新工科背景下的“科研+科创”课程探索与实践

2024-04-22张晓晖吕新颖余文胜张斌蒋东杰慕忠成

创新创业理论研究与实践 2024年5期

张晓晖，吕新颖，余文胜，张斌，蒋东杰，慕忠成

（上海交通大学航空航天学院，上海 201201）

在新工科建设背景下，将科研内容及科创项目融入教学，是推进工科专业教学创新的重要途径[1-3]。常规做法是在学科基础课或专业课中，补充科研课题或科创项目，将其作为课程大作业或拓展部分，培养学生的自主创新能力和工程实践能力[4-6]。

2022 年秋季学期，上海交通大学航空航天学院探索了一种全新的创新及实践教学模式，即成立一门单独的“科研+科创”性质课程——航空航天工程科创，将“双创”课程和课外科研部分内容整合，作为专业课之前的必修课，全员参与，以帮助学生学习和掌握专业必要的工具和学科基本研究方法，培养学生的科学精神、动手能力和创新能力。该课程在课程覆盖面和课程内容上与以往课程有所不同（详细对比见表1），目的是引导更多学生提前参与科研及科创，提升学生科研意识，为后续的专业课学习做准备，同时进一步了解专业知识内容，为学术和职业道路做好规划。

表1 航空航天工程科创与现有课程对比

本文立足培养适合新工科行业需求工程人才的目标，对航空航天工程科创课程的教学实施过程进行了分析和介绍，对于相关专业的实践创新类课程建设和探索具有良好的借鉴意义。

1 课程设立前的科创科研现状与存在的问题

1.1 本科生科创科研现状

上海交通大学的本科生可以通过参加“大学生创新创业训练计划”和“本科生研究计划（PRP）”等课外科技活动或选修相关的“双创”课程来进行科研及科创活动，为了保证活动的质量，培养学生科技创新能力，导师设计的项目往往有一定难度，学生需要投入大量的时间和精力。学生一般在课余、周末、寒假或暑假才有时间参与相关活动，时间分散，且跨度较大，因此此类活动通常只有部分学生参与，参与的学生只涉及所参加的项目课题，专业知识接触面比较窄。

经过以往的数据统计[7-8]，本科阶段参与科研和科创活动的学生更加明确自己的优势和兴趣点，在研究生深造阶段选择研究方向和毕业后就业择业时能做出更优的选择。因此，在工科专业教育中，亟待让更多的学生接触到更广范围的科研课题及科创项目。

1.2 课程开设面临的问题

航空航天工程科创计划开设学期为大二上学期，首先，从培养计划来看，该课程属于“专业启蒙”类课程，与大一的航空航天概论、工程学导论和工程实践等基础课程衔接，并为后续航空航天专业的各类专业课做铺垫。课程前所学专业课知识较少，专业知识面窄，如果直接将研究生做的科研课题给本科生，难以取得好的效果。同时，专业知识的缺乏也会阻碍学生创新想法的生成。

其次，大二期间除了学习基础课外，还会学习空气动力学等专业理论课，这为课程打下一定的专业基础，但大量的课程导致学生课余时间较少。因此，学习花费时间长，需要较多经验解决的科研课题，不适合作为课程内容。

2 课程实施

2.1 课程总体目标

新工科教学以行业新技术或新领域为目标导向，强调知识的实用性、交叉性与综合性[9-10]。航空航天工程专业是典型的工科专业，传统的“基础课+专业课+毕业设计”教学模式有待进一步完善，否则学生综合能力难以进一步提升。因此，针对现有航空航天工程专业存在低年级学生难以接触到新技术、所学课程偏理论性等问题，提出了设立一门基于课堂学习的，以科研课题和科创项目为内容，针对全体低年级学生的独立课程，即航空航天工程科创。

航空航天工程科创课程的主要目标是通过科研课题和科创项目，使学生对航空航天专业内容有初步理解，鼓励学生从实践中摸索理论知识的奥秘，分析计算所遇到的案例，使学生将理论与实践紧密结合，学以致用，为今后从事航空航天系统设计、制造以及研究工作打下基础。

2.2 教学内容探索

以故事为起点，激发学生空天报国的使命担当。由于授课对象为本科二年级学生，除了航空航天概论课程以外，学生还没有深入接触专业课，所以，应从学生熟悉的事件、感兴趣的故事入手。例如：课程中通过介绍国内民营航天企业发展的故事和再入飞行器等我国航空航天技术最近进展，让学生了解航空航天领域的蓬勃发展；通过将教学课题与顶级期刊论文结合，提升学生对专业学习的兴趣。

以新技术为线索，培养学生系统和辩证的创新思维。课程所讲授的内容为难度比较低的航空航天前沿题目，培养学生对航空航天技术难点和趋势的思考，训练学生的辩证思维能力、系统思维能力和创新实践能力[11-12]。课程内容设计核心思想是“寓学于研”，以解决问题为导向，同时课程以研究的科学问题为起点，帮助学生深入了解航空航天领域的技术攻关、前沿资讯、行业动态、发展规划等，了解学校人才培养模式和航空航天企业人才需求，引导广大学生从事航空航天工作。

以创新航空器制作实践为手段，培养学生精益求精的大国工匠精神。航空航天工程科创课程共32 个学时，其中有6 个学时设计为创新航空器制作实践部分。实践是创新人才培养的重要组成部分，对于提高学生的综合素质以及学生创新精神与实践能力的培养有着不可替代的作用。创新航空器制作实践教学不仅能够使学生理解理论内容和增加感性认识，同时以小组为单位的实践过程，可以增加学生之间和师生之间的互动，提升课程趣味性，增加课程吸引力。

以空天领域成就为研究对象，培养学生勇于探索的职业精神。课程设计时，将课程练习内容与航空航天领域取得的新进展结合，此项设计旨在增加课程的挑战性，让学生不仅仅作为一个简单的课程参与者，而是一个小型科研项目的参与者甚至主导者，培养学生对知识的探究能力和创新精神。比如：在3 阶RK5 阶WENO 二维旋转程序讲授过程中，以我国某型导弹为例，鼓励学生查询相关资料和文献；在卫星组装结构讲解中，案例是2021 年交大自主研发的“思源1 号”卫星，让学生在学习中增强对国家和学校的自豪感，树立远大的理想和抱负。

将课程内容与后续专业课内容衔接，使学生做到融会贯通。针对现有的理论类课程体系和实践类课程体系在培养学生工程能力和应用能力方面存在断层、重复、资源未有效充分利用等方面的问题，课程依据学生工程能力提升过程重构教学内容，从对航空航天基础的认知到设计技术实施再到保证技术拓展，逐渐提升学生的能力; 结合工程应用，对关键知识点从广度和深度精心设计教学案例，使学生加强对课程内容的理解。

以结构设计工程能力的培养为例，航空航天工程科创对不同课程之间的融合与贯通示意图如图1 所示。在大一的航空航天概论和工程实践中，学生学习了飞行器种类以及结构件机械加工方法；大二在学习本课程时，学生利用前面学习的激光切割和3D 打印等方法，设计并制作飞行器，在此过程中会遇到设计不合理、机体结构断裂等新问题；进一步地，学生学习ABAQUS 等结构设计软件，在实际加工前进行虚拟分析，先行优化结构；在后续大三飞行器结构力学课程中，学生会学习结构件受力计算，从理论高度理解结构设计，在航空航天实验课程中，会借用应变片和数采设备对飞机结构受力进行真实测量；进一步地，大三假期学生在飞机强度研究所等地参观实习，实际了解飞机研发一线的结构设计和测试情况。经过这样跨课程、跨年级的持续训练，学生会初步具备结构设计、优化与解决实际问题的工程开发能力。

图1 航空航天工程科创对不同课程之间知识点的融合与贯通示意图

2.3 教学形式探索

课程初期，教师“实时在线”，助力学生开展科研。在教学安排上，课程初期由教师结合所选的课题或相关研究论文，详细讲授并在课堂上编写程序或运行软件来演示，使学生加深对知识形成过程的理解和掌握。在课程初期的授课过程中，学生将课题中遇到的问题反馈给教师，教师直接在课堂上讲解答疑，做到科研过程中教师“实时在线”，课后组织线下答疑，集中解决学生在科研中遇到的问题。顺利的初次科研经历，会极大地激发学生参加科研的积极性，形成一个系统的良性循环。

小组课题与个人课题结合，同时培养独立思考和团队合作能力。参与航空航天工程科创课程的学生，需要完成数个个人课题和一个小组飞行器制造实践课题。对于个人课题，在课堂上适当地增加课堂讨论，使学生能够更好地认识和解决问题，掌握正确的解决问题思路与过程，增强学习积极性。对于以小组为单位的创新飞行器制造实践课题，提倡团队合作，队员相互配合、取长补短[13]。在课程安排上，设计了“项目推进周”，专门用于小组方案讨论和实施，节约了课下学生讨论的时间。这种初步的科研经历对学生今后的工作实践和进一步深造有着很大的帮助。

在课程实践环节，模拟航空航天企业研发流程。在课程实践作品开发环节，引入真实航空航天企业研发流程，将参与的学生都分配总设计师、性能总师、结构总师等对应的研发角色，设置研发交付物和节点，培养其核心工程能力（工程设计方法、工程开发能力、团队与项目、行业工程开发和工程问题解决等）[14-15]。课程结束后，对创新的实践作品进行公开展览和表演，不仅使学生提前体验真实的工程开发，更给学生一种荣誉感和自豪感。

选择课程相关实际工程及科学问题作为题目，培养学生正确分析和解决问题的能力。在教学组织方面，由“教师本位”向“学生本位”转变，把课堂及课后作业由单纯的信息传递向师生及学生合作学习转变，课堂上的思考问题由“注入式”向“问题式”转变。把一个单独的内容扩充为对某个问题或系统性能方案的评估，增加了学生思考环节，培养其正确认识问题、分析问题和解决问题的能力。例如在课程中引入我国某型飞机开发过程中一个实验失效分析问题，不仅提升了学生的兴趣，而且通过练习中的反复试错与教师的科学解读，培养学生脚踏实地、实事求是的科学精神和工匠精神。

在课程后期，让学生独立提出具有创新性的科研课题或项目，并通过课程设计完成。通过航空航天工程科创课程的学习，学生不断地探索知识、应用知识、创造知识。

2.4 课程评价方式探索

课程考核方式是否公平有效，直接关系学生学习的热情。航空航天工程科创课程考核以表现性评价为主，采取三级考核评价体系，即“课堂表现评价+理论作业+实践硬件作品”的综合评分模式，其中课堂表现评价由教师完成，理论作业评分由助教完成，教师审核，实践硬件作品评价由任课教师答辩评分加小组成员相互评价组成。该评价体系可以较全面地反映学生课堂和课下的表现及在团队中的贡献。