研究生实验能力培养的教学新模式

摘  要：实验能力是工科专业研究生的重要科研能力之一。随着研究生教育的发展，出现学硕和专硕等不同的研究生类型，从而提出具有创新实验能力和面向工程解决实际问题能力的人才需求，因此对实验教学提出更高要求。该文针对新形势下实验能力培养中出现的基础差异和培养目的差异性问题、实验教学对实验室在时间和空间上的依赖性问题以及新工科背景下多学科交叉融合问题的求解等问题，提出线上线下混合式的研究生实验教学新模式，从研究生的基本理论和实验操作技能、创新实验的设计实施、科学实验与工程的联系、多领域交叉融合实验的设计等4个方面提升实验能力。实践表明，新模式下的教学使学生的学习实现从感性到理性的升华和从浅显到深刻的递进，既提高实验操作能力和实验水平，又增强趣味性，研究生实验能力得到显著提高。该文的研究成果推进研究生混合式教学的发展，为创新型人才培养提供实践的平台。

关键词：实验能力；研究生；线上线下混合式教学模式；实验能力；人才培养

中图分类号：G642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）14-0043-05

Abstract： Experimental ability is one of the important research abilities for graduate students majoring in engineering. With the development of graduate education， different types of graduate students appear， such as master of science and master of engineering， which put forward the demand for talents with innovative experimental ability and engineering oriented ability to solve practical problems. Therefore， higher requirements are suggested for experimental teaching. In this paper， we focus on the basic differences and differences in the cultivation of experimental ability in the new situation， the dependence of experimental teaching on the laboratory in time and space， and the solution of interdisciplinary integration problems in the new engineering background， and propose a new mode of online and offline hybrid experimental teaching for graduate students， which improves the experimental ability from three aspects： the basic theory and experimental operation skills of graduate students， the design and implementation of innovative experiments， and the connection between scientific experiments and engineering. The practice shows that the teaching under the new mode makes the students' learning realize the sublimation from sensibility to rationality and the progression from simple to profound. It not only improves the experimental operation ability and experimental level， but also enhances the interest. The experimental ability of graduate students has been significantly improved. The research results of this paper promote the development of mixed teaching for graduate students and provide a platform for the cultivation of innovative talents.

Keywords： experimental ability; postgraduate; online and offline hybrid teaching mode; experimental ability; talent cultivation

高等教育是我国培养高级人才、进行科技创新、推动科技进步的重要基础，其目标是为了培养掌握坚实理论基础和系统专业知识、具备从事科学研究或担任专业技术工作，并具备一定创新能力的专业人才[1]。实验能力是工科专业研究生的重要科研能力之一，随着工程技术的发展和交叉学科的出现，对于研究生的实验能力提出了更高的要求。同时，在实际的研究生教育中，出现了学硕和专硕等不同的研究生类型，根据不同的人才需求提出了具有创新实验能力和面向工程解决实际问题能力的培养要求。因此，研究和创新研究生实验教学的模式，满足新形势下的人才培养新需求，提高创新型人才培养的质量，是急需解决的重要问题。

为了提高实验能力培养的质量，很多教师和学者进行了改革尝试。一些教师着重关注创新能力的培养。邢丽坤等[2]以传感器实验教学为例探讨了大学生创新能力培养问题，认为实验教学具有直观性、综合性和创新性，是培养学生实际动手和创新能力的关键环节，设计了从验证性实验、综合性实验、设计性实验到创新性实验的分层递进式实验教学模式。刘倩等[3]基于POPBL（problem oriented and project based learning，问题导向的项目式教学）教学模式，通过将问题细化并引导学生对其中的科学问题进行思考、查阅文献、自行提出研究方案并进行展示讨论，对获得的研究结果进行讨论和总结，形成完整的研究报告，激发学生自主学习的主动性，提高学生的科学素养。柳玉英等[4]在现代仪器分析课程教学实践中，结合学校研究生各自的知识结构和研究领域，通过因材施教、因需施教、自主学习等灵活多样的教学方法，以及分层次渐进式开设基础性、综合性和设计性实验等一系列措施，有效培养与提升研究生的创新意识和创新实践能力。杨梅松竹等[5]探讨了虚拟现实技术在医学研究生生物医学实验技术中的应用，构建了形态学实验结果客观性评价体系，提高了图片展示效果，实现实验的可重复性。李璐等[6]基于科研思维和创新能力培养，通过提高学生对科研的兴趣、在实验环节加强科研实践、为学生创造学术氛围等措施，来培养研究生的创新意识和综合素质，调动学生实验学习的积极性和探究性。还有一些学者关注应用型实验技能的培养，例如刘晶磊[7]对应用型专业实验技能的培养模式进行了创新和实践，以土木专业为例，探索高校与企业的合作培养，解决高校因场地有限和实验仪器不足产生的问题，同时让企业的实验实践老师对学生进行专业化的辅导，让学生有足够的空间研究实验内容，激发学生的自主思考和动手能力，培养学生的实验自主创新能力。

从以上的研究中可以发现，在目前的研究中，或者关注实验创新能力，或者关注实际应用能力，但是很少能够同时实现工程应用能力和实验创新能力的培养，即同时满足学硕和专硕实验能力的培养需求。因此，本文考虑研究生基础的差异性和能力培养需求的差异性，以工程振动测试技术课程为例，探索线上线下混合式的实验教学新模式，实现多学科交叉融合背景下的工程领域创新人才培养。

一  研究生实验教学中需要解决的几个问题

工程振动测试技术是工程力学专业的学科基础课，是机械、土木、化机等专业的选修课。通过对该课程的学习使学生掌握振动测试技术的基本原理和方法，以及通过实验技术验证理论计算的结果，为解决现代科学技术和工程实际问题提供十分重要的手段。该课程主要介绍测试理论与技术及其在工程中应用，主要在两个方面做出改进，一是加强测试技术的基本理论和分析方法；二是新引进与本课程相关的新的科技成果的新概念、新方法，提高起点，结合工程实际，反映现代分析方法和实验数值计算处理技术的新发展等，对相关内容进行优化组合，在教师的指导下，应用有关振动测试系统完成有关的基本实验内容，结合工程实例，能利用其基本原理按有关实验要求，组成振动测试系统，在实验中正确应用。

在目前的研究生教学中，存在三个方面的问题需要解决。

（一）  传统教学模式不能有效考虑研究生类型差异性和基础差异性

随着研究生教育的迅速发展，出现了学硕和专硕等不同类型的研究生，其培养目标有一定的差别：一个注重理论创新，一个更偏重于工程应用，而目前的教学模式不能同时满足分类培养要求。

同时，即使是同一类型的研究生，学生大多来源于不同的本科院校，也可能是不同院校的不同专业，各个学校的本科专业的课程设置可能不同，有的学生可能学过相近课程，有的学生可能没有学过；对于学习过的课程，各学校讲授的要求也可能不同，有的内容被忽略不讲；对于讲过的内容，各个学校要求的理论深度也不同。这些会造成研究生的基础差异进而影响实验教学的学习效果，目前的教学模式很难有效解决这个问题。

（二）  实验教学依赖实验室，受到时间、空间和实验室条件的限制

传统的实验教学都在实验室中进行，上课时间一般为2学时，包括教师讲解演示和学生实验操作等内容，教师对于实验原理的讲解和学生的理解会占用一部分时间，从而缩短了学生在实验室的操作时间。同时，当学生较多时，设备的台套数不能满足每个学生都动手操作的需求，不利于锻炼学生的动手能力；当学生遇到困难或有新的想法时，学生没有深入思考的时间并进一步解决问题，验证新想法需要的反复实验很难在课堂及时完成，而离开实验室又没办法进行。实验教学特别是创新性实验受制于实验室的时间和空间限制的特点，不利于学生的实验创新能力培养。

（三）  学生对科研问题缺乏了解，科研实验联系实际工程问题的能力有待提高

实验课程一般在研究生一年级开设，在这个阶段，学生对工程问题了解很少，所以很难将基础实验与前沿工程问题联系起来。随着工程结构向着大型化、柔性化等极端尺度的发展，出现了新的特点和技术需求，学生不知道如何解决新的工程问题，很难完成从学习型向研究型的转变，学生的学习积极性和学习效果也都打了折扣，不利于实验能力的提高。特别是在多学科教学融合背景下，学生的研究内容更多地具有跨学科特性，处理实际工程中的新问题和跨学科问题的实验能力培养还不足。

二  研究室实验能力培养的线上线下混合式教学模式

（一）  创新理念及思路

课题组根据多年来的教学经验、研究生指导经验和教改项目的研究，有以下发现。

1）学生在优秀课程资源基础上的自学是解决学生基础差异性的重要方法，同时在一定程度上可以解决学生人数多而设备少的问题。

2）将在线教学录像用于学生的课前预习和课后复习，可以有效减少课堂的工作量，使更多的课堂时间用于动手实验练习和创新性内容的研究。