航空宇航學科本科生“4C”深度融合互促教學模式研究

韋常柱，張峪浩，葉泳鋒，浦甲倫，關英姿

（哈爾濱工業大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱）

一 航空宇航專業課程教學現狀

航空宇航科學和航空航天工業發展的程度體現了一個國家的綜合國力，直接反映一個國家科學技術、國防建設和國民經濟現代化的水平。面對航空宇航科學技術的迅猛發展、現代軍備技術快速提升的趨勢，培養一批能夠在關鍵領域、核心技術方面進行自主創新的航空宇航專業科研創新型人才已成為推動我國航空宇航事業發展和建設世界一流軍隊的關鍵，也是新時代建設世界一流大學和世界一流航空宇航學科的歷史責任。我國通過對現有高校擴招和更多高校新設航空宇航專業培養人才的方式，支撐了航空宇航工業的迅猛發展需求，其中本科生作為該領域的生力軍，是未來的建設者和接班人，對其科研能力的培養和深層挖掘具有重要的意義[1-2]。

我校自建校以來，一直秉承“規格嚴格、功夫到家”的辦學理念，培養了新時代里一大批杰出的科研人才。在跨越百年的新時代中，我校的教師團隊更是對過去努力傳承，對未來不斷開拓，對過往的教學方式、培養模式等各方面進行了深刻的整理和歸納。在總結了多年的教學經驗、嚴謹分析與充分討論后，發現我校目前的航空宇航專業本科生培養方式暴露出來較多不足，其中較為突出的一點是：由于航空宇航是一個面向理論與工程實際需求相結合的綜合學科，但是在傳統的教學方式對知識的灌輸下，學生在課程的學習過程中難以深刻理解部分較為抽象的專業知識；同時在傳統的培養模式對人才的塑造下，學生更難以體會其在航空宇航領域中的工程實用價值和應用方法，無法快速地、直接地應用專業知識解決實際工程中的具體問題。這使本科生的科研能力難以得到充分培養，延長了科研人才的培養周期、增加了培養成本，而又不可避免地使得部分本科生磨滅了對學科的興趣、熱情及向往，反而造成了人才培養的缺口。

人才培養是大學的本質職能，本科教育是大學的根和本，世界一流大學無不是將本科教育放在發展的重要戰略地位，將培養一流本科生作為堅定目標。因此，為深入貫徹全國教育大會精神，同時銘記習近平總書記在我校建校100 周年寄予的賀信精神，應奮然承擔起在新起點的使命與擔當，而其中，對航空宇航學科專業進行創新性的、適應時代需求的教學模式改革成為了難以回避的關鍵一步。

二 國內外教學現狀

在世界著名航空航天類高校的創新型人才培養方面，美國麻省理工學院主要通過開設跨學科課程、建設學術共同體、實施跨學科研究計劃進行本科生培養[3]，同時為了更好地促進本科生就業，設立了全球教育與職業發展（GECD）部門，幫助本科生進行研究意向選擇，實踐能力培養和就業規劃[4]；加州理工大學在“Learn by Doing”的理念指導下，廣泛開展體驗式學習的課程教學研究，以學生為主體，注重小規模師生緊密合作，并設立了由學生、導師和項目支撐組成的學生創新靈感實驗室，以實現快速的“產學研用”[5-7]；佐治亞理工學院強調實踐教學的重要性，設置了專業綜合實驗課、畢業設計、本科生科研項目以及其他技能培訓項目等在內的諸多項目導向式課程[8]；里海大學和伍斯特工學院等美國其他著名創新型大學也在人才培養時，將科學方法和科學知識的實際應用擺在第一位[9]，并且美國高等教育改革使得教學的有效性得到越來越著重的關注[10]；除此之外，如代爾夫特理工大學等歐洲著名大學也十分強調通過項目式跨學科合作進行創新型人才培養[11]。

在上述眾多具有鮮明教育特色的著名高校中，美國研究型大學以其本科生科研項目種類繁多，特色明顯，培養效果顯著聞名世界。根據其教學模式的不同特點，可主要劃分為三種類型：科學職業發展模式、科研學徒模式和基于科研的課程學習模式[12-13]。

科學職業發展模式是為了有效保持和増加學生在科學領域獲取更高學位和從事科學研究的機會而設計的，SaS 計劃是其中的代表性成果。1989 年，賴斯大學率先開展SaS 計劃，其初衷是為了增加少數族裔和女性在科學、數學、工程和技術領域的人數。該計劃吸引了大量來自外校的本科生和本校的研究生。通過不斷發展，科學職業發展模式被美國越來越多的大學所效仿，該模式成為讓本科生在本校研究生院繼續學習的有效途徑[14]。

科研學徒模式是主要招募三 四年級學生，讓本科生以科研學徒的身份參與到教師為主的研究小組中，教師則對其進行一對一的指導或由科研小組統一指導。麻省理工學院的航空宇航專業是同領域中最有名的專業之一，其主要目標是把科研納入本科生教育計劃，在研究中激發他們對科學的興趣，了解科學的本質，掌握科學知識及科學研究的步驟和方法，提高科學論證的能力，培養研究技能，主動直接地了解科學家的研究工作；正是采用了科研學徒的培養模式，顯著提高了本科生自身學習經歷的滿意度。該培養模式極大幅度提高了學生的科研興趣和創新能力，加強了理論與實踐的聯系，提高了學生的科研實踐能力[15]。

基于科研的課程學習模式，最早由布朗大學發起，將本科生科研納入布朗大學的課程計劃，讓本科生通過選修課程的方式參與研究。包括以下五種課程形式可供學生選擇：教授如何進行科研的課程、在老師的指導下申請自主設計課程、校外實踐課程、團體獨立研究計劃以及將科研與原有課程相結合的基礎課程。其中在原有課程基礎上進行調整和拓展來開展研究是基于科研的課程學習模式的一大特色，主要是讓學生從事科學研究，并讓科研工作成為正規課程的一部分。該模式能夠使學生在研究之前具有深厚扎實和結構合理的知識基礎以及掌握必要的研究方法，有利于增強學生的自信心，并盡早開始獨立研究[16]。

不難看出，在國外許多世界一流航空宇航高校中，航空宇航學科專業課與科研相結合的教學與科研人才培養模式已經開始。而反觀國內，類似的教育實踐并未取得較大進展，并且讓人擔憂的現狀是：由于教育模式與“學習激情”的缺乏，航空宇航學科本科生在學習過程中往往會走不少彎路[17]。因此，結合我國教育實情和國外的先進經驗，將“科-教”深度融合培養模式運用到航空宇航專業本科教學當中，是加強航空宇航學科本科生人才培養的可行途徑。調研近年相關課題，少有專家、學者對航空宇航專業本科教學以“科- 教”深度融合互促的方式進行改革而提出有效且合理的方案，而巨大的人才缺口使得改革的推進刻不容緩[18]。

三 “4C”深度融合互促教學模式設計

針對新時代我國航空宇航學科本科生科研人才的培養需求，采用“培養計劃與課題需求的結合、傳統課堂講學與先進VR 技術應用的結合、課程校內考核與校外實踐的結合、畢業設計與科研項目的結合”的深度4 結合（Combination）模式按照“培養方案改革→教學模式改革→考核方式改革”自上至下的三個層面進行研究。

圖 1 “4C”深度融合互促教學模式

（一） 培養方案改革

航空宇航學科本科生現有培養方案大致模式為大一大二進行基礎課學習，大三大四進行專業課學習，然而在進行專業課學習的過程中由于課時受限、理論抽象、實驗課時少等原因使得學生對于專業課的知識并不能熟練掌握。因此為加強學生對專業知識的理解，應采取理論實踐結合的教學方式，大三期間增加專業實驗課課時，增強學生動手實踐能力。大四期間將學生分流到不同的實驗室，進行科研項目研究以達到科研與教學相結合的目的。

（二） 教學模式改革

1.優化教學方案：在課堂教學內容上，增設專業導論，讓學生對所學背景及內容進行了解。改善傳統課堂上照本宣科的教學模式，在課程當中將基礎理論知識系統地進行模塊化拆分，將各模塊所對應的科研實際問題引入課堂，借助科研實際問題將知識點有機地重新整合、串聯，使其具體化、實際化。學生在老師的指導下解決各模塊所對應的科研問題，并將各模塊的實際科研問題分解為多個階段性關鍵問題，對其進行總結、提煉，開展相應的科研案例綜合分析，加深本科生對基礎知識的理解。

2.優化教學方式：通過引入先進教學手段（如VR 設備、虛擬仿真實驗設備、遠程教學實驗設備等），實現學生與實驗室連接，利用半實物、三維虛擬現實可視化仿真等技術，把專業理論知識具體化、形象化、應用化地向學生傳授，將科研實踐成果反哺于專業理論教學；借助各種仿真教學手段不僅為學生提供一個可以驗證創新想法的平臺，也有助于將抽象的專業知識形象化并且降低實驗成本，優化實驗條件，增強學生的學習興趣及對專業知識的掌握程度。

（三） 考核方式改革

課程考核方式改革：在課程考核方式上采用筆試與科研實踐雙考核方式進行。期末筆試成績以閉卷考試形式對學生知識掌握情況進行考察，其中主要為主觀分析題，突出學生對實際問題的分析和解決方案的考核。科研實踐成績將組織本專業和科研院所相關專家評審給出，主要考察學生對所完成的課題是否滿足目標明確、研究思路正確清晰、論證充分、內容詳實、重點突出、難點明確、結果正確等要素。

2）本科階段考核方式改革：待專業課程學習結束后，合理選取、設計畢業論文題目，使之與實習單位的實際項目相匹配，合理安排、利用實習周期以實現完成科研項目的同時完成畢業設計。該過程也將按關鍵問題分解為多個階段節點，教師階段性地對實習項目進行檢查，總結關鍵問題并進行探討與解決。根據每個階段的內容，完成對應的實習項目，最終通過整個科研/畢業實習的完成情況對本科階段學習成效進行檢驗。

四 結語

本文創新地提出了航空宇航學科本科生科教“4C”深度融合互促的課程教學模式，其中在教學方案上將系統知識模塊化拆解并與實際科研項目契合匹配，有助于培養本科生的科研邏輯思維、獨立思考能力以及解決實際問題能力，更有效縮短科研人才的培養周期，降低了人才培養成本。并在以下兩個方面進行了深化改革。

1.優化了課程教學的手段：在專業課程教學中獨特地利用先進教學手段，將課堂與實驗室相連接，使抽象、難以表達的理論知識更具體化、更富趣味性。在教學上的創新更有助于學生直觀理解知識點，充分了解與認識理論知識的基本原理，能夠為后續科研實踐打下堅實基礎。

2.豐富了考核評價的維度：在本科階段考核方式上創新地將畢業設計與本科實習相互結合，圍繞具體科研項目，充分利用實習周期與科研條件，使畢業設計的理論研究依托于本科實習的科研問題，相互融合相互促進。有利于本科生切身實際地接觸科研，加快航空航天人才的培養進程，更快更好地適應航天強國時代需求。

該教學模式具有廣泛的應用前景，增強了教學的執行效率與學生對專業知識的理解程度，為我國理論實踐結合、創新開拓性航天人才培養提供有力保障，并為我國的航天強國目標的實現打下堅實的人才基礎。