本科生“科研課堂”課程初創(chuàng)與實踐

杜鋒 吳江浩

摘要 為推進科教融通，北京航空航天大學針對本科生的“科研課堂”應運而生，其核心任務是通過課程講解和課題實踐的模式引導本科生了解、參與前沿科學研究。作者結合本科生的專業(yè)知識儲備和課題研究的基本方法，系統(tǒng)討論了“科研課堂”建設思路和方案，設計了包含“理論課程+實驗探索+進展匯報”的課程模塊。在教學實踐中，提出了針對性設置理論教學與實驗探索的四個基本原則，以提升教學效果，增強學生科研能力和科學素養(yǎng)。

關鍵詞 微課題；科研課堂；課程建設；科研能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.003

卓越工程師教育培養(yǎng)是高等教育高質量發(fā)展的重點，各大高校對此進行了深入探索并取得顯著成效[1-3]。北京航空航天大學（以下簡稱“北航”）自2021年提出的“科研導師、實驗室開放日、微課題”三位一體的“科研課堂”計劃是這一方面的重大舉措，該計劃通過開設本科生課程的模式推動全校本科生開展微課題研究[4]。北航作為首批試點學院之一，積極動員全院系教師參與該課程的籌備和開設。筆者積極響應“科研課堂”計劃，從首批試點開始，參與了本課程的籌備和建設。“科研課堂”課程籌備和建設面臨諸多挑戰(zhàn)，比如微課題的選擇，課程教學內容的設置，各教學內容的銜接與過渡等。考慮到微課題的差異性，“科研課堂”難以有通用的教學大綱，如何合理和高效地設置課程內容是籌備和開設該課程的基礎。

為應對創(chuàng)建該課程面臨的挑戰(zhàn)，提升該課程授課的能力和效果，筆者首先論述了微課題選擇的基本要點，并結合自身和所在團隊的研究課題，論述了以仿生微型撲翼飛行器撲翼結構優(yōu)化作為微課題研究內容的合理性；然后，結合本科生授課特點和該微課題研究的基本特點，對課程的授課內容進行了模塊化設計；最后，文章從四方面論述了教學實踐過程中面臨的挑戰(zhàn)和應對策略。以下將從微課題選擇、課程模塊設置和授課實踐三方面來闡述“科研課堂”的建設和實踐，最后總結該課程建設取得的初步成效。

1微課題選擇

北航發(fā)布的《新時代人才培養(yǎng)白皮書》對“科研課堂”的微課題選題給予了足夠大的靈活性，然而結合本科生的專業(yè)背景特點、不同研究領域和研究方向的差異，實際上選擇合適的微課題研究方向仍然具有一定難度和挑戰(zhàn)。針對作者所在的飛行器適航系而言，在微課題的選擇方面，需要重點考慮三個方面。首先，微課題的選擇不宜過于抽象和偏理論化；其次，微課題的選擇需要兼顧前沿性和可操作性；最后，微課題的選擇需要兼顧不同基礎學生的需求。

基于以上考慮，作者選擇了“仿生微型撲翼飛行器撲翼結構優(yōu)化”作為微課題研究內容。首先，仿生微型撲翼飛行器這個研究對象非常具體，對飛行器適航系的本科生而言，具備從事該課題研究的相關基礎知識和理論。其次，仿生微型撲翼飛行器作為目前的研究前沿和熱點，受到國內外科學家和工程師的廣泛關注。針對仿生微型撲翼飛行器而言，可以在研究中通過理論、實驗和仿真的方法來揭示其飛行機理和實現其飛行目的。因此，以實驗研究方案為主導，依托作者所在課題組，學生可以很快地進入課題研究狀態(tài)。最后，該課題易于兼顧不同基礎學生的需求，針對基礎較好或動手能力較強的學生，可以著眼于結合實驗及理論來對飛行器的撲翼結構優(yōu)化展開系統(tǒng)研究，對于基礎較為薄弱的學生，則可以通過實驗探索的方法來嘗試對撲翼結構的布局進行優(yōu)化。綜上所述，選擇“仿生微型撲翼飛行器撲翼結構優(yōu)化”作為微課題研究內容可較好地滿足本課程的基本需求。

2課程模塊設置

課程模塊或教學大綱是開展課程教學的基礎[5]，然而考慮到微課題的特殊性和差異性，目前并沒有統(tǒng)一的教學大綱可供參考或借鑒。在課程模塊的設置方面，需要考慮的因素不僅有本課題的具體研究內容，而且需要結合本科生的知識儲備增補有關知識模塊。鑒于此，作者根據“仿生微型撲翼飛行器撲翼結構優(yōu)化”的研究特點、科學研究的基本方法及本科生的專業(yè)背景知識設置了課程模塊。本課程具體分為三大模塊，分別是理論教學模塊、實驗探索模塊和課題研討模塊。

在理論教學模塊部分，通過教師講授為主、學生參與為輔的模式，開展涉及本課題研究的基礎理論知識、前沿研究熱點和重難點的講解和探討，同時開展課題研究的一般方法介紹和講解。該模塊的核心是給學生回顧和講解從事該課題研究需要用到的基礎理論知識，以便學生能快速聚焦本課題研究的核心和難點。除此之外，結合作者的課題研究和本領域的研究前沿，給學生講解本課題研究的核心任務和面臨的重難點，讓學生盡快把握該課題研究的現狀和可能的突破點，從而進行相應的實驗研究。該模塊一方面為本課題研究提供堅實的理論基礎，另一方面激發(fā)學生對前沿課題研究的興趣和熱情。

在實驗探索模塊部分，通過學生開展實驗探索為主、教師指導為輔的模式，開展本課程實驗探索部分的教學與實踐工作。該模塊的核心在于，在教師的指導下，學生系統(tǒng)有序地開展本課題的實驗研究。具體包括對從事該課題研究的基礎實驗的講解與實施，本課題實驗研究的主要思路與實驗研究方案研討，實驗進展與總結。該模塊是本課程的核心，是學生通過該課程體驗科學研究的核心部分。

在課題研討模塊部分，通過學生匯報課題進展、教師參與研討的模式，開展對課題研究階段性的研討與進展總結，引導學生逐步深入本課題的研究。具體包括對本課題前沿研究論文的總結與匯報，實驗研究進展匯報與總結，以及最后的課程總結與研究成果匯總。該模塊是把控課題研究方向與糾正實驗方案設計的重要環(huán)節(jié)，是本課題研究能夠取得突破的重要保障。

3課程教學實踐

立足于本課程的教學模塊，在具體實施過程中，筆者主要貫穿了四點基本原則，具體如下。

第一，在授課內容的選取方面遵循靈活調整深度與廣度的原則。在實踐過程中，首先通過問卷調查的形式了解學生對科學研究的基本認識和對本課程的基本訴求，然后結合學生對基礎知識掌握的好壞程度，擬定本課程理論講授內容與實驗探索的難度與廣度，并以此微調和優(yōu)化各個模塊的授課內容，以期達到滿足絕大部分學生期待的最佳狀態(tài)。一方面，基礎較好的學生對科研能力提升的需求較為明顯，針對這類學生，可以適當增加理論課程的廣度與難度，在實驗目的和要求方面，可以適當提高標準和要求，甚至可以嘗試按照對研究生的同等要求來指導這類學生的課題探索工作。通過這樣的模式，不僅讓學生真正理解什么是做科研，而且能通過該課題探索真正有成果產出，進一步激勵學生的科研熱情和動力。另一方面，基礎較為薄弱的學生對科學研究的認識比較局限，對于自身的職業(yè)規(guī)劃并不明確，針對這類學生，需要及時調整理論課程的難度和適當降低對實驗探索的目的和要求，避免進一步削弱學生的積極性。

第二，在授課內容的安排方面遵循螺旋推進教學模塊的原則。如上所述，本課程分為三大課程模塊，分別是理論教學、實驗探索和課程研討。在具體實施過程中，需要靈活調節(jié)各模塊授課時間和內容安排，有機銜接各個部分，一方面保證各個模塊銜接的邏輯性，另一方面避免各個模塊的碎片化。在具體實施過程中，首先采用1學時介紹如何做科研，然后利用1學時講解本課題研究的主要內容、研究進展、涉及的基本學科知識與理論模型等，提煉本課題研究的核心目標和任務。隨后采用適當的學時講解本課題研究需要的基礎理論知識，并介紹和講解相關實驗研究的設計原則和實施方案。在此基礎上，學生作為課程的主體，在實驗室開展相應的實驗探索研究。待階段性實驗探索完成后，通過課題研討的形式，學生總結和匯報實驗探索的進展和成果，教師參與研討，并指導和設計下一步的實驗研究方案。同時根據實驗研究的推進程度，教師進一步講授有關理論知識，以此來幫助學生理解和分析實驗現象和結果。通過這樣螺旋推進的方式，靈活安排各部分課程模塊的銜接，完成所有授課內容。

第三，在課程實施過程中遵循強化科研素養(yǎng)與能力的原則。本課程區(qū)別于其他本科課程的根本在于本課程側重于培養(yǎng)學生的科研素養(yǎng)和能力[6-7]，因此需要弱化本課程對知識講解系統(tǒng)性的要求。針對此問題，首先，在課程模塊的設置上，加入適當的課程量來講解科學研究的基本原理和一般方法，打消學生對科學研究的神秘感。其次，本科生基本沒有科學研討的經歷，缺少科學研究的系統(tǒng)性思維。針對此問題，在授課過程中，多側重于講解具體物理現象的發(fā)現過程及其蘊含的基本原理，避免過于繁雜的數學推導。最后，在實驗探索方面，采取學生自主設計實驗方案，教師參與探討的方式，逐步提升學生基本科研能力。

第四，在課程實施過程中遵循持續(xù)優(yōu)化教學模式的原則。在理論授課方面，除了對必要理論知識的回顧與講解外，在課程中引入多個環(huán)節(jié)來優(yōu)化教學模式。主要包括基礎理論與具體物理現象的銜接，成熟理論模型與最新研究進展的銜接，比如以某個具體問題為案例，開展文獻檢索、閱讀與探索，跟蹤其研究現狀與熱點；在每次課程結束之際，留下難易程度不一的開放性題目，便于不同基礎的學生進一步理解和掌握課程內容。在實驗探索方面，一方面，優(yōu)化教師講解與學生自主探索的有機銜接，彈性安排課程進度。針對基礎較好或動手能力較強的學生，適當縮短教師講解課時，增加學生自主設計實驗的課時安排；針對基礎較薄弱的學生，可以適當放緩實驗進度安排，讓學生能夠充分理解基礎實驗的原理，然后再展開相應的自主實驗探索。另一方面，有意識強化對學生個體與團隊協(xié)作能力的訓練，對于基礎實驗，要求每位學生獨立自主完成，以實現對學生基礎實驗能力的訓練和提升；對于難度較大、系統(tǒng)性較強的實驗，則將多個學生轉變?yōu)檠芯繄F隊，采用協(xié)調設計實驗方案和分工與協(xié)作的模式，共同推進實驗。在課程研討方面，強化學生課題匯報的能力和思辨能力，通過合理引導的方式讓學生理解其實驗設計的優(yōu)劣勢，引導學生優(yōu)化實驗方案和思路，逐步完善課題研究。

4結語

經過這一年多的課程實踐，結合課程完結后對選課學生的后續(xù)追蹤和了解發(fā)現，目前本課程的建設和實踐已獲得初步成效。首先，通過本課程的學習，學生能切身體會到從事科學研究的基本方法與實施過程，并以此為基礎判斷自己是否合適攻讀研究生，而不再盲目地追求考研或逃避科學研究，對個人的職業(yè)規(guī)劃更加清晰。其次，該課程激發(fā)了學生的科研興趣和熱情，通過該課程的學習和訓練，有相當部分學生選擇了與該課題相關的方向作為其后續(xù)研究生階段的研究方向。最后，通過該課程的探索，一些具有建設性的實驗成果逐漸凸顯，包括低噪聲翼的結構布局形式，氣動效率更加優(yōu)異的翼結構等，待相關研究成果進一步完善后，有望發(fā)表于專業(yè)期刊，真正推動該課題的科學研究進展。

參考文獻

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