驗(yàn)一邊引導(dǎo)，讓學(xué)生慢慢達(dá)到由生疏到熟練的狀態(tài)。

2.第二重境界：“熟能生巧，無師自通”（熟練級(jí)）

這一階段不再需要教師進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，學(xué)生自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵筮M(jìn)行反復(fù)練習(xí)，以做到實(shí)驗(yàn)操作嫻熟、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確翔實(shí);對(duì)于不合理的數(shù)據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并思考問題所在，能夠分析問題和解決問題，熟練完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。這一階段要注重學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生做到高度自律和主動(dòng)思考，自我提高，不需要教師過多介入。

3.第三重境界：“融會(huì)貫通，巧為人師”（競賽級(jí)）

讓學(xué)生充當(dāng)教師角色，根據(jù)自身掌握的知識(shí)進(jìn)行講解。學(xué)生這個(gè)時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)自己對(duì)原理和概念的掌握似乎不太清晰，對(duì)專業(yè)語言和詞匯的表達(dá)似乎不太準(zhǔn)確，理解能力還不夠透徹，理論和實(shí)驗(yàn)操作水平還無法一致，從而思考自己和老師講述的內(nèi)容還有哪些方面需要改進(jìn)和提高。通過不斷強(qiáng)化和訓(xùn)練之后，他們能夠?qū)?shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)串起來，同時(shí)能夠解決實(shí)驗(yàn)過程中與實(shí)驗(yàn)裝置相關(guān)的小問題，比如閥門開關(guān)順序，測量儀表范圍和量程，傳感器調(diào)零和調(diào)試等等。

4.第四重境界：“推陳出新，設(shè)計(jì)大師”（專業(yè)級(jí)）

首先，學(xué)生經(jīng)過長時(shí)間的沉浸與積累，交流和思考，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置存在的問題和缺陷，開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)裝置來彌補(bǔ)不足。其次，結(jié)合現(xiàn)代電子測量手段和先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行融合和創(chuàng)新，提高實(shí)驗(yàn)裝置信息化水平，做到與時(shí)俱進(jìn)。最后，還需要結(jié)合美學(xué)原理設(shè)計(jì)裝置。裝置不僅需要具備實(shí)用價(jià)值，還要具有簡約和大氣的風(fēng)格，讓使用者在接受專業(yè)知識(shí)教育的同時(shí)獲得良好的美學(xué)體驗(yàn)感。

二、四重境界在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

直管阻力系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)[10]作為全國大學(xué)生化工原理實(shí)驗(yàn)大賽的主要比賽項(xiàng)目之一，知識(shí)點(diǎn)多，操作復(fù)雜度高，實(shí)驗(yàn)技巧性強(qiáng)，具有很強(qiáng)的代表性。我們結(jié)合化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)來闡述實(shí)驗(yàn)教學(xué)的四重境界。第一重，教師教、學(xué)生學(xué)。教師講述實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒀b置流程、物料走向、操作順序、取樣測樣點(diǎn)等等，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括流體流經(jīng)光滑直管時(shí)摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系及變化規(guī)律，掌握流體流經(jīng)粗糙管時(shí)壓降ΔP與雷諾數(shù)Re的關(guān)系及變化規(guī)律，掌握流體層流流動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)λ與雷諾數(shù)Re的關(guān)系及變化規(guī)律，掌握流體流經(jīng)閥門和彎頭時(shí)局部阻力系數(shù)ζ的測定方法等。這個(gè)階段，學(xué)生從掌握理論知識(shí)上升到掌握實(shí)踐操作，其動(dòng)手能力得到明顯提高。此過程僅僅限于從無到有的階段。第二重，學(xué)生獨(dú)立熟練操作。學(xué)生在掌握基本技能和實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)后，需要對(duì)裝置進(jìn)行整體把握，掌握控制點(diǎn)和整體的參數(shù)協(xié)調(diào)控制能力。教師告訴學(xué)生要做到熟練掌握實(shí)驗(yàn)技能，還需要加強(qiáng)鍛煉。我們提出客戶體驗(yàn)度的概念，讓學(xué)生在人機(jī)互動(dòng)中熟悉實(shí)驗(yàn)裝置，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可重復(fù)性高、誤差小。學(xué)生由被動(dòng)灌輸轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，不斷自我提高。第三重，讓學(xué)生充當(dāng)老師，來講述實(shí)驗(yàn)操作原理和目的，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程。這時(shí)需要學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重新整合和歸納，使其邏輯性得到大幅度提高，知識(shí)體系得到質(zhì)的改善。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生對(duì)裝置更加熟悉，其流程和數(shù)據(jù)測量水準(zhǔn)得到提高，能發(fā)現(xiàn)各種問題并且逐一加以解決，其動(dòng)手能力和綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ驳玫酱蠓忍岣?。第四重，通過長時(shí)間的實(shí)驗(yàn)操作和思考，計(jì)算和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差和理論公式并對(duì)誤差產(chǎn)生的原因進(jìn)行深層次思考，設(shè)計(jì)和改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置，提出合理化建議，改善實(shí)驗(yàn)裝置的性能。比如學(xué)生在做層流實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過測量ΔP值來反推流速（管長、管內(nèi)徑確定），再通過計(jì)算雷諾數(shù)確定是否在層流的范圍之內(nèi)（Re≤2000），驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否合理，然后計(jì)算層流 （滯流）時(shí)的λ值。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的合理化、人性化和信息化。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于信息化和智能化的融合，人機(jī)互動(dòng)的考量相對(duì)發(fā)展滯后。如何對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)群進(jìn)行綜合分析和討論，設(shè)計(jì)或創(chuàng)造出新模型、新裝置或新理論，則是對(duì)專業(yè)級(jí)人才培養(yǎng)的一大挑戰(zhàn)。

三、結(jié)束語

樹立“以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想，提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中的體驗(yàn)度，建立四重境界的進(jìn)階式培養(yǎng)模式，不僅能培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、動(dòng)手能力強(qiáng)的學(xué)生，還能加強(qiáng)與社會(huì)接軌，為社會(huì)輸送高素養(yǎng)的人才，為我校一流專業(yè)建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

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