冯林霞 刘玲
摘 要 针对国内高校教育中存在的“实验课程均凭借于理论课程”“各专业实验资源建设完全独立”等导致学生实践能力较弱、创新能力不足的问题，对高校实验课程体系和实验资源建设现状进行研究，在星策略理论的指导下，提出基于星策略的实验教学资源重构三层模型：以星策略和知识管理理论为基础，各实验星和实验基础知识通过星系重构形成专业实验;专业实验之间进行跨学科主题发现，构建专业拓展实验项目;通过实验形式重构，形成开放创新实验。通过三层次构建策略，形成完整的实践体系。
关键词 星策略;实验教学资源;实验星;专业实验;专业拓展实验;开放创新实验
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2020）18-0040-05
Research on Reconstruction of Experimental Teaching Re-sources based on Star Strategy//FENG Linxia， LIU Ling
Abstract In view of the problems of “experimental courses relying on theoretical courses” and “completely independent experimental resources construction” in domestic colleges and universities， the students practical ability is weak and the ability of innovation is
insufficient. The current experimental course system and experimen-
tal resources construction in colleges and universities Based on the
theory of star strategy， this paper proposes a three-layer model of
experimental teaching resource reconstruction based on star strategy：
based on star strategy and knowledge management theory， each ex-
perimental star and experimental basic knowledge form a professio-nal through galaxy reconstruction. Experiments， interdisciplinary topic discovery between professional experiments， construction of
professional expansion experimental projects， reconstruction through
experimental forms， formation of open innovation experiments. Through a three-level construction strategy， a complete practice sys-tem is formed.
Key words star strategy; experimental teaching resource; experimen-
tal star; professional experiments; professional expansion experimen-
tal; open innovation experiments
1 前言
作为未来社会发展人才，高等学校学生在培养中不单要求有踏实的理论根基，还要有较强的科研和创新能力。而实践能力和科研能力的培养更多地依赖于实践性教学环节，包括实验课程、课外活动和社会实践，其中实验课程比例居多，且和理论课程联系更为紧密。目前，高校实验实践课程建设存在下面一些问题。
1）各实验课程均依附于理论课程而设，每门实验课程追求其体系的完整性、全面性和系统性，导致实验内容的交叉和漏缺，且彼此之间是孤立和分散的[1]。
2）设计性实验较少，导致实验项目常常脱离生产生活实践[2]。
3）实验相关数据不完备，实验学习结果仅包括单一的成绩和实验报告，缺乏对学生试验前准备、过程的记录。
4）实验课程体系设置模式单一，科学素养培养不足。
5）实验教学手段和方法陈旧，目前虽然很多高校已进行开放式实验，但还有很多高校仍然要求学生按规定的时间、地点进行实验，束缚了学生的学习行为和学习方式。
6）实验室安全教育缺乏。国內985学校率先进行实验室环保教育，本科一年级学生考核合格后才可以进入实验室[3]，但大多数高校还没有实行这一举措。
综上，实验教学资源重构势在必行。
2 星策略
在广阔的银河系中存在许许多多的小星系，包括恒星、行星、卫星等。恒星是一个星系的中心，行星较恒星次一等级，卫星较行星再次一等级。此外，还有运行在星际空间的流星体（通常包括宇宙尘埃和固体块等空间物质）。这许许多多的星系组成星系结构。赵辉[4]在《基于星策略体系的移动教学平台设计》一文中，根据实际的星系结构构建了教学内容中的星系结构，且提出星策略的思想：原来的知识组织形式是严格的章节顺序，现在的形式是星型拓扑结构，每个知识都有自己的广度延伸和深度拓展，将其进行嵌套和递归的不断组织，形成知识星系。依据体系中节点的关联强弱和粒度大小等特性，将其分为知识恒星、知识行星、知识卫星和知识流星，其中，不可再分的最小知识点称为知识星。知识星策略的思想如图1所示。
恒星是指教科書中的主干类知识，如概念类知识、方法类知识，通常包含的知识大而广，体积比较大;行星是围绕在恒星知识周围的知识，属于辅助类知识，如概念的具体练习、实验等，体积相对适中;卫星是围绕在行星知识周围的知识，属于延伸类知识，如概念的引申、同类变式、实验探究等，体积较小;流星知识是指一些无法与其他类知识聚合在一起的知识，属于零散类知识，如学生学习经验、学习方法分享等。
本研究将采用星策略对实验内容进行拆分与重构[5]。拆分是在原先的根据理论课程设置对应的实验课程的基础上，将其所有的实验内容打散，拆分成不可再分的知识点，即实验星。实验星应该包括目的、仪器的使用规则和使用方法、原理、相关注意事项、相关步骤、实验的内容、实验过程中的数据记录、报告内容等。实验星的特征如下：
1）原子性，即不可分割性;
2）自描述性[6];
3）扩展性，即实验星是可扩展的，和其他实验星有着不同程度的深度关联和广度关联[7]。
重构是指从整个学科或专业角度出发，为满足学生就业需求或者后续开展科研的需求，重构整个实验课程体系。在重构中，以能力要求为导向去构建一个个主题单元，即实验星系。根据能力导向和实验星之间关联的复杂程度，建立四个类型的实验星系，分别为认识性实验、验证性实验、操作性实验和设计性实验。
3 实验教学资源重构原则
学科系统性 要求实验课程体系的设计要从全局出发，要站在整个学科或者专业的高度上来看。在传统的实验课程中，各门实验课程都直接依附于某门课程，由于实验内容设计的专门性知识较少，教师讲解以书本上的知识为主，其设计的实验内容较为偏离实际应用问题，学生对于所学理论知识在实践中的应用走向不够了解，导致学生毕业后应聘某些专门领域的应用岗位时能力不足。学生站在一级学科的角度上进行学习，可以理解各二级学科、学科各课程之间本质上的联系和内在规律，从而综合运用知识来解决问题。
学科交叉性 随着现代科技和互联网的飞速发展，科学之间相互结合向综合性发展，经过不断地交叉、融合、渗透，形成很多新的交叉边缘学科。学科交叉有多种交叉方式。此外，创客的如火如荼发展和各界学者对STEAM教育的不断深入研究，也让人看到了跨学科知识融合对于教育发展的巨大作用。因此，各学科教师在建设实验课程体系时，应该遵循学科交叉的原则，让学生在综合知识环境下进行学习。
可扩展性 一方面指被打散的实验内容是可扩展的，可以支持很多新的实验内容的接入，作为新实验探究的一部分;另一方面是指实验重构必须在实验逻辑上进行划分。当然，这需要课程教师和实验教师对于本领域的不断地深入了解和细致分析。
社会需求导向 当前用人单位在选人时最能直接体现学生能力的就是学生的职业技能，因此，实验课程体系的设计应该遵循社会需求导向的原则，拓宽毕业生的就业渠道。根据职业技能来设计课程体系是其中一个发展方向，此外还要体现时代性、前沿性。
基础技能和创新发展相结合 在基础教学中，要牢牢掌握各种基础内容，不断夯实基础。此外，实验本身就是一项创新活动，因为实验让学生通过自己的实践，选取合适的实验器材和实验方法，并运用所学的理论知识去认识、去验证，甚至去设计，实验与创新密不可分。因此，实验课程体系中要设计更多的研究性实验项目。
4 基于星策略的三层次实验教学资源重构模型
基于星策略的三层次实验教学资源重构模型 由于各门学科课程内容千差万别，实验教学资源的重构需要各学科专家和教师对教学内容的深度理解、校方资源配置、教师团队建设等。本研究不去建立某学科具体实验资源体系，而是寻找各科实验课程教学共性，建立实验教学资源重构模型。该模型定位学生培养目标，遵循体系设计原则，从学科/专业角度重新整合和设计实验教学内容，注重学生实验过程、认知结构、学习迁移等过程和能力的培养。
本研究从学科体系视角出发[8]，通过文献综述和案例分析，对当前高校本科实验课程体系进行分析，同时发挥星策略在实验资源重构中的作用，充分利用实验星体系更符合学生认知需求、利于思维发散、揭示知识间本质联系和规律等优点，提出基于星策略的三层次实验教学资源重构模型。该模型包括能力导向、实验层次和学生中心三个模块。其中实验层次是模块的核心部分，根据不同能力导向需求划分为三层次，分别是专业实验、专业拓展实验、开放创新实验。具体模型如图2所示。
模型的最底层是实验基础知识、各种类型和内容的实验星，是模型的先行知识部分。实验基础知识方便学生能够系统地掌握该学科实验方法和技术的共性，包含基本常识和实验室安全知识、基本操作、仪器和方法、数据处理（内容预习、过程记录和结果数据）、实验设计（主要指统计学中的实验设计体系，凭借实验目的、相关的数据分析来选取实验点，以致在每个实验点上找到包含最大信息量的数据）、实验课程相关教育资源（包括工具书、相关网络实验资源）。
专业实验是指打破传统的按照课程理论知识体系编排的方法，以培养学生扎实的实验技能为目的，按二级学科分章的方式进行编排而成的实验模块，包括认识性实验、验证性实验、操作性实验、设计性实验等四种类型。
专业拓展实验以多专业交叉实验项目（创新往往产生于学科、专业交叉之间）为核心，以培育跨专业运用知识的能力为目的，以多专业学生作为对象，根据各专业具体情况，为其补充适当的教学或实验材料。该类实验中，往往一个实验项目包含一个学科多专业知识，甚至将多个学科知识有机联系在一起，其知识面广、多学科综合性优势及较深的专业知识和技术等优势，使得学生能够接受系统专业化的训练，且这些内容与学生将来发展息息相关[9]。此外，教师鼓励学生自己设计实验方法，自己选择实验途径和技术来达到实验目的，一方面丰富教学内容，另一方面提高学生参与热情，激发其创造性，提高实验质量。
開放创新实验是指由学校和企业合作研发，以提高学生创新能力和实际问题解决能力为目的，利用专业实验相关技术改造实际生产生活的实验。这类实验与学生生活情景较为接近，学生兴趣浓厚，能够提高学生科学素养。
各种类型和内容的实验星通过星系重构成为各种专业实验，专业实验通过跨专业主题发现构建成不同的专业拓展实验主题或项目，在专业拓展实验的基础上进行实验形式重构，即为开放创新实验。该模型中，专业实验就在本专业内展开，专业拓展实验在学校范围展开，创新实验由学校单独或校企合作展开。
学生中心，指不同的学生组合，包括同专业学生组合、相近专业学生组合、不同专业学生组合等三种组合形式。在进行实验课题时，各个专业学生利用各自的专业背景，从各个角度或维度去分析同一个难点，相互之间进行交流，拓宽知识面。同时，各学生在指导其他非专业学生时进一步深化自己的专业能力。
各个层次资源重构策略
1）专业实验。图3所示为专业实验构建策略图。
①基础层，定义了各实验星、实验星的含义。一个完整的实验星包括六部分，分别是名称、内容、特征词、类型、来源和作者。类型是指该实验星在一个课题中的位置，包含仪器的使用规则和使用方法、相关注意事项、相关步骤、过程中的数据记录格式、实验报告格式等。来源包括三个维度，分别是现有的实验（即来自现有的哪个实验，实验类型是什么）、课程（隶属专业和二级学科、一级学科）、文献（不仅包含理工科类文献，还包括文科类文献）。作者是指上传该实验星的教师和学生姓名。
②关系层，规定了各实验星之间的关联。实验星之间的关联分为两种情形：一种是根据知识继承性和稳定性，分为相关性、隶属性、同一性（同一性指两个实验星属于同一层级的相近内容，属平行关系;隶属性是指父子关系;相关性指两个实验星含有多种关联）;另一种是根据实验星具体表现形式，分为主题关联、实验项目关联、二级学科关联、专业关联和学科关联，即将属于同一表现形式范畴的进行聚合。
③业务模型层，构建了四种类型的实验星系。一是认识性实验库由各种基础类型的实验星组成，是最核心的资源，同时也是不同层次实验库的最底层和必要基础。二是验证性实验库是对现有已经经过验证的实验现象或原理进行全面梳理，将其按照学科、应用领域、研究问题等不同的方式进行聚类，形成针对某一专业或学科比较完整的实验资源体系。三是操作性实验库是对所有实验基础知识和基本技能进行梳理和整合，将其按照能力导向进行聚类，形成一种应用实验基础知识和根本技能去打理现实难题的系统。四是设计性实验是最复杂的一类实验星系，根据给定的实验主题去设计实验方法和步骤。该类实验星可能是系统中没有的，但是也和系统中一些实验星存在一定程度的关联。
④用户任务层，能力导向，指根据学校实验课程培养需求和企业用人需求来设计实验需求，指导实验星系设计。在企业用人需求中，按照“职业能力—工作任务—教学内容”的逻辑来设计实验需求。
2）专业拓展类实验项目/主题。专业实验通过跨专业主题发现构建成不同的专业拓展实验主题或项目，专业拓展类实验以多专业、多学科交叉实验项目或主题为核心，实验类别一般为设计性实验。那么，这些实验项目或主题是如何被发现和设计的呢？对此，本研究采用主题相关分析法来进行跨专业/学科主题发现[10]。跨专业/学科主题发现是指从两个有交叉学科的基础学科和其交叉学科共三个学科中，选择其共同主题和独立主题，对其相似性进行具体分析，了解学科交叉中的主题关联，作为跨学科设计实验的依据。具体研究框架如图4所示。
3）主题发现的具体步骤。
①学科及交叉学科选择。某学科A（物理）根据研究需要，选择与其已产生交叉学科C（物理化学）的另外一个学科B（化学），通常来说，交叉学科较多地产生于同一学科领域的多个二级学科之间。研究由跨专业教师团队共同完成。
②共同主题、独立主题抽取。对学科主题进行抽取，抽取学科A和学科B的共同主题，即A、B两者共同存在于交叉学科C中的主题，记为c1，c2，…，cn，共同主题表示两者的共通探究重点。学科C的独立主题记为x1，x2，…，xn，学科A的独立主题记为a1，a2，…，an，学科B的独立主题记为b1，b2，…，bn。在此过程中，本研究抽取的是出现次数较多的主题词，因为该类主题词集合更能反映学科的研究内容。
③相似性计算、相关性矩阵。计算出两个主题之间的相似程度，首先根据Jensen-Shannon散度计算学科A、B中独立主题和C中共同主题的分布相似度;其次根据皮尔逊相关系数计算A中独立主题和C中独立主题的相似性，以及B中独立主题和C中独立主题的相似性，计算结果用相似矩阵来表示。
4）结果分析。提取独立主题相关性矩阵中正相关且较大的值，因为值越大，说明对应的独立主题的相关性越大。提取其对应的独立主题ai、bi、ci进行联合分析。
5）实验设计。根据联合分析的结果进行实验项目或主题设计，完成专业拓展实验的选题。
6）开放创新实验。开放创新实验以提高学生实际问题解决能力为目的，利用专业实验相关技术改造实际生产生活。这类实验与学生的现实生活情景较为接近，学生兴趣浓厚，去探究这类问题能够培养科学修养。本研究在对高校现有创新实验形式研究的基础上，根据对学生能力不同层次的培养需求，提出“金字塔式”开放创新实验体系，分为科研实习、创客空间、大学生创新性实验项目、各学科类科技竞赛等四种实验形式，体系结构如图5所示。
5 结论和展望
本研究从现阶段高校本科实验课程体系存在的问题入手，在星策略、知识管理等理论的指导下，对各高校实验课程体系现状进行深入研究，提出基于星策略的三层次实验教学资源重构模型，将星体系与实验内容的融合、星系实验内容重构模型、跨专业主题发现作为研究重点，指导各专业教师、学生进行实验资源设计。研究从学科高度进行资源整合，理论上解决了目前实验课程依赖理论课程、各学科之间彼此独立等问题，但是实际效果如何有待考证。因此，本研究下一步方向为：
1）真正在学校中的实践效果如何，需要进行实证研究以及不断改进;
2）跨学科主题发现的相关技术、跨学科教师团队组建策略等需要进行深化研究。
关于实验教学资源重构的研究还存在很多可以提升的空间，希望通过本课题的研究，为之后进一步研究提供有益借鉴。
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