周越，潘翀,王京盈,劉彥鵬,張曉靜,郭輝

(1.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083;2.流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;3.山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

科教融合是高等學(xué)校高素質(zhì)拔尖人才培養(yǎng)承載的國家使命，是培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的有效手段。在北京航空航天大學(xué)教務(wù)處大力推進(jìn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目服務(wù)本科生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)的背景下，流體力學(xué)交叉前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)室課堂將北航航空科學(xué)與工程學(xué)院流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和粉體技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的3 項(xiàng)國家和省部級科研成果轉(zhuǎn)化為針對不同年級、不同專業(yè)背景本科生的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)項(xiàng)目，使學(xué)生接觸北航在流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域最新的科研成果，建立對實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究的基本認(rèn)知，了解科學(xué)研究的一般規(guī)律，認(rèn)識學(xué)科發(fā)展的前沿方向，對科學(xué)研究的一般過程產(chǎn)生體驗(yàn)式認(rèn)知，同時(shí)為優(yōu)秀學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的平臺支持。

基于上述目標(biāo)，流體力學(xué)交叉前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)課堂嘗試探索實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐課逐級遞進(jìn)式——“認(rèn)知—實(shí)踐-創(chuàng)新”的層次體系，從三項(xiàng)國家和省部級科研成果中轉(zhuǎn)化產(chǎn)生兩大類三個(gè)層次的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐項(xiàng)目，為科研實(shí)驗(yàn)室服務(wù)本科人才培養(yǎng)探索新模式。

1 國內(nèi)高等教育在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面的探索現(xiàn)狀

教育部在《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中指出：“推動(dòng)科研反哺教學(xué)，強(qiáng)化科研育人功能，推動(dòng)高校及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)興趣。加強(qiáng)對學(xué)生科研活動(dòng)的指導(dǎo)，加大科研實(shí)踐平臺建設(shè)力度，推動(dòng)國家級、省部級科研基地更大范圍開放共享，支持學(xué)生早進(jìn)課題組、早進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、早進(jìn)團(tuán)隊(duì)，以高水平科學(xué)研究提高學(xué)生創(chuàng)新和實(shí)踐能力”。2020年，教育部又在《未來技術(shù)學(xué)院建設(shè)指南（試行）》中指出：“堅(jiān)持科教結(jié)合，強(qiáng)化科研育人功能，探索高校和科研院所聯(lián)合培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才的有效模式……引導(dǎo)及時(shí)把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，推動(dòng)科研基地和資源更大范圍開放共享”。

清華大學(xué)制定了進(jìn)階式科學(xué)研究學(xué)習(xí)體系，使學(xué)生在導(dǎo)師的指導(dǎo)下盡早地進(jìn)入感興趣的科研領(lǐng)域；北京大學(xué)建立了“教師指導(dǎo)下的獨(dú)立研究”課程和“教師指導(dǎo)下的小組研究”課程，分年級進(jìn)行科研訓(xùn)練，開設(shè)研討型小班討論課等；哈爾濱工業(yè)大學(xué)依托科研優(yōu)勢,設(shè)立了“創(chuàng)新研修課”；吉林大學(xué)開設(shè)了開放性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)“課外培養(yǎng)計(jì)劃”環(huán)節(jié)；北京理工大學(xué)也開設(shè)了學(xué)生可選的開放實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目[1]。

北航于2018年開始試行48 個(gè)省部級以上重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向本科生開放。以本科生實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐活動(dòng)為題目，面向本科生開放了149 項(xiàng)科研課題，開展了77 項(xiàng)科研實(shí)驗(yàn)室面向本科生的開放項(xiàng)目，共有277名本科生參加，已取得了相應(yīng)的效果和經(jīng)驗(yàn)。

北航航空科學(xué)與工程學(xué)院流體力學(xué)研究所經(jīng)過近70年的發(fā)展，下轄計(jì)算流體力學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室、流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、氣動(dòng)聲學(xué)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和粉體技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。在流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域科研人才、資源、成果、項(xiàng)目等極具優(yōu)勢，60 多年來始終將“研究空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)前沿、服務(wù)國家航空航天戰(zhàn)略需求”作為學(xué)科定位，研究方向和發(fā)展重點(diǎn)始終瞄準(zhǔn)國際航空航天領(lǐng)域的最前沿，研究水平國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流，有力地支撐了北航航空宇航科學(xué)與技術(shù)、力學(xué)學(xué)科等雙一流學(xué)科建設(shè)[2]。

為響應(yīng)學(xué)校向本科生開放重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的方針政策，流體力學(xué)研究所下轄各實(shí)驗(yàn)室于2018年起參與了教務(wù)處主導(dǎo)的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室面向本科生開放活動(dòng)，組織了4 項(xiàng)科研認(rèn)知課題面向本科生開發(fā)，服務(wù)了20 余名本科生，指導(dǎo)的學(xué)生于2018年和2019年三人次在北航“馮如杯”課外科技作品競賽中獲獎(jiǎng)，多人次獲全國會(huì)議優(yōu)秀論文獎(jiǎng)。

2 課程的針對性和目標(biāo)

北京航空航天大學(xué)目前采取大類招生，學(xué)生在大學(xué)一年級之后根據(jù)興趣和成績排名情況選擇具體的專業(yè)方向，學(xué)校給予學(xué)生選擇專業(yè)很大的自主權(quán)。但是仍有相當(dāng)一部分學(xué)生因?yàn)槿狈α私舛鴮I(yè)選擇充滿迷茫。各學(xué)院雖然面向大學(xué)一年級學(xué)生加強(qiáng)了專業(yè)宣講力度，但是缺乏有效渠道給予學(xué)生最直接的接觸式、體驗(yàn)式認(rèn)識。航空科學(xué)與工程學(xué)院流體力學(xué)研究所的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐課的形式，準(zhǔn)備用逐級遞進(jìn)的教學(xué)模式面向本科生開放，使之成為幫助大學(xué)低年級學(xué)生認(rèn)知各專業(yè)科研方向、研究水平和發(fā)展?jié)摿Φ淖钪苯?、有效的渠道?/p>

對于大學(xué)二、三年級的學(xué)生而言，北航對優(yōu)秀學(xué)生設(shè)有本科生科研導(dǎo)師制度，鼓勵(lì)學(xué)生提早進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研實(shí)踐和科技創(chuàng)新，但是由于學(xué)校缺乏有效的制度保證及對教師的激勵(lì)機(jī)制，科研導(dǎo)師制度難以惠及更多的學(xué)生，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。

因此，建立專門的實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)體系，有組織、有計(jì)劃地安排各重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室向本科生開放，對于提升本科生參與科研項(xiàng)目訓(xùn)練、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。

實(shí)驗(yàn)室課堂教學(xué)體系針對不同年級、不同專業(yè)的本科生分階段設(shè)置課程目標(biāo)。

對低年級本科生，以了解實(shí)驗(yàn)室定位、專業(yè)發(fā)展、最新研究方向、代表性研究成果及當(dāng)前學(xué)科交叉融合的情況為主，以逐級遞進(jìn)的方式分層次、模塊化地設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生盡早了解最新的科研成果、科研方式和手段，并體會(huì)學(xué)科交叉的融合性；對于高年級本科生，需要從參觀交流演進(jìn)到項(xiàng)目研討，從認(rèn)知實(shí)驗(yàn)環(huán)境演進(jìn)到科學(xué)研究探討，從簡單地看到現(xiàn)象和結(jié)論演進(jìn)到思考、調(diào)研并做出文獻(xiàn)綜述報(bào)告，使學(xué)生全方位地沉浸到科研的實(shí)踐中，激發(fā)其對科學(xué)研究的興趣，培養(yǎng)其科研素養(yǎng)，找到自己感興趣的專業(yè)方向[3]。

3 課程的具體實(shí)施方案

流體力學(xué)交叉前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)室課堂涉及的科研成果包括：2013年獲國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)的昆蟲飛行的空氣動(dòng)力學(xué)與飛行力學(xué)（孫茂等），2018年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)的仿復(fù)眼成像的單相機(jī)三維流場測速關(guān)鍵技術(shù)及裝備（王晉軍、潘翀等），2016年獲中國航空學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)的流體動(dòng)力學(xué)方法宏量制備石墨烯（沈志剛、張曉靜等），共3 項(xiàng)國家和省部級科研成果。

圍繞上述研究內(nèi)容，我們建立了“認(rèn)知—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”逐級遞進(jìn)式層次化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)實(shí)踐體系。

其中，認(rèn)知層次的內(nèi)容主要包括實(shí)驗(yàn)室參觀和交流講座。

安排學(xué)生參觀流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和粉體技術(shù)研究開發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。使學(xué)生了解北航流體力學(xué)學(xué)科特色、專業(yè)定位、各實(shí)驗(yàn)室主要研究方向及近年來主要研究成果；認(rèn)知流體力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)的主要研究方法、實(shí)驗(yàn)常用設(shè)備及功能等，從而激發(fā)學(xué)生對流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)的興趣和好奇心[4]。

在交流講座環(huán)節(jié)，針對具體的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，綜合考慮選課學(xué)生的專業(yè)差異、年齡差異，平衡實(shí)驗(yàn)講座所涉及的基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)技術(shù)原理、基本實(shí)驗(yàn)手段、實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)及獲獎(jiǎng)科研項(xiàng)目的研究思路等技術(shù)難點(diǎn)，探索如何避免冗長枯燥的課堂式講課方式，使無專業(yè)背景的本科生對深?yuàn)W的流體力學(xué)專業(yè)知識產(chǎn)生基本的了解，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步參與科研實(shí)驗(yàn)的興趣。

參與層次的內(nèi)容主要是文獻(xiàn)研讀、撰寫綜述報(bào)告和參與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)。

在文獻(xiàn)研讀、撰寫綜述報(bào)告環(huán)節(jié)，需要探索如何指導(dǎo)中低年級本科生開展文獻(xiàn)檢索、研讀和總結(jié)，培養(yǎng)其自主開展科研工作的入門技能。在參與認(rèn)知實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，需要降低獲獎(jiǎng)科研實(shí)驗(yàn)的難度，搭建適合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺，設(shè)計(jì)清晰的實(shí)驗(yàn)操作步驟和思路，將原來的科研實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成適合不同年級、不同專業(yè)本科生都可以充分參與的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生充分體會(huì)認(rèn)知層次了解的知識點(diǎn)；將專業(yè)性要求高的內(nèi)容以演示的方式介紹給本科生，開闊學(xué)生的專業(yè)視野；培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦參與科研實(shí)驗(yàn)的能力，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生參與科研的興趣[5]。

創(chuàng)新層次的內(nèi)容是幫助學(xué)生搭建創(chuàng)新實(shí)踐平臺，為學(xué)有余力的學(xué)生進(jìn)行科研創(chuàng)新活動(dòng)提供支持。需要探索如何利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備和技術(shù)，為學(xué)有余力的學(xué)生搭建創(chuàng)新實(shí)踐平臺，鼓勵(lì)或協(xié)助學(xué)生提出創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案，或結(jié)合各類科創(chuàng)項(xiàng)目，在教師輔助下自主設(shè)計(jì)、完成創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。此層次對學(xué)生的興趣和課下付出的精力要求較高，需要學(xué)生借助各種商用仿真軟件、3D 打印設(shè)備等，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的高性能測試設(shè)備完成其實(shí)驗(yàn)設(shè)想（見圖1）。

圖1 建設(shè)思路

4 預(yù)期效果

該課程探索以開課教師所在實(shí)驗(yàn)室科研內(nèi)容為依托，從科研成果中凝練教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生了解學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展、實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究的方向、最新研究成果等，從而能夠參與到科研項(xiàng)目之中，產(chǎn)生創(chuàng)新成果，進(jìn)一步體現(xiàn)本課程體系的學(xué)術(shù)性、前沿性、融合性、實(shí)踐性。

通過該課程的建設(shè)，完善流體力學(xué)交叉前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)室課堂“認(rèn)知—實(shí)踐—?jiǎng)?chuàng)新”的逐級遞進(jìn)式教學(xué)層次體系，幫助學(xué)生接觸北航在流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)科領(lǐng)域最新的科研成果，建立對實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究的基本認(rèn)知，了解科學(xué)研究的一般規(guī)律，認(rèn)識學(xué)科發(fā)展的前沿方向，對于科學(xué)研究的一般過程產(chǎn)生體驗(yàn)式認(rèn)知，同時(shí)為優(yōu)秀學(xué)生提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐平臺支持[6]。

5 具體實(shí)施情況

流體力學(xué)交叉前沿技術(shù)實(shí)驗(yàn)室課堂已于2020年秋季學(xué)期正式開課。

學(xué)生選課熱情很高，在選課過程中有很多學(xué)生直接聯(lián)系開課教師，了解課程相關(guān)情況。針對所有選課的學(xué)會(huì)，教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過認(rèn)真篩選，確定了約40 位本科生入選，他們從大學(xué)一年級一直到四年級，涉及不同的學(xué)院和專業(yè)。

每周上課一次，課時(shí)長度根據(jù)具體授課內(nèi)容設(shè)置。學(xué)生們對課程模塊非常感興趣，出勤率和課堂參與程度均很高。

對于教師來說畢竟是第一次針對不同專業(yè)和年級的本科生同時(shí)授課，講授方式和授課模式都處于研究和嘗試階段，后續(xù)會(huì)跟進(jìn)在授課方面的體會(huì)和改進(jìn)辦法，敬請各位感興趣的讀者關(guān)注。