“新工科”是根据我国现阶段复合型高素质人才培养需求提出的新时代工科教育发展方向^[1−2]。新工科的人才培养目标是培养实践能力强、综合素质高、学科视野宽的多元化、创新型的卓越工程人才。学生不仅要掌握专业知识和技能，还要具备交流和协作能力、批判性思维和问题解决能力、项目管理能力等个人素养。实践育人在实现新工科人才培养目标中发挥着巨大的作用，而实验教学作为实践育人工作的重要组成部分，在工科教学体系中的地位尤为突出。新工科对人才培养的新要求也给实验教学带来了全新的挑战。

无论是高等学校和科研院所等研究机构的研究工作，还是公司的工程开发和运营工作，大多是以项目的形式组织实施。因此，人们越来越倾向于采用项目教学法培养学生的实践能力和个人素养。项目教学法（Project-Based Learning，下文简称PBL），又经常被称为项目式学习或项目引导式教学，是以问题和目标为导向、以学生为中心的教育方式，师生通过共同实施一个完整的项目而进行的教学活动。学生在老师的指导下，以个人或小组的形式进行信息收集、方案设计和项目实施，从而充分了解并把握整个过程和每一个环节中的基本要求。大量实践表明，PBL能够有效调动学生的自主学习积极性，充分培养学生的实践能力和综合素养。然而，由于实验教学本身就是依托于实验项目开展，反而使人们对如何基于PBL进行实验教学产生疑惑，因此实验教学中PBL项目的设计和实践仍需要进一步探讨。

为此，本文首先讨论了PBL在实验教学中的研究和应用现状，从项目设计和教学实践两个方面，分析了常见的问题。随后提出了PBL实验教学中的核心要素，针对实验教学拓展了PBL的内涵。最后，以南方科技大学材料科学与工程专业能源材料系列实验为例，阐述PBL实验教学的主要环节和要点，说明这些核心要素的指导作用。

一.   PBL实验教学研究和应用现状

针对传统实验教学内容陈旧、偏离工程实际、与学科发展前沿脱节等问题，在新工科理念引领下，各高校对实验教学的内容、教学方法和管理机制等进行了大幅度改革，取得了良好的成效^[3−4]。其中，教学方法改革的一个重要方向是推行基于学生自主学习的教学设计，将单纯由教师系统讲授变为学生主动探究^[5]。

PBL是促进学生自主学习的有效方法，人们已经对该方法进行了大量实践。这些PBL实验教学的研究和实践着重围绕着PBL的实验设计和实施环节进行讨论，强调了实践过程中的操作方法，并对PBL实验教学中的策略和要点进行了总结^[6−9]。在项目设计上，PBL实验教学的项目设计需要具有实践性、启发性、典型性和目的性，教学实施过程应具有层次性，并应加强师生之间的讨论^[10]。在教学实施上，与常规实验教学不同，PBL实验教学过程不仅需要实验操作，还需要进行充分的论证和评价，因此可以分为4个主要阶段开展，包括准备阶段、论证阶段、执行阶段和评价阶段^[11]。

在一些PBL的专著中，对PBL的原则或要素进行了更加全面的阐述。在拉尔默（Larmer）等关于PBL的专著《基于项目化学习设定的标准：一种对严格的课堂教学行之有效的方法》^[12]25中，首次提出了黄金标准PBL模型，重点说明了项目设计的核心要素，同时提出了PBL教学实践过程的7个法则，即建立课堂文化、设计与计划、与课标对应、管理教学活动、评价学生学习、搭建学习支撑、参与和指导等。博斯（Boss）和拉尔默在另一部专著《项目式教学：为学生创造沉浸式学习体验》^[13]3中对这7个法则进行了更加详细的分析。

从这些文章和专著的论述中我们注意到，专著中对PBL的分析具有普适性，提出了一般性的原则。然而，从实际教学实施过程来看，实验教学与理论课程的学习会有很大的不同。对于实验教学而言，因为PBL教学法拥有实践的基因，而实验教学过程就是通过完成实验项目而进行的，所以在实验教学中，可以很自然地、较为容易地开展PBL教学。但是这并不意味着只要是在实验课程中进行实验项目，就是PBL教学，而与是否能够实施PBL教学与实验项目的类型有关。根据实验教学的组织形式，实验项目通常可以分为验证性（或认知性）、综合性和设计性实验等类型，它们的主要特点详见表1。可以明显看出，验证性实验没有学生自主设计与通过实验过程自主学习的环节，因此不能满足PBL教学的基本要求。而在综合性实验中增加开放性内容，则可在一定程度上实施PBL教学；设计性实验往往也是综合性的，最贴近PBL教学的要求，差异在于PBL教学从项目实施的角度对实验内容的设置和实验过程有更加具体的要求，需要更加全面地对标教学目标和培养目标。因此，人们经常通过对现有综合性实验和设计性实验进行调整来开展PBL教学。

表  1  实验项目的类型与PBL实验的关系

类型	内容	特征	教学目标	是否可拓展为PBL实验
验证性	针对已知的理论知识和实验结果	验证实验结果	巩固和加强有关知识内容，培养 实验操作能力	否
综合性	针对多门课程或同一门课程多个方面的综合知识	使用到多种实验技术和方法， 涉及综合知识	培养综合分析和解决问题的能力	是； 需要增加开放性内容
设计性	根据教学要求设定实验目的、 实验要求和开放性的目标	学生自行设计实验方案和步骤，独立完成实验操作、记录和分析实验结果	培养学生的综合分析和解决问题的能力以及综合设计能力，激发学生的 主动性和创新意识	是； 需要更加全面地对标教学目标和培养目标

下载: 导出CSV 

| 显示表格

然而，在以往基于综合性和设计性实验实施PBL教学的过程中，也经常会在项目设计和教学实践两个方面出现一些问题。在项目设计方面的主要问题包括：（1）往往注重单个实验项目，缺少由浅入深的系列化实验项目，导致学生在学习模式上缺乏连贯性，学习内容上缺乏一致性。（2）教学目标更多地强调实验技能学习和理论知识的综合运用，不能充分发挥PBL教学提高学生综合素养作用。（3）实验内容有时会因过于注重新颖性和趣味性而偏离了实践能力培养目标和工程实际，有时会太难或工作量过大导致取代了后续教学环节中的毕业设计或者实习课程的教学任务。在教学实践方面的主要问题包括：（1）学生在对实验过程进行设计时思路过于发散，导致通过实验培养的能力与课程教学目标不能对应，不可避免地与其他实验项目或者其他实践课程的教学目标重叠。（2）实验教学管理不完善，这包括对进行小组实验的学生团队的管理，也包括对实验室空间和实验器材的管理。（3）支撑条件不完备，设备和器材陈旧或类型单一，不能满足设计性和综合性实验对设备和器材的多样性的要求。（4）现有的评价方法往往形式和内容单一，经常仅仅依靠实验报告进行评价，对学生评价不充分，尤其是不能满足PBL教学培养学生综合素养的评价。

随着教学改革的深入，实验项目的综合性和设计性大幅度提升，这有利于PBL教学的开展，但是上述这些问题会更加凸显。这些问题反映出，虽然人们对PBL教学已经有较全面的认识，但是具体到实验教学工作中，人们对如何基于已有的综合性和设计性实验开展PBL教学仍然缺乏深入认识。虽然PBL相关的教学论文和专著中论述的PBL教学项目设计要素和教学实践原则对于实验教学中实施PBL教学非常值得借鉴，尤其是专著中的分析深入而且全面，但是其中的分析具有一定的普适性，缺乏专门针对实验教学的讨论。因此，需要在理论上针对实验教学拓展PBL教学的内涵，建立PBL实验教学的基本原则，进而对实施过程进行更加全面的设计。

二.   PBL实验教学的核心要素

本文结合工科实验教学的特点，从实验教学项目设计和教学实践两个方面提出了6个PBL实验教学的核心要素，详见图1。

图  1  PBL实验教学的核心要素结构图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

一   项目设计核心要素

1. 开放化。项目的来源应该是开放的。项目应与实际研究和工业生产结合起来，具有一定的科学和应用价值，因而可以借鉴并调整已有的研究和生产项目。还可以从新闻中获得灵感，将项目与学生流行文化挂钩，甚至与学生一起设计项目。项目的内容应该是开放的。内容设计需要既详尽，又灵活，给学生足够的思考和发挥空间，便于学生自主设计实验步骤，自主选择实验设备、器材、试剂和材料。

2. 系列化。从学生在校学习期间的整个培养方案来看，虽然各门实验课程以及其中的实验项目具有相对完整的知识和技能体系，但是课程与课程之间，实验项目与实验项目之间并不是孤立的，而是在深度和广度上逐步递进的。因此，学生全面掌握某一方向的系统知识和技能不是简单地通过一门课程或一个实验项目，而是通过一系列的课程和实验项目，逐步深入学习并掌握。PBL实验教学同样需要遵循这个原则，设置分层次系列化的实验项目，嵌入到不同的实验课程中。这些实验不必须都是PBL项目，而是可以逐步增加PBL实验教学的内容。可以从验证性实验开始作为某一方向的起点；然后设置简单的、小规模的基础实验项目，在帮助学生掌握基本技能和实验习惯的同时，建立恰当的课堂文化，使学生学会互相合作，形成学术思维；随后过渡到复杂的、大型的综合性和设计性实验项目。

3. 模块化。按照基于产出/目标的教育理念（Outcome/Objective-Based Education，OBE）的理念，每个实验项目的教学目标需要与课程的教学目标、学生毕业要求和培养目标相对应。PBL实验项目在灵活设计内容的同时，同样应该具有明确的教学目标。将多个实验项目作为一个整体进行模块化设计，有助于明确实验项目对教学目标和毕业要求的支撑关系。

因为多层次系列化的实验项目具有整体教学目标或知识体系方向，所以会形成纵向的实验项目模块。同一层次且教学目标相同的多个实验项目则会形成横向的模块，供学生选做，满足学生个性化培养的需要。纵向和横向模块共同形成PBL实验教学的项目库。教学目标可以相对固定，而项目库中的实验项目应随着科研和应用技术的发展，不断改进和补充。

二   教学实践核心要素

1. 个性化。项目的选择是个性化的。为了满足个性化培养要求，需要建立项目库，为学生提供选做实验。在PBL教学上可以采用递进的方式，低年级的学生以验证性、综合性实验为主，辅以内容较为固定的PBL实验项目，仅在实验内容上给予学生一定的选择范围；高年级学生有较为明确的个人兴趣和发展方向，则以PBL实验项目为主，并且可以在项目库中选做。

项目的开展是个性化的。可以让学生在相同的课程时间中做着不同的实验内容，将每个学生特定的个人培养计划嵌入到实验中，强化自我管理、自我学习的课堂文化。项目的指导是个性化的。PBL教学通常是以小组的形式进行，在同一门课程中的不同小组会在项目库中选择不同的实验，因此需要进行个性化指导。对同一小组中的学生，每个人的自主学习和自主管理能力不同，需要帮助遇到困难或掉队的学生归队。项目的评价是个性化的。因为每个小组开展的项目不同，在每个小组中的学生也有各自不同的贡献和个性化的发挥，所以在项目过程中和结束时需要进行个性化评价。此外，需要适时开展阶段性评价，及时发现学生什么时候需要支持，并进行个性化指导。

2. 规范化。相较于传统的实验教学，PBL教学的实施过程对教师和学生而言都较为复杂。实验项目通常有很强的综合性和开放性，学生往往需要使用多间实验室和多台仪器设备。根据实验进展情况，还经常需要补充购置材料和试剂乃至小型设备。实验持续时间长，学生有时需要在课余时间进行实验。实验过程中，需要经常组织讨论或者围绕特定知识点进行讲授。

因此，需要建立管理规范，合理地管理实验空间、设备、材料和试剂，确保实验安全和PBL实验教学的顺利实施。除了管理制度，对于一些常规性活动还需要建立一定的惯例，例如遇到问题时，什么情况小组讨论，什么情况找老师讨论，什么时候需要从小组活动转换成班级活动。

3. 信息化。为了保障PBL实验教学的顺利实施，需要建设实验教学信息资源和信息化管理平台。信息资源包括相关知识、实验方法和设备使用指南，可以来自于已经建设的慕课、虚拟仿真实验、教材、操作手册等。学生在自主实验过程中，可以随时查阅，提高实验效率，培养学生自主学习能力。信息化管理平台用于对实验室空间、设备、材料和试剂等进行信息化管理，保障实验安全有序地进行。

三.   PBL教学法核心要素的实验教学实践

根据上述PBL实验教学的核心要素，以南方科技大学材料科学与工程专业中能源材料实验为例，对PBL实验教学中的项目设计和实施过程进行详细论述。我们将教学的具体实施过程分为三个阶段：准备阶段、执行阶段和评价阶段，并且借鉴了博斯和拉尔默的PBL实践法则中的部分要点 ^[13]3。

一   项目的准备阶段

1   设计与计划

为了帮助学生达成有意义的学习目标，需要根据开放化、系列化、模块化等要素设计实验教学项目。要设置具有挑战性的问题，项目方案既要详尽，也要灵活，能够让学生有反思和思考的空间。

以能源材料实验为例。能源材料实验共设置了12个系列化的实验项目（详见图2），包括太阳能电池、锂离子电池、燃料电池和热电等方向。这些实验项目均来自于新能源领域前沿，其中燃料电池是目前产业开发的热点，因此实验项目侧重电池系统的制作与应用；锂离子电池的技术相对成熟，因此实验项目侧重材料成分优化和电池容量提升。

图  2  能源材料系列化、模块化实验体系图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

这些系列化的实验开设在不同年级的课程中，从验证性实验到综合性实验，再到设计性实验，由浅入深地形成纵向模块。验证性实验包括电池基础原理实验，以及印刷线路板制作和电子元器件焊接两个基本实验技能实验。在综合性实验中设置了部分开放性的内容，在培养学生综合运用所学知识和实验技能能力的同时，使学生了解实验设计的基本方法。例如，综合性实验“锂空气电池的制备与性能分析实验”的主要内容包括二次电池的基本工作原理、主要性能指标及测试方法等，学生需要自行设计电极材料的成分，为后续设计性实验“大容量锂离子电池的制备与器件设计”打下了良好的理论和实验技能基础。

这3个层次的实验还形成了横向模块，模块中设置必做实验和选做实验。例如，图2中列出了4个设计性实验项目，其中“太阳能电池的制备与性能分析”为必做实验，共8个学时；“大容量锂离子电池的制备与器件设计”“固体氧化物燃料电池的设计与优化”“热电小车的设计与优化”为选做实验，每个实验为64学时，学生可根据个人兴趣和发展方向选择其一，由具有相关专业背景的实验教师指导。

在设计PBL实验项目时，每个项目不仅需要在内容上具有科学或工程意义，还应该与课程教学目标相对应，从而能够有效地支撑学生的培养目标。因此，在实验项目实施的各个阶段，应该自始至终地指向并支持学生达成具体的目标。以金属空气电池系列实验为例，详细说明了实验内容对于教学目标和培养目标的支撑关系，详见图3。从图中可见，每个实验项目都设计了合理的实验教学目标，帮助学生掌握理论原理和实验技能。同时，不同层次的实验项目不仅使学生能够达到一定层次的知识水平，还着重培养了学生某一方面的素养，有力地支撑了人才培养目标的达成。

图  3  金属空气电池系列实验项目的教学目标和支撑的培养目标关系图

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2   搭建项目支撑

在项目正式启动前大约一周，教师会组织学生讨论，建立学生对项目的预期。可以从一个驱动问题开始，引导学生进行思考，并在项目正式开始时，沿着这个问题进行深入讨论，从而用问题引导学生明确教学目标。例如，“新能源汽车对我们的生活产生什么样的影响？”“锂离子电池材料的生产和回收是否会对环境产生污染？”“燃料电池汽车的开发和应用面临哪些技术瓶颈？”

教师需要提前为实验项目的实施创造条件。一方面是及时的讨论和指导。需要组织小组讨论、师生讨论和全班讨论等不同规模的交流活动，指导学生进行实验设计，明确实验项目目标和实施细节。因为PBL项目库中的选做实验在内容、过程和结果上具有差异性，所以在实验文献调研环节，要为学生提供宽松的讨论氛围和文献调研指导；在实验过程和参数设计阶段，教师要与学生进行充分细致的讨论，确定实验各环节的具体参数。另一方面是实验所需的设备、器材、试剂等硬件条件。在尽量支持学生创新设计的同时，应限制使用危险实验设备和试剂，限制购买昂贵器材和试剂。

二   项目的执行阶段

1   管理教学活动

在实验过程中，教师应引导学生独立思考，充分发挥学生的主观能动性，支持学生独立完成实验的全过程，并且使团队合作效用最大化。

以“固体氧化物燃料电池的设计与优化”实验项目为例。该项目包括固体氧化燃料电池中阳极、阴极和电解质等材料的制备，连接体材料的选择和加工，电池堆的设计和组装等内容。学生根据个人兴趣分成2~4人的小组，小组内的每位学生可以在相同的整体技术路线基础上进行个性化设计。在材料选择上，有的学生选择用氧化锆作为电解质，有的学生选择用氧化铈作为电解质；在电池制备上，有的学生选择用浸涂方法制备电解质层和电极层，有的学生选择旋涂方法；在整个技术路线的分工上，有的学生侧重于材料合成，有的学生侧重于连接体的设计和加工。

个性化的实验对规范化管理有更高的要求。教师对设备、器材、试剂等实验物品的使用进行培训和考核。为了确保实验安全，提升设备利用率和学生的实验效率，依据危险性等级进行分级开放管理：（1）对如搅拌器、烧杯、氯化钠等常规或低危险实验物品实行预约登记管理，学生可独立操作使用；（2）对如马弗炉、冷凝管、乙醇等中危险实验物品实行有条件预约登记管理，双人操作使用；（3）对如X射线衍射分析仪、水热釜、浓硫酸等高价值或高危险实验物品应通过教师预约，并在教师指导下使用。

充分利用信息化手段，制作仪器操作微课视频、大型设备虚拟仿真实验（如X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜等）以及相关实验的慕课，便于学生课前预习和使用中随时查看 ^[14]。建立设备预约平台和化学试剂管理数据库，便于设备预约和化学试剂管理。

2   参与和指导

随着项目的进行，教师会有越来越多促进参与和提供指导的时机。实验过程中教师要对学生制订的实验方案的各个环节进行认真地审核，肯定其正确、合理的方面，指出其不足之处，提出意见供学生参考，并督促学生尽快修改。教师还需要帮助学生将复杂的任务和概念拆分成工作量和难度合适的内容或步骤，每个阶段应具有适当的挑战性，从而逐步实现实验项目的总体目标。

例如，在固体氧化物燃料电池的制备过程中，学生通过文献调研和思考，会提出各种各样的制备方案，仅电解质层，就至少会提出旋涂、浸涂、磁控溅射等3种方案。有些方案虽然有很高的学术价值，但是在实际制备中成功率很低。教师需要对这些方案提出意见和修改建议供学生参考。同时，教师会指导学生将阳极、电解质和阴极材料的合成，以及几种功能层的制备拆分成几个阶段性的实验，根据实验课程安排，分段完善实验设计，逐步完成实验。这样可以使每段实验内容都有一个让学生能够看得到的小目标，帮助学生逐步掌握多孔电极和薄膜电解质层的主要制备方法，最终制备出完整的固体氧化物燃料电池。

需要注意的是，教师需要尽量让学生出现的问题在可控的范围内，这就要求教师对实验要有深入的思考，对学生可能出现的各种问题有充分的准备。

三   项目的评价阶段

项目的评价对PBL教学至关重要。在实验开始前要公开评价标准，在项目的每个阶段，每位学生都要明白他们成功的标准是什么，充分发挥评价的导向作用、监督作用和激励作用。应注重过程评价，便于及时发现学生在项目实施过程中的问题，特别是学生自身还没有意识到的问题，帮助学生顺利推进实验项目。总结性评价应有适当的权重，以激发学生实验分析总结的积极性，培养学生融会贯通所学知识的能力、理论联系实际及分析解决问题的能力。

评价要有综合性，鼓励多方面的反馈，详见表2。表2中列出了能源材料系列实验中PBL实验评价权重分配情况，以实验操作和实验报告作为重点，并将PBL实验项目中的各个环节纳入评价体系，也结合了教师、自己、队友和其他组同学评价。这样的多元评价模式有利于提升学生的参与度，在互相学习的同时也能促进思考^[15]。

表  2  PBL设计性实验评价权重分配表

评价类型	评价项目	占比/%
过程性评价	出勤	5
	文献调研	10
	方案确定	5
	交流讨论	10
	实验操作	30
总结性评价	实验报告	30
	自评	5
	队友评价	7
	他组同学评价	3

下载: 导出CSV 

| 显示表格

实验项目结束后，教师不仅要庆祝学生的成就，也要和学生共同反思。对实验项目的反思是PBL教学取得进步的关键。从教师的角度而言，PBL教学的成功实施是通过持续的学习和反思实现的。通过这个过程，可以提高教师自身水平，使教学团队对新的教学目标和新方法有清晰一致的认识，为教师建立学习、研究、创新一体的文化氛围。上述能源材料系列化、模块化的实验体系就是教学团队通过5年以上的课程建设逐渐完善形成的，并且至今仍然在不断地修改，甚至更新实验项目。

从学生的角度而言，虽然在整个项目期间，我们都在鼓励学生反思，但是在项目结束时，学生可以停下来，进行更深入全面地思考。学生可以总结自己如何迎接挑战，如何达到预期的目标，也可以反思项目本身，有什么修改建议。在近几年的PBL实验教学中，学生普遍反映，PBL实验项目能够在帮助学生掌握知识的同时，有效地满足个性化发展的需要，激发主动学习的兴趣。同时，他们经常能够从学生的角度对实验项目的设计和实施过程提出有益的建议。

四.   结论

PBL是师生通过共同实施一个完整的项目而进行的教学活动，是以问题为导向、以学生为中心的教育方式。因为实验教学过程的实施就是通过完成实验项目进行的，与PBL具有相同的实践基因，所以将PBL应用于实验教学已经成为实验教学改革的一个重要方向。

本文围绕着新工科人才培养的核心目标，针对实验教学拓展PBL教学的内涵，建立PBL实验教学的基本原则，从项目设计和教学实践两个方面提出了PBL实验教学的6个核心要素，并在这些要素的指导下，讨论分析了PBL实验教学的实施过程，具体包括：在项目的准备阶段，根据开放化、系列化、模块化等要素进行实验项目体系的设计。通过由易到难、相互支撑、逐层递进的实验模块，确保学生学习内容上的连贯性和模式上的一致性。在项目的执行阶段，根据个性化、规范化和信息化等要素，管理实验教学的实施过程。为学生提供个性化的项目选择和指导，激发学生的积极性和主动性。同时，借助信息化平台，规范化管理实验空间、设备、材料和试剂，提升课堂效率，保障实验安全有序地进行。在项目的评价阶段，对实验项目进行多元评价和师生共同反思。这是推动PBL实验教学进步的关键，对于促进学生全面思考，提高教师自身水平，提升教学团队对教学目标和方法的认识，以及持续改进实验课程和实验项目均具有重要的意义。