本科生“科研课堂”课程初创与实践

杜锋 吴江浩

摘要 为推进科教融通，北京航空航天大学针对本科生的“科研课堂”应运而生，其核心任务是通过课程讲解和课题实践的模式引导本科生了解、参与前沿科学研究。作者结合本科生的专业知识储备和课题研究的基本方法，系统讨论了“科研课堂”建设思路和方案，设计了包含“理论课程+实验探索+进展汇报”的课程模块。在教学实践中，提出了针对性设置理论教学与实验探索的四个基本原则，以提升教学效果，增强学生科研能力和科学素养。

关键词 微课题；科研课堂；课程建设；科研能力

中图分类号：G642文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.6.003

卓越工程师教育培养是高等教育高质量发展的重点，各大高校对此进行了深入探索并取得显著成效[1-3]。北京航空航天大学（以下简称“北航”）自2021年提出的“科研导师、实验室开放日、微课题”三位一体的“科研课堂”计划是这一方面的重大举措，该计划通过开设本科生课程的模式推动全校本科生开展微课题研究[4]。北航作为首批试点学院之一，积极动员全院系教师参与该课程的筹备和开设。笔者积极响应“科研课堂”计划，从首批试点开始，参与了本课程的筹备和建设。“科研课堂”课程筹备和建设面临诸多挑战，比如微课题的选择，课程教学内容的设置，各教学内容的衔接与过渡等。考虑到微课题的差异性，“科研课堂”难以有通用的教学大纲，如何合理和高效地设置课程内容是筹备和开设该课程的基础。

为应对创建该课程面臨的挑战，提升该课程授课的能力和效果，笔者首先论述了微课题选择的基本要点，并结合自身和所在团队的研究课题，论述了以仿生微型扑翼飞行器扑翼结构优化作为微课题研究内容的合理性；然后，结合本科生授课特点和该微课题研究的基本特点，对课程的授课内容进行了模块化设计；最后，文章从四方面论述了教学实践过程中面临的挑战和应对策略。以下将从微课题选择、课程模块设置和授课实践三方面来阐述“科研课堂”的建设和实践，最后总结该课程建设取得的初步成效。

1微课题选择

北航发布的《新时代人才培养白皮书》对“科研课堂”的微课题选题给予了足够大的灵活性，然而结合本科生的专业背景特点、不同研究领域和研究方向的差异，实际上选择合适的微课题研究方向仍然具有一定难度和挑战。针对作者所在的飞行器适航系而言，在微课题的选择方面，需要重点考虑三个方面。首先，微课题的选择不宜过于抽象和偏理论化；其次，微课题的选择需要兼顾前沿性和可操作性；最后，微课题的选择需要兼顾不同基础学生的需求。

基于以上考虑，作者选择了“仿生微型扑翼飞行器扑翼结构优化”作为微课题研究内容。首先，仿生微型扑翼飞行器这个研究对象非常具体，对飞行器适航系的本科生而言，具备从事该课题研究的相关基础知识和理论。其次，仿生微型扑翼飞行器作为目前的研究前沿和热点，受到国内外科学家和工程师的广泛关注。针对仿生微型扑翼飞行器而言，可以在研究中通过理论、实验和仿真的方法来揭示其飞行机理和实现其飞行目的。因此，以实验研究方案为主导，依托作者所在课题组，学生可以很快地进入课题研究状态。最后，该课题易于兼顾不同基础学生的需求，针对基础较好或动手能力较强的学生，可以着眼于结合实验及理论来对飞行器的扑翼结构优化展开系统研究，对于基础较为薄弱的学生，则可以通过实验探索的方法来尝试对扑翼结构的布局进行优化。综上所述，选择“仿生微型扑翼飞行器扑翼结构优化”作为微课题研究内容可较好地满足本课程的基本需求。

2课程模块设置

课程模块或教学大纲是开展课程教学的基础[5]，然而考虑到微课题的特殊性和差异性，目前并没有统一的教学大纲可供参考或借鉴。在课程模块的设置方面，需要考虑的因素不仅有本课题的具体研究内容，而且需要结合本科生的知识储备增补有关知识模块。鉴于此，作者根据“仿生微型扑翼飞行器扑翼结构优化”的研究特点、科学研究的基本方法及本科生的专业背景知识设置了课程模块。本课程具体分为三大模块，分别是理论教学模块、实验探索模块和课题研讨模块。

在理论教学模块部分，通过教师讲授为主、学生参与为辅的模式，开展涉及本课题研究的基础理论知识、前沿研究热点和重难点的讲解和探讨，同时开展课题研究的一般方法介绍和讲解。该模块的核心是给学生回顾和讲解从事该课题研究需要用到的基础理论知识，以便学生能快速聚焦本课题研究的核心和难点。除此之外，结合作者的课题研究和本领域的研究前沿，给学生讲解本课题研究的核心任务和面临的重难点，让学生尽快把握该课题研究的现状和可能的突破点，从而进行相应的实验研究。该模块一方面为本课题研究提供坚实的理论基础，另一方面激发学生对前沿课题研究的兴趣和热情。

在实验探索模块部分，通过学生开展实验探索为主、教师指导为辅的模式，开展本课程实验探索部分的教学与实践工作。该模块的核心在于，在教师的指导下，学生系统有序地开展本课题的实验研究。具体包括对从事该课题研究的基础实验的讲解与实施，本课题实验研究的主要思路与实验研究方案研讨，实验进展与总结。该模块是本课程的核心，是学生通过该课程体验科学研究的核心部分。

在课题研讨模块部分，通过学生汇报课题进展、教师参与研讨的模式，开展对课题研究阶段性的研讨与进展总结，引导学生逐步深入本课题的研究。具体包括对本课题前沿研究论文的总结与汇报，实验研究进展汇报与总结，以及最后的课程总结与研究成果汇总。该模块是把控课题研究方向与纠正实验方案设计的重要环节，是本课题研究能够取得突破的重要保障。

3课程教学实践

立足于本课程的教学模块，在具体实施过程中，笔者主要贯穿了四点基本原则，具体如下。

第一，在授课内容的选取方面遵循灵活调整深度与广度的原则。在实践过程中，首先通过问卷调查的形式了解学生对科学研究的基本认识和对本课程的基本诉求，然后结合学生对基础知识掌握的好坏程度，拟定本课程理论讲授内容与实验探索的难度与广度，并以此微调和优化各个模块的授课内容，以期达到满足绝大部分学生期待的最佳状态。一方面，基础较好的学生对科研能力提升的需求较为明显，针对这类学生，可以适当增加理论课程的广度与难度，在实验目的和要求方面，可以适当提高标准和要求，甚至可以尝试按照对研究生的同等要求来指导这类学生的课题探索工作。通过这样的模式，不仅让学生真正理解什么是做科研，而且能通过该课题探索真正有成果产出，进一步激励学生的科研热情和动力。另一方面，基础较为薄弱的学生对科学研究的认识比较局限，对于自身的职业规划并不明确，针对这类学生，需要及时调整理论课程的难度和适当降低对实验探索的目的和要求，避免进一步削弱学生的积极性。

第二，在授课内容的安排方面遵循螺旋推进教学模块的原则。如上所述，本课程分为三大课程模块，分别是理论教学、实验探索和课程研讨。在具体实施过程中，需要灵活调节各模块授课时间和内容安排，有机衔接各个部分，一方面保证各个模块衔接的逻辑性，另一方面避免各个模块的碎片化。在具体实施过程中，首先采用1学时介绍如何做科研，然后利用1学时讲解本课题研究的主要內容、研究进展、涉及的基本学科知识与理论模型等，提炼本课题研究的核心目标和任务。随后采用适当的学时讲解本课题研究需要的基础理论知识，并介绍和讲解相关实验研究的设计原则和实施方案。在此基础上，学生作为课程的主体，在实验室开展相应的实验探索研究。待阶段性实验探索完成后，通过课题研讨的形式，学生总结和汇报实验探索的进展和成果，教师参与研讨，并指导和设计下一步的实验研究方案。同时根据实验研究的推进程度，教师进一步讲授有关理论知识，以此来帮助学生理解和分析实验现象和结果。通过这样螺旋推进的方式，灵活安排各部分课程模块的衔接，完成所有授课内容。

第三，在课程实施过程中遵循强化科研素养与能力的原则。本课程区别于其他本科课程的根本在于本课程侧重于培养学生的科研素养和能力[6-7]，因此需要弱化本课程对知识讲解系统性的要求。针对此问题，首先，在课程模块的设置上，加入适当的课程量来讲解科学研究的基本原理和一般方法，打消学生对科学研究的神秘感。其次，本科生基本没有科学研讨的经历，缺少科学研究的系统性思维。针对此问题，在授课过程中，多侧重于讲解具体物理现象的发现过程及其蕴含的基本原理，避免过于繁杂的数学推导。最后，在实验探索方面，采取学生自主设计实验方案，教师参与探讨的方式，逐步提升学生基本科研能力。

第四，在课程实施过程中遵循持续优化教学模式的原则。在理论授课方面，除了对必要理论知识的回顾与讲解外，在课程中引入多个环节来优化教学模式。主要包括基础理论与具体物理现象的衔接，成熟理论模型与最新研究进展的衔接，比如以某个具体问题为案例，开展文献检索、阅读与探索，跟踪其研究现状与热点；在每次课程结束之际，留下难易程度不一的开放性题目，便于不同基础的学生进一步理解和掌握课程内容。在实验探索方面，一方面，优化教师讲解与学生自主探索的有机衔接，弹性安排课程进度。针对基础较好或动手能力较强的学生，适当缩短教师讲解课时，增加学生自主设计实验的课时安排；针对基础较薄弱的学生，可以适当放缓实验进度安排，让学生能够充分理解基础实验的原理，然后再展开相应的自主实验探索。另一方面，有意识强化对学生个体与团队协作能力的训练，对于基础实验，要求每位学生独立自主完成，以实现对学生基础实验能力的训练和提升；对于难度较大、系统性较强的实验，则将多个学生转变为研究团队，采用协调设计实验方案和分工与协作的模式，共同推进实验。在课程研讨方面，强化学生课题汇报的能力和思辨能力，通过合理引导的方式让学生理解其实验设计的优劣势，引导学生优化实验方案和思路，逐步完善课题研究。

4结语

经过这一年多的课程实践，结合课程完结后对选课学生的后续追踪和了解发现，目前本课程的建设和实践已获得初步成效。首先，通过本课程的学习，学生能切身体会到从事科学研究的基本方法与实施过程，并以此为基础判断自己是否合适攻读研究生，而不再盲目地追求考研或逃避科学研究，对个人的职业规划更加清晰。其次，该课程激发了学生的科研兴趣和热情，通过该课程的学习和训练，有相当部分学生选择了与该课题相关的方向作为其后续研究生阶段的研究方向。最后，通过该课程的探索，一些具有建设性的实验成果逐渐凸显，包括低噪声翼的结构布局形式，气动效率更加优异的翼结构等，待相关研究成果进一步完善后，有望发表于专业期刊，真正推动该课题的科学研究进展。

参考文献

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