空氣動力學專業本科實驗教學改革概況

周 越 潘 翀 蔡楚江（通訊作者）

（1.北京航空航天大學 航空科學與工程學院 北京 100083；2.流體力學教育部重點實驗室 北京 100083）

高等學校承載著培養高素質拔尖人才的國家使命，科教融合是培養高素質創新型人才的有效手段。

2019年教育部在《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中指出：推動科研反哺教學，強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉化為教學內容，激發學生專業學習興趣。加強對學生科研活動的指導，加大科研實踐平臺建設力度，推動國家級、省部級科研基地更大范圍開放共享，支持學生早進課題組、早進實驗室、早進團隊，以高水平科學研究提高學生創新和實踐能力。2020年，教育部又在《未來技術學院建設指南（試行）》中指出：堅持科教結合，強化科研育人功能，探索高校和科研院所聯合培養未來科技創新領軍人才的有效模式……引導及時把最新科研成果轉化為教學內容，推動科研基地和資源更大范圍開放共享。

北京航空航天大學（以下簡稱北航）積極響應教育部相關文件精神，充分利用其科研方面的優勢，從2018年開始，大力推進科研項目服務本科生的實驗實踐教學改革，先后開展了科研實驗室面向本科生開放、省部級科研成果轉化為本科生實驗室課堂及最新科研成果轉化為本科生科研課堂的教學嘗試。

本文將結合北航空氣動力學專業近年來在本科實驗教學方面的實踐，介紹北航空氣動力學系高等工科實驗教學模式的探索，為今后本科生實驗實踐類教學模式改進和發展提供經驗。

一、國內主要高等工科實驗教學模式現狀

針對教育部深化本科教育教學改革的精神，全國各高校都在進行著 “科研反哺教學、強化科研育人功能”的嘗試。

北京大學為本科生建立了“教師指導下的獨立研究”類課程和“教師指導下的小組研究”類課程，對本科生分年級、有針對性地進行科研能力的培訓；清華大學為本科生制定了進階式科學研究學習體系，促進學生在教師的指導下盡早進入感興趣的科研領域；哈爾濱工業大學依托科研優勢，設立了“創新研修課”；吉林大學設立開放性創新實驗教學“課外培養計劃”環節；北京理工大學也開設了可選的開放實驗項目[4]。

北航于2018年開始試行校內48個省部級重點實驗室面向本科生開放。以本科生實驗室實踐活動為導向，面向本科生開展了77項科研實驗室面向本科生的開放項目，共有277名本科生參加，經過幾輪的實踐，取得了相應的效果和豐富的經驗。

針對優秀學生，北航在本科二、三年級設有科研導師制度，鼓勵學生進入實驗室，進行科研實踐和科技創新。由于學校缺乏有效的制度保證及對教師的激勵機制，科研導師制度難以惠及更多的學生，難以實現規模效應。因此，北航從2020年開始建立專門以科研反哺教學為目的的實驗室課堂及科研課堂教學體系，有組織地安排各重點實驗室將豐富多樣的科研項目向本科生開放，促進本科生參與科研項目，訓練、培養創新人才。

二、北航空氣動力學系在本科生實驗實踐教學中的嘗試

北航航空科學與工程學院空氣動力學系（流體力學研究所）經過近70年的發展，建有計算流體力學國家實驗室、流體力學教育部重點實驗室、氣動聲學工信部重點實驗室和粉體技術北京市重點實驗室。在流體力學和空氣動力學領域科研人才、資源、項目、成果極具優勢。60多年來，始終將“研究空氣動力學基礎前沿、服務國家航空航天戰略需求”作為學科定位，研究方向和發展重點始終瞄準國際航空航天領域的最前沿，研究水平國內領先、國際一流，有力地支撐了北航航空宇航科學與技術、力學學科等雙一流學科的建設。為響應本科生實驗實踐教學改革，北航航空科學與工程學院空氣動力學系下轄各實驗室于2018年起參與了基于實驗室課堂等的一系列本科實驗教學改革嘗試。實驗室課堂是探索省部級科研成果轉化為本科教學實驗的改革嘗試。空氣動力學系將曾經獲得的三項省、部級科研成果（昆蟲飛行的空氣動力學和飛行力學、仿復眼成像的單相機三維流場測量關鍵技術及設備、流體力學方法宏量制備石墨烯），經過精心配制，設計成兩個本科實驗室課堂中的教學模塊，分別是“低雷諾數仿生撲翼測力綜合實驗”和“流體力學方法制備石墨烯技術”。這兩個實驗涉及的流體力學知識及運用的實驗設備和技術專業性較強，而且充分運用目前先進的流體力學測試和實驗手段，體現了流體力學、生物學、納米技術等多學科的交叉融合性。

在將科研成果轉化為本科實驗的基礎上，研究將專業性強的科研實驗介紹給不同年級、不同專業本科生的教學方法，嘗試建立本科生“認知-實踐-創新”的實驗教學新模式。

實驗室課堂的教學力求做到分級施教。針對低年級本科生，以了解實驗室定位、學科專業發展、最新研究方向、代表性研究成果及當前學科交叉融合的情況為主。以逐級遞進的方式分層次、模塊化地設置實驗內容，使學生盡早了解最新的科研成果、科研方法和實驗手段，體會學科交叉融合性。針對高年級本科生則需要從參觀交流演進到項目研討，從認知實驗環境演進到科學研究探討，從簡單地看到實驗現象和結論，演進到思考、調研，并做出研究方向的文獻綜述報告，使學生全方位地沉浸到科研的實踐中，激發其對科學研究的興趣，培養科研素養，找到自己感興趣的專業方向。

科研課堂是在實驗室課堂經驗指導下進一步推進實驗教學改革的嘗試，目的是探索北航特色科教融合新模式，最終實現全校本科生通過授課課堂、科研課堂、社會課堂全過程參與，達到校內外協同培育人才的目的。

空氣動力學系的科研課堂是由25個科研微課堂組成。每個微課堂針對教師指定學院的二、三年級開放選課。每個微課堂都有專業針對性。空氣動力學系科研微課堂內容涉及流體力學和空氣動力學研究前沿、最新學科交叉研究成果，從空氣動力學模擬實驗到數值實驗，涵蓋基礎研究及工程應用。

教師把已試驗成功的科研實驗轉化為本科生的科研微課堂課程，編制有適合本科生的實驗目的、實驗步驟和實驗要求，使本科生體會科研實驗的基本過程，科研思路、研究方法等。評價標準根據學生參與度由教師認可即可，教師的自由度更高。科研課堂受歡迎程度很高，選課人數全部超出預設人數范圍，需要教師進行篩選。

三、北航空氣動力學系本科生實驗教學改革形式

空氣動力學系由各重點實驗室共同組成教學團隊。將選出的三項省、部級科研成果轉化為能充分體現學科前沿及交叉融合性的教學實驗，16學時，1學分。

根據不同年級和專業的本科生的實際情況，對課程模塊進行教學內容和教學方法的細化，盡量做到使所有選課學生都能夠參與并有所收獲，確定為：認知學科特色，參與設定的實驗項目，在教師提供的創新平臺上產生創新思維，完成創新實踐等教學內容。從易于操作的動手實踐環節引入相關的基礎理論知識，盡量減少冗長的理論講授，多以學生能夠直接體會的趣味操作形式介紹與實驗相關的理論知識，培養學生獨立思考的能力。

教學團隊按開設新課程要求，為實驗室課堂設置具體的教學大綱、特色的教學方案和獨特的評價體系。針對不同年級和不同專業的本科生，進行分組教學。空氣動力學系實驗室課堂選課學生人數近40人。

科研課堂是在實驗室課堂模式的基礎上，在某些學院開展的試點實驗教學模式，共32學時，2學分。依據實驗室課堂的上課形式、教學大綱、考核評價體系等要求和教學組織形式，以各重點實驗室為依托，下設若干科研實驗微課堂。微課堂內容根據研究內容設定，面向全校二、三年級本科生開放選課，比實驗室課堂研究內容更豐富、更有針對性，學生的選擇范圍更廣泛。此外，根據科研和人才培養的規律和特點，采用小班化教學模式，每個微課堂的學生最多4-6人。

四、北航空氣動力學系本科生實驗教學實施情況及教學效果

實驗室課堂已于2020年秋季學期正式開課。學生選課熱情非常高。很多學生直接聯系開課教師，了解課程相關情況。針對所有選課學生，教學團隊經過學生與教師雙向選擇機制進行了認真篩選，確定了約39名本科生入選。

因空氣動力學系的實驗室課堂教學方案、教學方法是由相應的教學團隊經過細致研究分析確定的，所以，學生在明確的實驗目的、設備、材料、步驟和實驗要求指導下進行實驗操作；在教師帶領下，認知學科特點，了解學科發展狀況；以小組為單位，親自動手按詳細的實驗指導手冊逐步自行完成實驗；自行查閱文獻資料，系統了解本項目的研究現狀，寫出相關研究領域的綜述報告及研究報告，最后自制PPT，完成研究報告答辯。學有余力的學生還提出了創新設想或完成了創新實驗。全部選課學生都順利完成了預訂的教學任務。

實驗室課堂每周開設一次，每課時長度根據具體授課內容設置。學生非常喜歡授課過程中設置的各種動手實踐環節，對設定的課程模塊也非常感興趣，出勤率和課堂參與度均達到100%，對空氣動力學系的實驗室課堂最后的評價也非常滿意。科研課堂作為實驗室課堂的發展和延伸，也已于2021年春季學期正式開課。空氣動力學系在其中開設有25個科研微課堂。上課形式以科研微課堂為單位，基本等同實驗室課堂。基本內容包括了解北航空氣動力學系的發展現狀和研究方向、國內外研究現狀、實驗準備、實驗實施、實驗數據整理、研究報告編寫、研究報告PPT制作、答辯。

通過對科研課堂教學工作和效果的總結，我們看到，學生的反饋非常積極，對此類課程的需求度很高，因此，決定在北航更多的學院繼續開展科研課堂教學形式的嘗試，且每學期都開設科研課堂。

五、存在的不足和未來改進措施

北航空氣動力學系本科生的實驗教學改革中，教師要在課程設置、講解方式、方法、實驗設置等多方面充分考慮低年級本科生專業基礎知識方面的不足，課程準備等工作絲毫不亞于新開一門理論課程，甚至比新開設的理論課程需要考慮更多的因素。但學校并沒有在相應的教師工作量考核機制和職稱評價體系中有所體現，所以教師投入的熱情并不高。

另外，學生在沒有教師陪伴的情況下，在獨立查閱文獻、撰寫綜述報告、研究結果匯總分析等環節明顯表現不佳，對研究結果的總結分析缺乏思路，總結歸納后綜合、深入分析問題的能力及獨立思考能力明顯不足；甚至已有一定專業知識背景的本科生，運用專業知識分析研究結果的能力也明顯不足，主要是由于學習方法不當及學業壓力較大所導致。

關于未來的改進措施，筆者提出以下幾點建議：

（1）因科研試驗與教學實驗針對的主體不同，對于實驗實踐類課程需要充分、精心地做好課程，準備工作。必要時，學校應提供一定的資金支持，用于必要的小型化實驗設備和安全設置的配備。

（2）學生和教師可以提前進行雙向選擇，不只學生可以選擇教師所開設的課程，教師亦應可以選擇學生。

（3）為達到預期的教學目的，科研實驗實踐類課程對學習壓力較小的年級的學生開設，甚至可以利用暑假或寒假進行。

（4）根據高校實驗實踐類課程特點，將本科生實驗實踐類教學改革課程工作量合理加入教師考核和職稱晉升評價機制中，同時對選課學生也要制定相應的獎勵機制。