新工科背景下石油工程专业自主创新数字化实验教学平台的实施研究

刘 鹏，李先林

（1.克拉玛依职业技术学院，新疆克拉玛依 834000；2.新疆正通石油天然气股份有限公司，新疆克拉玛依 834000）

1 国内外工科专业实验教学现状对比分析

1.1 国外工科专业实验教学现状

开放式是国外工科专业实验教学一直以来努力探索和发展的方向。早在20世纪中期美国就率先开启了开放式实验教学的探索之路，紧随其后的是英国和日本。经过了多年的摸索和发展，到了21世纪，开放式实验教学模式在一些较为发达的国家就已经基本建立。开放式实验教学的最大优势在于打破了传统实验教学内容和形式的固定化、流程化和单一化，而是给了学生足够的发展空间，学生需要独立设计实验方案、制定实验流程、搭建实验平台，最终依靠自己完成整个实验过程。

实验教师或者技术人员在实验教学中扮演的只是引领者的作用。他们会将实验仪器设备的使用方法教授给学生，并带领学生进行仪器设备的操作学习，确保学生能够熟练操作仪器设备，了解工作原理，掌握基本的操作技能和实验方法。之后，教师会利用信息化技术模拟实验过程，引导学生通过观察实验过程了解实验内容、分析实验结果，为后续实验设计提供思路。最后，学生根据自己对实验的理解进行实验方案的设计，教师会围绕实验主题设计不同的实验方向供学生选择，学生需要利用所学知识独立设计实验过程，包括实验仪器的选择、结果的分析等，学生可以选择独立完成或以小组为单位完成。

此外，国外更加关注实验教学手段、教学方法及教学仪器设备的更新，目的在于让学生能够了解到最前沿的技术和实验手段，提高学生对实验、实践教学的重视，明确理论联系实际的意义，也让学生感受到科技的力量。

此外，国外的实验教学更突出对学生独立、创新意识的引导和培养，实验教学中更多是对学生进行引导和指导，以鼓励和启发式教学为主，鼓励学生通过小组讨论、独立思考、自学等手段完成实验操作，并依据实验结果进行分析、归纳和总结，培养学生独立思考意识，引导学生积极主动地参与到实践教学中。

1.2 我国工科专业实验教学现状

国内工科专业的课程体系中，实验教学通常是作为理论课程的补充和辅助，单独设置的实验教学环节较少。随着新工科发展步伐的加快及社会对实践能力认识程度的加深，实验教学在培养工科专业学生创新实践能力方面所起到的关键性作用得到了越来越多的认可和重视，但从实验教学的整体发展情况来看，依然存在一定的发展空间。

（1）部分工科专业观念转变慢，还没有意识到实验课程对于学生发展的重要性，实验仪器设备更新慢。另外，实验教学内容陈旧，缺乏创新性，实验内容以书本为主，难以实现与行业发展和生产实际的同步性。

（2）实验教学方法陈旧，留给学生独立思考、设计的空间较小，学生参与实验的积极性不高，从而限制了实验教学对于学生实践能力提升的发展。

（3）实验教学设计存在脱离实际的问题，缺乏与行业发展、社会需求的联系，造成实验教学的实用性不强[1]。

以上的问题在石油工程专业的实验教学中也是存在的，因此，对于当下的工科实验教学来说，必须打破专业建设与行业发展、社会需求之间的壁垒，以行业和企业需求作为实验教学设计的方向。

2 新工科发展背景下对石油工程专业实验教学平台建设的要求

石油工程专业作为学校的特色和优势专业之一，经过多年的建设和发展已经形成了涵盖课内实验、综合实践及实习实训于一体的教学体系，为培养石油专业学生实践能力、操作能力搭建了发展平台。但与此同时，新工程的发展、专业结构优化对于石油工程专业学生的实践操作能力提出了更高的要求，传统的“理论讲解、实验验证”的实验教学理念已经无法满足当下石油行业发展的要求，而融入了自主创新、现代数字技术的现代化实验教学模式成为促进石油工程专业转型创新发展的必然选择。

在这样的背景下，石油工程专业应积极探索构建起集“开放式、自主性、创新性”为一体的实验教学体系，引领实验教学由“照着做”转变为“主动做”，为学生提供自主实验、创新思考的自由和空间，以调动学生主动参与实验的积极性为目的，以培养和提升学生专业实践能力为目标，全力推进数字化实验教学平台的建立。尤其考虑到石油工程专业的实验教学内容大多无法完全脱离理论教学的现状，实验内容相对固定，且石油专业作为传统专业，其实验教学模式难以实现实质性的突破，导致学生创新意识不足，实验教学与现代科技融入不深，难以满足新工科对专业发展的要求。因此，对于石油工程专业来说，必须充分借助新工科建设发展的良好契机，加速推进自主创新数字化实验教学平台的建设和发展[2]。

3 石油工程专业自主创新数字化实验教学平台建设

对于石油工程专业来说，建设自主创新数字化实验教学平台是以新工科建设要求为目标和指引，对照专业人才培养目标对现有实验进行创新优化和升级，依托课程群，推进实验教学模块化发展，打造以自主创新为目标的开放式实验教学平台，同时借助智慧校园等在线平台建立预约机制，学生可通过网上预约开展自主化的实验探索。

针对每个实验教学模块，根据实验内容和特点分为验证性和自主创新性两类，针对不同类别的实验，再建立不同的层次，各层次之间有机结合又层层递进，从而构建起横纵向相结合的、基础型和科研型为一体的实验教学平台，实现理论与实践、专业与行业深度融合。从而满足不同层次、不同年级、不同培养方向的实验教学需要，为学生理论知识学习、实践能力发展提供空间和平台。

针对原有实验教学自主创新内容不足的问题，可通过设立单独的创新实验模块加以完善和补充。其目的在于要让学生及时了解本专业领域的前沿技术，培养学生科技创新意识和精神，引导学生从传统教学模式和对专业认识的局限性中跳转出来，建立科技兴国的责任感和使命感，激发自主创新和探究的欲望。

学校可开放单独的自主创新实验室，并为学生提供相应的仪器、设备、电子设备、试剂等，学生可根据自身需要和兴趣方向制定实验方案，并选择相应的仪器设备。实验教师可在需要时为学生讲解仪器设备的操作方法、构造原理和注意事项，并针对学生实验中的问题给予专业性的指导和解答，其余实验过程都由学生独立完成。学生在完成实验后，可进行实验过程的总结，分析不足，总结经验，并将实验过程中的问题、分析结果进行详细记录，为后续实验奠定基础。针对学生的实验分析结果，教师要给予及时指导，并鼓励学生以文字的形式进行整理，为学生后续科研、实验提供思路[3]。

学校要意识到自主创新实验平台建设对于人才培养的重要性，创新意识和能力、数字思维和技术更是“新工科”对人才培养的基本要求和重要标准。因此，在建设自主创新数字化实验平台过程中，要确保专业发展与行业发展、地方产业发展的同向性和适应性，要明确国家和行业发展对人才需求的变化，从而为实验平台的构建指明发展的方向。另外，学校要注重与地方产业的结合，充分利用地方资源，努力开发共建实验室，实现专业发展与行业的充分融合，及时了解产业发展的新方向和新技术，为学生自主创新提供思路和方向。

实验平台的建设要注重“虚实结合”，即除了实体实验室的建设外，还要注重虚拟、数字化实验平台的搭建，充分借助现代化信息技术手段，建立实时交互、虚拟平台，丰富实验教学的形式，满足不同学生对实验教学的需求，同时推动实验教学创新发展，从而构建起“现实-虚拟”相结合、“线上-线下”相结合的多元化实验教学平台，打造多元化、精准度的实验教学平台，促进实验教学内涵式、高质量发展。

4 新工科背景下石油工程专业自主创新数字化实验教学平台的实践

4.1 运行模式

自主创新数字化实验教学平台的建设极大推进了专业信息化建设的步伐，推动实验教学朝着科技化、数字化方向发展。与此同时，以自主创新为核心理念的实验教学平台的建设，创建了以自主性、合作性、开放性和探究性为一体的实验教学平台，实现实验教学的自助式发展。学生可以通过网络平台进行实验室预约，确定实验项目，可选择独立或者小组形式完成整个实验过程，打破了传统实验教学的固定化、流程化约束，拓展了学生的思维和能力，提高了学生实践、思考和探究的互动性，为学生实践能力、操作能力、理论应用于实践能力的提升提供了极大的支撑，为专业高质量发展提供了有利条件。

4.2 运行过程

学生在预约时间进入实验室后，首先是对所选择的实验内容进行设计，预判实验过程中可能出现的问题，鼓励学生结合所学知识按照自己的思路设计实验流程，寻找问题的应对方案。实验教师可对学生设计的实验方案给予指导和建议，帮助学生优化设计方案，并对学生实验过程中所用的仪器设备的使用进行指导。这个过程中，需要学生独立进行思考和分析，了解方案设计中的不足，从而提高思维能力和创新能力。

以“采油工程”中的抽油机原理和泵效试验为例，实验教师可指导学生先熟悉抽油机、深井泵的工作原理和结构，教师可通过计算机以模拟的方式对仪器设备的工作原理、部件结构进行讲解，帮助学生更加直观地了解设备的使用方法和原理。在基础上开展独立实验，并记录下相应的数据，观察仪器设备的运动情况等。实验过程中，教师可以随时对学生的问题进行指导和解答，记录学生实验中的表现，并结合实验结果对学生的实验过程进行综合性评价[4]。

4.3 考核形式

自主创新数字化实验教学平台的建设还包括对实验的考核，相对于传统实验教学以实验报告为主要评分依据的考核方式，自主创新实验教学平台的应用应更注重对实验过程的考核，包括学生实验设计的科学性、创新性、仪器设备操作的规范性及团队合作性、实验参与度等都应纳入考核中来，并将汇总后的成绩作为实验成绩的一部分。另一部分成绩主要针对学生实验结果的分析和归纳，包括学生对实验结果分析的准确性和客观性等，这是对学生综合能力的考核。最终的成绩将由过程成绩和报告成绩两个部分组成，可按照实验教学的难度设置比例，同时加大对自主创新能力的考核，鼓励学生积极参与主动思考[5]。

4.4 实验教学效果分析

自主创新数字化实验教学平台的建设实施取得了一定的成绩，极大调动了学生实验参与的积极性，无论是实验教学的质量，还是学生实践能力和分析能力都得到了提升和锻炼。更重要的是，自主式的实验教学模式，带给学生足够的尊重和发展空间，更能让学生体会到“学生中心地位”，也更有助于学生创新思维的培养。不仅如此，在教师的鼓励下，学生的探索精神得到了发展，对于实验过程中遇到的问题能够主动查询资料寻找解决的办法，同时增强了团队协作意识。相较于传统实验教学模式，创新模式下的实验完成效率和质量都有了极大提升。与此同时，学生对于专业有了更加深入的认识和了解，也有意愿关注行业前沿技术和发展，更加明确自身所肩负的科技创新的重任。

5 结束语

以现代科学技术为依托构建自主创新数字化实验教学平台对于推动新工科建设意义重大，也更有助于石油专业实现转型创新发展。对于学生来说，全新模式下的实验教学更具开放性和思考性，对于学生科研能力、分析能力及创新意识的培养起到了积极的作用。与此同时，教学模式的转变，也要求积极转变思路，不断探索教学方法、手段的改革，为实验教学质量的提升奠定良好的基础。