本科多层次实验实践教学体系建设尝试

2022-01-17周越潘翀王京盈刘彦鹏张晓静郭辉

文化创新比较研究 2021年31期

周越，潘翀,王京盈,刘彦鹏,张晓静,郭辉

(1.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083;2.流体力学教育部重点实验室，北京 100083;3.山东大学能源与动力工程学院，山东济南 250061)

科教融合是高等学校高素质拔尖人才培养承载的国家使命，是培养高素质创新型人才的有效手段。在北京航空航天大学教务处大力推进重点实验室科研项目服务本科生实验实践教学的背景下，流体力学交叉前沿技术实验室课堂将北航航空科学与工程学院流体力学教育部重点实验室和粉体技术北京市重点实验室的3 项国家和省部级科研成果转化为针对不同年级、不同专业背景本科生的实验室实验实践教学项目，使学生接触北航在流体力学和空气动力学学科领域最新的科研成果，建立对实验室科学研究的基本认知，了解科学研究的一般规律，认识学科发展的前沿方向，对科学研究的一般过程产生体验式认知，同时为优秀学生提供创新实验实践的平台支持。

基于上述目标，流体力学交叉前沿技术实验课堂尝试探索实验室实践课逐级递进式——“认知—实践-创新”的层次体系，从三项国家和省部级科研成果中转化产生两大类三个层次的本科教学实验实践项目，为科研实验室服务本科人才培养探索新模式。

1 国内高等教育在实验教学方面的探索现状

教育部在《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中指出：“推动科研反哺教学，强化科研育人功能，推动高校及时把最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣。加强对学生科研活动的指导，加大科研实践平台建设力度，推动国家级、省部级科研基地更大范围开放共享，支持学生早进课题组、早进实验室、早进团队，以高水平科学研究提高学生创新和实践能力”。2020年，教育部又在《未来技术学院建设指南（试行）》中指出：“坚持科教结合，强化科研育人功能，探索高校和科研院所联合培养未来科技创新领军人才的有效模式……引导及时把最新科研成果转化为教学内容，推动科研基地和资源更大范围开放共享”。

清华大学制定了进阶式科学研究学习体系，使学生在导师的指导下尽早地进入感兴趣的科研领域；北京大学建立了“教师指导下的独立研究”课程和“教师指导下的小组研究”课程，分年级进行科研训练，开设研讨型小班讨论课等；哈尔滨工业大学依托科研优势,设立了“创新研修课”；吉林大学开设了开放性创新实验教学“课外培养计划”环节；北京理工大学也开设了学生可选的开放实验的项目[1]。

北航于2018年开始试行48 个省部级以上重点实验室面向本科生开放。以本科生实验室实践活动为题目，面向本科生开放了149 项科研课题，开展了77 项科研实验室面向本科生的开放项目，共有277名本科生参加，已取得了相应的效果和经验。

北航航空科学与工程学院流体力学研究所经过近70年的发展，下辖计算流体力学国家实验室、流体力学教育部重点实验室、气动声学工信部重点实验室和粉体技术北京市重点实验室。在流体力学和空气动力学领域科研人才、资源、成果、项目等极具优势，60 多年来始终将“研究空气动力学基础前沿、服务国家航空航天战略需求”作为学科定位，研究方向和发展重点始终瞄准国际航空航天领域的最前沿，研究水平国内领先、国际一流，有力地支撑了北航航空宇航科学与技术、力学学科等双一流学科建设[2]。

为响应学校向本科生开放重点实验室的方针政策，流体力学研究所下辖各实验室于2018年起参与了教务处主导的重点实验室面向本科生开放活动，组织了4 项科研认知课题面向本科生开发，服务了20 余名本科生，指导的学生于2018年和2019年三人次在北航“冯如杯”课外科技作品竞赛中获奖，多人次获全国会议优秀论文奖。

2 课程的针对性和目标

北京航空航天大学目前采取大类招生，学生在大学一年级之后根据兴趣和成绩排名情况选择具体的专业方向，学校给予学生选择专业很大的自主权。但是仍有相当一部分学生因为缺乏了解而对专业选择充满迷茫。各学院虽然面向大学一年级学生加强了专业宣讲力度，但是缺乏有效渠道给予学生最直接的接触式、体验式认识。航空科学与工程学院流体力学研究所的重点实验室以实验室实践课的形式，准备用逐级递进的教学模式面向本科生开放，使之成为帮助大学低年级学生认知各专业科研方向、研究水平和发展潜力的最直接、有效的渠道。

对于大学二、三年级的学生而言，北航对优秀学生设有本科生科研导师制度，鼓励学生提早进入实验室进行科研实践和科技创新，但是由于学校缺乏有效的制度保证及对教师的激励机制，科研导师制度难以惠及更多的学生，难以实现规模效应。

因此，建立专门的实验室课堂教学体系，有组织、有计划地安排各重点实验室向本科生开放，对于提升本科生参与科研项目训练、培养创新人才具有重要意义。

实验室课堂教学体系针对不同年级、不同专业的本科生分阶段设置课程目标。

对低年级本科生，以了解实验室定位、专业发展、最新研究方向、代表性研究成果及当前学科交叉融合的情况为主，以逐级递进的方式分层次、模块化地设置实验内容，使学生尽早了解最新的科研成果、科研方式和手段，并体会学科交叉的融合性；对于高年级本科生，需要从参观交流演进到项目研讨，从认知实验环境演进到科学研究探讨，从简单地看到现象和结论演进到思考、调研并做出文献综述报告，使学生全方位地沉浸到科研的实践中，激发其对科学研究的兴趣，培养其科研素养，找到自己感兴趣的专业方向[3]。

3 课程的具体实施方案

流体力学交叉前沿技术实验室课堂涉及的科研成果包括：2013年获国家自然科学二等奖的昆虫飞行的空气动力学与飞行力学（孙茂等），2018年获国家技术发明二等奖的仿复眼成像的单相机三维流场测速关键技术及装备（王晋军、潘翀等），2016年获中国航空学会科学技术三等奖的流体动力学方法宏量制备石墨烯（沈志刚、张晓静等），共3 项国家和省部级科研成果。

围绕上述研究内容，我们建立了“认知—实践—创新”逐级递进式层次化实验室实验实践体系。

其中，认知层次的内容主要包括实验室参观和交流讲座。

安排学生参观流体力学教育部重点实验室和粉体技术研究开发北京市重点实验室。使学生了解北航流体力学学科特色、专业定位、各实验室主要研究方向及近年来主要研究成果；认知流体力学与空气动力学的主要研究方法、实验常用设备及功能等，从而激发学生对流体力学和空气动力学的兴趣和好奇心[4]。

在交流讲座环节，针对具体的实验项目进行具体设计，综合考虑选课学生的专业差异、年龄差异，平衡实验讲座所涉及的基础理论、实验技术原理、基本实验手段、实验难点及获奖科研项目的研究思路等技术难点，探索如何避免冗长枯燥的课堂式讲课方式，使无专业背景的本科生对深奥的流体力学专业知识产生基本的了解，激发学生进一步参与科研实验的兴趣。

参与层次的内容主要是文献研读、撰写综述报告和参与认知实验。

在文献研读、撰写综述报告环节，需要探索如何指导中低年级本科生开展文献检索、研读和总结，培养其自主开展科研工作的入门技能。在参与认知实验环节，需要降低获奖科研实验的难度，搭建适合本科实验教学的实验平台，设计清晰的实验操作步骤和思路，将原来的科研实验设计成适合不同年级、不同专业本科生都可以充分参与的认知实验，使学生充分体会认知层次了解的知识点；将专业性要求高的内容以演示的方式介绍给本科生，开阔学生的专业视野；培养学生动手、动脑参与科研实验的能力，进一步激发学生参与科研的兴趣[5]。

创新层次的内容是帮助学生搭建创新实践平台，为学有余力的学生进行科研创新活动提供支持。需要探索如何利用实验室现有设备和技术，为学有余力的学生搭建创新实践平台，鼓励或协助学生提出创新实验方案，或结合各类科创项目，在教师辅助下自主设计、完成创新性实验。此层次对学生的兴趣和课下付出的精力要求较高，需要学生借助各种商用仿真软件、3D 打印设备等，利用实验室现有的高性能测试设备完成其实验设想（见图1）。

图1 建设思路

4 预期效果

该课程探索以开课教师所在实验室科研内容为依托，从科研成果中凝练教学内容，使学生了解学科领域的发展、实验室科学研究的方向、最新研究成果等，从而能够参与到科研项目之中，产生创新成果，进一步体现本课程体系的学术性、前沿性、融合性、实践性。

通过该课程的建设，完善流体力学交叉前沿技术实验室课堂“认知—实践—创新”的逐级递进式教学层次体系，帮助学生接触北航在流体力学和空气动力学学科领域最新的科研成果，建立对实验室科学研究的基本认知，了解科学研究的一般规律，认识学科发展的前沿方向，对于科学研究的一般过程产生体验式认知，同时为优秀学生提供创新实验实践平台支持[6]。