全开放条件下“3自”模式实验教学改革探索
杨云涛 关贞珍
摘 ? ?要：新形势下实验教学在验证理论知识、增强学生动手能力的基础上，更加注重学生规划能力、管理协调能力、团结协作能力与创新能力的培养。文章提出全开放条件下“3自”（即自主选题、自主设计、自主实验）实验教学模式，阐述了该模式的教学思路，并实践了该模式的教学方法。实践表明：“3自”模式实验教学改革突破了传统实验的限制，是促进学生知识、能力、素质协调发展的有效教学模式。
关键词：实验教学;全开放条件;“3自”模式
中图分类号：G642.3 ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? 文章编号：1002-4107（2020）11-0042-03
随着院校教育改革的发展，人才培养由基于知识教学向基于能力教学转变。实验教学相对于理论教学更具有直观性、实践性、综合性和创造性等特点，其在提高学生能力素质等方面有着重要的、不可替代的作用[1-2]，所以，如何更好地发挥实验教学的作用，一直是我们广泛研究和积极探索的问题。
目前，国内外各大高校均已意识到实验教学在学生能力素质培养中的重要作用，并逐步加大实验教学改革力度[3-5]。在诸多改革中，开放实验教学以其在培养学生创新能力和充分发挥实验室效能方面的优势成为目前研究的热点。目前，我国许多高校已实现了实验室在时间和空间上的开放，即学生可以通过网上预约在约定时间内进入实验室进行实验。但时间和空间开放只是开放实验的初级阶段和基本要求，教学内容、教学方法和教学手段以及观念意识上的开放才是实验室开放的高级阶段和最终目标，因此，更深层次的实验室改革和开放尚待探索和实践。
一、实验教学存在的主要问题
长期以来，广大教师对实验教学进行着不断的研究，并取得了许多成绩（如开放实验、虚拟实验等）[6]，但我们同时也应看到，传统的“依葫芦画瓢”式的验证性实验仍然占据实验教学的主导地位，实验教学仍然存在诸多问题[7]。
（一）实验教学观念落后
由于实验教学课时少，许多教师存在重理论轻实验的思想，把实验课作为理论教学的附属物，在实验教学中投入精力较少，并且实验教学常常是一种“注入式”的教学模式，即教师先讲后演示，最后学生照做即可。这种实验教学观念忽视了学生的主体作用，学生只是被动接收，没有更多的精力和时间去思考和创新，制约了学生能力素质的培养。
（二）实验教学方法呆板
由于实验课课时少、内容多，为了完成教学任务，教师往往是先讲后做。即教师将实验仪器、实验材料事先准备好，将实验过程和实验结论提前告知学生，学生在实验过程中遇到任何问题教师大多可提前预知并能妥善解决，学生不用提前为实验做过多准备，实验过程也能顺利完成。此种呆板化教学模式，使学生的思考空间较小，学生对教师和教材容易产生依赖心理，学生分析问题和解决问题的能力得不到有效提升。
（三）设备场地资源不足
实验设备和实验场地都属教学硬件设施，资金投入大、建设周期长，受经费和办学条件因素影响，不同学校在实验设备和实验场地的筹备上也是参差不齐，面对众多学生实验操作的需求，设备场地显得捉襟见肘，一个实验往往要把学生分成几个班组，分批次完成。另外，由于实验设备老化、误操作损坏、更新不及时等原因，致使实验课程效率不高、实验周期过长等。
（四）考核体系不够合理
目前，实验教学考核结果主要依赖于实验结果和实验报告。只要实验结果准确、实验报告撰写规范，学生即可得到较好的成绩。这容易使部分学生只重视实验报告的撰写，甚至为此更改实验结果。学生创造能力和探索精神恰恰主要体现在实验过程中，这种忽略实验过程本身的实验考核方式严重遏制了学生的实验热情。
以上这些问题严重制约着学生能力及素质的提高，所以新形势下更深层次的实验教学改革势在必行。
二、“3自”模式实验教学改革实施方案
为解决上述问题，我们借鉴国内地方高校的先进做法，并结合学校的实际情况，提出全开放条件下“3自”实验教学模式研究：即自主选题、自主设计、自主实验。
（一）“3自”模式实验教学的内涵
1.自主选题。以培养学生自学能力、锻炼学生自我分析能力为目标，进行实验教学体系优化和实验信息网络平台的创建，为学生自主选题提供条件。优化实验教学体系是针对不同层次的学生形成不同难度要求的实验项目，即将实验教学内容重组为三类：基础验证性实验、综合性实验与创新性实验。其中，基础性实验尽量覆盖课程中的重要知识点，突出基本技能的训练;综合性实验向工程实践靠拢，锻炼学生的综合应用能力;创新性实验内容选择与机械工程相关的科研项目，以提高学生的创新能力。在三类实验中，加大综合性实验和创新性实验的比例，以充分发挥学生的主观能动性，为其个性发展和创新能力的发挥提供更大的舞台。
2.自主设计。以提高学生实验规划能力、整体协调能力为目标，对学生进行方案设计训练。方案设计涉及调查、取证、分析等多个环节，此過程中，学生之间既要相互协作，又必须逐项攻破，所以自主设计是锻炼学生分析问题、解决问题的过程，更是提高学生组织协调能力的重要环节。方案设计后学生应向指导教师提交实验方案（实验步骤），教师对其进行审查，并给出评价，确定其能否进入实验操作阶段。
3.自主实验。以提高学生动手、组织、协调、应变能力为目标，以学生为主体的实验操作过程。根据已有知识和前期预习结果自己动手操作仪器，教师只提供辅助指导，实验后学生充分讨论、相互学习，形成自主实验报告。实验过程对学生的动手、组织、应变能力均有很高的要求。这种组织方式不是简单的知识运用，而是一个全面能力的培养过程，即实验操作本身是分析问题、解决问题的过程，又有实验结束后对事物进行总结、归纳能力的锻炼。
（二）“3自”模式教学改革步骤
“3自”实验教学模式依据实验内容优化、实验资源建设、教学实施过程、考核评价四个步骤实施。
1.优化实验内容。在基础性、综合性和创新性三类实验项目中，应逐步增加综合性和创新性实验项目，以提高学生综合运用能力和创新能力。如液压实验中增加液压回路自主设计实验;互换性与几何量测量实验中增加自主性形位误差测量项目和表面粗糙度测量项目;机械基础实验中增加组合夹具自主设计实验等。
2.加强实验资源建设。为使“3自”实验教学模式顺利展开，实验资源建设至关重要。课程组全面改革实验教学教案、课件，将原有灌输性讲授内容更改为引导性知识，将原有演示性、具体实验步骤更改为提示性、启发性步骤提示，并将最新技术知识引入实验课堂，突出学生创造性和探索性能力的培养。
为实现“自主选题”，利用计算机技术和信息技术创建实验信息网络平台，增加实验指导模块，在此模块，教师将可选择的实验模块，用到的实验设备，具体的实验操作等内容进行网上发布，学生在“自主选题”前可参照此模块，熟悉实验内容，并根据自己的知识水平和兴趣爱好，自主选择实验项目。
3.教学实施过程。第一步，由教师发布实验项目，明确实验项目范围;第二步，学生根据教师提供的实验场地和实验器材，选择自己感兴趣的实验项目，同时鼓励学生从科研创新中自拟与实验项目相关的实验课题;第三步，学生通过所学知识及查阅相关资料，自己设计实验方案;第四步，教师对设计方案进行审核并给出意见和建议;第五步，学生对照教师审核结果对实验方案进行完善，直至方案审核通过;第六步，学生根据实验方案进行实验实施，并记录实验结果;第七步，实验结束时，教师验收实验，并给出具体指导意见，学生完善实验过程，直至实验验收通过;第八步，实验完成后学生自己设计实验报告并填写完成;第九步，为促进相互学习，实验结束后学生分组进行实验展示，学生间可相互提问和答疑，以此促进学生间的相互交流，增强对实验成果的荣誉感。
4.变革考核评价。为激发学生的学习潜能，发挥学生学习的主观能动性，“3自”实验教学模式秉承形成性考核和终结性考核并重的原则，对学生的学习效果进行全方位的评价。考核评价体系由“实验设计”“实验操作”“总结分析”和“协作创新”四个一级指标组成。“实验设计”主要考核学生的实验规划能力、整体协调能力;“实验操作”主要考核学生的动手、组织、应变能力等;“总结分析”主要考核学生对问题的梳理、分析、归纳和表达能力;“协作创新”主要考核学生实验过程中的实验态度、协作精神和创新精神。
每个一级指标下再设置若干项二级指标。每项二级指标均赋予相应的评定指标内容和指标权重，指标权重的确定采用专家调查法，各二级指标项得分由教师根据学生表现和指标权重给出，最后在各二级指标项得分的基础上汇总成实验总成绩。
例如，“实验设计”包括实验方案、实验步骤2项二级指标，评定内容为实验方案是否可行、合理，指标权重为0.2，满分为20分;实验步骤是否清晰、完整，指标权重为0.1，满分为10分。“实验操作”包括操作规范、操作技能2项二级指标，评定内容为操作过程中是否正确、规范地使用仪器，指标权重为0.1，满分为10分;在操作技能上是否能够熟练操作仪器、高效完成操作过程，指标权重为0.1，满分为10分。“总结分析”包括实验报告、讨论交流2项二级指标，评定内容为实验报告设计是否合理、实验现象记录是否准确全面、实验数据处理是否科学，指标权重为0.1，满分为10分;在讨论交流方面是否积极发言、表述清晰、见解独到，指标权重为0.1，满分为10分。“协作创新”包括实验态度、分工协作、实验创新3项二级指标，评定内容为实验态度是否思想端正、科学严谨、实事求是，指标权重为0.1，满分为10分;在分工协作方面是否团结协作、具有集体意识，指标权重为0.1，满分为10分;在实验创新方面是否在实验设计、操作和分析过程中具有创新思维和创新实践，指标权重为0.1，满分为10分。
“3自”实验教学模式中考核评价不仅关注学生的实验结果，同时也注重学生的实验过程，不仅考核学生对实验知识的掌握程度，同时也重视培养学生的科研思维和创新能力。所以，此实验考核评价模式能够科学、准确、全方位地评价学生的实验效果。
三、“3自”模式实验教学改革实例
以“互换性与几何量测量”课程实验为例，在实验室开放期间，学生除完成基础性实验和综合性实验外，还进行了自主创新实验，并取得了一定的成果。
（一）学生对“齿轮几何量测量”实验进行自主创新
传统的实验方法，学生要在专用仪器上测量，专用仪器价格昂贵，操作复杂。针对以上问题，学生开发了基于图像处理技术的齿轮参数自动测量系统，如图1所示。首先，通过摄像机采集被测齿轮端面和标定量块图像，图像存储于计算机后，利用标定量块的实际尺寸与图像像素的对应关系对系统进行标定;其次，通过图像滤波处理技术，去掉图像上与齿轮轮廓无关的像素点，提取齿轮轮廓特征，根据齿轮几何参数的含义查找图像上与之对应的特征点;最后，根据提取的特征点，通过软件计算齿顶圆半径、齿根圆半径、齿数、齿轮模数等基本参数，以及齿距偏差、齿厚偏差、公法线长度变动误差等齿轮主要单项误差。通过开发的测量系统，有效提高了实验效率，降低了实验成本，为齿轮精度检测提供了新方法。
（二）学生对“尺寸链计算”与“加工误差分析”实验进行自主创新
主要利用Matlab软件编程技术，编制了数据处理程序，能够自动计算尺寸链数据，分析检验工件加工误差。不仅锻炼了学生运用信息技术分析问题、解决问题的能力，又将这两个程序应用于后续实验过程中，避免了烦琐的数据处理过程，体现了信息技術下先进的实验理念。
（三）学生对“表面粗糙度”实验进行自主创新
基于图像识别技术，开发了基于纹理特征识别的表面粗糙度评定系统。学生采用图像处理技术，通过对表面样块的显微图像进行采集、灰度化、形态变换和图像增强等图像预处理，采用纹理特征识别提取技术，得到表面粗糙度参数，锻炼了学生的创新思维。
“3自”实验教学模式一方面可以实现教学内容、教学方法和教学手段上的开放，是实验室的深层次开放。另一方面，“自主选题、自主设计、自主实验”的教学模式可以充分发挥学生的主观能动性，为其个性发展和创新能力的发挥提供更大的舞台。“3自”实验教学模式探索并实践了以促进知识、能力、素质协调发展，理论、实践、创新全面提高为目的的实验教学模式，更加适合院校人才培养目标的要求。
展望未来，我们相信经过不断改革创新，全开放条件下“3自”模式课程实验教学改革必将破解当前实验教学面临的重点和难点问题，以适应人才培养的需求和院校信息化建设和教育教学改革形势发展的需求。
参考文献：
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