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本科生科研最初起源于美国麻省理工学院(MIT)在1969年推出的“本科生研究机会计划(Undergraduate Research Opportunities Program,UROP)”。这是针对传统的接受式学习模式存在的弊端而提出的一种全新的教学方式,被世界各地广为效仿,成为培养创新型人才的有效途径。由于本科处于高等教育人才培养体系的基层,因而在本科阶段鼓励学生参与科研活动,使其具备基本的科研素质和自学能力尤为重要。借鉴MIT的成功经验,清华大学提出“大学生科技训练计划(Students Research Training, SRT)”,并于1996年正式实施。2007年,教育部推出了“大学生创新性实验计划”的本科生科研项目[1]。2008年,东北林业大学开始推行大学生创新性实验计划,其中林产化工专业把本科生参与科研作为培养拔尖人才的重要举措之一。通过组织本科生组建创新实验团队进行创新实验以及大学二年级的本科生根据自己所感兴趣的研究方向,自主选择科研项目两种方式对本科生进行拔尖人才培养,两种参与科研的方式在林产化工专业得到了全面的开展,并取得了良好的阶段性科研成果。多数本科生期间发出若干篇SCI、EI以及国内核心期刊论文,科研能力和创新思维显著提高。
二、参与科研对林产化工专业本科拔尖人才培养的重要性
1.参与科研有利于本科拔尖人才培养的学习兴趣和实践能力
对所学专业具有浓厚的兴趣并培养出较强的实践能力是本科拔尖人才应具有的素质之一。传统的仅仅局限在课堂上的教学模式,不利于激发学生的学习兴趣和动力。学习兴趣是学好专业知识的前提,参与科研的过程使学生把课本上学到的知识得以实践,学以致用,并且在科研的过程中会发现自身所学的专业基础理论知识的不足之处,促使其更加重视专业理论课程的学习,对于专业理论课程的学习具有一定的积极和促进作用。
林产化工专业是一门应用性较强的学科,培养学生的实际应用能力在教学中也是非常重要的环节。通过参与科研使学生具有较强的动手操作能力,使课本上的理论知识在科研项目的实践中得以验证、补充和拓展,真正地实现了理论到实践的过渡,实现了理论与实践的融合。在参加科学研究过程中检验了专业理论知识的实用性,加深了对专业理论知识的理解和运用。所以,提倡本科生参与科研项目是培养林产化工专业本科拔尖人才的有效途径之一。
2.参与科研有利于提升本科拔尖人才培养的创造性思维和科研能力
以培养具有深厚化学基础知识的本科生为林产化工专业的培养目标。培养本科拔尖人才创造性思维是实现拔尖的人才培养的前提。对于林产化工专业的本科生而言,创造性思维的培养是发现问题、解决问题的关键。林产化学专业针对本科拔尖人才创新能力的提高,选择让本科生参与科研作为有效途径。在科研项目研究的过程中,学生会围绕本学科已发现未解决的问题、未发现的问题而展开研究和思考,选择新的视角确定科研方向,通过科学实验把理论知识变成现实。整个科研过程培养了学生主动发现、主动思考的能力,创造性的思维模式也逐步得以形成。为林产化工专业拔尖人才的培养奠定了基础。
同时,参与科研项目使学生掌握了与科研相关的多种技能,培养了一定的科研能力。参与科研需要很多前期工作的准备,为了确定科研项目的选题必须查阅大量参考资料,并对收集的相关资料进行总结和分析,从而得出相关的数据。在选题的过程中,锻炼了学生查阅学术文献的技能、资料整理总结的方法以及分析并解决问题的能力。参与科研中论文的撰写以及大量相关数据的处理,可以有效地锻炼本科生对科研信息的综合分析能力、总结概括能力和写作能力[2]。
3.参与科研有利于促进本科拔尖人才培养的科研环境建设
高校科研团队的组成不能仅仅依靠学校的教师和研究生,本科生也是科研队伍不可缺少的重要支撑力量。吸收本科生参与科研可以有效地推动学生群体中积极的潜在力量发挥其潜在的科研能力,同时也为本科拔尖人才的培养创造了良好的科研环境。由于本科生的思维方式通常不会被常规的固化的思想束缚,因此具有突破常规、勇于探索的精神和勇气。在教师正确的引导下参与科研活动,一定会取得具有突破性的科研成果,成为高校科研发展的有生力量。
东北林业大学林产化工专业一直以来坚持让本科生参与科研的教学模式。大学一年级掌握了扎实的专业理论知识作为基础,大学二年级对感兴趣的方向追随相关的专业老师走进实验室开始参与科研项目,真正实现了理论知识在实践科研中得以验证。并且学校为了调动学生参与科研的积极性,为学生提供了参与科研的硬件环境。根据兴趣的不同,把学生分配在相应的实验室,确定指导教师,同时创立科研创新小组进行创新实验。
对学生而言,把科研引入到教学过程中改变了学生的学习状态,打破了“老师教,学生学”的“填鸭式”固定模式,而是让学生主动去探索、去研究。“大学教授的主要任务并不是‘教’,大学生的主要任务也不是‘学’。大学生必须独立地自己去从事‘研究’,大学教授的工作是引导大学生‘研究’的兴趣,再进一步指导并帮助大学生去作‘研究’的工作”[3]。林产化工专业的专业特性也要求学生在科研实践中探索和发现新的领域,独立地从事专业方向的研究也是本科生拔尖人才必备的素质。对高校教师而言,有针对性地指导学生进行科研项目研究,可以帮助学生解决专业理论知识中实际应用部分,从事科学研究应该具备的能力。可见,本科生参与科研是高校科研环境构建不可缺少的部分。
4.参与科研有利于增强本科拔尖人才培养的就业能力
社会竞争的日益加剧,对人才能力的要求也日趋提高。具有较强的科研创新能力、工作经验和团队精神的高素质的复合人才正是现在企业所需求的,而高校的本科生的综合能力却与之相差甚远,就业问题变得十分严峻。林产化工专业未来的就业方向主要也是生物质以及化工等相关企业,学生的科研创新能力、实践操作能力都是企业所要求的必备素质,所以参与科研的教学模式在培养本科拔尖人才就业能力方面也起到了重要的作用。让本科生参与到实际的科研项目中来,锻炼其实际的科研实践能力,加深其知识的实践水平,增强了学生将来的就业能力[4]。高校的培养目标不仅仅是毕业生,更是培养出合格的职业师。首先,本科生参与到科研活动中,科学实验创造出新的科研成果,通过和申请专利的形式得以呈现,不仅仅增加了学分,同时也为未来的考研和就业增加了新的竞争砝码和把握机会的能力,其次多角度、多层次地开展丰富多彩的本科生课外科研活动,并深入到经济建设中形成产学研的有机结合。从而将本科生参与科研的成果转化为现实生产力,以形成推动我国高科技产业发展的重要力量 [5, 6]。因此,参与科研对于增强本科拔尖人才的就业能力起到很大的推动作用。
三、总结
林产化工的产品具有资源可再生的天然性和应用中的不可替代性。在当今化石资源、能源危机不断显现、环境污染日益加剧的背景下,大力发展林产化工,尤其是生物质能源,已列入国家长期发展规划。因此,林产化工领域高层次人才的需求将不断增加,从本科阶段开始培养拔尖人才,为社会输送更多思维敏捷、具有很强的创新能力和动手能力的工作人员、对未来林业产业发展,改善生态环境具有重要作用。
项目:东北林业大学教育教学研究课题(DGY2013-05)。
参考文献
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关键词:分离工程;应用型人才;林产化工;三结合
中图分类号:G642.0 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2013)52-0212-02
分离工程课程作为化工专业及其相关专业的一门骨干课程,具有内容涉猎面广、知识点多的特点。该课程对石化工业、无机和有机化学工业、石油加工、资源和能源工业、材料工业、聚合物加工、生化工业、制药工业、环境保护和核工业等许多国民经济重要工业领域的人才培养有着重要的地位和作用[1]。分离工程课程教学改革目标是开发出一种新的工程类专业课教学模式,通过一门专业课的教学改革实践,使学生的创新能力、综合能力、实践能力等综合素质得到提高。该项目完成后,教学改革经验可以在其他高等林业院校的工程类专业课教学中推广应用。
一、课程改革的目的和需求
林产化工专业是以树木、森林采伐和加工剩余物为原料制备生物质化学品、生物质新材料和生物质能源的国家重点专业。专业立足于黑龙江省的资源特点和优势,突出“绿色和环境友好化学与工艺”的主要特色,抓住生物质资源代替石化资源的机遇,以生物质资源的高效化学利用为特色,瞄准世界各国的林产化工领域科研前沿,培养能在林产化工、精细化工、化学工业等领域从事植物化工的生产、设计、产品开发工作并且具有较强创新和实践能力的应用型人才。由于分理工程课程所涉及的基础理论、基本知识较多、较散,各知识点间相互联系不是很紧密,内容相对比较抽象,教学中发现大多数学生反映该门课程难学、难懂,在有关知识的应用方面特别是工程计算方面只能机械模仿教材例子完成课后作业,通过计算机编程解决实际问题的能力还不够[2]。因此,造成了学生一定程度的畏学情绪和厌学心理,若单纯地讲授理论知识学生很难理解,影响了对知识的掌握和课程教学质量。针对林产化工专业分离工程课程教学中存在的问题,林化专业分离工程课程改革的关键是:加强课程理论和实践教学的结合,弥补讲授法的缺陷,以小论文代替作业、自主设计实验[3],激发学生的学习兴趣,面向社会服务和实际工作中可能遇到的问题,学生们参加国家、学校和学院三个层次不同级别的创新实验,结合课程教学内容培养学生的创新能力和综合实践能力。最终达到强化学生工程意识,提高学生的创新能力,使学生的总体素质达到全面提高。
二、课程教学改革
林化分离工程课程教学改革研究内容包括:①教学方案的改革,结合目前国内外新技术、新工艺、新设备,研究其教学内容的内在规律、教学重点和难点,调整教学重点并增加林产化工科研领域分离工程技术使用的新技术相关的设备和方法原理的知识点;②分离工程课程面临着学时压缩(由72学时压缩为32学时),而知识量、信息量反而增加的矛盾,这需要构建新的教学体系和方案。③为了激发学生的学习兴趣,对于容易理解的课程章节采用以考代讲的方式,或采用多次研究型和课题调研型的大型作业,强调学生的主动探索创新精神,以小论文的形式提交并在课程结业考试中占一定的分值;降低课时缩减的压力。④针对工厂现场分离设备存在的问题,提取工厂数据,让学生自己设计程序进行计算,培养学生解决工厂中实际的分离问题的能力。
三、分离工程课程需求与三结合法的结合策略
本课程实施“专业课与基础课结合”、“专业课与实践结合”和“专业课与竞赛结合”的“三结合”教学方法[4]。该改革方法意在加强林化专业学生化工分离基础理论,强化培养学生化学工程的理念,力求使学生掌握化学工程与工艺的基本理论知识和技能,在化工工程技术方面具有初步的分析问题和解决问题的能力[5]。课程教学中以实例原理凝练知识点应用指导原理的层次进行教材内容的组织;将产学研所获得的科研成果、工厂实践经验和学科前沿知识等带进课堂,有机地融入到教学内容里,增加学生对学科前沿知识的了解,推进课程建设;以工程实践中的应用为实例,激发学生学习的热情。
四、实施情况
1.专业课与基础课结合,调整林化分离工程课程体系。本专业课程体系按职业岗位能力需要,对主要专业基础课和专业课进行了必要的整合。林化分离工程课程体系的构建采用的调研方案为:收集有关研究资料;到其他高等院校进行调研;确定教学内容和新教学大纲,确定教学中的重点和难点;根据教学改革方案,进行课堂教学改革实践;结合林产化工领域科学前沿进展情况和本校的科研成果实施实训教学和实验教学,通过实验教学和参加教师科研课题等实践环节,弥补课堂教学的缺陷,着重培养学生的工程意识和提高学生的素养。①课程内容与学科前沿的结合,进入在21世纪,分离技术向高级化、应用广泛化发展。与此同时,分离技术与其他科学技术相互交叉渗透,产生了一些更新的边缘分离技术,如生物分离技术、膜分离技术、环境化学分离技术、纳米分离技术和超临界流体萃取等技术。近年来科技人员在分离过程及设备的强化和提高效率、分离技术研究和过程模拟、分离新技术开发几个主要方面做了大量的工作,取得了一定的成果。通过这些研究成果在工业上的应用,强化了现有的生产过程和设备,在降低能耗、提高效率、开发新技术和设备、实现生产控制和工业设计最优化等方面发挥了巨大作用,同时也促进了化学工业的进一步发展。林化分离工程从分类、研究内容及方法出发,详细地介绍了多组分分离基础、多组分精馏的简捷计算和严格计算、多组分气体吸收和解吸、特殊精馏(包括恒沸精馏、萃取精馏、加盐精馏和反应精馏等)和萃取技术等化工基础知识,同时结合科技前沿,引进结晶、其他新型分离方法(吸附、离子交换、膜分离、薄层色谱等)和分离过程及设备的效率与节能等内容。课程内容与学科前沿的紧密结合有利于学生以生物质资源的高效化学利用为特色,瞄准世界国的林产化工领域科研前沿,成为能在林产化工、精细化工、化学工业等领域从事植物化工的生产、设计、产品开发工作、具有较强创新和实践能力的应用型人才。②课程体系考核重点的调整,林化分离工程课程除借鉴化工原理课程内有关相平衡条件、相平衡常数和分离因子的定义、活度与逸度的定义、相平衡常数的计算方法、泡点方程及露点方程的内容外,还借鉴了Henry定律、Langmuir方程、Langmuir-Freundlich和Freundlich方程气体的吸附平衡和液体的吸附平衡的内容。林化分离工程课程立足于基础课的知识点,在此基础上合理扩展和延伸,体现了专业课与基础课紧密结合的课程改革的指导原则,实现了基础课为专业课服务的目的。比较化工分离工程和林化分离工程,发现二者在课程的指导原则上存在不同,化工分离工程作为基础课程,其教学体系强调加强化工基础、拓宽专业、理论扎实、扩大信息;林化分离工程由于教学学时只有32个学时,教学环节更注重拓宽专业、注意与前期专业课程的衔接,避免重复教学,启发思维、引导创新便于自学。因此,化工分离工程课程体系考核重点在于掌握传质过程和分离工程的基本理论,了解重要的分离单元操作及其设计、计算、应用基础,对于林化分离工程而言,考核重点在于与工业生产紧密结合的多组分分离基础、多组分精馏的简捷计算和严格计算、多组分气体吸收和解吸、特殊精馏、和萃取技术等简单的化工基础知识,同时结合科技前沿,掌握结晶、其他新型分离方法和过程的技术原理,实际应用实例和设备的效率与节能等内容。该课程体系的调整重视现代分离技术及其前沿发展,有利于林化专业的学生培养扎实的理论基础,活跃的创新意识、分析和解决实际问题的能力以及利用先进的手段从事相关领域研究的能力。
2.专业课与实践相结合,强化分离工程实验的实训性。我们发挥实验独立开设实验课与大学生创新项目的实训作用,强化林化分离工程实验与专业领域结合的紧密性;同时积极进行林化分离工程专业创新型专业实践教学模式的研究与实践,充分利用学科所在实验室为教育部重点实验室的优势,进一步开放实验室,并实施“课程认知—实验技能训练—课程实践—创新实践”的专业实践教学模式,使学生能巩固和加深对课堂理论教学内容的理解,得到实验技能的基本训练,并强化工程实践的观念。课程认知是在课堂上讲解分理工程实验的理论和原理,实验技能训练在实验课上完成,根据实验动手能力和实验的完成给予实验技能考核;课程实践主要是会同本专业的化工原理课程实习,在哈尔滨化工二厂和三精制药等企业进行化工分离和药物精制分离等课内实例的工厂实践环节。几年来学生运用分离工程专业知识解决了很多创新的科研和工程实际问题,学生的课程设计、毕业设计题目均具有实际工程背景,设计质量有很大提高;学生涌跃参加校、省和全国各类专业技能大赛,在“挑战杯”和林业部举办的“嘉汉杯”等省级以上创新、创业大赛中成绩斐然。综上,采用“三结合”教学法对林产化工专业分离工程课程建设与实践的初步探索,经过初步实践检验,教学过程调整授课重点,突出生物质资源的高效化学利用的特色,使学生更好理解林化专业分离工程的概念,达到培养学生科学的思维方法,养成严谨、求实、认真的精神,为林化专业学生在林产化工、精细化工、化学工业等领域从事植物化工的生产、设计、产品开发工作奠定了良好的理论与实践基础。
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(一)理论课教学内容落后
目前,北京林业大学院材料科学与技术学院林产化工专业的“有机合成化学”课程是以2004年版王玉炉主编的《有机合成化学》教材为主。它包含了有机合成的重要反应、选择性反应等内容,体现了当前的合成反应内容,但该教材缺少林化产品应用的实例,因此需引入新的教材充实教学内容。
(二)实验课教学内容和实验方法陈旧
林产化学工业是以森林资源为原料进行化学加工利用的工业,是森林工业的重要组成部分,是制取人类生活和生产所需要产品的工业。当前“有机合成化学”实验课程的授课内容为“樟脑氧化合成樟脑醌”的实验,其选题和采取的实验方法都已较为陈旧,不能满足当前林产化工行业科技发展的需要。而且实验设备数量有限、老化等原因使得实验测试分析方法单一、落后,从而导致实验数据误差增大、高质量的设计性实验无法正常开展。
二、“有机合成化学”课程教学改革的措施
(一)理论课教学内容的改革
针对林产化工专业“有机合成化学”课程教学内容存在的问题,笔者从以下几个方面对课程教学内容进行了改革。
1.引入新的教材
笔者结合林产化工专业林化学科的发展趋势,分析国内外相关课程的发展现状,适时吸纳有机合成化学方面的研究成果,对教学参考书的选择进行了广泛的调研,选择出适合课程教学内容、具代表性的中外文教学参考书,如Morrison的《OrganicChemistry》原版专业教材。
2.增加新的教学内容
笔者认为教学新内容和前沿科研内容的引入,不仅使教师所授的理论知识更加全面、具有紧跟国际形势的先进性,而且体现了林产化工产品的多样性,培养了学生的创新能力。另外,笔者还将“有机合成化学”课程中没有包含且属于当前我国林产化工行业发展的热点内容介绍给学生,目的是扩大学生的知识面、提高学生的学习兴趣和积极性、激发学生对科学研究的热爱、培养学生勤于观察思考的习惯。
(二)理论课教学方法和手段的改革
“有机合成化学”课程是在学生具备了必要的有机化学、分析化学等基础知识之后必修的一门专业基础课程,是承上启下的课程。因此,笔者认为教师做好本课程的教学工作,对其进行教学方法和手段的改革,有利于提高林产化工专业人才培养的质量。
1.以现代教育理念为指导,制作高质量的多媒体课件
笔者认为采用“黑板+粉笔”的教学手段授课,教学效率低下,因此必须以教育教学理论为依据,采用现代教学工具和手段开展教学活动。在“有机合成化学”课程教学过程中,笔者改变传统的教学方式,采用新颖多样的多媒体课件授课,激发了学生的学习兴趣和求知欲望。如,笔者采用自己制作和搜集的与理论知识相关的反映实际合成反应现象和反应机理的模拟视频和三维动画片及部分生产工艺流程的录像,开展“有机合成化学”课程的教学活动,使抽象难懂的“有机合成化学”课程变得生动形象,使抽象的反应机理直观、清晰。学生在课堂上可以清楚地看到各种合成产物的准确结构和详细反应工艺原理,这不仅可以帮助学生加深对所学内容的理解,而且也可以使教师在有限的课堂教学时间内为学生讲授更多的教学内容及学科前沿知识。
2.遵循现代教学理念,使学生成为教学活动的主体
如果教师在课堂上采用“仓储式”“填鸭式”教学方式授课的话,那么学生就会对学习产生厌烦的情绪。因此,在课堂教学过程中,笔者应用现代教学理念,结合日常生活中遇到的有机合成化学方面的素材进行讲授,提高学生学习的趣味性,使学生真正成为教学活动的主体。如教师在讲授“应用萜类化合物进行香料的合成”“塑料用增塑剂的合成”等问题时,首先将学生分成小组,让学生以小组为单位查找资料;其次让小组的代表在课堂上对这个问题进行讲解,并让学生对不明白的问题互相提问;最后由教师评出讲解内容和所提问题都有深度的一组,给予适当的奖励,目的是激发学生学习的主观能动性。
3.将理论教学与科研、生产实践相结合,提高学生的科研能力
笔者通过一些小型科研活动,让学生掌握并设计出先进合理、贴合生产实际的目标产物的有机合成路线,激发学生学习的兴趣,提高学生的科研能力。此外,还要鼓励学生积极参加大学生科研训练计划及各类科研活动,这既拓展了理论教学的内容,又锻炼了学生的科研能力。因此,笔者认为只有让学生直接参与一些小型的林产化工学科实际生产的目标产物的有机合成路线设计,才能让学生把所学的“有机合成化学”课程的知识真正应用到实践中去,教师才能够发现学生在实际应用中所暴露出的问题,并及时解决问题。
(三)实验课教学的改革
高校实验课教学的主要目标是培养学生对所学理论知识的应用和创新能力。实验环节的教学不仅对学生巩固有机合成化学基本理论知识具有重要作用,而且有利于培养学生的观察分析、实际操作、综合设计等能力。因此,笔者认为必须深化实验环节的教学改革,具体做法如下。
1.根据科研情况开设研究设计性实验
在对实验室进行建设的同时,笔者结合“有机合成化学”实验课程教学内容及林化产品加工的特点,让学生设计具有前沿科研性的实验。如藿檀酯木香型香料(国际著名香精香料公司Symrise和Quest的产品)的合成实验,学生利用α-松油烯(林化产品中间体)与缺电子亲二烯体,通过Diels-Alder反应,合成一系列化合物,如与丁烯酮、甲基丙烯酸甲酯、丙烯醛等物质通过双烯加成合成不同香型的香料。笔者多年的教学实践经验证明,学生通过设计新的实验,激发了对科学研究的兴趣,提高了科研思维和创新能力,为其今后的毕业设计和将来从事科研开发工作提供了实践平台。
2.开展双语教学
在“有机合成化学”实验课程中有许多“人名”反应,翻译成中文后会有很多不同版本,不易被学生理解,不利于“有机合成化学”实验课程的讲解,影响学科的发展。因为很多专业知识点用英语解释时准确性较高,并有利于学生对专业知识点的理解,所以笔者在“有机合成化学”实验课程中引入了英文版的专业教材,开展双语教学活动。这不仅可使实验教学内容紧跟国际科研前沿信息,及时将专业领域研究的最新发展和所学的知识有机地结合起来,而且可使学生在实验课教学中很好地掌握专业外语知识,为学生今后独立查阅科技外文文献打下良好的基础。
3.采取灵活多样的考核方式
在这次教学改革中,笔者建立了科学、系统、客观、严格的实验课考核方式,主要从以下几方面对学生进行考核:①实验操作;②对实验常识性问题的理解与掌握;③对实验过程突况的处理;④实验报告书写的规范性。笔者认为使用这种考核方式,教师不仅可以全面地考核学生对实验内容的掌握程度,给出科学、合理的实验成绩,而且还提高了学生的实际动手能力。
三、“有机合成化学”课程教学改革的效果
“有机合成化学”课程经过多年的探索与实践,在教学内容、教学方法、教学水平和师资队伍建设等方面都有了较大的提高。同时“有机合成化学”课程的教学活动得到了学校教学督导组专家的肯定,主讲教师的授课多次被评为优秀、受到学生的热烈欢迎和一致好评。
(一)理论课教学改革的效果
因为“有机合成化学”课程本身具有理论性强、概念抽象等特点,所以单纯的理论授课很容易使学生感到枯燥。改革后的课程使教学内容更加紧跟国际先进趋势,体现出林产化工产品的多样性,更符合我国林产化工行业的发展趋势,从而更能激发学生对专业课学习的兴趣,提高学生自主创新、自主设计的能力。另外,教学理念的转变活跃了学生的思维,使学生不仅在课堂上积极参与教师的教学活动,而且在课下踊跃思考、提出问题,收到了好的教学效果,提升了学生的综合素质,并使年轻教师的教学基本功得到提高。
(二)实验课教学改革的效果
开设先进合理、贴合实际生产的设计性实验课程,激发了学生学习兴趣,提高了学生动手能力,培养了学生科研思维和创新能力,使学生在毕业论文(设计)中涉及新产品的制备和应用的内容明显增加。实验课的全新考核方法真实地反映了学生的实际水平。学生普遍认为这一考核方法比较好,能较真实地反映学生的综合实践能力,对他们的学习有良好的促进作用。
四、结语