以創新素養培育為導向的實驗課程體系及開放式教學模式的研究與實踐

井瑞潔，溫 璟，商 凱，于 輝，姚 雷，程媛媛，李慶凱

（山東農業工程學院，山東濟南 250100）

關于創新素養， 國際上尚未形成公認定義，而像創造性“4P”定義觀點、“4C”層次理論等都指出創新素養有其共同內涵。例如創造性的“4P”觀點把創造性分為過程、產品、個人、環境四個方面，即創新素養不僅限于知識和能力，而是包含技能、態度、人格等多方面因素。師保國教授曾提出創新素養包括創新品格與創新能力兩大方面，將其定義為創新知識、創新思維、創新態度或品格等多方面的綜合外在表現。 遵循這一思路，創新素養應涵蓋創新意識（創新思維）、創新人格、創新能力等多個方面[1，2]。

學生創新素養的培育是素質教育的具體化和深入化， 必須通過創新教育方式方法來實現，以培養學生的創新精神與實踐能力為基本價值取向，著力研究與解決如何培養與提升學生的創新意識、創新思維、創新精神和創新能力的問題。習近平總書記指出，教育“要在增強綜合素質上下功夫，教育引導學生培養綜合能力，培養創新思維”， 這對加強學生創新素養培育及實驗教學改革工作具有重要的指導意義。

1 國內外關于大學生創新能力培養的研究

美國麻省理工學院（MIT）成立之初，就確立了理論與實踐相結合，且致力于研究以應用為本的理念，并且于1969 年實施了“本科生研究機會計劃” 項目， 開創了本科生科研能力培養的先河[3，4]。 之后美國各大高校紛紛建立了本科生科研活動指導機構， 大力鼓勵支持本科生參加科研訓練。 我國最早實施本科生科研能力培養的是清華大學的“大學生研究訓練計劃”。 而后，國內的研究型高校相繼開展了類似教學活動。 2007 年，教育部實施了促進大學生創新精神與科研能力培養的“國家大學生創新性實驗計劃”，將大學生創新精神與科研能力培養上升到國家的高度，成為高校教育教學改革的一個重要方面。

目前國內在大學生創新能力培養方面主要存在以下幾種形式：

一是通過鼓勵引導學生參與教師科研項目培養科研創新能力。

陳顯平（2022）提出引導學生參與科研項目來培養光電工程本科生的創新實踐能力[5]；廖小建等（2021）提出鼓勵學生參與課題研究等活動提升學生綜合素質和科研創新能力[6]。

二是依托學科競賽、科學創新類項目促進創新能力提升。

錢偉龍等（2022）基于“大創項目”探討了大學生創新創業能力的培養模式[7]；鐘美等（2022）提出通過學科競賽提升創新創業能力的策略[8]；趙永萍等（2022）提出依托科技創新活動培養大學生創新能力的四級組織管理模式[9]；方趙嵩等（2022） 分析了學科競賽對建環專業學生創新能力培養的促進作用[10]。

三是以團隊培養、產教融合等方式進行創新人才培養。

《“團隊式”培養模式對食品類本科生創新能力培養的研究》中提到，通過研究生帶隊對食品類本科生采用“團隊式”培養，使本科生的創新能力得到提升（趙慧君，張振東等，2022）[11]；馬婷婷（2022） 提出以產教融合促進大學生創新創業能力[12]；王國虹（2022）結合《能力本位教育：地方農業院校的探索與實踐》一書，探討產教融合與農業院校創新創業人才培養的互動聯系[13]。

四是高職教育階段、研究生教育階段的創新人才培養。

《基礎、提升、實現:當代大學生創新能力培養模式建構》中提到，應從創新教育的教學理念、教學范式、教學評價等環節構建創新教育的教學體系， 通過實踐教學實現學生創新能力的養成（山東省教育科學“十三五”規劃課題“高職院校藝術設計專業學生‘三段式’創新能力培養模式研究”（YC2019281））（王黎莉， 邱文偉，2022）[14]；易菲（2022）指出目前研究生課程教學與實踐創新能力培養脫節[15]。

2 國內基于創新能力培養的實驗課程體系建設、實驗教學模式的研究

近年來，國內在創新能力培養方面針對實驗課程體系、實驗教學模式也作了系列研究。 楊平等（2013）提出了以生為本，課程的應用性放在首位，建立開放、研究探索式的實驗課程體系[16]；徐勝臻等（2013）構建了立體化有機實驗課程體系以促進創新人才培養[17]；張玉等（2016）從教學內容、教學模式、教學評價以及實驗教學條件等方面探討教學與科研融合視角下的食品專業實驗課程體系改革[18]；于軍等（2016）從醫學實驗教學的角度提出綜合實驗課程體系的構建對學生創新意識和實踐能力的培養具有重大意義[19]；彭垠婷等（2017）對以培養大學生科學創新能力為導向的實驗課程體系進行了探索[20]；曹媛等（2017）以重大科研平臺為基礎構建出系統層次化實驗課程體系[21]；聶三安等（2018）結合生物科學專業綜合實驗課程的特點探索構建綜合性實驗課程新體系[22]；康海燕等（2019）以創新能力培養為目標對集成電路專業的實驗教學體系進行了探索[23]；王麗華等（2022） 以開設物流系統規劃與設計課程為例， 探討了將創新精神和科研能力元素融入到專業課程教學中[24]；肖付剛等（2022）通過對食品專業進行一系列改革探索，提升了創新創業能力[25]。

3 現狀述評

可以看出，國內高校對大學生創新能力培養非常重視，但仍有一定局限性：由于多數情況下依靠學生在實踐中自行摸索與領悟，導致出現諸如動手操作興趣雖然濃厚但實驗技能基礎非常薄弱，思維雖然活躍但創新、科研思維缺乏等問題。 比如在參與教師科研項目的過程中，由于大多數情況下學生只是承擔某項具體的實驗工作，因此只能接觸到科研項目的局部，而對于科研項目的來源、選題依據、整體設計等缺乏全面了解，科研與創新思維沒有得到很好的鍛煉；在開展大學生創新創業項目的過程中，則受限于科研創新素養欠缺，例如缺乏扎實的實驗功底、嚴密的科研創新思維等，因此難以產出優秀的創新性科研成果。

雖然部分學者以提升創新能力培養為目標對實驗課程體系、 實驗教學模式進行了系列研究，但多是針對某一專業、某一課程單獨進行研究，且不夠系統。 目前將實驗課程體系與實驗教學模式相融合進行創新素養培育的研究鮮有報道，針對農工專業大類的創新素養人才培養研究則更少。

基于此，為有效促進大學生創新素養的培育與提升，必須依托于設計科學規范、教學目標明確的系統化的實驗教學體系。

本文在歸納總結前人相關研究成果的基礎上，關注實驗課程體系與創新素養人才培育的深度融合，探索時間空間、實踐內容、儀器設備“三開放”的實驗教學模式。 實驗課程體系作為人才培養方案的核心，直接關系到人才培養目標的實現與人才培養質量的提升；并且在開放式教學培養模式下， 不僅可以促進理論與實踐有機融合，提升學生的實踐操作能力，同時還可以培養學生的科研與創新思維，提升科研與創新能力。

4 建設思路

山東農業工程學院根植農業教育、服務區域經濟社會發展，培養應用型人才，初步形成了“農工融合”的辦學特色，以開設實驗課的農工科專業為研究對象，對其實驗課程體系及實驗教學培養模式進行探究。 以創新素養為導向，以實驗項目為基礎，按照人才培養方案要求，遵循學生認知與能力培養的規律，循序漸進，依托基礎性實驗、綜合設計性實驗、科研創新性實驗三個層次構建實驗課程體系； 依托實驗教學管理系統，通過優化實驗教學指導書、 建設完善實驗項目庫、創新實驗教學形式等方式，提出優化策略和具體的實施方法， 探索開放式的實驗教學培養模式。（見圖1）

圖1 建設框架Fig.1 The framework of construction

5 實驗課程體系的構建

5.1 以實驗項目為基礎， 以培養學生應用創新能力、科研素養為目標，構建實驗課程體系

一是層次化實驗項目體系建設（實驗項目建設與設置）。

結合應用型人才培養方案要求，優化實驗課程教學大綱，科學合理設計實驗項目，整合實驗項目資源。注重設置綜合性、設計性實驗，增加綜合性、設計性和創新性實驗項目數量，在實驗內容方面注重與教師的科研項目、學生的科技創新活動、畢業設計（論文）及企業社會需求相結合，同時結合人才自主培育的特點，設置部分選做實驗項目，建立基礎性實驗、綜合設計性實驗、科研創新性實驗相結合的層次化實驗項目體系。

二是實驗課程體系設計。

將大學生的創新素養培育分為3 個階段：分別為基本素養、創新思維、創新能力。低年級階段（大一、大二）：注重培育學生的基本素養，主要包含專業基礎知識、實驗基本技能等，偏重激發學生的創新意識，培養動手能力；中高年級階段（大二、大三）：本階段學生已具備基本素養，重點培育學生的創新思維，以綜合性、設計性實驗為主，促進創新思維的開發與提升；高年級階段（大三、大四）：本階段學生已經初步具備設計能力，主要培育學生的綜合素質與創新實踐能力，學生通過完成具備探索性的實驗， 全面促進其創新意識、創新思維及創新實踐能力的提升。

三是實驗課程設置。

以實驗項目為基礎，在實驗課程設置方面分為3 個層次：

第1 層次：面向低年級階段學生開設基礎實驗課程，夯實學生實驗技能基礎。

打破傳統基礎實驗側重驗證理論知識、實驗技能單一的缺陷，對基礎實驗進行改革，以夯實實驗基本技能為目標，提升規范化操作實驗項目比例，豐富基礎實驗項目形式，為滿足學生在高年級科研創新活動中的多樣化實驗技能需求奠定基礎。

比如食品質量與安全專業的實驗課程《食品微生物學實驗》中共收錄了6 個實驗，包括普通光學顯微鏡的使用技術、食品中常見微生物的觀察和識別技術、微生物的制片、染色、計數與鏡檢技術、培養基的制備和滅菌技術、微生物消長測定技術等方面的內容， 通過本實驗課程的學習，可以使學生鞏固和加深食品微生物學的理論知識，熟練掌握研究微生物的基本實驗技能、實驗方法，規范實驗操作。實驗項目“基于培養介質的微生物消長的測定”的引入，可拓寬實驗操作技能的范圍， 初步鍛煉學生的科學研究及創新能力；學生通過觀察不同材料、進行各項操作、分析實驗結果、完成實驗作業等環節，進一步加強獨立分析問題和解決問題的能力，并提高實驗動手能力。 同時注重培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度和良好的實驗習慣，為今后的學習工作夯實基礎。

第2 層次：面向中高年級階段學生開設綜合設計類實驗課程，強化培育學生創新思維。

創新思維是推動科學研究的動力，科學研究的過程就是科研創新的過程，而科學研究中的核心階段就是研究方案的設計，在方案設計過程中可以很好地鍛煉學生的聯想思維、 發散思維、綜合思維、批判思維、逆向思維等創新思維，因此針對有一定專業知識基礎的學生，以綜合性、設計性強的實驗項目為主要實驗教學形式，在實驗教學內容方面適當融入本專業的科研成果，加大科研成果轉化為實驗和實踐活動的力度，可有效培養學生的科學創新思維。

比如食品科學與工程專業的《食品微生物檢驗A》課程收錄了2 個實驗，包括食品樣品的采集、處理及大腸菌群的檢驗和食品中金黃色葡萄球菌的檢驗， 兩個實驗均為綜合設計性實驗，通過該實驗，學生能夠針對某一食品查找、解讀國標， 選擇所需檢測的微生物指標并進行實驗設計，掌握相應的樣品處理方法和檢驗方法，能夠對數據進行記錄、處理和結果報告，培養嚴謹認真的科學態度以及良好的團隊協作能力，提高學生實驗設計能力及科研邏輯創新思維能力。

第3 層次：面向高年級階段學生開設科研創新性（綜合探索性）實驗課程，促進學生綜合素質與創新實踐能力的提升。

針對具備一定專業素養及科研設計能力的高年級學生，開設由學生自主選題、自主設計、自主實施完成的科研創新性實驗，培養學生的科研創新實踐能力。 科研元素貫穿于整個實驗過程，學生可以具備的科研基本素養、創新思維為基礎進行科學創新實踐。

比如農業科技創新實驗中心開設的《設施蔬菜栽培學實驗》——設施黃瓜品種比較實驗計劃制定、實施、測產評價，《茶樹栽培技術》——茶樹短穗扦插穴盤工廠化育苗技術；基礎獸醫實驗室開設的《基礎獸醫學實驗》——未知抗菌藥物對大腸桿菌體外抗菌活性的測定；植物生理學實驗室開設的《植物與植物生理實驗》——鹽脅迫對種子發芽率的影響，《工廠化育苗原理與技術》——蔬菜嫁接育苗技術；植物病蟲害標本館開設的《園林植物組織培養》——組培苗的增殖與生根培養；畜產加工實驗室開設的《食品生物化學A 實驗》——唾液淀粉酶活性的影響因素； 食品科學與工程專業的《食品營養學課程設計》——膳食營養素需要量的確定及膳食調查等實驗課程，以研究設計為主要內容，在實驗開展過程中教師會給予學生足夠的發揮空間， 結合科研項目、科技前沿、社會需求等設定選題，讓學生圍繞選題查閱有關文獻資料，自擬實驗題目，設計實驗方案，明確實驗目的，根據方案進行實驗儀器、實驗藥品、耗材等的選擇，實驗分組及任務分工、不同實驗階段的安排等，對科研創新思維的提升起到很好的鍛煉作用。

以3 個層次實驗課程為主體，構建符合創新能力發展規律的實驗課程體系，現以食品科學與工程專業的實驗課程體系設置為例，具體見圖2。

圖2 基于創新能力發展規律的實驗課程體系（食品科學與工程專業）Fig.2 The experimental curriculum system that conforms to the development law of innovative literacy of college students (Food science and engineering)

圖3 實驗課程支撐資料Fig.3 The Supporting datas of experimental courses

圖4 實驗項目支撐資料Fig.4 The Supporting datas of experimental projects

圖5 動態實驗項目基本庫Fig.5 Dynamic library of experiment projects

圖6 基于實驗項目的多維度實驗課表Fig.6 Multi-dimensional experimental class schedules based on experimental projects

圖7 實驗運行監控——實驗完成進度Fig.7 Experiment operation monitoring - experiment completion progress

圖8 實驗室與實驗教學綜合服務平臺Fig.8 Integrated service platform of laboratory and experiment teaching

6 開放式教學模式的探索

6.1 創新實驗教學形式

一是在課堂實驗教學中培養學生的創新思維與能力。

課堂實驗教學是對學生進行科學性訓練的中心環節，在實驗課程體系的基礎上，通過教學活動鍛煉學生的基本技能與創新實踐能力，讓學生學會各種創新實踐與研究方法，培養學生的專業素養。

（1）采用多種教學方法，激發學生的創新思維和創造力。堅持以學生為中心，以師生互動、生生互動為原則，針對不同類型的實驗課程，分別采用講授、啟發研討、翻轉課堂、任務驅動、演示參觀、虛擬仿真、線上線下混合教學等多種教學方法開展實驗教學。

（2）在實驗教學開展中，注重突出學生的主體地位，教師主要是對實驗過程進行指導，同時加強對課前、課中、課后三個階段學習過程的管理，以此提升學生的創新思維與實踐能力。

二是優化實驗教學評價模式，在評價標準中突出創新。

教師對學生的評價注重多元化，綜合課堂表現、專業素質、實踐能力及實驗操作的創新性等給予恰當評價。尤其是針對學生實驗過程中表現出的創新意識、創新思維，教師應及時肯定，并引導協助其發展。

2022 年10 月，依據中共中央、國務院《深化新時代教育評價改革總體方案》 和山東省教育廳 《關于推動課堂教學改革全面提高普通本科高校人才培養質量的通知》（魯高教字〔2022〕4號）等文件精神，學校制定了《關于進一步加強學業評價改革的實施方案》， 通過本方案實施，進一步加強了學習過程管理， 提高了創新素養人才培養質量。

在教學評價過程中， 進一步強化過程管理，推行全過程學業評價，優化“非標準答案”考核方式，實現從“考核知識為主”向“能力和知識并重”轉變，科學合理測評學生學習效果。 評分標準向引導獨立思考和創新轉變， 考核中加強 “應用型”、“開放型”、“創新型”命題比例，主觀題的評分標準有彈性，允許有不同見解的答案，考核時關注答題的思維過程。將獨立思考和創新因素作為重要的評分標準，對學生具有創新的、探討性的觀點給予充分肯定?，F以《食品微生物學實驗》課程考核方式為例，具體見表1。

表1 《食品微生物學實驗》課程考核實施方案Table 1 The implementation plan of "Food Microbiology Experiment" course assessment

三是開放實驗教學場所。

學校正式建制的各類教學科研實驗室，在完成正常教學與科研任務的前提下，充分利用現有師資、儀器設備、實驗室環境條件等教學資源對學生開放。在課余時間有針對性地對學生進行開放和指導，作為計劃內實驗教學的一種有效的補充和延伸。

（1）學校有計劃地遴選開放實驗項目。

（2）大創項目，學科競賽，創新創業活動，畢業論文（設計）。

（3）支持本科生參與科研活動，早進團隊，早進課題組，早進實驗室。

突破課堂實驗教學學時的限制，以及學生能力間的差異，為學生提供實踐鍛煉和自主發展空間，提高學生的動手能力和創新能力。

6.2 依托實驗教學管理系統， 探索開放式的實驗教學培養模式

實驗教學管理系統以實驗項目為主線，以“教師—學生—實驗室”為主體，緊密貫穿實驗教學體系、實驗教學準備、實驗教學過程、實驗教學質量等各教學環節， 體現出實驗教學的動態性、層遞性和系統性，形成一體化的實驗教學管理體系。

一是建設完善實驗項目庫，規范實驗項目管理。

（1）根據人才培養方案制定實驗教學大綱，根據人才培養需要和實驗室實際情況，科學合理設計實驗項目，做到“十明確”：明確教學目標，明確實驗原理， 明確實驗內容，明確方法步驟，明確實現條件，明確所需耗材，明確實驗分組， 明確學生作業，明確考核要求，明確考核標準。

（2）規范實驗項目審核程序， 組織校外專家對實驗項目合理性（重點對綜合性、設計性、創新性項目）進行審核、論證。 按照課程負責人提出方案、編訂實驗教學大綱、 組織專家對實驗項目合理性進行審核、論證、提交開課學院（教研室）審查批準、報教務處備案的程序進行實驗項目審核。

（3）以實驗項目為基礎，認真編制《實驗（實訓）指導書》。

（4）教學主管部門依托實驗教學管理系統，建設完善實驗項目庫，實施動態管理。

依托實驗教學管理系統， 以實驗課程為單位，建設實驗教學大綱、實驗（實訓）指導書等學習資料。

依托實驗教學管理系統， 以實驗項目為單位，建設該實驗項目開出所需設備、耗材、房間等資料。

以實驗項目為主線，形成動態實驗項目庫。

二是加強實驗教學過程建設， 規范過程管理， 規范實驗項目開出， 切實保證實驗教學質量。

（1）嚴格按照實驗教學大綱， 開足實驗項目。

多維度實驗課表中可體現出實驗項目名稱、 授課教師、授課時間、授課地點、選課學生詳情等信息， 實現實驗教學的精細化管理。

通過實驗運行監控的實驗完成進度情況， 可顯示所有排課模式的實驗任務完成情況： 排課比例的統計規則是任務下每個學生安排的實驗項目與學生之和等于實驗任務學時，此時為100%，一般不到100%的原因是有學生少安排或未安排實驗， 或實驗項目安排學時之和不足教學任務學時， 認為實驗開設不足。

（2）規范實驗準備、實驗指導、實驗報告、實驗考核各環節，保證實驗項目規范開出。

①做好實驗教學準備：教務處等教學主管部門設置教學任務，教師基于實驗課程選擇教學大綱、 實驗指導書和實驗項目， 并基于實驗項目進行實驗排課、實驗分組等；

②規范實驗教學過程： 教師進行實驗預習管理、 學生簽到管理、實驗過程指導、實驗報告批閱和實驗成績管理等；

③保證實驗教學質量： 教學主管部門及二級學院教學實驗中心對實驗完成進度、選課完成情況、成績錄入情況進行監控， 管理系統統計匯總項目開出率、 實驗室使用率等實驗教學有關數據。

（3）認真及時做好實驗教學資料歸檔。

三是與實驗室開放管理系統、 大型儀器設備共享平臺結合，做到時間空間、實踐內容、儀器設備“三開放”，形成開放式實驗教學培養模式。

（1）依托實驗室開放管理系統及實驗室開放管理辦法，實行開放實驗項目立項制—實驗場所預約制—學生“第二課堂”積分制，激勵教師、學生積極參與實驗室開放，形成開放式實驗教學的有效補充。

（2）依托大型儀器設備共享平臺及大型儀器設備開放共享管理辦法， 實行實驗預約制-專人負責制-科研教學共享制， 既實現了大型儀器設備的正常運行與高效利用，又鍛煉提升了學生應用儀器設備開展實驗的創新能力與操作能力。

7 實踐成效

通過多年的探索與實踐，學校農工類專業初步形成了層次清晰的開放式實驗教學模式。目前全校有47 個實驗室（建制實驗室）對外開放，近2年教師、學生申報開放實驗項目數、大學生創新創業項目數、自主預約開放實驗室人次數、大型儀器設備共享率逐年遞增。2022 年、2023 年大學生申報校級創新項目累計134 項、創業項目累計34 項，2023 年校級大學生科技創新重點項目立項37 項，舉辦2023 年第十屆山東省大學生科技創新大賽校賽并評選出102 項項目參加省賽；2023 年， 學校大型儀器設備校內共享學時達6831.2h。

通過實驗課程體系與實驗教學模式的改革，學生的實踐能力與創新能力得到明顯提升。通過調查，62.7%的學生表示通過該實驗課程體系提升了學習興趣，68%的學生表示該教學模式提升了自主學習能力，83%的學生表示提升了實驗操作技能，75%的學生表示提升了對所學知識的綜合運用能力，72.4%的學生表示提升了創新思維與創新實踐能力，77%的學生表示提升了團隊合作能力。

本文主要從實驗課程體系、 實驗項目體系、實驗教學創新形式、開放實驗教學場所、實驗教學信息化管理平臺五個方面，深入探索了創新素養培育為導向的實驗課程體系及開放式教學模式。 通過實驗教學改革，學生不僅能夠系統掌握專業知識與技能， 而且創新能力得到有效提升，可以更好地滿足國家、社會與企業需求。 我們將繼續探索并不斷完善實驗課程體系與開放式教學模式，推動應用型創新人才的自主培育， 以期對其他地方院校的創新型人才培養改革提供借鑒。