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摘要：为了探究实验和实践环节在工科院校人才培养中的有效途径，本文概述了实验和实践的重要地位，分析了工科院校实验教学的状况，总结和引证了设计性实验对培养学生实践和创新能力的作用，并提出了开展设计性实验的一些建议。
关键词：实验教学；设计性实验；实践能力；创新能力
一、实验和实践的重要地位
2006年9月丁肇中教授在人民大会堂举行的科协年会上作特邀报告，展示了他在诺贝尔奖颁奖典礼的中文演说词：“得到诺贝尔奖，是一个科学家的最大荣誉。我是在旧中国长大的，因此想借这个机会向在发展国家的青年们强调实验工作的重要性。中国有一句古话：‘劳心者治人，劳力者治于人’，这种落后的思想，对在发展国家的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多在发展国家的学生们都倾向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础。特别是，物理学是从实验产生的。我希望由于我这次得奖，能够唤起在发展国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。”无数的事实印证了丁肇中教授这一论说：实验在科学研究中的重要地位。
从社会的现实来看，工科院校学生的实践能力与就业存在密切的关系，体现着社会发展的需要。本世纪最根本的竞争是人才和素质的竞争，理论学习所积累的知识只有通过实践才能转变成人的能力，进而提高人的素质；而素质中最为根本的是实践能力与创新能力。学校如果培养的学生缺乏实践能力与创新能力，学生在社会上就缺乏竞争力，所以工程实践能力是考核素质教育成效的关键指标，是检验学习效果的依据。实践能力的强弱是一个人能否成才的重要标志， “高分低能”的现象要力求避免，特别是工科学生。就企业而言，需要的是一专多能、遇到问题马上就能解决的人才，企业界十分重视学生的创新能力和实践工作业绩。对学生而言，要增强这种就业竞争力，重要的就是在校期间努力培养自身的综合能力尤其是实践和创新能力。
二、工科学生实验教学的状况
工科学生实验教学普遍存在实验效果较差、实践能力培养收效不大、创新后劲不明显的状况，其中的原因可概括为如下方面。
1．我国传统教育观念对实验环节潜在的不良影响。我国教育过程中注重理论和基础，看重考试成绩，造成学生对实验和实践的重要作用认识不足，没能发挥实验对消化、加深理解理论知识的互动作用。对比一下美国的情况，美国当代教育以人的全面发展为中心，注重培养学生的创新意识和实践能力。美国高校还特别重视工程实践能力的培养。由于我们实验教学中的多数实验是老师准备好的，实验的设计主动性不在学生方，会造成学生对实验的等待、依赖思想，不会设计工作；有部分学生上实验课时态度不认真、对待实验采取敷衍应付的态度，甚至抄袭实验报告。这种现状与希望通过实验的训练来培养动手能力和创新能力的宗旨相去甚远。
2．现行与理论课程配合的课内实验大多数是以验证性为主，而对有助于培养学生创新能力和实践能力的综合性及设计性实验较少。从表象上看，验证性实验的硬件装置或设备的投入比起十多年前开放改革之初是大为增强了，甚至配备的某些大而全实验装置耗资菲浅。按理说应该实验效果显著，但事实上却相反，因为学生无法深入探究和了解整个实验装置的组成结构及从源头上经受实际电路设计的锻炼，只能按实验指导书的规定，调用其中的软件板块，进行验证性操作，实现的充其量是结果的观察和体验。实验设计的主动性不掌握在学生手上，更谈不上创新活动。照样画葫芦的实验环节会束缚学生的思维活性和创新潜力，不利于培养自主设计的能力。没有挑战性的实验过程，久而久之会使思想的锋芒很有可能被磨得没有任何棱角，结果就是上述所说的敷衍应付或者实验完成后不知所为。而美国大学的实验内容以设计性实验为主。可以看出，美国大学课程中实验设置的一贯原则，即以能力培养为主原则的体现。
3．理论课授课和与之配套的课内实验联系脱节。一门课的实验由另一部分实验老师来承担，这仅仅是分工安排上的不同。要使学生在学习理论课后能有进入实验环节的渴望感，而不认为实验是一种可有可无的任务甚至是一种负担。要紧的是授课老师在理论讲授的同时，尽可能结合相关的实验问题引导学生对实验目标的认识和引起对实验求证的兴趣，并结合工程应用问题开阔视野、激发学生的实践求解热情。之所以未能融合到这一点，是因为高校教师大多数属于从理论到理论型，缺少实际经验，教学方法和教学手段单一，在指导学生实践活动时便显得底气不足。未能把实践教学的思想贯穿在理论教学上，做到二者互相联系和互相呼应，自然会影响到学生的实验及实践的兴趣和效果。要改变这种局面，要求授课老师自身具有科学研究的经历和较丰富的工程实践积累。这需要一个训练和实现的过程，但始终应是要逐步趋近的目标。
三、设计性实验对培养实践和创新能力的作用
从实验的性质种类来看，可分为演示性、验证性、操作性实验和综合性、设计性、创新性实验两大层次。前者实验是对知识的理解和掌握；后者的综合性实验是介于两层次之间的一种折衷，设计性实验才是实践能力和研究能力的实质性培养和体现，而创新性实验则体现了实验效果的最高境界。教育工作者有责任和义务尽一切力量调动学生的积极性，为他们日后的个人发展打好基础。
何为设计性实验?其主要特征是老师只给出实验的对象、目标、要求、技术指标、完成期限和验收方式，至于实验的实现方案、技术路线、元器件的选择、具体制作和调试方法、指标测试等则全部由学生自主完成。各类方式的电子大赛就是设计性实验的一种具体体现，因为大赛规则中包含了基本要求和发挥性要求，发挥性要求实际上融合了创新性实验的内涵。所以说，设计性实验对学生实践能力的培养和创新能力的发挥有着不可替代的作用。归纳起来有如下特点和效果。
1．由于设计性实验全过程是由学生独立自主完成，实验的主动权在学生方，不可能存在等待、依赖思想，能充分发挥学生的主观能动性和积极因素，这是培养学生实践能力和发挥创新精神的前提基础。
2．设计性实验的要求不是通常验证性、演示性实验的简单综合，而是更多地贴近工程实际、综合运用所学知识进行项目的设计和实现，含有创新因素，因此对学生既有挑战性又有压力，能激发学生的兴趣，这是培养学生实践能力和发挥创新精神的动力源泉。
3．学生通过设计性实验中的任务分析、方案制定、电路构思、硬件设计、软件编写、分步试验、制作实施、系统调试、指标测试、性能改进和报告撰写等全过程的实践和攻关，既能把所学的理论知识加以综合运用，又能把研究视野扩展到相关的知识领域和接触一些先进的元器件并加以运用。动手实践的能力得到实实在在的训练，发现问题和处理问题的能力会有实质性的提高，创新素质在这种潜移默化的过程中得以形成和提升。 4．由于设计性实验的实施必须独立经历从第一步到最后一步的全过程，各人的方案和实施方式各异，从学生的整体来看，充分发挥了各人的原创能力、设计能力和实施能力，由此也萌发出来不少对工程和社会有实际贡献的创作思路。设计性实验的要求和技术指标也有利于促进学生之间在实施过程中的技术交流和问题的探讨、相互启发和取长补短，这种团队合作解决问题的氛围和条件是两三个实验指导老师的能力所无法提供和满足得了的。
以本科生“单片机及接口技术”和研究生“Mcu与DSP技术”课程为例，均是与工程实践结合紧密的课程，其中的技术应用面涉及很广，通用性强，工程应用创新成果的性价比高。理论知识学习最终是要工程应用，因此历年来都是采取开卷考试方式，去掉死记硬背，注重理解、融会贯通和实效，体现了课程“重在理解、旨在运用”的工程优势和特点。与此同时，配以设计性实验，实验都是开放式，采用直接发放元器件和实施器具、学生根据实验设计要求自主设计和搭建硬件实验系统、自编程序和具体加以实现，尤其鼓励创新性能。诸如通常需用12个按键完成的功能，结果有的学生能用4个按键来实现，甚至有的学生用两个按键就能实现。这种实验模式使学生有充分独立研究和动手实践的条件和机会，提供相互探讨和解决所遇问题的时间和空间环境，让学生能亲历从设计到具体实施的全过程；体验“知道什么问题可以使用什么方法解决，可能在什么地方找到解决的方法”，对理论知识有更为深刻的理解，融会贯通并有所创新，正如我国著名教育家陶行知所说：“所以要创造，非你在用脑的时候，同时用手去实验，用手的时候同时非用脑去想不可。手和脑在一块干，是创造教育的开始。”(6)这种实验方式，让学生自由发挥了所具有的特长、主动性、创新精神和创造能力，在实验过程中培养了学生的创新素质和工程意识与开发设计能力。不管这个全过程的内涵是简单还是复杂，都能收到实验在培养学生理论结合实际和增强工程能力方面的实质性效果。设计性实验所奠定的硬软件基础和实施能力，为学生参加竞技各类电子大赛或适应将来就业要求创造了有利的条件，学生历届反馈：效果蛮好、体会良深。
以下的体会来自各届学生的实验报告：“平时课本上学到的知识，对我们来说只是一个理论上的概念而已，而究竟怎样运用到实际中，对于我们来说都很陌生。而这次的实验则给我们学习实际运用课本上的知识的机会。在这次的实验中，我们自己动手选取元件、自己布版、自己焊接、自己编程、并且自己解决问题，从头到尾体验了一次制作实际电路的过程。”“这次课程设计不仅是一次训练实际动手能力的好机会，更是培养团队合作、创新与钻研精神的好机会，让我们能够把所学到的理论知识赋予实践，以达到最好的理论与实践相结合的效果。
四、对设计性实验建设的建议
设计性实验是学校提倡的实验教学的方向，需要积极建设和实现，但目前存在一些有待理顺和解决的问题。其一是职能部门对课程的性质在认识观念上有疏忽，因为不是所有课程都是纯理论授课方式的，也有这类理论加实验的授课方式，这类课程即使是简单的演示性或验证性实验，也存在元器件的损耗和补充问题，是需要考虑实验经费支持的，更何况是高要求的设计性实验。但在制定教学方案时却没有被纳入预算考虑，同样被当作纯理论课的授课方式对待，哪个部门都无从提供这种教学经费的支持，那么开展设计性实验就成了一种美好的空想。
其二是设计性实验的建设之所以未能广泛开展，是受到电子元器件种类和数量供应的制约。因为修课的学生有那么多，为了发挥学生的潜能并达到各具特色的实验设计效果，就必须提供足够多的不同题目的设计要求和任务，一方面需要老师挑起技术支持的重担，而另一方面学校对学生拟定的实验方案中的各种元器件能否满足，就成了必须首先解决的问题，这关涉到设计性实验顺利开展的物质基础和条件，需要认真考虑和对待。
[责任编辑：文和平]
关键词：实验教学；设计性实验；实践能力；创新能力
一、实验和实践的重要地位
2006年9月丁肇中教授在人民大会堂举行的科协年会上作特邀报告，展示了他在诺贝尔奖颁奖典礼的中文演说词：“得到诺贝尔奖，是一个科学家的最大荣誉。我是在旧中国长大的，因此想借这个机会向在发展国家的青年们强调实验工作的重要性。中国有一句古话：‘劳心者治人，劳力者治于人’，这种落后的思想，对在发展国家的青年们有很大的害处。由于这种思想，很多在发展国家的学生们都倾向于理论的研究，而避免实验工作。事实上，自然科学理论不能离开实验的基础。特别是，物理学是从实验产生的。我希望由于我这次得奖，能够唤起在发展国家的学生们的兴趣，而注意实验工作的重要性。”无数的事实印证了丁肇中教授这一论说：实验在科学研究中的重要地位。
从社会的现实来看，工科院校学生的实践能力与就业存在密切的关系，体现着社会发展的需要。本世纪最根本的竞争是人才和素质的竞争，理论学习所积累的知识只有通过实践才能转变成人的能力，进而提高人的素质；而素质中最为根本的是实践能力与创新能力。学校如果培养的学生缺乏实践能力与创新能力，学生在社会上就缺乏竞争力，所以工程实践能力是考核素质教育成效的关键指标，是检验学习效果的依据。实践能力的强弱是一个人能否成才的重要标志， “高分低能”的现象要力求避免，特别是工科学生。就企业而言，需要的是一专多能、遇到问题马上就能解决的人才，企业界十分重视学生的创新能力和实践工作业绩。对学生而言，要增强这种就业竞争力，重要的就是在校期间努力培养自身的综合能力尤其是实践和创新能力。
二、工科学生实验教学的状况
工科学生实验教学普遍存在实验效果较差、实践能力培养收效不大、创新后劲不明显的状况，其中的原因可概括为如下方面。
1．我国传统教育观念对实验环节潜在的不良影响。我国教育过程中注重理论和基础，看重考试成绩，造成学生对实验和实践的重要作用认识不足，没能发挥实验对消化、加深理解理论知识的互动作用。对比一下美国的情况，美国当代教育以人的全面发展为中心，注重培养学生的创新意识和实践能力。美国高校还特别重视工程实践能力的培养。由于我们实验教学中的多数实验是老师准备好的，实验的设计主动性不在学生方，会造成学生对实验的等待、依赖思想，不会设计工作；有部分学生上实验课时态度不认真、对待实验采取敷衍应付的态度，甚至抄袭实验报告。这种现状与希望通过实验的训练来培养动手能力和创新能力的宗旨相去甚远。
2．现行与理论课程配合的课内实验大多数是以验证性为主，而对有助于培养学生创新能力和实践能力的综合性及设计性实验较少。从表象上看，验证性实验的硬件装置或设备的投入比起十多年前开放改革之初是大为增强了，甚至配备的某些大而全实验装置耗资菲浅。按理说应该实验效果显著，但事实上却相反，因为学生无法深入探究和了解整个实验装置的组成结构及从源头上经受实际电路设计的锻炼，只能按实验指导书的规定，调用其中的软件板块，进行验证性操作，实现的充其量是结果的观察和体验。实验设计的主动性不掌握在学生手上，更谈不上创新活动。照样画葫芦的实验环节会束缚学生的思维活性和创新潜力，不利于培养自主设计的能力。没有挑战性的实验过程，久而久之会使思想的锋芒很有可能被磨得没有任何棱角，结果就是上述所说的敷衍应付或者实验完成后不知所为。而美国大学的实验内容以设计性实验为主。可以看出，美国大学课程中实验设置的一贯原则，即以能力培养为主原则的体现。
3．理论课授课和与之配套的课内实验联系脱节。一门课的实验由另一部分实验老师来承担，这仅仅是分工安排上的不同。要使学生在学习理论课后能有进入实验环节的渴望感，而不认为实验是一种可有可无的任务甚至是一种负担。要紧的是授课老师在理论讲授的同时，尽可能结合相关的实验问题引导学生对实验目标的认识和引起对实验求证的兴趣，并结合工程应用问题开阔视野、激发学生的实践求解热情。之所以未能融合到这一点，是因为高校教师大多数属于从理论到理论型，缺少实际经验，教学方法和教学手段单一，在指导学生实践活动时便显得底气不足。未能把实践教学的思想贯穿在理论教学上，做到二者互相联系和互相呼应，自然会影响到学生的实验及实践的兴趣和效果。要改变这种局面，要求授课老师自身具有科学研究的经历和较丰富的工程实践积累。这需要一个训练和实现的过程，但始终应是要逐步趋近的目标。
三、设计性实验对培养实践和创新能力的作用
从实验的性质种类来看，可分为演示性、验证性、操作性实验和综合性、设计性、创新性实验两大层次。前者实验是对知识的理解和掌握；后者的综合性实验是介于两层次之间的一种折衷，设计性实验才是实践能力和研究能力的实质性培养和体现，而创新性实验则体现了实验效果的最高境界。教育工作者有责任和义务尽一切力量调动学生的积极性，为他们日后的个人发展打好基础。
何为设计性实验?其主要特征是老师只给出实验的对象、目标、要求、技术指标、完成期限和验收方式，至于实验的实现方案、技术路线、元器件的选择、具体制作和调试方法、指标测试等则全部由学生自主完成。各类方式的电子大赛就是设计性实验的一种具体体现，因为大赛规则中包含了基本要求和发挥性要求，发挥性要求实际上融合了创新性实验的内涵。所以说，设计性实验对学生实践能力的培养和创新能力的发挥有着不可替代的作用。归纳起来有如下特点和效果。
1．由于设计性实验全过程是由学生独立自主完成，实验的主动权在学生方，不可能存在等待、依赖思想，能充分发挥学生的主观能动性和积极因素，这是培养学生实践能力和发挥创新精神的前提基础。
2．设计性实验的要求不是通常验证性、演示性实验的简单综合，而是更多地贴近工程实际、综合运用所学知识进行项目的设计和实现，含有创新因素，因此对学生既有挑战性又有压力，能激发学生的兴趣，这是培养学生实践能力和发挥创新精神的动力源泉。
3．学生通过设计性实验中的任务分析、方案制定、电路构思、硬件设计、软件编写、分步试验、制作实施、系统调试、指标测试、性能改进和报告撰写等全过程的实践和攻关，既能把所学的理论知识加以综合运用，又能把研究视野扩展到相关的知识领域和接触一些先进的元器件并加以运用。动手实践的能力得到实实在在的训练，发现问题和处理问题的能力会有实质性的提高，创新素质在这种潜移默化的过程中得以形成和提升。 4．由于设计性实验的实施必须独立经历从第一步到最后一步的全过程，各人的方案和实施方式各异，从学生的整体来看，充分发挥了各人的原创能力、设计能力和实施能力，由此也萌发出来不少对工程和社会有实际贡献的创作思路。设计性实验的要求和技术指标也有利于促进学生之间在实施过程中的技术交流和问题的探讨、相互启发和取长补短，这种团队合作解决问题的氛围和条件是两三个实验指导老师的能力所无法提供和满足得了的。
以本科生“单片机及接口技术”和研究生“Mcu与DSP技术”课程为例，均是与工程实践结合紧密的课程，其中的技术应用面涉及很广，通用性强，工程应用创新成果的性价比高。理论知识学习最终是要工程应用，因此历年来都是采取开卷考试方式，去掉死记硬背，注重理解、融会贯通和实效，体现了课程“重在理解、旨在运用”的工程优势和特点。与此同时，配以设计性实验，实验都是开放式，采用直接发放元器件和实施器具、学生根据实验设计要求自主设计和搭建硬件实验系统、自编程序和具体加以实现，尤其鼓励创新性能。诸如通常需用12个按键完成的功能，结果有的学生能用4个按键来实现，甚至有的学生用两个按键就能实现。这种实验模式使学生有充分独立研究和动手实践的条件和机会，提供相互探讨和解决所遇问题的时间和空间环境，让学生能亲历从设计到具体实施的全过程；体验“知道什么问题可以使用什么方法解决，可能在什么地方找到解决的方法”，对理论知识有更为深刻的理解，融会贯通并有所创新，正如我国著名教育家陶行知所说：“所以要创造，非你在用脑的时候，同时用手去实验，用手的时候同时非用脑去想不可。手和脑在一块干，是创造教育的开始。”(6)这种实验方式，让学生自由发挥了所具有的特长、主动性、创新精神和创造能力，在实验过程中培养了学生的创新素质和工程意识与开发设计能力。不管这个全过程的内涵是简单还是复杂，都能收到实验在培养学生理论结合实际和增强工程能力方面的实质性效果。设计性实验所奠定的硬软件基础和实施能力，为学生参加竞技各类电子大赛或适应将来就业要求创造了有利的条件，学生历届反馈：效果蛮好、体会良深。
以下的体会来自各届学生的实验报告：“平时课本上学到的知识，对我们来说只是一个理论上的概念而已，而究竟怎样运用到实际中，对于我们来说都很陌生。而这次的实验则给我们学习实际运用课本上的知识的机会。在这次的实验中，我们自己动手选取元件、自己布版、自己焊接、自己编程、并且自己解决问题，从头到尾体验了一次制作实际电路的过程。”“这次课程设计不仅是一次训练实际动手能力的好机会，更是培养团队合作、创新与钻研精神的好机会，让我们能够把所学到的理论知识赋予实践，以达到最好的理论与实践相结合的效果。
四、对设计性实验建设的建议
设计性实验是学校提倡的实验教学的方向，需要积极建设和实现，但目前存在一些有待理顺和解决的问题。其一是职能部门对课程的性质在认识观念上有疏忽，因为不是所有课程都是纯理论授课方式的，也有这类理论加实验的授课方式，这类课程即使是简单的演示性或验证性实验，也存在元器件的损耗和补充问题，是需要考虑实验经费支持的，更何况是高要求的设计性实验。但在制定教学方案时却没有被纳入预算考虑，同样被当作纯理论课的授课方式对待，哪个部门都无从提供这种教学经费的支持，那么开展设计性实验就成了一种美好的空想。
其二是设计性实验的建设之所以未能广泛开展，是受到电子元器件种类和数量供应的制约。因为修课的学生有那么多，为了发挥学生的潜能并达到各具特色的实验设计效果，就必须提供足够多的不同题目的设计要求和任务，一方面需要老师挑起技术支持的重担，而另一方面学校对学生拟定的实验方案中的各种元器件能否满足，就成了必须首先解决的问题，这关涉到设计性实验顺利开展的物质基础和条件，需要认真考虑和对待。
[责任编辑：文和平]