劉 永， 李紅鏑， 秦 旻

(重慶交通大學(xué) 管理模擬實驗中心,重慶 400074)

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基于教學(xué)科研平臺的實驗項目設(shè)計與實踐

劉 永， 李紅鏑， 秦 旻

(重慶交通大學(xué) 管理模擬實驗中心,重慶 400074)

針對目前實驗教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)中在實驗內(nèi)容、項目體系、教學(xué)方式等方面存在的問題，提出了以教學(xué)科研平臺建設(shè)和與之相適應(yīng)的實驗項目體系設(shè)計為出發(fā)點來提高實驗環(huán)節(jié)培養(yǎng)效果；然后，以管理模擬實驗中心新建設(shè)的紅外視頻檢測系統(tǒng)為例，探索和分析了實驗項目設(shè)計的原則、目標(biāo)和來源，并結(jié)合工程應(yīng)用特點設(shè)計和開發(fā)了3個典型的實驗項目范例，應(yīng)用于教學(xué)實踐，實施效果明顯。實驗項目設(shè)計與開發(fā)的過程可為其他實驗教學(xué)改革提供參考。

實驗教學(xué)改革； 教學(xué)科研平臺； 實驗項目設(shè)計與實踐； 紅外視頻檢測系統(tǒng)

0 引 言

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》中在人才培養(yǎng)體制改革中就明確提出：“注重知行統(tǒng)一。堅持教育教學(xué)與生產(chǎn)勞動、社會實踐相結(jié)合。開發(fā)實踐課程和活動課程，增強學(xué)生科學(xué)實驗、生產(chǎn)實習(xí)和技能實訓(xùn)的成效。”高等學(xué)校作為各行業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的培養(yǎng)基地，其人才培養(yǎng)的重點是課程教學(xué)培養(yǎng)環(huán)節(jié)，而實驗教學(xué)又是整個教學(xué)工作中的核心環(huán)節(jié)之一，對學(xué)生的職業(yè)實踐技能的訓(xùn)練和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)起到了至關(guān)重要的作用[1-2]。因此，提高實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的培養(yǎng)質(zhì)量和成效，不僅關(guān)系到學(xué)生理論知識的綜合運用和動手技能的專業(yè)訓(xùn)練，進一步形成利用所學(xué)知識解決實際工作問題的能力，而且也對培養(yǎng)學(xué)生科研意識與創(chuàng)新能力具有促進作用[3-5]。

然而，從多年的實驗教學(xué)實踐經(jīng)驗來看，實驗教學(xué)環(huán)節(jié)主要存在以下3個方面的問題[6-8]：①現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得專業(yè)技術(shù)與應(yīng)用的知識更新速度飛快，易導(dǎo)致學(xué)生在課程實驗環(huán)節(jié)中所學(xué)習(xí)的技術(shù)或者方法并非當(dāng)前先進或主流的工程技術(shù)，甚至有的是已經(jīng)淘汰的技術(shù)，從而導(dǎo)致學(xué)生的知識水平和實踐能力無法得到良好的培養(yǎng)和鍛煉，達(dá)不到社會對該專業(yè)畢業(yè)生的職業(yè)要求；②實驗項目多以基礎(chǔ)驗證性實驗為主，綜合設(shè)計性和研究探索性實驗項目比例偏少，使得學(xué)生所掌握的知識和技能存在一定的局限，達(dá)不到就業(yè)崗位的能力要求；③實驗教學(xué)方式單一，大都采用機械被動的“教師講解與演示，學(xué)生模擬仿真”的方式，學(xué)生能夠較好地完成實驗任務(wù)，但是其掌握的專業(yè)理論知識和實操技能難以達(dá)到人才培養(yǎng)的深度和廣度要求，同時也缺乏必要的獨立思考能力和科研探索意識。

綜上所述，如何提高實驗環(huán)節(jié)的培養(yǎng)效果，強化學(xué)生知識綜合運用能力和動手實踐技能，是實驗教學(xué)改革的重點和難點。解決這一問題，一方面需要必要的實驗條件和環(huán)境;另一方面需要完備的針對該實驗條件和環(huán)境的實驗項目體系。近年來，我校管理模擬實驗中心在實驗室建設(shè)與發(fā)展過程中，對上述實踐要求給予了充分考慮，結(jié)合學(xué)科專業(yè)的發(fā)展特點和建設(shè)規(guī)劃要求，新建或引進了一批反映科學(xué)技術(shù)最新進展的專業(yè)實驗教學(xué)科研平臺，主要包括紅外視頻檢測系統(tǒng)、自動化立體倉庫系統(tǒng)、集成化遠(yuǎn)程視頻實驗系統(tǒng)等。同時，也針對這一系列實驗教學(xué)平臺，研究和制定了完備的專業(yè)實驗項目內(nèi)容，以期提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效用。鑒于此，本文以專業(yè)實驗教學(xué)改革為契機，以提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量為目標(biāo)，結(jié)合社會就業(yè)崗位的能力要求，以新建設(shè)的紅外視頻檢測系統(tǒng)實驗平臺為例，從實驗項目設(shè)計的原則、目標(biāo)、來源、內(nèi)容以及實施過程等幾方面考慮，對該實驗平臺的實驗項目的設(shè)計與開發(fā)過程進行了初步的探討。

1 實驗項目設(shè)計的原則

實驗教學(xué)環(huán)節(jié)作為專業(yè)人才培養(yǎng)中的重要環(huán)節(jié)之一，承載著消化和鞏固專業(yè)理論知識、培養(yǎng)和鍛煉動手實踐能力的重任。實驗項目是實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中理論知識與實踐技能的科學(xué)載體，對其設(shè)計與開發(fā)顯得尤為重要[9-12]。為了保證實驗項目設(shè)計的有效性和合理性，充分考慮人才培養(yǎng)特點和崗位能力要求，對實驗項目的設(shè)計原則進行了探討[11-13]。

(1) 科學(xué)性原則。任何實驗項目的設(shè)計都首先要滿足知識體系與實驗過程的科學(xué)性與合理性。①實驗項目所探究的實際問題必須符合客觀規(guī)律，來源于工程實踐，立足于培養(yǎng)學(xué)生探索科學(xué)問題的思維意識和能力素質(zhì)；②實驗項目所涉及的理論知識內(nèi)容、實驗原理與方法、實驗操作程序應(yīng)該是科學(xué)合理的；③實驗項目實施過程要符合科學(xué)的認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計合理的技能訓(xùn)練方法，讓學(xué)生在實驗過程中鞏固和掌握理論知識和實踐技能。

(2) 系統(tǒng)性原則。實驗項目設(shè)計應(yīng)該立足于專業(yè)知識結(jié)構(gòu)和教學(xué)實施過程的系統(tǒng)性。系統(tǒng)的專業(yè)知識結(jié)構(gòu)既要滿足全面整體的知識認(rèn)知體系要求，也要達(dá)到實驗項目的實踐技能培養(yǎng)目標(biāo)，保證學(xué)生對知識的理解與技能的掌握的統(tǒng)一性和完整性；實驗項目教學(xué)遵照“循序、系統(tǒng)、連貫”的實施過程，保證學(xué)生獲得系統(tǒng)的知識和技能，實現(xiàn)對客觀世界的規(guī)律性認(rèn)識和理解，利于學(xué)生對知識的融會貫通和綜合利用。

(3) 綜合性原則。實驗項目綜合性主要考慮實驗內(nèi)容的復(fù)合性和交叉性。實驗內(nèi)容的復(fù)合性強調(diào)專業(yè)知識的綜合性，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識解決實際問題的綜合應(yīng)用能力；實驗內(nèi)容的交叉性，即實驗內(nèi)容能夠綜合反映專業(yè)知識內(nèi)容之間的交叉，可以綜合采用兩種或兩種以上專業(yè)知識理論來分析問題和解決問題，理論綜合應(yīng)用與實踐，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題的能力。

(4) 可操作性原則。實驗項目可操作性，一方面要求實驗內(nèi)容符合學(xué)生的知識能力水平和認(rèn)知規(guī)律，使得學(xué)生能夠通過對專業(yè)知識的理解和消化完成實驗過程；另一方面，實驗內(nèi)容所涉及的實驗儀器設(shè)備，具備設(shè)備可操作性和環(huán)境安全性。

2 實驗項目目標(biāo)

開設(shè)實驗項目的目的在于加強學(xué)生的專業(yè)知識的理解和認(rèn)識，綜合訓(xùn)練學(xué)生的實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。因此，科學(xué)合理的實驗教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)是達(dá)到實驗教學(xué)培養(yǎng)效果的重要保證。2010年，在中央與地方共建高校的財政資金支持下，我中心根據(jù)學(xué)科建設(shè)構(gòu)架和人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求，新引進了一套先進的教學(xué)科研實驗平臺——紅外視頻檢測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理軟件平臺(見圖1、圖2)。

圖1 便攜式紅外視頻檢測系統(tǒng)

通過開設(shè)針對該紅外視頻檢測系統(tǒng)的實驗項目，讓學(xué)生對該系統(tǒng)的功能和實踐應(yīng)用有所了解，并在教師的引導(dǎo)下，自主完成一些綜合性、設(shè)計性和探索性的實驗內(nèi)容。具體的實驗?zāi)繕?biāo)是：

圖2 紅外視頻檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件平臺

(1) 了解紅外視頻檢測系統(tǒng)的工作原理，掌握該系統(tǒng)的實操方法；

(2) 對于命題實驗，能夠按照規(guī)范要求，將所掌握的有關(guān)知識、操作方法，靈活應(yīng)用于解決實際問題中；

(3) 根據(jù)教師命題的實驗課題范圍，能夠提出合理可行的實驗方案，并加以實施完成，培養(yǎng)獨立分析問題和解決問題的能力，提高創(chuàng)新意識；

(4) 能夠熟練使用紅外圖像分析軟件來處理和分析現(xiàn)場的紅外熱像數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進行理論分析，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的能力；

(5) 以小組完成實驗課題，培養(yǎng)與他人合作的團結(jié)、協(xié)作精神。

3 實驗項目來源

在實驗項目的設(shè)計上，重點考慮實驗項目內(nèi)容的知識點科學(xué)性、綜合性、系統(tǒng)性、創(chuàng)新性以及實驗的可操作性和安全性。主要來源從兩個方面來考慮：

(1) 由常規(guī)驗證性實驗項目展開 根據(jù)紅外視頻檢測系統(tǒng)的工作原理、功能特點以及應(yīng)用領(lǐng)域，對常規(guī)驗證性實驗項目進行改進和完善，積極拓展或延伸現(xiàn)有的實驗項目。例如，在采用紅外視頻檢測系統(tǒng)進行瀝青路面施工過程溫度離析檢測時，常規(guī)的驗證性實驗就是采用該系統(tǒng)檢測并截取各個施工環(huán)節(jié)的紅外視頻圖像，在線實時讀取并記載施工面的表面溫度，通過統(tǒng)計分析軟件判斷是否發(fā)生溫度離析。從綜合設(shè)計性實驗的角度出發(fā)，可對該實驗進行改進，可選取一些特征點、線或面，按照溫度與空間位置的對應(yīng)關(guān)系繪制溫度變化曲線，根據(jù)曲線的狀態(tài)可進一步判斷溫度離析的程度。

(2) 從科技文獻(xiàn)或其他科研課題中的實踐案例中提煉實驗項目 通過查閱有關(guān)的科技文獻(xiàn)，或者總結(jié)專業(yè)教師主持參與的具有代表性的科研項目，將一些典型的科研環(huán)節(jié)應(yīng)用到實驗項目中[14-15]。例如，在科研項目——瀝青混凝土路面現(xiàn)場熱再生應(yīng)用技術(shù)研究中，溫度作為影響路面施工質(zhì)量的因素之一，需要實時監(jiān)控各個施工環(huán)節(jié)的溫度變化，通過溫度變化的反饋來控制和改善路面的施工工藝，提高路面施工的質(zhì)量。學(xué)生通過該環(huán)節(jié)的實驗，能夠全面認(rèn)識現(xiàn)場熱再生技術(shù)及其在瀝青混凝土路面養(yǎng)護施工中的應(yīng)用，掌握溫度控制要點，利用紅外視頻檢測系統(tǒng)探究溫度離析現(xiàn)象，研究和設(shè)計工程質(zhì)量改進方案。

4 實驗項目設(shè)計

遵照上述實驗項目的設(shè)計原則和目標(biāo)，結(jié)合紅外視頻檢測系統(tǒng)在本學(xué)科專業(yè)的各種應(yīng)用優(yōu)勢和專業(yè)技能訓(xùn)練要求，重點設(shè)計和開發(fā)了3個不同類型的實驗項目，以期擴大學(xué)生的知識面，提高動手實踐能力，充分激發(fā)學(xué)生的實驗興趣和學(xué)習(xí)的主動性，并理論應(yīng)用于實踐。實驗項目內(nèi)容如表1所示。

(1) 紅外視頻檢測系統(tǒng)的認(rèn)識與實踐。本實驗為基礎(chǔ)驗證性實驗，其目的是讓學(xué)生通過查找相關(guān)文獻(xiàn)和資料，熟悉和了解紅外視頻檢測系統(tǒng)的基本原理、功能結(jié)構(gòu)、應(yīng)用領(lǐng)域以及設(shè)備的基本調(diào)試與操作使用方法，為進一步地使用該實驗設(shè)備完成實驗過程奠定基礎(chǔ)。整個實驗過程主要包括文獻(xiàn)資料與設(shè)備資料查閱與總結(jié)、實驗設(shè)備原理與方法的認(rèn)識、實驗設(shè)備的實操訓(xùn)練、實驗報告的完成等階段，完成實驗需要2學(xué)時。

(2) 瀝青路面現(xiàn)場熱再生過程中溫度檢測與分析。本實驗類型為綜合設(shè)計性實驗，主要是針對現(xiàn)場熱再生施工過程中瀝青路面溫度檢測的實驗研究，旨在通過實驗探究過程，讓學(xué)生熟悉現(xiàn)場熱再生施工機組設(shè)備和施工設(shè)計，認(rèn)識對施工過程溫度分布檢測的重要性和必要性，并學(xué)會利用先進的紅外視頻檢測系統(tǒng)對是施工過程中的溫度數(shù)據(jù)進行檢測，完成必要數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，進一步了解現(xiàn)場施工過程的實時溫度分布情況，掌握溫度控制要求。實驗要求學(xué)生設(shè)計一個利用紅外視頻檢測系統(tǒng)檢測某一關(guān)鍵溫度檢測點的實驗方案，并對數(shù)據(jù)加以分析，了解施工中溫度控制要求。要完成這一實驗項目，學(xué)生除了必須掌握瀝青路面現(xiàn)場熱再生技術(shù)及再生機組設(shè)備方面的知識，還必須具備一定的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析基礎(chǔ)。學(xué)生可結(jié)合公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求，自主確定若干個目標(biāo)檢測點或者區(qū)域進行分析，完成溫度分布檢測與分析，并撰寫實驗報告。實驗報告中不僅要體現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的過程和結(jié)果，最重要的是還要根據(jù)所學(xué)的專業(yè)知識來分析溫度控制要求?？紤]到施工環(huán)節(jié)包括瀝青路面加熱、銑刨、復(fù)拌、攤鋪和壓實等復(fù)雜的施工過程，本實驗項目安排4個學(xué)時。

(3) 探究溫度離析現(xiàn)象?？紤]到溫度離析研究的復(fù)雜性與開放性，以及可利用紅外視頻檢測系統(tǒng)方便地獲取施工過程中的溫度分布圖像圖，我們嘗試著把這一典型的工程技術(shù)實踐應(yīng)用到實驗教學(xué)專業(yè)實訓(xùn)中并設(shè)計開發(fā)出相應(yīng)的探索性實驗。將影響施工質(zhì)量的重點環(huán)節(jié)作為溫度檢測的基本點或區(qū)域，把所拍攝的紅外視頻圖像結(jié)合后臺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件來對所拍攝的紅外視頻圖像進行數(shù)字化的分析和處理，探究溫度離析現(xiàn)象，并提出探索性的質(zhì)量改進方案。學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，按照施工規(guī)范中所要求的溫度檢測點，選取待檢測瀝青路面施工標(biāo)段的某個固定空間位置點，依次拍攝若干組紅外視頻圖像。應(yīng)用紅外圖像分析軟件和統(tǒng)計分析軟件進行溫度數(shù)據(jù)的處理、對比和分析，繪制出相應(yīng)的變化曲線或直方圖，更加清晰地認(rèn)識溫度數(shù)據(jù)的離散程度，進一步得出溫度離析的規(guī)律性結(jié)論，并提出有價值的工程質(zhì)量改善建議。

5 結(jié) 語

充分考慮實驗項目體系的完整性，分別從基礎(chǔ)驗證性、綜合設(shè)計性、研究探索性3個方面對紅外視頻檢測系統(tǒng)實驗平臺的實驗項目進行了設(shè)計與開發(fā)，并結(jié)合我院工程管理專業(yè)實踐教學(xué)改革的目標(biāo)和要求，所設(shè)計的實驗內(nèi)容已經(jīng)在我校管理模擬實驗中心工程管理專業(yè)“公路養(yǎng)護技術(shù)與管理”課程內(nèi)容“就地?zé)嵩偕^程中瀝青路面溫度離析探究”的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)中實施，取得了良好的實施效果：一方面，通過教師引導(dǎo)、學(xué)生自主設(shè)計的實驗教學(xué)方式，學(xué)生熟悉和了解了這套先進的儀器設(shè)備和相關(guān)工程技術(shù)，掌握了設(shè)備的實操技能，拓寬了專業(yè)視野，為今后從事相關(guān)工程技術(shù)的崗位工作打下了理論與實踐的基礎(chǔ)，實驗結(jié)果既達(dá)到了建設(shè)該實驗平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)的預(yù)期效果，也使其更有效地為教學(xué)實踐服務(wù)；另一方面，實驗內(nèi)容提煉于代表性的最新科研項目，具備一定的技能實用性、過程趣味性和科研探索性，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和興趣，能夠主動去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，加強了學(xué)生獨立思考意識和科研創(chuàng)新能力的培養(yǎng)和鍛煉，增強了人才培養(yǎng)的效果。

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Design and Practice of the Experimental Project Based on Teaching-Learning-Research Platform

LIUYong,LIHong-di,QINMin

(Center of Management Simulation Experiment, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

According to the current experimental teaching problems existing in experiment contents, project system and teaching method, this paper firstly proposed that the starting point of improving the experimental teaching effect is to build experimental platform and design corresponding experimental project system. Then, taking the new infrared video detection system of management simulation experimental center as an example, we studied design principles, objectives and sources of the experimental project, designed and developed three typical experimental projects combining with engineering application characteristics. Finally, the designed experimental projects have been put into practice, and good results have been achieved. The process of designing and developing experimental project can provide useful information for other experimental education reform.

experimental teaching reform; teaching and research platform; design and practice of experimental project; infrared video detection system

2014-04-03

重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點項目(112054，132030)；重慶交通大學(xué)實驗教學(xué)改革研究項目(SYJ201017)；重慶交通大學(xué)實驗室開放基金項目(SYK201411)

劉 永(1983-)，男，湖北襄陽人，碩士，實驗師，管理模擬實驗中心副主任，主要研究方向為管理科學(xué)與信息技術(shù)。

Tel.:15823043299;E-mail:liuevery@gmail.com

G 642.0;G 642.423

A

1006-7167(2015)03-0202-04