新工科背景下能源动力类专业实验教学模式探索

1、引言
高等教育的目标是培养有独立工作能力的专业人才，但新一轮科技革命与我国发展方式转变、发展动能转换交汇，内外环境的变化对高等教育发展带来新挑战。教育部于2017年启动了新工科建设，对人才培养提出了更高的要求。新工科建设是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。新工科建设是现阶段实验教学的起点和目标，有利于提高学生的实践思考能力、培养学生
的实验素养和创新能力。对于热流科学，实验仍是获取新知识的主要途径，科研也离不开实验研究。此外，实验教学对于提升毕业生的就业竞争力的作用日益突出，这也是能源市场对人才培养改革的需求。可见，实验教学对于能源动力类专业的人才培养具有十分重要的意义。
我校“动力工程及工程热物理”一级学科获批为广东省优势重点学科，学科的实验教学强调“提高实践能力、培养实验素养和创新意识”的人才培养理念，要求强化学科和专业的优势特色，实现实验教学内容与节能行业紧密结合，助推区域经济社会发展。因此，为办出具有地域特色的能源专业，满足地方工业技术发展的需要，能源动力类专业教学队伍进行了一系列的探索。针对我校能源动力类专业实验教学的现状，将探索实验教学的内在规律和要求，从实验教学课程方面着手，改善实验教学环节，以期充分调动学生的积极性，探索如何优化能源动力类专业实验模式，增加学科前沿类、创新类教学内容以适应新型工科人才培养。
2、实验教学的现状及存在的问题
按照2018级能源专业人才培养方案的要求，学科基础课和专业课的实验环节全部包含在课程内，实验学时数被包含在各门课程的总学时数中。其中，能源专业包含有实验环节的学科基础课程共4门，包括《工程热力学》、《工程流体力学》、《传热传质学》、《测试技术》；含实验环节的专业课程有12门，包括《压缩机技术》、《燃烧学》、《制冷原理与装置》、《热工过程自动调节》、《锅炉原理》、《空气调节》、《楼宇自动化》、《内燃机原理》、《分布式能源系统概论》、《汽轮机原理》、《发电厂集控运行》和《可再生能源技术》。这些课程的实验部分4-10学时不等，每门课程设置2-4个实验项目。经过近六年的实践，这种实验设置模式存在的问题逐渐呈现。
2.1缺少完整的实验安全教育环节
目前，实验室安全工作大多停留在宏观管理层面，师生参与度较低。较少能源动力类专业专门开设独立的实验室安全教育课程，一般在实验项目开始前期进行简单的培训，学生对实验室安全的认识不足，这将导致学生在实验中麻痹大意，使实验室安全隐患累积、产生和导致实验室安全责任事故。
2.2实验分组人数多，影响学生积极性
根据“新工科”人才培养要求，实验教学在学生实践能力、创新能力培养方面应该发挥更大的作用，但是学生在实验过程中积极性不足。一方面原因是仪器人均台数不足，能源专业不断扩招，虽实验仪器的数量每年均有增加，但相对于学生人数仍显不足。另一方面，实验项目归属于相应的课程，所以在相应时间内只能进行一门课程的实验项目，最多也只能同时开展4个实验项目。这两方面导致了实验每组人数近5人，造成了学生在完成实验过程中相互依赖的心理，表现为实验前不预习，实验中被动、实验目的不明确，实验后抄袭实验报告等。另外，也造成了仪器设备的使用时间分配不合理，造成资源的浪费。
2.3实验项目传统，缺乏对学生创新能力的培养
原有实验教学从属于某一门课程，教学内容缺少交叉融合、协同育人；另一方面，多数实验项目在定制的仪器设备完成，这类仪器设备由教学设备厂生产，实验步骤均已规定好，主要采用教师演示、学生模仿的教学模式，学生只需要根据规定的实验步骤完成实验，难以发挥学生的主观能动性。认为这种方式缺少对实验操作的具体考核，不利于激发学生的思考、讨论与合作。目前，多数实验项目的设置是根据市场上已有设备进行考虑，少数实验项目是基于自行搭建的平台。与其它高校相比较，我校的能源专业实验教学环节中学生被动接受多，自主学习和动手环节少；实验项目缺乏探索性与创新性，不利于学生创新能力的培养。
3、学科基础课和专业课实验独立设课的改革方案
通过访谈发现，省内的能源动力类高等院校的实验教学也存在类似问题。针对这一问题，根据课程知识内容的承启关系和教学规律，在保证原培养方案科学性的基础上，充分考虑我校能源实验条件，提出了整合零散设置在课程中的实验内容，合并开设系列实验课程的解决方案。
根据现有专业人才培养方案，将能源专业在第三学期开出的《工程流体力学》和《工程热力学》课程所含的实验项目，加上实验室安全教育环节，独立设置成《热工基础综合实验(一)》，该实验课共16个学时，1个学分。将第六学期开出的《测试技术》课程调至第四学期，与第四学期开出的《传热传质学》和所含的实验项目独立设置成《热工基础综合实验(二)》，该实验课也为16学时，1个学分。热工基础综合实验兼顾专业基础课程知识学习与学生能力培养，精选基础理论经典教学内容，着重基本实验技能与综合实践能力培养，实验项目包括“渐缩喷管流动测试实验”、“沿程阻力和局部阻力系数测定实验”、“液体导热系数测量实验”等16个模块。
在第五学期将《压缩机技术》、《燃烧学》、《制冷原理与装置》和《热工过程自动调节》课程的实验合并设置为32学时，2个学分的《能源专业课程实验(一)》。在第六学期将《锅炉原理》、《空气调节》、《楼宇自动化》、《内燃机原理》、《分布式能源系统概论》、《汽轮机原理》课程的实验合并设置为32学时，2个学分的《能源专业课程实验(二)》。在第七学期将《发电厂集控运行》和《可再生能源技术》课程的实验合并设置为16学时，1个学分的《能源专业课程实验(三)》。
专业课实验兼顾知识应用与专业工程能力培养兼顾，主要为工程应用类实验，如“往复式压气机性能实验”、“太阳能负载实验”、“制冷机性能实验”等，结合专业知识背景，及学科科研实验基础开发建设的。第六学期还开设动力设备拆装实训。

表1为各实验课程的学时数分配情况。
实验独立设课后，按照每周2学时进行，对于总学时为16的课程，实验时间为9-16周；对于总学时为32的课程，实验时间为1-16周。实验部分独立设课后，除了能解决上述问题外，还能积极调动师生的积极性。
3.1加强对学生实验环节的考核，提高其积极性
对实验环节重新设计后，实验成绩将根据学生参加实验的表现和实验报告的成绩共同确定。要求学生完成规定的实验项目，不得缺席；实验报告成绩不及格的学生，不能获得相应学分。改变了原来实验成绩只作为平时成绩纳入总成绩的情况，使学生对实验教学环节更加重视。
3.2减少实验小组人数，提高实验设备的利用率
由于新设的实验课程包含2门或2门以上的课程，包含的实验项目7~16个不等。因此，在同一时间可开展不同课程的多个实验项目，可采用循环制的形式将学生分为若干组，使每组人数不超过3人。例如，《热工基础综合实验(一)》包括了3个工程流体力学的实验项目，共有实验设备12台，还包括了4个工程热力学的实验项目，共有实验设备12台，即该新设实验课程共有7个实验项目，24台实验设备。1个自然班近45人，可分为21组，每组2~3名学生，按照每周完成1个实验项目的进度，7周可完成该课程全部实验，还有1周为实验室安全教育。通过这样的设置方式，实验设备可多次使用，从而提高利用率。
3.3增加原来课程的理论教学学时
由于原课程中包含了实验学时，导致理论教学学时减少。例如《工程热力学》共计64学时，扣除8个理论学时后只剩56学时，授课时间远远不足。导致了课程教授内容有所缩减，讲授速度快，对于学习能力较差的学生，不能全部接受，容易导致学生的厌学心理。独立设置实验课后，在一定程度上，能解决这一问题。
4、综合性、设计性实验项目的开发
为了实行多层次教学，发挥不同层次课程协同作用，实验教学坚持提高综合性、设计性实验的比例，加强综设实验项目建设。专业基础课程实验的主要目的是通过教学实验巩固充实基本理论内容，专业课程实验强调在实验教学过程增加综合性、设计性的实验内容，注重工程训练，培养学生独立个性和创新能力。学生对专业知识的学习，是经过理论到实践、单一到综合、基础到应用，最后进行实验训练的过程。
4.1设置柔性的实验项目供学生选择
由于存在个体差异，学生的基础理论知识水平不一致，因此实验教学对于所有学生的要求有所区别，既要加强共性化实验教学体系建设，也注重个性化实验教学体系建设。学生可根据自身的兴趣和水平选择实验项目，只需完成规定的学时即可。根据学生的反馈，可对实验项目进行难度系数进行量化，基础理论知识扎实的学生可以选择高难度、综合性更强的实验项目，充分发挥其理论知识；而基础薄弱的学生可选择难度相对较低的实验项目，以加强学生的实验积极性。
4.2打破传统的教学模式，培养创新意识
专业课程实验作为理论学习和创造性研究、开发、设计的结合点，应该重视其教学模式。对于能源动力类专业，需打破原有“手把手”的教学模式，采用学生自主预习综合性实验、提前计划设计性实验的模式。综合性、设计性实验的作用不只是简单地验证理论的正确性。这种模式充分发挥学生的主观能动性，从提高学生的参与度，培养探索性和创新性。
4.3加强实验环节的考核，评价实验效果
实验报告是对实验数据进行处理和总结，也是实验内容的一部分。实验报告的质量，可以检验学生对课堂理论知识的理解、对实践操作的掌握程度、思考问题和解决问题的能力以及对待实践的态度等。相对于验证性实验，综合性、设计性实验的难度更大，需要学生做好预习工作，完成预习报告。在实验过程中，由于实验没有统一的步骤，需要学生在实践中不断去思考，在实验计划的基础上不断调整。实验结束后，学生完成实验报告。因此，要加强对实验前的预习报告、实验过程操作情况、实验后的报告的考核。不允许没有预习报告的学生进行实验；实验过程中，指导老师要记录每组操作情况，可在实验室大屏幕上将数据量化；实验完成后，检查实验数据以确保实验的有效性，避免课后返工。特别对于设计性实验，其实验项目一般研究方向明确，具有可行性基础，但不一定有确定的实验结果。因此，数据的检查更加重要。对于总抄袭实验报告、投机取巧的学生要求其进行现场实验考核。
4.4增加实验室开发时间，加强学生个体间知识的流动
虽然很多高校在开放实验室模式进行积极有益的探索，但对其重视程度仍然不够，开放程度不够。在新工科建设和开放式创新的背景下，为了加强突出了学生在实验教学过程中的主体地位，鼓励学生进行实践，实验室每周固定时间开发，可设置3~4个半天的时间，由学生提前预约时间和实验项目。对于实验过程中出现的问题，指导教师首先启发、引导学生自行处理，而不是学生一提出问题就立即回答。另外，也为学生提供创新创业实验场地，通过以比赛为导向进行创新和实验，增强人才的工程实践和集成创新能力培养，打造更加符合拔尖创新人才成长需要的实验条件。
5、总结
针对新工科背景下如何培养具有实验素养和创新意识的人才进行了实验教学的改革，提升了实验教学理念，实现多层次实验教学有效协同。不管在科研岗位还是工程岗位上，科学的实验手段对能源动力类转恶业的人才都十分重要。在能源动力类专业的人才培养方面，通过对能源专业实验环节的独立设课，有利于培养学生的工程实践能力和创新意识，提高实践教学环节的教学效果，开拓学生的专业视野。在开展实践教学改革方面，还要不断提出新的设想，将其付诸实现。实验教学改革永无止境，要不断根据技术的进步和社会需求不断探索，加快推进能源专业的实验教学改革进程，实现教学模式变革，激发学生的专业兴趣和创新意识，在高素质创新型人才培养过程中发挥了重要作用。