特种能源工程专业实验与实践教学体系建设_姚汝亮.pdf

2023 年 6 期课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education特种能源工程专业实验与实践教学体系建设姚汝亮，金国锋*，贾瑛，崔虎（火箭军工程大学，西安 710025）化学与人们的生活密切相关，吃穿住用行样样离不开化学。化学类专业也是各大院校的主要专业方向之一。化学类专业细分很多，例如应用化学专业、环境工程专业、化工专业、污染检测专业和特种能源专业等，每个方向既存在相同之处，又存在差别，因此在人才培养目标方面，往往大同小异，缺乏特色。而在实验、实践教学过程中，又经常会出现实验课程、实验项目雷同的现象。如何构建合理的实验、实践教学体系，提高学生动手能力、创新能力和实践能力，成为院校教育迫切需要解决的问题。一紧跟时代步伐，不断修订和完善人才培养方案人才培养方案是学校人才培养的总要求，是学校开展教学活动、培育人才的纲领性文件。人才培养方案的好坏直接决定着人才培养水平的高低。新时代中国特色社会主义建设需要各行各业的高素质、高水平人才，从源头上就要求学校严格把控人才培养的各个环节。因此，制订合理的人才培养方案至关重要。如何制订好人才培养方案呢？首先，学校应根据国家和社会需求明确培养目标，依据培养目标就能清楚地知道学生毕业后应具备的能力和素质；其次，要根据学校的办学方针和专业特点具体规范课程设置；最后，在具体的教学实践中检验人才培养方案的合理性，及时发现问题，并不断修订和优化，做到与时俱进。以火箭军工程大学为例，学校每隔五年就会对人才培养方案进行一次修订，每一次修订都是根据军队现代化建设的需求，与时俱进地调整人才的培养目标、课程体系等。2015 年 12 月 31 日第二炮兵转变为火箭军，完成了由“兵种”到“军种”的转换，成为了和陆海空并列的军种，具有跨时代的意义。在这个大背景下，火箭军工程大学（以下简称“我校”）人才培养也由“技术型”转变为“指技型”，即由原先的培养工程技术类人才，开始向培养既有专业技术能力，又有指挥作战能力的综合素质人才过渡。故学校原来的 2013 版人才培养方案已经无法满足军队建设发展的需求，亟需对其进行修订和完善，于是就有了后来的 2018 版人才培养方案。在 2018 版人才培养方案中，学校的整个课程体系出现了较大幅度的变动，更加突出实用和实战，加强了实验和实践教学、强化了部队实习和实训等环节。例如 2013 版中的环境工程专业，其人才培养模式、课程体系结构和地方高校的环境工程专业有着较高的相似度，基础专业课程均是以四大化学（有机化学、无机化学、分析化学、物理化学）为核心展开。而在 2018 版人才培养方案中，环境工程专业基金项目：2020 年陕西省新工科研究与实践项目“新工科背景下火箭军特色特种能源技术与工程专业改造升级探索与实践”（2020-143）第一作者简介：姚汝亮（1983-），男，汉族，江西上饶人，博士，讲师。研究方向为实验教学、实验室管理运行和推进剂分析化验等方面的教学科研工作。*通信作者：金国锋（1984-），男，汉族，河南洛阳人，博士，讲师。研究方向为推进剂安全管理、性能评估方面的教学科研工作。摘要：实验、实践教学是工程专业人才培养的重要环节，面对当前实验、实践教学存在的弊端，该文从人才培养方案制订出发，提出要构建三层次的实验教学体系和多元化的实践教学体系，并建立与之相适应的多元化考核机制，不断加强实验人才队伍建设。关键词：实验教学体系；实践教学体系；考核机制；人才队伍建设；人才培养中图分类号：G640文献标志码：A文章编号：2096-000X（2023）06-0101-05Abstract:Experimental and practical teaching are important links in the cultivation of engineering professionals.Faced with theproblems of experimental and practical teaching,a new experimental and practical system of three-level experimental teaching systemand diversified practical teaching system is constructed based on the talent training program.A new diversified evaluation system isestablished with the new experimental and practical system and also some suggestions on the construction of experimental talent teamare given.Keywords:experimentalteachingsystem;practicalteachingsystem;evaluationsystem;constructionoftalentteam;talentcultivationDOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2023.06.025101-2023 年 6 期课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education改名为特种能源工程专业，对相应的基础化学课程进行了优化整合，将无机化学和分析化学合为一门课无机及分析化学，并在一定程度上增加了实验教学课时，新增了许多更加贴近部队实际训练的课程，例如推进剂分析、推进剂污染监测与治理等，这些课程更加贴近岗位需求，对学生任职能力的培养更加突出。二以人才培养方案为指导，构建实验、实践一体化教学体系实验和实践教学是巩固理论知识，加深理论认识的有效途径，是理论联系实际，发现问题、解决问题的过程。实验和实践教学有助于学生熟练掌握科学方法、锻炼动手能力和培养创新意识，其作用和地位丝毫不亚于理论教学。然而，当前仍有部分院校在人才培养和教学过程中，重理论轻实践，过分强调理论知识的重要性，轻视实验和实践环节。实验内容和实验教学时间安排上存在随意性，存在“有条件就开，没条件就不开”的现象。有的院校甚至直接在课程标准中取消实验课的开设，严重影响了院校人才的培养。面对这一情况，院校管理层要牵头制订合理的人才培养方案，然后以此为依据，构建具体详细的实验、实践一体化课程体系。（一）构建三层次的实验教学体系化学专业的实验课程可以概括为三类：基础类化学实验、综合类化学实验和设计类化学实验1。其中基础类化学实验包括无机化学实验、有机化学实验、分析化学实验、物理化学实验和仪器分析实验等。这类实验比较简单，实验内容主要是对理论课中的知识点、原理进行验证，学时数较短，一般为 12 学时。基础类化学实验通常安排在入学的开始阶段，如大一、大二，主要是让学生加深对理论知识点的理解和掌握，锻炼基本的动手实验能力，掌握化学实验的基本操作方法，了解化学实验过程中的注意事项，培养严谨求实的实验态度，为后续的综合类、设计类实验打好基础。综合类化学实验的实验内容涉及本课程的多个知识点或多门课程的多个知识点，主要考察学生综合运用专业知识的能力和动手实验能力。这类实验较基础类化学实验而言，实验过程比较复杂，一般为 26 学时。综合类化学实验一般安排入学的后阶段，主要是一些针对性强的专业课实验。学生通过大一、大二的基础类实验，已经具备了基本的实验操作能力，进入大三、大四专业课阶段的学习，需要重点培养学生利用所学知识解决专业实际问题的能力。设计类化学实验，是指给定实验项目名称，由学生自行设计实验方案并完成的实验。整个过程中，完全以学生为主，主要考核学生独立自主分析问题、解决问题的能力。设计性实验学时较长，应根据具体实验项目而定。设计类实验要结合本专业特色，在实验内容选择上要能够激起学生的兴趣，让学生充分发挥主观能动性，从而达到培养学生自主实验、创新思维的能力。以我校特种能源工程专业为例，该专业学生毕业后主要从事液体燃料分析化验、运输加注等工作。低年级阶段主要安排基础类化学实验，包括无机及分析化学实验、物理化学实验、有机合成实验和仪器分析实验等，这部分实验内容偏理论、重基础，主要培养学生基本的化学实验能力。到了高年级阶段，学生进入核心专业课的学习，这阶段开设的综合类实验，通常会用到多门基础类化学实验的内容，不再是某一两个知识点、原理的验证，而是多知识点、多学科之间的交融，重点培养学生能够综合运用所学知识解决实际专业问题的能力。特种能源工程专业的学生毕业后的第一任职就是液体推进剂的分析化验岗位，因此，从大三开始就逐步安排与工作岗位密切相关的综合类实验课程的学习，如在液体推进剂化验分析这门实验课的教学过程中，用到了无机、有机、分析、物化和仪器等多门课程内容，是对基础类化学实验的综合运用，可以充分考察学生对知识的掌握程度及运用能力。到了大四阶段学生要完成毕业设计，再此之前可以通过开设一定的设计类实验来帮助学生完成过渡和适应。如液体推进剂污染监测与综合治理这门课，在实验上安排部队实际面临的推进剂环境污染的内容，让学生以小组为单位，给出污染监测和治理方案，开展实验研究。通过设计类实验，既锻炼了学生的动手能力、科研能力和创新能力，又培养了学生间团队分工合作的能力，为毕业设计和日后的科研工作奠定了良好基础。基础类、综合类和设计类化学实验是根据学生的不同学习阶段开设的，三者之间是循序渐进、有机统一的关系。通过三层次的实验教学体系的设置，有助于使学生掌握化学实验的基础知识和基本技能，有助于提高学生的综合分析问题、解决问题的能力，也有助于激发学生的创新意识，培养良好的专业素养和团队合作意识，为将来的任职需要或科研工作打下坚实基础。（二）构建多元化的实践教学体系实验教学着重考察学生对知识点的掌握和运用情况，主要是依托校内的实验室开展教学。而实践教学形式多样，可以是校内校外，也可以是参观实习，通过实践教学能够进一步提高学生的感性认识，增强专业知识和能力水平，培养学生的创新能力，提高分析问题和解决102-2023 年 6 期课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education问题的能力。实践教学通常包括参观见习、专业实习、毕业设计和毕业实习等，时间安排贯穿整个大学阶段。参观见习的内容或场所通常要与课程教学内容相辅相成，例如环境污染与监测这门课上完后，为了让学生对相关理论能够有更直观的了解，可以组织学生去污水处理站参观教学，通过参观见习使学生更加直观地了解并掌握生活污水、工业废水的检测手段及处理方法，培养学生的环境意识。专业实习又称业务实习，是学生掌握较多专业知识后开展的一种实践活动。专业实习有助于学生将专业理论知识与生产实践相结合，有助于培养学生理论联系实际的能力，并提高其分析问题、解决问题的能力。专业实习一般安排在大三下学期进行，此阶段学生已完成全部专业基础课和大部分专业核心课的学习，具备较扎实的专业能力，此时让学生到专业一线单位去实习，不仅能够将学校所学知识学以致用，而且能够亲身体验了解本专业的实际情况。例如化学类专业实习可以考虑利用暑期时间，安排学生到化工厂实践锻炼。从而让学生实地了解化学品生产过程、安全注意事项和环境污染与治理等。毕业设计是在教师的指导下，学生就选定的课题开展调研、设计、实验、计算、总结，最终提交毕业论文的科研活动。毕业设计是对学生大学四年所学知识的综合考量，是真正意义上锻炼学生运用所学知识，解决实际问题的能力。毕业实习是为了让学生毕业后能够更好地适应岗位工作，通常在毕业前 12 个月，安排学生到相应的或类似的工作岗位上实习锻炼，熟悉岗位工作实际情况。相比于专业实习，毕业实习针对性更强，不仅要求学生具备较强的专业素养，更要求学生做好步入社会的思想准备和能力准备。参观见习、专业实习、毕业设计和毕业实习只是实践教学的四种形式，各院校可以根据自己的实际情况建立与之相适应的实践教学体系。然后通过将三层次的实验教学与多元化的实践教学相结合，从而完成实验、实践一体化教学体系的构建2（图 1）。三建立实验、实践课程一体化条件下的多元化考核机制实验课程传统的考核方式主要由实验报告成绩和考试成绩两部分组成。实验报告有着固定的格式，包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据记录和实验结论等，这很容易造成实验报告的千篇一律，也很容易导致学员把精力都放在实验报告的撰写上，为了得到正确的实验现象和实验结论，有的甚至编造数据，这与实验教学的目的背道而驰。化学实验课考试一般由笔试成绩和操作成绩组成，笔试主要考察学生对实验原理、实验步骤和注意事项等的掌握情况，而操作则是教师根据学生在期末考试实验操作过程中的表现进行打分。由于期末考试时间有限，不可能对所有实验项目进行考核，只能选择单一项目。故实验操作考试无法很好地考核学生是否已经掌握了实验课程的所有知识点。同样笔试成绩也只是对学生掌握实验理论知识点的考核，无法考核、衡量学生的动手实验能力。因此，建立一套合理的实验课考核机制尤为重要。（一）细化平时成绩实验课平时成绩应该包括课前预习、课中的实验操作和课后的实验报告等。通过课前预习，学生要对实验目的、实验原理、实验步骤和注意事项等有大致的了解，老师可以通过课堂提问的方式来考察学生的预习情况。课前预习成绩占平时成绩的 10%。课中的实验操作是学生动手实验能力得到锻炼的具体环节，也是老师需要着重关注的部分，实验操作成绩占平时成绩的 60%。为了能够更好地对学生的操作进行考核打分，整个实验操作过程必须细化到每一个步骤。例如，实验前仪器的清洗与干燥、药品的称量及实验装置的搭建；实验中反应物的添加顺序、各种仪器设备的正确使用、实验现象的观察、实验数据的记录，以及实验过程中出现事故后学生的处理手段；实验后仪器的清洗、规整和垃圾的处理。课后实验报告的成绩占平时成绩的 30%，主要是考察学生对实验现象、实验数据的记录和处理，实验结果的总结，以及思考题的回答。通过对平时成绩的细化，让老师可以细致全面地考核学生，避免实验成绩千篇一律。（二）丰富考试手段考试成绩除了实验课的笔试成绩和操作成绩，还应该根据每门实验课的特点丰富其他考核手段，例如，实验技能比武、创新小实验等。笔试成绩能有效检验学生对实验理论知识的掌握情况，其考试内容应围绕实验目的、实验原理、实验步骤、实验现象、实验数据的处理和实验注意事项等内容。操作考试是实验考试的重点，是对学生动手实验能力的综合考核。实施过程中，老师预先筛选出几个合理的考核项目，让学生自己随机抽签，抽到哪个实验就考核哪个实验，然后依据学生在整个实验过程中的操作进行打分。103-2023 年 6 期课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education图1实验和实践一体化教学体系实验、实践一体化教学体系三层次实验教学体系多元化实践教学体系基础类化学实验综合类化学实验设计类化学实验无机化学实验有机化学实验化工安全分析化学实验物理化学实验仪器分析推进剂分析推进剂污染监测阵地周边水质检验洞库空气质量检测专业实习毕业实习毕业设计参观见习大四大三大二为了丰富实验教学手段，增强学生实验积极性，在整个教学过程中可以适时安排实验技能比武，比如药品精细称量、酸碱滴定和容量瓶定容等，通过比赛提高学生的实验技能，以及增加实验教学的趣味性。此外，也可以通过发散思维让学生根据某个实验原理自行设计验证性实验，或者由学生自己提出某个想法，然后通过自行实验去验证想法的对错。将这些实验教学手段用于衡量学生的实验考试成绩，不仅有利于增强学生的基本实验技能，还有助于提高学生的自主创新能力。此外，实践教学的考核成绩也至关重要。实践教学不仅形式多样，可以是参观、实习，也可以是讨论、答辩，而且实践教学更能够发挥主观能动性，融合思政教学3-4，培养学生优良品德和良好作风。所以，要综合考虑以上各因素，确定各部分权重百分比，将实验实践教学的各个环节均纳入到考核成绩中来，从而建立合理的考核机制。四加强实验人才队伍建设人才是科学技术发展的首要因素。无论是理论教学，还是实验、实践教学都离不开人才。实验教学主要依托实验室开展，教学方式、教学手段均与理论教学有着显著区别，这在一定程度上对实验人才队伍建设提出了特殊的要求。实验教员相比于理论教员，要更加注重解决问题的能力，要能随时解决实验过程中出现的各种问题；要更加注重理论联系实际，要善于将日常生活中的现象与实验课中的理论结合。因此，对于实验人才队伍建设提出了更高的要求。一是要有专门从事实验教学的人才队伍。实验教学不是理论教学的附属品，更不能让上理论课的教员直接上实验课。由于理论课和实验课存在教学差异，能上好理论课的教员不一定能上好实验课。要抓好实验教学就需要有一支长期从事实验教学的教师队伍，这支队伍通常以实验室为依托，平日主要从事实验教学、保障实验室运行及科研实验工作。这支由助理实验师、实验师、高级实验师组成的“金字塔”式职称结构的队伍，有较强的实验能力和较高的实验教学水平。二是建立合理的考评机制和竞争机制。针对实验教学工作的特点，学校应建立年度考评机制，对从事实验教学人员的年度工作进行评比打分，此项结果可作为今后个人职称评定的重要依据。要在人才队伍间开展良性竞争、树立危机意识，让人员时刻注重学习，不断提高自身素质，从而整体加强实验人才队伍的建设。三是要建立实验人才交流机制。实验教学注重实践，学校应加强校企间的合作交流，学校可以聘请具有丰富实践经验的企业专家参与实验教学，指导学生专业实习和毕业设计工作，实验教师也可到企业进行实践锻炼，参与企业项目，从而建立一套合理的人才交流机制。（下转108页）104-2023 年 6 期课 题 研 究高 教 学 刊Journal of Higher Education者在学业成就同质性较高的同校学生中，检验学习者的知识结构图和情意面向，从而进行有意义的分类，具有其实际应用的价值。表2五个群集之间的距离关系总之，线性代数这门课程相对于高等数学而言，内容较少，结构相对简单，但是它更形式化、更抽象。只简单讲授运算规则的线性代数教学，是远远不够的，是与培养21 世纪现代专业人才核心素养的目标相偏离的。原理、法则背后的原因和逻辑关系更为重要，它们是培养学生跨学科解题、知识连结和演算能力的基石。也就是说，在了解线性代数基本概念、应用范围及认知诊断教学的基础上，学生只有将所学知识技能应用到自身专业领域，才能逐渐具备分析和处理实际问题的能力。为破除线性代数学习中的认知障碍，教育者可以从问题情境、教学活动和学习环境三方面进行复杂工程问题解决的教学设计13。一方面在文化脉络中，使学生弄清楚数学知识的由来，以降低课程的抽象性和形式化程度，瓦解学生对数学运算机制的首要认知冲突；另一方面，可以对程序知识的具体操作进行层次教学，分步骤地使学生获得矩阵乘法规则的完整图式。创设情境并通过实例，激发学生掌握并运用数学工具解决现实问题的意识和本领，让学生自主进行数学学习与专业知识发展的连结。参考文献：1 DAVID C，CHARLESRJ，DAVID CL，et al.The linearalgebra curriculum study group recommendations for the firstcourse in linear algebra J.The College Mathematics Journal，1993，24（1）：41-46.2 KLIR G，YUAN B.Fuzzy Sets and Fuzzy Logic，Theory andApplicationsM.Prentice Hall，1995.3 YIH J M.Fuzzy basis on clustering of knowledge structurewith cognition diagnosis for algebra learningJ.Proceedings ofthe 9th WSEAS Int.Conference on Applied Computer andApplied Computational Science，2010：174-179.4 LEGUTKO M.An analysis of students mathematical errors inthe teaching research processZ.Handbook of mathematicsteaching：Teacher experiment.A tool for research，2008：141-152.5 HENDRIK R.Students errors in the mathematical learningprocess：a survey J.For the Learning of Mathematics，1980，1（1）：16-20.6 CARMAN RA.Mathematical MistakesJ.Mathematics Teacher，1971，64（2）：109-115.7 ARIYADI W，MARJA V D，HEUVEL P，et al.Difficulties insolving context-based PISA mathematics tasks：An analysis ofstudents errorsJ.The Mathematics Enthusiast，2014，11（3）：555-583.8 NCTM.Principles and standards for school mathematicsZ.Reston，VA：National Council of Teachers of Mathematics，2000.9 TREFFERS A.Didactical background of a mathematics program for primary educationM.L.Streefland（ed.），RealisticMathematicsEducationinPrimarySchool，CD-BPress，Utrecht，1991：21-57.10 BROWN J S，BURTON R R.Diagnostic models for procedualbugs in basic mathematical skills J.Cognitive Science，1978（2）：155-192.11 林原宏.知识结构分析-径路搜寻、多向度量尺和集群分析的方法论探讨J.测验统计年刊，1996（4）：47-69.12 李尚志.线性代数精彩应用案例（之一）J.大学数学，2006（3）：1-8.13 林健.新工科专业课程体系改革和课程建设J.高等工程教育研究，2020（1）：1-13，24.1 2 3 4 5 1 13.668 5.821 9.564 9.132 2 13.668 11.300 20.176 8.390 3 5.821 11.300 12.982 6.159 4 9.564 20.176 12.982 16.875 5 9.132 8.390 6.159 16.875 五结束语实验、实践教学和理论教学是院校教育人才培养的两个重要组成部分，两者之间是相辅相成、有机统一的关系。尤其是对于工程专业而言，实验和实践教学对于学生动手能力的锻炼、创新思维的培养都尤为重要。因此，各院校要从人才培养方案、课程标准、实验和实践课程体系、考核机制及人才队伍建设等多方面出发，研究出切实可行的实验和实践教学体系，为新时期中国特色社会主义现代化建设培育人才。参考文献：1 刘晓琴，魏晓琴.高职高专基础化学“一体化、三层次”实验教学体系的研究J.广东化工，2020，47（13）：247-248.2 陈伟，黄少云，袁华.化工类专业实践教学体系的构建与实践J.实验室研究与探索，2018，37（6）：149-152.3 吕晓猛，贾瑛，黄智勇，等.特种能源技术与工程类课程思政教学改革探索J.高教学刊，2020（36）：158-160.4 黄智勇，金国锋，高敏娜，等.系统安全工程课程开展课程思政教学的探索与实践J.高教学刊，2021（24）：113-115.（上接104页）108-