夏侯國偉　張曉烽　張　巍

新工科背景下設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)質(zhì)量提升的探索

夏侯國偉張曉烽張巍

（長沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

針對目前設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)質(zhì)量不佳的現(xiàn)狀，以及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要影響，本文提出提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“三性”（工程實(shí)踐性、時(shí)效性及交叉融合性）的改革思路。繼而分析討論了四種可以提高“三性”的方法，以及三種保持設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的輔助措施，為檢驗(yàn)所提改革思路與措施對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的促進(jìn)作用，筆者在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對這些改革舉措進(jìn)行了應(yīng)用，獲得了良好的效果，探索表明，本文的研究內(nèi)容對提升設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，促進(jìn)新工科背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革具有很好的參考意義。

新工科；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)；改革

為適應(yīng)新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革及創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展的需要，以2017年2月18日在復(fù)旦召開的高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會[1]為標(biāo)志，教育部吹響了全國工科院校進(jìn)行新工科建設(shè)的號角，開啟了工程教育改革的新征程。隨著復(fù)旦共識[1]、天大行動(dòng)[2]、北京指南[3]的發(fā)布，全國工科院校掀起了傳統(tǒng)專業(yè)改革重生、新興專業(yè)規(guī)劃設(shè)置[4]的建設(shè)高潮，新工科建設(shè)正式鋪開。

建設(shè)新工科，傳統(tǒng)專業(yè)是改革的重點(diǎn)，作為專業(yè)建設(shè)的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)必須予以充分重視。眾所周知，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)角色非常關(guān)鍵，尤其是在建設(shè)新工科的當(dāng)下。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)涉及多課程、多維度、多學(xué)科的交叉融合，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主觀能動(dòng)性、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識和工程實(shí)踐意識，也非常有利于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)與工程實(shí)踐能力，從而達(dá)到培養(yǎng)面向工程實(shí)踐、面向未來、面向產(chǎn)業(yè)甚至引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的，具有交叉復(fù)合知識、較高綜合素養(yǎng)、較強(qiáng)工程實(shí)踐能力的卓越工程技術(shù)人才的目的，為國家科技進(jìn)步與社會發(fā)展提供有力支撐。

為此相關(guān)高校對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)立做了不少探索。如吳寧等[5]依托虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，給學(xué)生開設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還能增強(qiáng)其科研能力和探索精神。黎明[6]針對電工電子學(xué)課程，提出教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)由淺入深的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的真實(shí)情境，在眾多知識點(diǎn)處通過一系列的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”，經(jīng)過循序漸進(jìn)的良性循環(huán)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。白曉艷等[7]以分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，對分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中開展學(xué)生自選題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索，論述了在教學(xué)過程中加強(qiáng)選題指導(dǎo)、方案設(shè)計(jì)、過程把控等環(huán)節(jié)對提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力及自主學(xué)習(xí)能力的作用。

上述從平臺或課程角度切入對設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目開設(shè)進(jìn)行的探索，有其價(jià)值，但客觀講還欠缺更高層次的思考與探索，如果能從方法論的角度對其進(jìn)行探索，無疑將更具普遍意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前，能動(dòng)類專業(yè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的開展還很薄弱，以長沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院為例，雖一直宣揚(yáng)要重視設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，但實(shí)際情況仍很難令人滿意，如現(xiàn)在開出的104項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，演示4項(xiàng)、驗(yàn)證16項(xiàng)、綜合82項(xiàng)、設(shè)計(jì)性2項(xiàng)，而設(shè)計(jì)性項(xiàng)目僅占2%，且其內(nèi)容與新工科強(qiáng)調(diào)的工程實(shí)踐及學(xué)科融合的要求存在很大差距。

基于新工科建設(shè)要求及設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀，容易得知，目前設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)與量都與新工科的要求相差甚遠(yuǎn)。要改變現(xiàn)狀，關(guān)鍵是要提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。思考認(rèn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量高低應(yīng)由其“工程實(shí)踐性、時(shí)效性及交叉融合性”來決定，為方便起見，將其稱為“三性”。顯然，要提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量就必須提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的“三性”，“三性”越高質(zhì)量越好，這就是本文所述提升設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的改革思路。

1　造成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)落后的原因分析

為有效提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的“三性”，必須分析設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)落后的原因。長期以來我國工科教育遵循的是“科學(xué)范式”，致使工科教育理科化，工程教育與工程實(shí)踐及產(chǎn)（企）業(yè)間出現(xiàn)隔閡，破壞了理論與實(shí)踐的平衡[8-10]。另外，蘇聯(lián)模式的專業(yè)設(shè)置致使專業(yè)細(xì)分，使學(xué)科交融變得很難。實(shí)驗(yàn)教學(xué)受此二者的影響與約束，導(dǎo)致與工程實(shí)踐的契合度變差，學(xué)科交叉的融合度變低，嚴(yán)重制約了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能發(fā)揮。

由此易知，能否提煉出“三性”突出的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革關(guān)系重大，這也是本文研究的目的所在。

2　提煉“三性”突出的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的方法

由上可知，要提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量，關(guān)鍵在于提高“三性”，具體就是要讓設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)芫o密聯(lián)系工程實(shí)踐、能及時(shí)反映新技術(shù)新方法、能較好融合不同學(xué)科知識。根據(jù)多年對實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的思考和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的積累，筆者認(rèn)為應(yīng)從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)、教師科研、研究生畢業(yè)論文及學(xué)科競賽切入，采用濃縮、簡化、抽象、歸納的方法手段，能凝練出高“三性”的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，此乃提煉“三性”突出的有效方法，具體論述如下。

2.1 從本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中提煉

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)理論、專業(yè)知識和基本技能，分析與解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生得到從事實(shí)際工作所需的基本訓(xùn)練和進(jìn)行科研工作的初步能力。從培養(yǎng)目的看，畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)著重知識的綜合運(yùn)用及實(shí)際問題的解決。作為工科院校，大部分畢業(yè)設(shè)計(jì)題目都涉及實(shí)驗(yàn)研究工作，具有一定的綜合性和知識交叉性。為此，可從那些完成質(zhì)量高，榮獲院、校優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文中進(jìn)行篩選，選擇一些與工程實(shí)際聯(lián)系緊密、知識交叉明顯、與專業(yè)課程相關(guān)度高的畢業(yè)設(shè)計(jì)，對其進(jìn)行相應(yīng)的歸納整理與提煉，提煉時(shí)可特意保留或設(shè)計(jì)一些多學(xué)科知識融合交叉及與工程實(shí)際相結(jié)合的環(huán)節(jié)，以使學(xué)生能充分了解該實(shí)驗(yàn)在工程實(shí)際中的作用，提高學(xué)生選擇及完成該實(shí)驗(yàn)的積極性。

2.2 從教師科研課題中提煉

工科院校中，眾多教師都在積極申報(bào)各類政府資助項(xiàng)目或企業(yè)技術(shù)合作項(xiàng)目。前者為縱向項(xiàng)目，后者為橫向項(xiàng)目。縱向注重工程應(yīng)用中的物理現(xiàn)象機(jī)理研究，以解決工程中的科學(xué)問題，強(qiáng)調(diào)研究的創(chuàng)新性和共性問題解決，思維多元、視覺寬廣、知識融合度高，知識層次顯著高于本科教育的水平，對此可在保證“三性”基礎(chǔ)上，簡化實(shí)驗(yàn)過程，摘取部分實(shí)驗(yàn)來形成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。橫向則注重生產(chǎn)過程中的技術(shù)進(jìn)步與實(shí)際問題解決，強(qiáng)調(diào)的是技術(shù)與方法的先進(jìn)性，與本科教育的層次更為接近，同時(shí)也與工程實(shí)際直接相關(guān)，為此可以從中選擇一些便于抽象濃縮的實(shí)驗(yàn)來形成設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。相對而言，橫向項(xiàng)目更適于本科設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的轉(zhuǎn)化提煉。通過教師科研課題提煉的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其工程實(shí)踐性、時(shí)效性和交叉融合性明顯，是提高設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)品質(zhì)的有效途徑。

2.3 從研究生畢業(yè)論文中提煉

隨著碩士研究生招生人數(shù)的增加，每年有相當(dāng)數(shù)量的碩士畢業(yè)論文要完成。碩士論文在100%盲審、小于15%重復(fù)率及強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新的氛圍下，研究生們往往在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，需要查閱大量國內(nèi)外研究背景，才能提煉出具有明顯創(chuàng)新、跨界融合，及有現(xiàn)實(shí)意義的研究課題，然后展開研究，其中大部分題目含有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?；诖耍缒軐δ切┟徳u價(jià)高，或榮獲校、省級優(yōu)秀碩士論文的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行提煉，容易獲得工作量適中、過程完整的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，然后將其轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。顯然，對碩士研究生畢業(yè)論文進(jìn)行提煉是設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的一個(gè)非常有價(jià)值的來源，值得很好重視和加以利用。

2.4 從學(xué)科競賽中提煉

以能動(dòng)類專業(yè)為例，能動(dòng)類學(xué)生參加的全國性學(xué)科競賽主要有，“全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽”（以下簡稱“節(jié)能減排大賽”）和“挑戰(zhàn)杯”系列競賽。兩項(xiàng)大賽都是“國賽”，層次高、影響大，尤其是前者，深受能動(dòng)類學(xué)生青睞，每年都有大量學(xué)生報(bào)名參加，且競爭頗為激烈?，F(xiàn)以“節(jié)能減排大賽”為例，簡介學(xué)科競賽項(xiàng)目轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的可行性?！肮?jié)能減排大賽”基于增強(qiáng)大學(xué)生節(jié)能環(huán)保意識、科技創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神的目的，非常重視學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和工程實(shí)踐能力，其中實(shí)物性作品必須要有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對于既要求創(chuàng)新又要求實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的作品，其實(shí)驗(yàn)過程往往非常精彩和別出心裁，且思維層次思維特征較符合大學(xué)生胃口，對大學(xué)生而言有較天然的親近感，鑒于此，如能對那些經(jīng)歷了全國性網(wǎng)評、會評的獲獎(jiǎng)作品，作進(jìn)一步的整理完善，很可能會產(chǎn)生頗具價(jià)值的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 保持設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的輔助措施

基于設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)需滿足工程實(shí)踐性、時(shí)效性和交叉融合性的要求，為保證設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量，在教學(xué)實(shí)施過程中顯然需要采取一些有針對性的輔助措施，具體措施如下所述。

3.1 項(xiàng)目的及時(shí)更新

既然設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要有時(shí)效性，要及時(shí)反映新技術(shù)、新方法，則這類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目就應(yīng)保持適度的更新頻率，以使項(xiàng)目保持新鮮活力，防止其滯后于社會與工程實(shí)踐的發(fā)展變化，以便學(xué)生接觸新知識，掌握工程技術(shù)的新動(dòng)態(tài)。

3.2 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的綱要式編寫

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書應(yīng)與驗(yàn)證性、綜合性實(shí)驗(yàn)不同，其內(nèi)容宜粗不宜細(xì)，以防出現(xiàn)“按圖索驥”的機(jī)械性實(shí)驗(yàn)，因此，設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)書只能綱要式編寫，重點(diǎn)放在明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⑻岢鰧?shí)驗(yàn)要求，及安全事項(xiàng)的提示上，實(shí)驗(yàn)的原理、方法可由學(xué)生自行思考確定。如此，可更好地培養(yǎng)學(xué)生與工程實(shí)踐相結(jié)合的意識，引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)交叉學(xué)科的學(xué)習(xí)與思考，促進(jìn)學(xué)生工程意識與綜合能力的提高。

3.3 實(shí)驗(yàn)方案事前撰寫

為使學(xué)生能順利完成設(shè)計(jì)性項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)過程，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)有序進(jìn)行，有必要要求學(xué)生進(jìn)行事前預(yù)習(xí)并撰寫實(shí)驗(yàn)方案，這樣做既可以保證教學(xué)進(jìn)程，也可以保證教學(xué)質(zhì)量，還能培養(yǎng)學(xué)生良好細(xì)致的工作作風(fēng)，有利于其未來的工程實(shí)踐。

4 實(shí)踐效果

為檢驗(yàn)本文所述設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的效果，筆者選擇一個(gè)“節(jié)能減排大賽”國賽二等獎(jiǎng)項(xiàng)目“聚光光伏電池散熱用板式脈動(dòng)熱管散熱器研發(fā)”，對其進(jìn)行了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的提煉，提煉后的實(shí)驗(yàn)名稱為“具有脈動(dòng)特性的相變傳熱性能實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合了光伏發(fā)電、太陽能、相變傳熱及工程應(yīng)用，較好體現(xiàn)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的“三性”。當(dāng)學(xué)生了解到該實(shí)驗(yàn)可應(yīng)用于熱門的太陽能光伏發(fā)電的芯片冷卻及高熱流密度芯片的散熱冷卻時(shí)，都表現(xiàn)得特別興奮，為順利完成實(shí)驗(yàn)積極主動(dòng)地去查閱資料，并認(rèn)真撰寫實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)完成后，不少同學(xué)表示新實(shí)驗(yàn)很有趣，不僅能開闊眼界、學(xué)到新知識，還能獲得很好的動(dòng)手動(dòng)腦機(jī)會，收獲很大，并希望未來能有更多的機(jī)會參與到類似的實(shí)驗(yàn)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去。

5 結(jié) 語

基于新工科背景下設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要作用，提出了“三性”決定設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的論斷，討論了提煉“三性”突出的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的四種方法及確保設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)運(yùn)行質(zhì)量的三個(gè)輔助措施，并在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對這些改革進(jìn)行了應(yīng)用與驗(yàn)證，結(jié)果表明：本文所研究的方法對提煉“三性”突出的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目有十分良好的效果，所做研究是對新工科背景下工科院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一種有益探索。

[1]教育部高等教育司.“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[EB/OL]. (2017-02-23)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201702/t20170223_297122.html.

[2]教育部高等教育司.“新工科”建設(shè)行動(dòng)路線（“天大行動(dòng)”）[EB/OL].(2017-04-12)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/s78/A08/moe_745/201704/t20170412_302427.html.

[3]教育部.新工科建設(shè)形成“北京指南”[EB/OL].(2017-06-10) [2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/gzdt_gzdt/moe_1485/201706/t20170610_306699.html.

[4]教育部.我國工程教育邁入全球“第一方陣”[EB/OL]. (2018-09-27)[2021-02-24].http://www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s5147/201809/t20180927_350082.html.

[5]吳寧,胡欣,吳遵秋,等.基于虛擬仿真平臺引入綜合性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2017,34(4):6-8.

[6]黎明.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2012,29(4):245-247.

[7]白曉艷,張春生.新建地方本科院校學(xué)生自主選題設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(11):162-165.

[8]葉民,孔寒冰,張煒.新工科:從理念到行動(dòng)[J].高等工程教育研究,2018(1):24-31.

[9]王武東,李小文,夏建國.工程教育改革發(fā)展和新工科建設(shè)的若干問題思考[J].高等工程教育研究,2020(1):52-55,99.

[10]鄒曉東,李拓宇,張煒.新工業(yè)革命驅(qū)動(dòng)下的浙江大學(xué)工程教育改革實(shí)踐[J].高等工程教育研究,2019(1):8-14,33.

G640

A

1673-2219（2021）03-0102-03

2021-02-26

長沙理工大學(xué)校級教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號XJG20-107）；湖南省教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號HNJG-2020-0273）；2019年長沙理工大學(xué)教改項(xiàng)目（No.69）。

夏侯國偉（1963－），男，江西宜春人，碩士，副教授，研究方向?yàn)楦咝鳠醾髻|(zhì)。張曉烽（1988－），男，湖北石首人，博士，副教授，研究方向?yàn)榉植际侥茉聪到y(tǒng)集成與優(yōu)化。張巍（1974－），男，湖南常德人，博士，講師，研究方向?yàn)楦咝鍧嵞茉蠢眉拔廴疚锟刂萍夹g(shù)。

（責(zé)任編校：宮彥軍）