航空宇航學(xué)科本科生“4C”深度融合互促教學(xué)模式研究

韋常柱，張峪浩，葉泳鋒，浦甲倫，關(guān)英姿

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱）

一 航空宇航專業(yè)課程教學(xué)現(xiàn)狀

航空宇航科學(xué)和航空航天工業(yè)發(fā)展的程度體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力，直接反映一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)、國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的水平。面對(duì)航空宇航科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展、現(xiàn)代軍備技術(shù)快速提升的趨勢(shì)，培養(yǎng)一批能夠在關(guān)鍵領(lǐng)域、核心技術(shù)方面進(jìn)行自主創(chuàng)新的航空宇航專業(yè)科研創(chuàng)新型人才已成為推動(dòng)我國(guó)航空宇航事業(yè)發(fā)展和建設(shè)世界一流軍隊(duì)的關(guān)鍵，也是新時(shí)代建設(shè)世界一流大學(xué)和世界一流航空宇航學(xué)科的歷史責(zé)任。我國(guó)通過(guò)對(duì)現(xiàn)有高校擴(kuò)招和更多高校新設(shè)航空宇航專業(yè)培養(yǎng)人才的方式，支撐了航空宇航工業(yè)的迅猛發(fā)展需求，其中本科生作為該領(lǐng)域的生力軍，是未來(lái)的建設(shè)者和接班人，對(duì)其科研能力的培養(yǎng)和深層挖掘具有重要的意義[1-2]。

我校自建校以來(lái)，一直秉承“規(guī)格嚴(yán)格、功夫到家”的辦學(xué)理念，培養(yǎng)了新時(shí)代里一大批杰出的科研人才。在跨越百年的新時(shí)代中，我校的教師團(tuán)隊(duì)更是對(duì)過(guò)去努力傳承，對(duì)未來(lái)不斷開拓，對(duì)過(guò)往的教學(xué)方式、培養(yǎng)模式等各方面進(jìn)行了深刻的整理和歸納。在總結(jié)了多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)、嚴(yán)謹(jǐn)分析與充分討論后，發(fā)現(xiàn)我校目前的航空宇航專業(yè)本科生培養(yǎng)方式暴露出來(lái)較多不足，其中較為突出的一點(diǎn)是：由于航空宇航是一個(gè)面向理論與工程實(shí)際需求相結(jié)合的綜合學(xué)科，但是在傳統(tǒng)的教學(xué)方式對(duì)知識(shí)的灌輸下，學(xué)生在課程的學(xué)習(xí)過(guò)程中難以深刻理解部分較為抽象的專業(yè)知識(shí)；同時(shí)在傳統(tǒng)的培養(yǎng)模式對(duì)人才的塑造下，學(xué)生更難以體會(huì)其在航空宇航領(lǐng)域中的工程實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用方法，無(wú)法快速地、直接地應(yīng)用專業(yè)知識(shí)解決實(shí)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(yǎng)，延長(zhǎng)了科研人才的培養(yǎng)周期、增加了培養(yǎng)成本，而又不可避免地使得部分本科生磨滅了對(duì)學(xué)科的興趣、熱情及向往，反而造成了人才培養(yǎng)的缺口。

人才培養(yǎng)是大學(xué)的本質(zhì)職能，本科教育是大學(xué)的根和本，世界一流大學(xué)無(wú)不是將本科教育放在發(fā)展的重要戰(zhàn)略地位，將培養(yǎng)一流本科生作為堅(jiān)定目標(biāo)。因此，為深入貫徹全國(guó)教育大會(huì)精神，同時(shí)銘記習(xí)近平總書記在我校建校100 周年寄予的賀信精神，應(yīng)奮然承擔(dān)起在新起點(diǎn)的使命與擔(dān)當(dāng)，而其中，對(duì)航空宇航學(xué)科專業(yè)進(jìn)行創(chuàng)新性的、適應(yīng)時(shí)代需求的教學(xué)模式改革成為了難以回避的關(guān)鍵一步。

二 國(guó)內(nèi)外教學(xué)現(xiàn)狀

在世界著名航空航天類高校的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面，美國(guó)麻省理工學(xué)院主要通過(guò)開設(shè)跨學(xué)科課程、建設(shè)學(xué)術(shù)共同體、實(shí)施跨學(xué)科研究計(jì)劃進(jìn)行本科生培養(yǎng)[3]，同時(shí)為了更好地促進(jìn)本科生就業(yè)，設(shè)立了全球教育與職業(yè)發(fā)展（GECD）部門，幫助本科生進(jìn)行研究意向選擇，實(shí)踐能力培養(yǎng)和就業(yè)規(guī)劃[4]；加州理工大學(xué)在“Learn by Doing”的理念指導(dǎo)下，廣泛開展體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的課程教學(xué)研究，以學(xué)生為主體，注重小規(guī)模師生緊密合作，并設(shè)立了由學(xué)生、導(dǎo)師和項(xiàng)目支撐組成的學(xué)生創(chuàng)新靈感實(shí)驗(yàn)室，以實(shí)現(xiàn)快速的“產(chǎn)學(xué)研用”[5-7]；佐治亞理工學(xué)院強(qiáng)調(diào)實(shí)踐教學(xué)的重要性，設(shè)置了專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課、畢業(yè)設(shè)計(jì)、本科生科研項(xiàng)目以及其他技能培訓(xùn)項(xiàng)目等在內(nèi)的諸多項(xiàng)目導(dǎo)向式課程[8]；里海大學(xué)和伍斯特工學(xué)院等美國(guó)其他著名創(chuàng)新型大學(xué)也在人才培養(yǎng)時(shí)，將科學(xué)方法和科學(xué)知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用擺在第一位[9]，并且美國(guó)高等教育改革使得教學(xué)的有效性得到越來(lái)越著重的關(guān)注[10]；除此之外，如代爾夫特理工大學(xué)等歐洲著名大學(xué)也十分強(qiáng)調(diào)通過(guò)項(xiàng)目式跨學(xué)科合作進(jìn)行創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[11]。

在上述眾多具有鮮明教育特色的著名高校中，美國(guó)研究型大學(xué)以其本科生科研項(xiàng)目種類繁多，特色明顯，培養(yǎng)效果顯著聞名世界。根據(jù)其教學(xué)模式的不同特點(diǎn)，可主要?jiǎng)澐譃槿N類型：科學(xué)職業(yè)發(fā)展模式、科研學(xué)徒模式和基于科研的課程學(xué)習(xí)模式[12-13]。

科學(xué)職業(yè)發(fā)展模式是為了有效保持和増加學(xué)生在科學(xué)領(lǐng)域獲取更高學(xué)位和從事科學(xué)研究的機(jī)會(huì)而設(shè)計(jì)的，SaS 計(jì)劃是其中的代表性成果。1989 年，賴斯大學(xué)率先開展SaS 計(jì)劃，其初衷是為了增加少數(shù)族裔和女性在科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程和技術(shù)領(lǐng)域的人數(shù)。該計(jì)劃吸引了大量來(lái)自外校的本科生和本校的研究生。通過(guò)不斷發(fā)展，科學(xué)職業(yè)發(fā)展模式被美國(guó)越來(lái)越多的大學(xué)所效仿，該模式成為讓本科生在本校研究生院繼續(xù)學(xué)習(xí)的有效途徑[14]。

科研學(xué)徒模式是主要招募三 四年級(jí)學(xué)生，讓本科生以科研學(xué)徒的身份參與到教師為主的研究小組中，教師則對(duì)其進(jìn)行一對(duì)一的指導(dǎo)或由科研小組統(tǒng)一指導(dǎo)。麻省理工學(xué)院的航空宇航專業(yè)是同領(lǐng)域中最有名的專業(yè)之一，其主要目標(biāo)是把科研納入本科生教育計(jì)劃，在研究中激發(fā)他們對(duì)科學(xué)的興趣，了解科學(xué)的本質(zhì)，掌握科學(xué)知識(shí)及科學(xué)研究的步驟和方法，提高科學(xué)論證的能力，培養(yǎng)研究技能，主動(dòng)直接地了解科學(xué)家的研究工作；正是采用了科研學(xué)徒的培養(yǎng)模式，顯著提高了本科生自身學(xué)習(xí)經(jīng)歷的滿意度。該培養(yǎng)模式極大幅度提高了學(xué)生的科研興趣和創(chuàng)新能力，加強(qiáng)了理論與實(shí)踐的聯(lián)系，提高了學(xué)生的科研實(shí)踐能力[15]。

基于科研的課程學(xué)習(xí)模式，最早由布朗大學(xué)發(fā)起，將本科生科研納入布朗大學(xué)的課程計(jì)劃，讓本科生通過(guò)選修課程的方式參與研究。包括以下五種課程形式可供學(xué)生選擇：教授如何進(jìn)行科研的課程、在老師的指導(dǎo)下申請(qǐng)自主設(shè)計(jì)課程、校外實(shí)踐課程、團(tuán)體獨(dú)立研究計(jì)劃以及將科研與原有課程相結(jié)合的基礎(chǔ)課程。其中在原有課程基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整和拓展來(lái)開展研究是基于科研的課程學(xué)習(xí)模式的一大特色，主要是讓學(xué)生從事科學(xué)研究，并讓科研工作成為正規(guī)課程的一部分。該模式能夠使學(xué)生在研究之前具有深厚扎實(shí)和結(jié)構(gòu)合理的知識(shí)基礎(chǔ)以及掌握必要的研究方法，有利于增強(qiáng)學(xué)生的自信心，并盡早開始獨(dú)立研究[16]。

不難看出，在國(guó)外許多世界一流航空宇航高校中，航空宇航學(xué)科專業(yè)課與科研相結(jié)合的教學(xué)與科研人才培養(yǎng)模式已經(jīng)開始。而反觀國(guó)內(nèi)，類似的教育實(shí)踐并未取得較大進(jìn)展，并且讓人擔(dān)憂的現(xiàn)狀是：由于教育模式與“學(xué)習(xí)激情”的缺乏，航空宇航學(xué)科本科生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往會(huì)走不少?gòu)澛穂17]。因此，結(jié)合我國(guó)教育實(shí)情和國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，將“科-教”深度融合培養(yǎng)模式運(yùn)用到航空宇航專業(yè)本科教學(xué)當(dāng)中，是加強(qiáng)航空宇航學(xué)科本科生人才培養(yǎng)的可行途徑。調(diào)研近年相關(guān)課題，少有專家、學(xué)者對(duì)航空宇航專業(yè)本科教學(xué)以“科- 教”深度融合互促的方式進(jìn)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(jìn)刻不容緩[18]。

三 “4C”深度融合互促教學(xué)模式設(shè)計(jì)

針對(duì)新時(shí)代我國(guó)航空宇航學(xué)科本科生科研人才的培養(yǎng)需求，采用“培養(yǎng)計(jì)劃與課題需求的結(jié)合、傳統(tǒng)課堂講學(xué)與先進(jìn)VR 技術(shù)應(yīng)用的結(jié)合、課程校內(nèi)考核與校外實(shí)踐的結(jié)合、畢業(yè)設(shè)計(jì)與科研項(xiàng)目的結(jié)合”的深度4 結(jié)合（Combination）模式按照“培養(yǎng)方案改革→教學(xué)模式改革→考核方式改革”自上至下的三個(gè)層面進(jìn)行研究。

圖 1 “4C”深度融合互促教學(xué)模式

（一） 培養(yǎng)方案改革

航空宇航學(xué)科本科生現(xiàn)有培養(yǎng)方案大致模式為大一大二進(jìn)行基礎(chǔ)課學(xué)習(xí)，大三大四進(jìn)行專業(yè)課學(xué)習(xí)，然而在進(jìn)行專業(yè)課學(xué)習(xí)的過(guò)程中由于課時(shí)受限、理論抽象、實(shí)驗(yàn)課時(shí)少等原因使得學(xué)生對(duì)于專業(yè)課的知識(shí)并不能熟練掌握。因此為加強(qiáng)學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，應(yīng)采取理論實(shí)踐結(jié)合的教學(xué)方式，大三期間增加專業(yè)實(shí)驗(yàn)課課時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。大四期間將學(xué)生分流到不同的實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行科研項(xiàng)目研究以達(dá)到科研與教學(xué)相結(jié)合的目的。

（二） 教學(xué)模式改革

1.優(yōu)化教學(xué)方案：在課堂教學(xué)內(nèi)容上，增設(shè)專業(yè)導(dǎo)論，讓學(xué)生對(duì)所學(xué)背景及內(nèi)容進(jìn)行了解。改善傳統(tǒng)課堂上照本宣科的教學(xué)模式，在課程當(dāng)中將基礎(chǔ)理論知識(shí)系統(tǒng)地進(jìn)行模塊化拆分，將各模塊所對(duì)應(yīng)的科研實(shí)際問題引入課堂，借助科研實(shí)際問題將知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地重新整合、串聯(lián)，使其具體化、實(shí)際化。學(xué)生在老師的指導(dǎo)下解決各模塊所對(duì)應(yīng)的科研問題，并將各模塊的實(shí)際科研問題分解為多個(gè)階段性關(guān)鍵問題，對(duì)其進(jìn)行總結(jié)、提煉，開展相應(yīng)的科研案例綜合分析，加深本科生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解。

2.優(yōu)化教學(xué)方式：通過(guò)引入先進(jìn)教學(xué)手段（如VR 設(shè)備、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)備、遠(yuǎn)程教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備等），實(shí)現(xiàn)學(xué)生與實(shí)驗(yàn)室連接，利用半實(shí)物、三維虛擬現(xiàn)實(shí)可視化仿真等技術(shù)，把專業(yè)理論知識(shí)具體化、形象化、應(yīng)用化地向?qū)W生傳授，將科研實(shí)踐成果反哺于專業(yè)理論教學(xué)；借助各種仿真教學(xué)手段不僅為學(xué)生提供一個(gè)可以驗(yàn)證創(chuàng)新想法的平臺(tái)，也有助于將抽象的專業(yè)知識(shí)形象化并且降低實(shí)驗(yàn)成本，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及對(duì)專業(yè)知識(shí)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(shí)踐雙考核方式進(jìn)行。期末筆試成績(jī)以閉卷考試形式對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握情況進(jìn)行考察，其中主要為主觀分析題，突出學(xué)生對(duì)實(shí)際問題的分析和解決方案的考核?？蒲袑?shí)踐成績(jī)將組織本專業(yè)和科研院所相關(guān)專家評(píng)審給出，主要考察學(xué)生對(duì)所完成的課題是否滿足目標(biāo)明確、研究思路正確清晰、論證充分、內(nèi)容詳實(shí)、重點(diǎn)突出、難點(diǎn)明確、結(jié)果正確等要素。

2）本科階段考核方式改革：待專業(yè)課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，合理選取、設(shè)計(jì)畢業(yè)論文題目，使之與實(shí)習(xí)單位的實(shí)際項(xiàng)目相匹配，合理安排、利用實(shí)習(xí)周期以實(shí)現(xiàn)完成科研項(xiàng)目的同時(shí)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。該過(guò)程也將按關(guān)鍵問題分解為多個(gè)階段節(jié)點(diǎn)，教師階段性地對(duì)實(shí)習(xí)項(xiàng)目進(jìn)行檢查，總結(jié)關(guān)鍵問題并進(jìn)行探討與解決。根據(jù)每個(gè)階段的內(nèi)容，完成對(duì)應(yīng)的實(shí)習(xí)項(xiàng)目，最終通過(guò)整個(gè)科研/畢業(yè)實(shí)習(xí)的完成情況對(duì)本科階段學(xué)習(xí)成效進(jìn)行檢驗(yàn)。

四 結(jié)語(yǔ)

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

1.優(yōu)化了課程教學(xué)的手段：在專業(yè)課程教學(xué)中獨(dú)特地利用先進(jìn)教學(xué)手段，將課堂與實(shí)驗(yàn)室相連接，使抽象、難以表達(dá)的理論知識(shí)更具體化、更富趣味性。在教學(xué)上的創(chuàng)新更有助于學(xué)生直觀理解知識(shí)點(diǎn)，充分了解與認(rèn)識(shí)理論知識(shí)的基本原理，能夠?yàn)楹罄m(xù)科研實(shí)踐打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.豐富了考核評(píng)價(jià)的維度：在本科階段考核方式上創(chuàng)新地將畢業(yè)設(shè)計(jì)與本科實(shí)習(xí)相互結(jié)合，圍繞具體科研項(xiàng)目，充分利用實(shí)習(xí)周期與科研條件，使畢業(yè)設(shè)計(jì)的理論研究依托于本科實(shí)習(xí)的科研問題，相互融合相互促進(jìn)。有利于本科生切身實(shí)際地接觸科研，加快航空航天人才的培養(yǎng)進(jìn)程，更快更好地適應(yīng)航天強(qiáng)國(guó)時(shí)代需求。

該教學(xué)模式具有廣泛的應(yīng)用前景，增強(qiáng)了教學(xué)的執(zhí)行效率與學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解程度，為我國(guó)理論實(shí)踐結(jié)合、創(chuàng)新開拓性航天人才培養(yǎng)提供有力保障，并為我國(guó)的航天強(qiáng)國(guó)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)打下堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)。