新工科背景下能源動力類專業實驗教學模式探索
1、引言
高等教育的目標是培養有獨立工作能力的專業人才，但新一輪科技革命與我國發展方式轉變、發展動能轉換交匯，內外環境的變化對高等教育發展帶來新挑戰。教育部于2017年啟動了新工科建設，對人才培養提出了更高的要求。新工科建設是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。新工科建設是現階段實驗教學的起點和目標，有利于提高學生的實踐思考能力、培養學生
的實驗素養和創新能力。對于熱流科學，實驗仍是獲取新知識的主要途徑，科研也離不開實驗研究。此外，實驗教學對于提升畢業生的就業競爭力的作用日益突出，這也是能源市場對人才培養改革的需求。可見，實驗教學對于能源動力類專業的人才培養具有十分重要的意義。
我校“動力工程及工程熱物理”一級學科獲批為廣東省優勢重點學科，學科的實驗教學強調“提高實踐能力、培養實驗素養和創新意識”的人才培養理念，要求強化學科和專業的優勢特色，實現實驗教學內容與節能行業緊密結合，助推區域經濟社會發展。因此，為辦出具有地域特色的能源專業，滿足地方工業技術發展的需要，能源動力類專業教學隊伍進行了一系列的探索。針對我校能源動力類專業實驗教學的現狀，將探索實驗教學的內在規律和要求，從實驗教學課程方面著手，改善實驗教學環節，以期充分調動學生的積極性，探索如何優化能源動力類專業實驗模式，增加學科前沿類、創新類教學內容以適應新型工科人才培養。
2、實驗教學的現狀及存在的問題
按照2018級能源專業人才培養方案的要求，學科基礎課和專業課的實驗環節全部包含在課程內，實驗學時數被包含在各門課程的總學時數中。其中，能源專業包含有實驗環節的學科基礎課程共4門，包括《工程熱力學》、《工程流體力學》、《傳熱傳質學》、《測試技術》；含實驗環節的專業課程有12門，包括《壓縮機技術》、《燃燒學》、《制冷原理與裝置》、《熱工過程自動調節》、《鍋爐原理》、《空氣調節》、《樓宇自動化》、《內燃機原理》、《分布式能源系統概論》、《汽輪機原理》、《發電廠集控運行》和《可再生能源技術》。這些課程的實驗部分4-10學時不等，每門課程設置2-4個實驗項目。經過近六年的實踐，這種實驗設置模式存在的問題逐漸呈現。
2.1缺少完整的實驗安全教育環節
目前，實驗室安全工作大多停留在宏觀管理層面，師生參與度較低。較少能源動力類專業專門開設獨立的實驗室安全教育課程，一般在實驗項目開始前期進行簡單的培訓，學生對實驗室安全的認識不足，這將導致學生在實驗中麻痹大意，使實驗室安全隱患累積、產生和導致實驗室安全責任事故。
2.2實驗分組人數多，影響學生積極性
根據“新工科”人才培養要求，實驗教學在學生實踐能力、創新能力培養方面應該發揮更大的作用，但是學生在實驗過程中積極性不足。一方面原因是儀器人均臺數不足，能源專業不斷擴招，雖實驗儀器的數量每年均有增加，但相對于學生人數仍顯不足。另一方面，實驗項目歸屬于相應的課程，所以在相應時間內只能進行一門課程的實驗項目，最多也只能同時開展4個實驗項目。這兩方面導致了實驗每組人數近5人，造成了學生在完成實驗過程中相互依賴的心理，表現為實驗前不預習，實驗中被動、實驗目的不明確，實驗后抄襲實驗報告等。另外，也造成了儀器設備的使用時間分配不合理，造成資源的浪費。
2.3實驗項目傳統，缺乏對學生創新能力的培養
原有實驗教學從屬于某一門課程，教學內容缺少交叉融合、協同育人；另一方面，多數實驗項目在定制的儀器設備完成，這類儀器設備由教學設備廠生產，實驗步驟均已規定好，主要采用教師演示、學生模仿的教學模式，學生只需要根據規定的實驗步驟完成實驗，難以發揮學生的主觀能動性。認為這種方式缺少對實驗操作的具體考核，不利于激發學生的思考、討論與合作。目前，多數實驗項目的設置是根據市場上已有設備進行考慮，少數實驗項目是基于自行搭建的平臺。與其它高校相比較，我校的能源專業實驗教學環節中學生被動接受多，自主學習和動手環節少；實驗項目缺乏探索性與創新性，不利于學生創新能力的培養。
3、學科基礎課和專業課實驗獨立設課的改革方案
通過訪談發現，省內的能源動力類高等院校的實驗教學也存在類似問題。針對這一問題，根據課程知識內容的承啟關系和教學規律，在保證原培養方案科學性的基礎上，充分考慮我校能源實驗條件，提出了整合零散設置在課程中的實驗內容，合并開設系列實驗課程的解決方案。
根據現有專業人才培養方案，將能源專業在第三學期開出的《工程流體力學》和《工程熱力學》課程所含的實驗項目，加上實驗室安全教育環節，獨立設置成《熱工基礎綜合實驗(一)》，該實驗課共16個學時，1個學分。將第六學期開出的《測試技術》課程調至第四學期，與第四學期開出的《傳熱傳質學》和所含的實驗項目獨立設置成《熱工基礎綜合實驗(二)》，該實驗課也為16學時，1個學分。熱工基礎綜合實驗兼顧專業基礎課程知識學習與學生能力培養，精選基礎理論經典教學內容，著重基本實驗技能與綜合實踐能力培養，實驗項目包括“漸縮噴管流動測試實驗”、“沿程阻力和局部阻力系數測定實驗”、“液體導熱系數測量實驗”等16個模塊。
在第五學期將《壓縮機技術》、《燃燒學》、《制冷原理與裝置》和《熱工過程自動調節》課程的實驗合并設置為32學時，2個學分的《能源專業課程實驗(一)》。在第六學期將《鍋爐原理》、《空氣調節》、《樓宇自動化》、《內燃機原理》、《分布式能源系統概論》、《汽輪機原理》課程的實驗合并設置為32學時，2個學分的《能源專業課程實驗(二)》。在第七學期將《發電廠集控運行》和《可再生能源技術》課程的實驗合并設置為16學時，1個學分的《能源專業課程實驗(三)》。
專業課實驗兼顧知識應用與專業工程能力培養兼顧，主要為工程應用類實驗，如“往復式壓氣機性能實驗”、“太陽能負載實驗”、“制冷機性能實驗”等，結合專業知識背景，及學科科研實驗基礎開發建設的。第六學期還開設動力設備拆裝實訓。
表1為各實驗課程的學時數分配情況。
實驗獨立設課后，按照每周2學時進行，對于總學時為16的課程，實驗時間為9-16周；對于總學時為32的課程，實驗時間為1-16周。實驗部分獨立設課后，除了能解決上述問題外，還能積極調動師生的積極性。
3.1加強對學生實驗環節的考核，提高其積極性
對實驗環節重新設計后，實驗成績將根據學生參加實驗的表現和實驗報告的成績共同確定。要求學生完成規定的實驗項目，不得缺席；實驗報告成績不及格的學生，不能獲得相應學分。改變了原來實驗成績只作為平時成績納入總成績的情況，使學生對實驗教學環節更加重視。
3.2減少實驗小組人數，提高實驗設備的利用率
由于新設的實驗課程包含2門或2門以上的課程，包含的實驗項目7~16個不等。因此，在同一時間可開展不同課程的多個實驗項目，可采用循環制的形式將學生分為若干組，使每組人數不超過3人。例如，《熱工基礎綜合實驗(一)》包括了3個工程流體力學的實驗項目，共有實驗設備12臺，還包括了4個工程熱力學的實驗項目，共有實驗設備12臺，即該新設實驗課程共有7個實驗項目，24臺實驗設備。1個自然班近45人，可分為21組，每組2~3名學生，按照每周完成1個實驗項目的進度，7周可完成該課程全部實驗，還有1周為實驗室安全教育。通過這樣的設置方式，實驗設備可多次使用，從而提高利用率。
3.3增加原來課程的理論教學學時
由于原課程中包含了實驗學時，導致理論教學學時減少。例如《工程熱力學》共計64學時，扣除8個理論學時后只剩56學時，授課時間遠遠不足。導致了課程教授內容有所縮減，講授速度快，對于學習能力較差的學生，不能全部接受，容易導致學生的厭學心理。獨立設置實驗課后，在一定程度上，能解決這一問題。
4、綜合性、設計性實驗項目的開發
為了實行多層次教學，發揮不同層次課程協同作用，實驗教學堅持提高綜合性、設計性實驗的比例，加強綜設實驗項目建設。專業基礎課程實驗的主要目的是通過教學實驗鞏固充實基本理論內容，專業課程實驗強調在實驗教學過程增加綜合性、設計性的實驗內容，注重工程訓練，培養學生獨立個性和創新能力。學生對專業知識的學習，是經過理論到實踐、單一到綜合、基礎到應用，最后進行實驗訓練的過程。
4.1設置柔性的實驗項目供學生選擇
由于存在個體差異，學生的基礎理論知識水平不一致，因此實驗教學對于所有學生的要求有所區別，既要加強共性化實驗教學體系建設，也注重個性化實驗教學體系建設。學生可根據自身的興趣和水平選擇實驗項目，只需完成規定的學時即可。根據學生的反饋，可對實驗項目進行難度系數進行量化，基礎理論知識扎實的學生可以選擇高難度、綜合性更強的實驗項目，充分發揮其理論知識；而基礎薄弱的學生可選擇難度相對較低的實驗項目，以加強學生的實驗積極性。
4.2打破傳統的教學模式，培養創新意識
專業課程實驗作為理論學習和創造性研究、開發、設計的結合點，應該重視其教學模式。對于能源動力類專業，需打破原有“手把手”的教學模式，采用學生自主預習綜合性實驗、提前計劃設計性實驗的模式。綜合性、設計性實驗的作用不只是簡單地驗證理論的正確性。這種模式充分發揮學生的主觀能動性，從提高學生的參與度，培養探索性和創新性。
4.3加強實驗環節的考核，評價實驗效果
實驗報告是對實驗數據進行處理和總結，也是實驗內容的一部分。實驗報告的質量，可以檢驗學生對課堂理論知識的理解、對實踐操作的掌握程度、思考問題和解決問題的能力以及對待實踐的態度等。相對于驗證性實驗，綜合性、設計性實驗的難度更大，需要學生做好預習工作，完成預習報告。在實驗過程中，由于實驗沒有統一的步驟，需要學生在實踐中不斷去思考，在實驗計劃的基礎上不斷調整。實驗結束后，學生完成實驗報告。因此，要加強對實驗前的預習報告、實驗過程操作情況、實驗后的報告的考核。不允許沒有預習報告的學生進行實驗；實驗過程中，指導老師要記錄每組操作情況，可在實驗室大屏幕上將數據量化；實驗完成后，檢查實驗數據以確保實驗的有效性，避免課后返工。特別對于設計性實驗，其實驗項目一般研究方向明確，具有可行性基礎，但不一定有確定的實驗結果。因此，數據的檢查更加重要。對于總抄襲實驗報告、投機取巧的學生要求其進行現場實驗考核。
4.4增加實驗室開發時間，加強學生個體間知識的流動
雖然很多高校在開放實驗室模式進行積極有益的探索，但對其重視程度仍然不夠，開放程度不夠。在新工科建設和開放式創新的背景下，為了加強突出了學生在實驗教學過程中的主體地位，鼓勵學生進行實踐，實驗室每周固定時間開發，可設置3~4個半天的時間，由學生提前預約時間和實驗項目。對于實驗過程中出現的問題，指導教師首先啟發、引導學生自行處理，而不是學生一提出問題就立即回答。另外，也為學生提供創新創業實驗場地，通過以比賽為導向進行創新和實驗，增強人才的工程實踐和集成創新能力培養，打造更加符合拔尖創新人才成長需要的實驗條件。
5、總結
針對新工科背景下如何培養具有實驗素養和創新意識的人才進行了實驗教學的改革，提升了實驗教學理念，實現多層次實驗教學有效協同。不管在科研崗位還是工程崗位上，科學的實驗手段對能源動力類轉惡業的人才都十分重要。在能源動力類專業的人才培養方面，通過對能源專業實驗環節的獨立設課，有利于培養學生的工程實踐能力和創新意識，提高實踐教學環節的教學效果，開拓學生的專業視野。在開展實踐教學改革方面，還要不斷提出新的設想，將其付諸實現。實驗教學改革永無止境，要不斷根據技術的進步和社會需求不斷探索，加快推進能源專業的實驗教學改革進程，實現教學模式變革，激發學生的專業興趣和創新意識，在高素質創新型人才培養過程中發揮了重要作用。
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