构建科研育人的混合实验模式

［摘 要］ 高等教育中的实验教学是教学、科研和工程三者之间的重要纽带。以科研为导向的实验教学是培养学生科研素养和创新能力的重要途径。为了在传统实验的基础上更好地将新的科技成果、前沿的科学课题、关键的工程实际问题引入实验教学，对混合实验模式在科研育人中的构建方法进行了探讨。提出了构建科研导向的混合实验教学课程建设方法和依托混合实验的研究生培养方法。在科研导向的混合实验教学课程构建中，给出了以科研为导向的混合实验教学内容设计方案和多阶段多元化的评价体系。在依托混合实验的研究生培养方法中，提出了依托混合实验以提升个性化学习和提高科学研究质量的方法。

［关键词］ 混合实验；科研育人；教学课程构建；研究生培养

［基金项目］ 2021年度哈尔滨工程大学研究生教育教学改革研究项目“混合实验模式在促进创新人才培养中的设计与构建”（JG2021Y021）

［作者简介］ 吴志静（1985—），女，辽宁黑山人，博士，哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院副教授，主要从事结构动力学以及振动与噪声控制研究；温舒瑞（1985—），男，黑龙江龙江人，博士，哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院副教授（通信作者），主要从事结构动力学以及振动与噪声控制研究；李凤明（1969—），男，黑龙江林甸人，博士，哈尔滨工程大学航天与建筑工程学院教授，主要从事非线性动力学以及振动与噪声控制研究。

［中图分类号］ G643.2 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）16-0139-05 ［收稿日期］ 2023-07-15

引言

在我国提出的《中国制造2025》战略规划中，确立了将我国制造业转型升级的行动纲领［1］。我国高等教育肩负着将我国从制造大国向制造强国转变的重要使命，这就要求高校在人才培养过程中尤其注重教学、科研和工程生产的结合。在这一过程中，实验教学由于其理论联系实际的属性，是教学、科研和工程三者之间的重要纽带。作为培养学生的重要手段，以科研为导向的实验教学是培养学生科研素养和创新能力的重要途径［2］。

通过反思高等教育教学现状，目前关于实验教学的改革研究已得到各高等院校的充分重视，我国高等教育进行了不同程度的实验教学改革。如多层次、模块化教学改革方案［3-6］及三段式实验教学模式［7-8］等，为我国实验教学改革和实验教学体系建设提供了有益的启示，一些学者已经在工程实例引入、创新实验项目建设探索、考核方式改革等方面开展了大量工作［9-12］，并取得了显著成绩。

为提高学生的综合素质，在传统实验的基础上，如何将新的科技成果、前沿的科学课题、关键的工程实际问题引入研究生的实验教学，是研究生实验课程教学亟须解决的新问题。本文基于科研育人理念提出了混合实验模式的构建方法，将实验教学与科研相结合，使学生在实验过程中贴近实际、贴近前沿，旨在助力培养学生的创新意识和能力。本文所提出的混合实验模式有望为实验教学拓展新思路，提供新方法，具有重要的研究意义和应用价值。

一、构建科研导向的混合实验教学课程

构建科研导向的混合实验教学体系，一方面，可以加深学生对课堂理论知识的理解，培养其对于所学知识的系统分析能力；另一方面，可以在传统实验教学的基础上，将科学前沿性实验整合融入实验课程教学。在基础课程中，为学生打开科研视野，活跃科学思维，这对学生科学研究素养和兴趣的培养是非常有益的。

（一）以科研为导向的混合实验教学内容设计

正所谓：巧妇难为无米之炊。在混合实验教学内容设计中，要设计具有丰富成果且以科研为导向的案例资源库。为满足学生的“胃口”，避免有的学生“消化不良”，有的学生“食不果腹”，在教学内容设计上应当难易有别，拉开层次，使学生能够根据自己的需要、兴趣和爱好，最重要的是根据自身的知识储备对实验内容进行选择。

1.夯实基础性真实实验设计。充分发挥真实实验的直观性。真实实验具有实物感，可以消除学生在理论学习和虚拟实验中模糊的感觉。在实际工况的测量中，须依赖于真实的测量对象、实验环境和仪器设备。所以，学生对实验理论和设备的理解及掌握，须在传统的真实实验室中进行体验和培养。在课程教学中，注重培养学生的实验设计能力、实验仪器的使用能力、理论联系实际能力，以及后期数据处理和分析能力。培养学生对于客观世界的认知能力，将书本上的理论知识用实验手段呈现出来，同时加深对于事物本质的理解。

2.突出虚拟实验的前沿性。要把新的科技成果、科学前沿课题以及工程中的实际问题引入课堂中。应用虚拟实验可以实现将所学知识外化，激发学生的学习兴趣和主动性。充分发挥虚拟实验的可视化特点，利用计算机将实验中的基本现象呈现出来。重点培养学生对于虚拟实验环境的建模能力，以及对于图像背后科学本质的验证及分析能力。

3.对于虚拟实验，设计性强是其优势。然而，虚拟实验的弊端在于难以考虑到真实实验中各种干扰因素出现的随机性影响。虚拟实验与真实实验整合平台的构建思路遵循以真实实验为主、以数值实验为辅的原则。对于演示性、验证性的基础实验，由于操作过程简单，在实验教学设计中以真实实验系统为主，通过真实实验的结果来验证虚拟实验实现过程的正确性。以便学生掌握虚拟实验的构建思路，在虚拟实验中重现真实实验的细节和技巧，为在虚拟实验平台开展更为复杂的实验打下基础。对于前沿设计性实验，由于其对实验环境要求较高或所需仪器设备较多，当实验室仪器无法满足测量要求，或由于配置较复杂导致无法进行真实实验教学时，就需要在实验教学设计中将虚拟和真实实验有机结合，以达到理想的实验效果。

（二）以科研为导向的混合实验学习评价体系

素质教育是高校改革的核心要求。对于科研型大学而言，培养具有一定科研素养的学生是高校的首要任务。对学生的学习效果进行科学、公平的评价至关重要，是混合实验教学的重要组成部分。良好的学习效果评价体系能够激励学生主动学习，促进学生及时自我反思，调动其学习热情和求知欲望。

20世纪90年代，美国发展心理学家霍华德·加德纳提出了多元智力理论。该理论指出：人类包括七种智力，每一种智力都不是静态的，而是在不断发展和变化的，每个个体在不同的阶段都有不同的智力，而多种智力的不同组合是造成个体差异的主要原因。这种个体差异应该得到尊重，而不是作为判断个人智力水平的基础。因此，固定的考试形式不能全面评价学生的智力水平，学生智力评价应在长时间范围内多元化进行，对学生的评价要关注学生的动态发展过程。将多元智力理论应用在以科研为导向的混合实验学习评价体系中，应该从以下两点出发。

1.多阶段的反馈评价机制。在科研为导向的混合实验课程建设中，构建具有反馈机制的学生科研素质评价体系，以实现及时准确地响应现有评价体系的运行结果。充分发挥反馈的作用，使学生和教师都能在该评价体系的不断改进及完善过程中受益。建立良好反馈机制的前提是要多阶段地总结、测评学习效果，仅凭期末一次考核的排名或分数对学生的学习效果进行评价是不全面、不合理的。

由于人的智力是多元化的，每名学生都有不同于他人的智力表现，在成长的不同阶段，学生也具有不同的悟性。在多阶段的考核和测评过程中，通过运用因人而异的沟通方式，才能够对学生的学习效果进行科学评价，同时给予正向反馈，促使每名学生在课程中意识到自己的长处和短处，根据自身情况制定学习目标。在不断的反馈迭代过程中，使评价机制切实起到促进学生发展的作用，而非利用分数来抑制学生，以及消除“考，老师的法宝；分，学生的命根”这种应试教育的产物。另外，通过各阶段具有正向激励的反馈评价机制，能使教师看到学生的努力和进步。良好的学习成绩固然重要，能够看到不同基础的学生具有成长的“加速度”更为难得。

2.多元化的全面评价机制。为了加强学生创新思维和创新能力的培养，在促进以科研为导向的实验开展过程中，构建客观、全面、开放、科学的实验教学评价体系，对于转变实验教学模式、培养创新人才具有重要的意义。对学生学习评价的多元化培养，具体包括：（1）多元化的评价角色。凡是评价，就与评价主体的评价目的相关。为保证公平性，一门课程中的学生学习评价须具有多元化的评价角色。对于不同实验类型进行分组研讨教学，组内学生可以根据实验完成情况、组员参与度、组员贡献度做出评价。不但要通过教师评价，而且可以采取学生自评、同伴互评，尽可能多地提供给学生自评和互评的机会。通过自评和互评，学生能够及时认识到优势和不足，在学习过程中动态认识自我、调整自我，与同伴共同进步。（2）多元化的评价内容。在混合实验学习过程中，应对学生基础理论、实验技能、实验设计、实验过程、实验方法、实验问题解决方案和实验成果等方面的掌握进行多元化评价。在整个学习过程中，教师应关注学生的学习过程和用心程度，让每名学生都能够参与其中，重点关注学生的过程性参与。通过课堂提问、知识点测验、小组答辩等形式，考查学生的参与度。对于基础型实验，主要考查学生操作的规范性，以及数据采集和处理分析的严谨性；对于探究型实验，主要考查学生对已有知识的综合运用能力，以及对于复杂实验的设计能力；对于虚拟实验，主要考查学生对仿真结果准确性的验证能力，以及数据结果背后蕴含机理的分析能力。（3）多元化的评价方法。良好的评价体系能够在不同类型的实验教学中起到目标导向和激励作用，使实验和评价成为密切关联的整体。对于单次实验，采用量规法进行结构化定量评价。在课堂教学之初，教师依据实验目标以及学生的参与度，给出评价指标和评价等级之间的对应关系。同时，可与学生探讨量规的制定，对量规及其权重的设置进行动态调整及补充。针对真实实验、虚拟实验、虚实结合实验设置相应有效的量规及其权重，引导学生把握不同类型实验对学生能力考查的侧重点和学习方向。向学生提前发布量规，带领学生学习量规，在互评过程中，引导并提醒学生公平客观地采用量规开展评价。在实验结束后，依据量规中的评价指标，对学生在本次实验中的表现进行评价和总结。在单次实验结束后，带领学生通过口头汇报或者演讲汇报的方式，展示实验过程及实验成果，引导学生采用开放式“三明治”法对自己和小组同伴进行优点、不足、建议三层次的总结。在此过程中，教师应重视学生的点评内容，及时对学生的互评内容进行点拨与矫正。

二、依托混合实验的研究生培养方法

实验技能是科研工作中必不可少的一部分。实验技能的掌握可以促进研究生实践能力和科研能力的提高，只有掌握了实验技能，才能够进行科学实验，获取实验数据，验证科学假设，推动科学研究的进展，为未来的科研工作打下坚实的基础。在研究生培养过程中，学生可以利用混合实验的方式推进研究课题。一方面，可以完善个性化学习，提高学生的主动性和创新精神；另一方面，可以提高研究生对课题的研究深度，提升学术论文的完成质量。

（一）依托混合实验，完善个性化学习

混合实验集成了真实实验和虚拟实验两种方法的优点。研究生可以加工典型试验试件并对其进行真实实验研究。通过真实实验测量、数据处理及数据分析给出定量化结论。利用其完成对虚拟实验过程的验证后，学生可以通过虚拟实验进行多参数实验方案的设计。相较于真实实验，虚拟实验具有成本低、可试错的属性，灵活性很强。通过虚拟实验，学生可以根据学习兴趣、学习进度和课题研究需要来决定实验的时间、顺序和深度。这种灵活性为学生的个性化学习提供了更大的自主权，使他们能够根据自己的情况进行学习安排。另外，虚拟实验可以为学生提供个性化的学习反馈，实时记录和评价学生的实验操作过程及实验运行结果，从而为学生提供及时的反馈和指导，帮助学生识别和纠正错误，提供个性化的学习建议。这种个性化的学习反馈可以帮助学生了解他们的学习进度和缺点，调整学习策略，提高学习结果，完善个性化学习。学生可以通过自主学习，进行循环实验，对研究问题进行机理性探索。因此，混合实验方法可以帮助学生拓宽研究途径，进行个性化学习，完善研究方法，丰富研究结果。

混合实验可以根据学生的研究课题需要，以及自身的特点、优势、能力和经验动态调整实验内容。学生可以从兴趣出发，以研究课题为导向，自发地进行实验设计和实验研究。在研究生培养过程中，导师可以根据研究生的学习特点和课题需求，为其定制个性化的混合实验，根据学生的能力水平和学习目标对混合实验进行调整及设置。这种个性化、定制的学习方式可以更好地激发学生的学习兴趣，提高学习效率，取得优良的学习效果。另外，这种自主化的学习更能适应当今科学快速发展的需求。通过激励研究生在深入的自我求知中使用个性化学习方法，提升学习效率，能够促使研究生依托混合实验完善个性化学习内容，实现科研能力的提升。