本科生“科研課堂”課程初創(chuàng)與實(shí)踐

杜鋒 吳江浩

摘要 為推進(jìn)科教融通，北京航空航天大學(xué)針對(duì)本科生的“科研課堂”應(yīng)運(yùn)而生，其核心任務(wù)是通過(guò)課程講解和課題實(shí)踐的模式引導(dǎo)本科生了解、參與前沿科學(xué)研究。作者結(jié)合本科生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和課題研究的基本方法，系統(tǒng)討論了“科研課堂”建設(shè)思路和方案，設(shè)計(jì)了包含“理論課程+實(shí)驗(yàn)探索+進(jìn)展匯報(bào)”的課程模塊。在教學(xué)實(shí)踐中，提出了針對(duì)性設(shè)置理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)探索的四個(gè)基本原則，以提升教學(xué)效果，增強(qiáng)學(xué)生科研能力和科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 微課題；科研課堂；課程建設(shè)；科研能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(zhì)量發(fā)展的重點(diǎn)，各大高校對(duì)此進(jìn)行了深入探索并取得顯著成效[1-3]。北京航空航天大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北航”）自2021年提出的“科研導(dǎo)師、實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放日、微課題”三位一體的“科研課堂”計(jì)劃是這一方面的重大舉措，該計(jì)劃通過(guò)開(kāi)設(shè)本科生課程的模式推動(dòng)全校本科生開(kāi)展微課題研究[4]。北航作為首批試點(diǎn)學(xué)院之一，積極動(dòng)員全院系教師參與該課程的籌備和開(kāi)設(shè)。筆者積極響應(yīng)“科研課堂”計(jì)劃，從首批試點(diǎn)開(kāi)始，參與了本課程的籌備和建設(shè)。“科研課堂”課程籌備和建設(shè)面臨諸多挑戰(zhàn)，比如微課題的選擇，課程教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置，各教學(xué)內(nèi)容的銜接與過(guò)渡等。考慮到微課題的差異性，“科研課堂”難以有通用的教學(xué)大綱，如何合理和高效地設(shè)置課程內(nèi)容是籌備和開(kāi)設(shè)該課程的基礎(chǔ)。

為應(yīng)對(duì)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(diǎn)，并結(jié)合自身和所在團(tuán)隊(duì)的研究課題，論述了以仿生微型撲翼飛行器撲翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化作為微課題研究?jī)?nèi)容的合理性；然后，結(jié)合本科生授課特點(diǎn)和該微課題研究的基本特點(diǎn)，對(duì)課程的授課內(nèi)容進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)；最后，文章從四方面論述了教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)策略。以下將從微課題選擇、課程模塊設(shè)置和授課實(shí)踐三方面來(lái)闡述“科研課堂”的建設(shè)和實(shí)踐，最后總結(jié)該課程建設(shè)取得的初步成效。

1微課題選擇

北航發(fā)布的《新時(shí)代人才培養(yǎng)白皮書(shū)》對(duì)“科研課堂”的微課題選題給予了足夠大的靈活性，然而結(jié)合本科生的專(zhuān)業(yè)背景特點(diǎn)、不同研究領(lǐng)域和研究方向的差異，實(shí)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(duì)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(diǎn)考慮三個(gè)方面。首先，微課題的選擇不宜過(guò)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(chǔ)學(xué)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(jié)構(gòu)優(yōu)化”作為微課題研究?jī)?nèi)容。首先，仿生微型撲翼飛行器這個(gè)研究對(duì)象非常具體，對(duì)飛行器適航系的本科生而言，具備從事該課題研究的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)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(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外科學(xué)家和工程師的廣泛關(guān)注。針對(duì)仿生微型撲翼飛行器而言，可以在研究中通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)和仿真的方法來(lái)揭示其飛行機(jī)理和實(shí)現(xiàn)其飛行目的。因此，以實(shí)驗(yàn)研究方案為主導(dǎo)，依托作者所在課題組，學(xué)生可以很快地進(jìn)入課題研究狀態(tài)。最后，該課題易于兼顧不同基礎(chǔ)學(xué)生的需求，針對(duì)基礎(chǔ)較好或動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生，可以著眼于結(jié)合實(shí)驗(yàn)及理論來(lái)對(duì)飛行器的撲翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開(kāi)系統(tǒng)研究，對(duì)于基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生，則可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索的方法來(lái)嘗試對(duì)撲翼結(jié)構(gòu)的布局進(jìn)行優(yōu)化。綜上所述，選擇“仿生微型撲翼飛行器撲翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化”作為微課題研究?jī)?nèi)容可較好地滿(mǎn)足本課程的基本需求。

2課程模塊設(shè)置

課程模塊或教學(xué)大綱是開(kāi)展課程教學(xué)的基礎(chǔ)[5]，然而考慮到微課題的特殊性和差異性，目前并沒(méi)有統(tǒng)一的教學(xué)大綱可供參考或借鑒。在課程模塊的設(shè)置方面，需要考慮的因素不僅有本課題的具體研究?jī)?nèi)容，而且需要結(jié)合本科生的知識(shí)儲(chǔ)備增補(bǔ)有關(guān)知識(shí)模塊。鑒于此，作者根據(jù)“仿生微型撲翼飛行器撲翼結(jié)構(gòu)優(yōu)化”的研究特點(diǎn)、科學(xué)研究的基本方法及本科生的專(zhuān)業(yè)背景知識(shí)設(shè)置了課程模塊。本課程具體分為三大模塊，分別是理論教學(xué)模塊、實(shí)驗(yàn)探索模塊和課題研討模塊。

在理論教學(xué)模塊部分，通過(guò)教師講授為主、學(xué)生參與為輔的模式，開(kāi)展涉及本課題研究的基礎(chǔ)理論知識(shí)、前沿研究熱點(diǎn)和重難點(diǎn)的講解和探討，同時(shí)開(kāi)展課題研究的一般方法介紹和講解。該模塊的核心是給學(xué)生回顧和講解從事該課題研究需要用到的基礎(chǔ)理論知識(shí)，以便學(xué)生能快速聚焦本課題研究的核心和難點(diǎn)。除此之外，結(jié)合作者的課題研究和本領(lǐng)域的研究前沿，給學(xué)生講解本課題研究的核心任務(wù)和面臨的重難點(diǎn)，讓學(xué)生盡快把握該課題研究的現(xiàn)狀和可能的突破點(diǎn)，從而進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究。該模塊一方面為本課題研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，另一方面激發(fā)學(xué)生對(duì)前沿課題研究的興趣和熱情。

在實(shí)驗(yàn)探索模塊部分，通過(guò)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探索為主、教師指導(dǎo)為輔的模式，開(kāi)展本課程實(shí)驗(yàn)探索部分的教學(xué)與實(shí)踐工作。該模塊的核心在于，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生系統(tǒng)有序地開(kāi)展本課題的實(shí)驗(yàn)研究。具體包括對(duì)從事該課題研究的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的講解與實(shí)施，本課題實(shí)驗(yàn)研究的主要思路與實(shí)驗(yàn)研究方案研討，實(shí)驗(yàn)進(jìn)展與總結(jié)。該模塊是本課程的核心，是學(xué)生通過(guò)該課程體驗(yàn)科學(xué)研究的核心部分。

在課題研討模塊部分，通過(guò)學(xué)生匯報(bào)課題進(jìn)展、教師參與研討的模式，開(kāi)展對(duì)課題研究階段性的研討與進(jìn)展總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入本課題的研究。具體包括對(duì)本課題前沿研究論文的總結(jié)與匯報(bào)，實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展匯報(bào)與總結(jié)，以及最后的課程總結(jié)與研究成果匯總。該模塊是把控課題研究方向與糾正實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)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(xué)實(shí)踐

立足于本課程的教學(xué)模塊，在具體實(shí)施過(guò)程中，筆者主要貫穿了四點(diǎn)基本原則，具體如下。

第一，在授課內(nèi)容的選取方面遵循靈活調(diào)整深度與廣度的原則。在實(shí)踐過(guò)程中，首先通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的形式了解學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的基本認(rèn)識(shí)和對(duì)本課程的基本訴求，然后結(jié)合學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)掌握的好壞程度，擬定本課程理論講授內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)探索的難度與廣度，并以此微調(diào)和優(yōu)化各個(gè)模塊的授課內(nèi)容，以期達(dá)到滿(mǎn)足絕大部分學(xué)生期待的最佳狀態(tài)。一方面，基礎(chǔ)較好的學(xué)生對(duì)科研能力提升的需求較為明顯，針對(duì)這類(lèi)學(xué)生，可以適當(dāng)增加理論課程的廣度與難度，在實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵蠓矫?，可以適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)和要求，甚至可以嘗試按照對(duì)研究生的同等要求來(lái)指導(dǎo)這類(lèi)學(xué)生的課題探索工作。通過(guò)這樣的模式，不僅讓學(xué)生真正理解什么是做科研，而且能通過(guò)該課題探索真正有成果產(chǎn)出，進(jìn)一步激勵(lì)學(xué)生的科研熱情和動(dòng)力。另一方面，基礎(chǔ)較為薄弱的學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的認(rèn)識(shí)比較局限，對(duì)于自身的職業(yè)規(guī)劃并不明確，針對(duì)這類(lèi)學(xué)生，需要及時(shí)調(diào)整理論課程的難度和適當(dāng)降低對(duì)實(shí)驗(yàn)探索的目的和要求，避免進(jìn)一步削弱學(xué)生的積極性。

第二，在授課內(nèi)容的安排方面遵循螺旋推進(jìn)教學(xué)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(xué)、實(shí)驗(yàn)探索和課程研討。在具體實(shí)施過(guò)程中，需要靈活調(diào)節(jié)各模塊授課時(shí)間和內(nèi)容安排，有機(jī)銜接各個(gè)部分，一方面保證各個(gè)模塊銜接的邏輯性，另一方面避免各個(gè)模塊的碎片化。在具體實(shí)施過(guò)程中，首先采用1學(xué)時(shí)介紹如何做科研，然后利用1學(xué)時(shí)講解本課題研究的主要內(nèi)容、研究進(jìn)展、涉及的基本學(xué)科知識(shí)與理論模型等，提煉本課題研究的核心目標(biāo)和任務(wù)。隨后采用適當(dāng)?shù)膶W(xué)時(shí)講解本課題研究需要的基礎(chǔ)理論知識(shí)，并介紹和講解相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)計(jì)原則和實(shí)施方案。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生作為課程的主體，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探索研究。待階段性實(shí)驗(yàn)探索完成后，通過(guò)課題研討的形式，學(xué)生總結(jié)和匯報(bào)實(shí)驗(yàn)探索的進(jìn)展和成果，教師參與研討，并指導(dǎo)和設(shè)計(jì)下一步的實(shí)驗(yàn)研究方案。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究的推進(jìn)程度，教師進(jìn)一步講授有關(guān)理論知識(shí)，以此來(lái)幫助學(xué)生理解和分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果。通過(guò)這樣螺旋推進(jìn)的方式，靈活安排各部分課程模塊的銜接，完成所有授課內(nèi)容。

第三，在課程實(shí)施過(guò)程中遵循強(qiáng)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(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和能力[6-7]，因此需要弱化本課程對(duì)知識(shí)講解系統(tǒng)性的要求。針對(duì)此問(wèn)題，首先，在課程模塊的設(shè)置上，加入適當(dāng)?shù)恼n程量來(lái)講解科學(xué)研究的基本原理和一般方法，打消學(xué)生對(duì)科學(xué)研究的神秘感。其次，本科生基本沒(méi)有科學(xué)研討的經(jīng)歷，缺少科學(xué)研究的系統(tǒng)性思維。針對(duì)此問(wèn)題，在授課過(guò)程中，多側(cè)重于講解具體物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)過(guò)程及其蘊(yùn)含的基本原理，避免過(guò)于繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。最后，在實(shí)驗(yàn)探索方面，采取學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，教師參與探討的方式，逐步提升學(xué)生基本科研能力。

第四，在課程實(shí)施過(guò)程中遵循持續(xù)優(yōu)化教學(xué)模式的原則。在理論授課方面，除了對(duì)必要理論知識(shí)的回顧與講解外，在課程中引入多個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)優(yōu)化教學(xué)模式。主要包括基礎(chǔ)理論與具體物理現(xiàn)象的銜接，成熟理論模型與最新研究進(jìn)展的銜接，比如以某個(gè)具體問(wèn)題為案例，開(kāi)展文獻(xiàn)檢索、閱讀與探索，跟蹤其研究現(xiàn)狀與熱點(diǎn)；在每次課程結(jié)束之際，留下難易程度不一的開(kāi)放性題目，便于不同基礎(chǔ)的學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握課程內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)探索方面，一方面，優(yōu)化教師講解與學(xué)生自主探索的有機(jī)銜接，彈性安排課程進(jìn)度。針對(duì)基礎(chǔ)較好或動(dòng)手能力較強(qiáng)的學(xué)生，適當(dāng)縮短教師講解課時(shí)，增加學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的課時(shí)安排；針對(duì)基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生，可以適當(dāng)放緩實(shí)驗(yàn)進(jìn)度安排，讓學(xué)生能夠充分理解基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的原理，然后再展開(kāi)相應(yīng)的自主實(shí)驗(yàn)探索。另一方面，有意識(shí)強(qiáng)化對(duì)學(xué)生個(gè)體與團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的訓(xùn)練，對(duì)于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，要求每位學(xué)生獨(dú)立自主完成，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ挠?xùn)練和提升；對(duì)于難度較大、系統(tǒng)性較強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，則將多個(gè)學(xué)生轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯繄F(tuán)隊(duì)，采用協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和分工與協(xié)作的模式，共同推進(jìn)實(shí)驗(yàn)。在課程研討方面，強(qiáng)化學(xué)生課題匯報(bào)的能力和思辨能力，通過(guò)合理引導(dǎo)的方式讓學(xué)生理解其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案和思路，逐步完善課題研究。

4結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)這一年多的課程實(shí)踐，結(jié)合課程完結(jié)后對(duì)選課學(xué)生的后續(xù)追蹤和了解發(fā)現(xiàn)，目前本課程的建設(shè)和實(shí)踐已獲得初步成效。首先，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能切身體會(huì)到從事科學(xué)研究的基本方法與實(shí)施過(guò)程，并以此為基礎(chǔ)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(xué)研究，對(duì)個(gè)人的職業(yè)規(guī)劃更加清晰。其次，該課程激發(fā)了學(xué)生的科研興趣和熱情，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，有相當(dāng)部分學(xué)生選擇了與該課題相關(guān)的方向作為其后續(xù)研究生階段的研究方向。最后，通過(guò)該課程的探索，一些具有建設(shè)性的實(shí)驗(yàn)成果逐漸凸顯，包括低噪聲翼的結(jié)構(gòu)布局形式，氣動(dòng)效率更加優(yōu)異的翼結(jié)構(gòu)等，待相關(guān)研究成果進(jìn)一步完善后，有望發(fā)表于專(zhuān)業(yè)期刊，真正推動(dòng)該課題的科學(xué)研究進(jìn)展。

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