李柳元， 曹晉濱

(北京航空航天大學 空間與環(huán)境學院，北京 102206)

一、研究背景和意義

為貫徹落實習近平關于教育的重要論述和全國教育大會精神，中國近幾年相繼出臺了一系列關于教育改革的措施和建設意見，包括《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法(暫行)》[1]《關于實施一流本科專業(yè)建設“雙萬計劃”的通知》[2]《關于一流本科課程建設的實施意見》[3]等。這些教育改革的政策文件指明了建設有中國特色的世界高等教育強國的具體任務、目標和方針。

從《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設實施辦法(暫行)》到《關于實施一流本科專業(yè)建設“雙萬計劃”的通知》,再到《關于一流本科課程建設的實施意見》，本質上就是一個從宏觀規(guī)劃到具體實施的任務分解過程。教育部、財政部及國家發(fā)展和改革委員會聯(lián)合發(fā)布的《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》[4]指出，要把一流本科教育建設作為“雙一流”建設的基礎任務。

縱觀新一輪的教育改革文件精神，可以發(fā)現(xiàn)，建設世界一流課程是建設一流專業(yè)、一流學科和一流大學的基石。圖1顯示了新時代可持續(xù)性發(fā)展的高等教育循環(huán)關系：只有建設好一流的課程才能建設成一流的專業(yè)、一流的學科和一流的大學，同時造就出一流的人才?？梢?，課程是人才培養(yǎng)的核心要素[3]。

圖1 可持續(xù)性發(fā)展的高等教育循環(huán)關系

反之，一流人才的成長有利于建設一流的教師隊伍，從而保障一流課程、一流專業(yè)、一流學科和一流大學的建設，實現(xiàn)教和學的可持續(xù)性發(fā)展，最終建成一個良性循環(huán)的教育生態(tài)系統(tǒng)。

此外，建設世界一流本科課程也有助于實現(xiàn)中國“十四五”規(guī)劃中建成文化強國和教育強國的遠景目標[5]。2021年是“十四五”規(guī)劃實施的開局之年。在新時代新要求下，如何建設好世界一流本科課程成為中國高校討論的熱點話題。其中，如何實現(xiàn)理工科“課程思政”①就是業(yè)界討論的一個焦點[6-7]。然而，不同專業(yè)課程中的思政教育元素并不完全相同。目前，隱藏在航天類專業(yè)課程的思政教育元素尚未被很好地挖掘出來。除了“課程思政”之外，如何提高課程高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度(即“兩性一度”)也是建設一流本科課程的基本任務[3]?！皟尚砸欢取币呀洺蔀榇蛟熘袊敖鹫n”的三項重要指標[8]。下文擬以《空間數據分析基礎》一流本科生課程的教學改革和建設實踐為例，主要研究新時代一流航天類專業(yè)課程的思政教育元素的挖掘方法和“兩性一度”的課程質量提升辦法。

二、航天類課程思政教育辦法

2019年10月，教育部印發(fā)《關于一流本科課程建設的實施意見》[3]的指導思想為：“落實立德樹人根本任務，深入挖掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育元素，建設適應新時代要求的一流本科課程。”這些指導性綱要為實現(xiàn)“課程思政”指明了路線和方針。下文主要探討航天類專業(yè)課程隱含的思政教育元素的挖掘方法和教學實踐經驗。

(一) 課程目標思政

1. 方法

課程目標指明了課程教學的培養(yǎng)任務和目的，是課程的“靈魂”所在，它直接指引著學生的學習方向和興趣。一流的課程目標要體現(xiàn)對學生專業(yè)知識、能力和素養(yǎng)的綜合要求，而且要緊緊圍繞新時代國家和社會發(fā)展的戰(zhàn)略需求，結合學科專業(yè)定位和特色。因此，課程教學在融入思政教育元素之前，首先要結合學科專業(yè)特征和發(fā)展方向適當地調整課程教學目標，并在課程教學目標中自然地融入愛國主義、愛崗敬業(yè)等思想品德培養(yǎng)要求，借以達成一流本科課程立德樹人的根本任務。

2. 案例

表1給出了《空間數據分析基礎》課程目標思政的改革方案。在改革前，該課程教學目標主要強調學習和掌握專業(yè)知識的要求。改革后，其教學目標不僅保留了掌握核心專業(yè)知識學習的要求，還要求學生明確學習課程的使命和責任擔當，要有“空天報國”情懷以及實現(xiàn)“中國夢”和“航天夢”的偉大理想。新教學目標不僅告訴學生要學什么，還告訴他們學了用來為祖國貢獻什么，從而實現(xiàn)課程目標的思政教育效果。

表1 課程目標思政改革案例

(二) 課程內容思政

1. 方法

按照一流本科課程思政要求，課程內容也需要進行思政教育改革。對于理工科專業(yè)課程來說，最好的愛國主義教育和立志教育素材就是對課程學科發(fā)展做出杰出貢獻的老一輩科學家的愛國奉獻精神。在講解課程專業(yè)知識以前，先講解課程學科的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀和未來，賦予課程與時俱進的生命力。同時，也介紹那些推動課程專業(yè)或學科發(fā)展的歷史人物故事，從而增加課程的趣味性。采用以故事導入教學內容的教學方式，可以加深學生對課程來龍去脈的宏觀認識，增強課程的生動感和現(xiàn)實感，從而大大地激發(fā)學生的學習興趣和愛國奉獻的精神，使學生明大德、立大志和做大事。

2. 案例

在課程改革前，《空間數據分析基礎》課程主要介紹如何處理和分析航天器在軌測量的空間探測數據。該課程具有鮮明的航天特色。課程改革后，在介紹“空間探測數據簡介”章節(jié)中增加了以下課程思政內容：

(1)中國航天發(fā)展歷程和“兩彈一星”精神

在講授空間探測對象、探測數據類別、數據分級處理流程和數據文件格式之前，先回顧了中國航天科技的發(fā)展歷程。如圖2所示，中國航天科技和空間科學事業(yè)的發(fā)展得益于黨中央和國務院的偉大決策、也得益于像錢學森一樣的23位“兩彈一星”②功勛科學家的不懈努力和奮斗。

圖2 中國航天發(fā)展歷程

“兩彈一星”功勛科學家的艱苦奮斗不僅為中國國防和航天科技事業(yè)打下了堅實的基礎，也為后人留下了寶貴的“兩彈一星”精神財富。圖3總結了“熱愛祖國、無私奉獻、自立更生、艱苦奮斗、大力協(xié)同和勇于攀登”的“兩彈一星”精神。老一輩科學家不畏艱難困苦的拼搏精神永遠值得年輕人學習。

圖3 “兩彈一星”精神

通過回顧歷史，讓學生了解中國的航天水平、學習繼承老一輩航天人的奮斗精神。不忘初心，借以引導學生樹立正確的人生觀、價值觀和個人奮斗目標，增強學生的愛國情懷和空天報國的責任感。中國航天科技從無到有、從落后到現(xiàn)在與世界航天大國齊頭并進，這些歷史都很好地告訴年輕一代，中國的科技發(fā)展只能靠中國人自己，而且有能力有信心突破任何技術瓶頸、解決“卡脖子”的科技發(fā)展難題。

(2)采用中國衛(wèi)星數據作為處理和分析實驗對象

為了增強學生的民族自豪感和自信心，筆者盡力挖掘中國衛(wèi)星的探測數據作為課程的數據處理和分析實驗資料。在課程講義或課后作業(yè)的配套實驗數據庫中，主要采用了中國“雙星探測計劃”的“探測一號”衛(wèi)星數據、“張衡一號”衛(wèi)星數據、風云系列衛(wèi)星的探測數據等。

例如，《空間數據分析基礎》課程的第六次課后作業(yè)題：將中國“探測一號”衛(wèi)星測量的磁場數從地心太陽黃道坐標系(GSE)中 (BX_gse、BY_gse和BZ_gse)轉化至地心太陽磁層坐標系(GSM)中，分別求出GSM坐標系中磁場三分量在6點～7點半時間段的平滑值和兩種方法所得到的頻率高于2 mHz的高頻波和頻率在2～22 mHz的帶通濾波結果。要求給出數據處理程序，并且將所有數據畫在同一張圖上，比較兩種濾波結果的異同和優(yōu)缺點。

(三)教學過程思政

要真正實現(xiàn)“課程思政”，僅僅靠修改教學目標和增加課程內容還遠遠不夠。思政教育是貫穿在整個課程教學過程中的一項艱巨的任務。必須將價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體[9]。塑造學生優(yōu)良的思想品德和傳授專業(yè)的知識技能是教師教書育人的本職工作。要成功地塑造學生優(yōu)良的思想品德，首先要求教師具有合格的政治素養(yǎng)和優(yōu)良的思想品德。

教師在教學過程中要以身作則地推行社會主義核心價值觀。所有課程設計和教學方法要以人為本，以學生發(fā)展為中心，能深入地了解新時代學生的行為方式和學習秉性。教師要致力于開啟學生內在學習潛力和動力，注重學生德、智、體、美、勞全面發(fā)展。在平時上課過程中要密切關注每一位學生的思想動態(tài)。對于行為不端的學生要及時給予批評指正，對于團結友愛的學生要給予及時表揚，利用榜樣的力量來塑造學生的思想品德，從而做到傳道和授業(yè)兩不誤，踐行立德樹人的教學理念。

三、航天類課程“兩性一度”提升辦法

除了加強“課程思政”之外，如何提升課程的“兩性一度”也是建設一流本科課程的重要目標。高階性要求“課程內容強調廣度和深度，突破習慣性認知模式，培養(yǎng)學生深度分析、大膽質疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力”。創(chuàng)新性要求“教學內容體現(xiàn)前沿性與時代性，及時將學術研究、科技發(fā)展前沿成果引入課程；教學方法體現(xiàn)先進性與互動性，大力推進現(xiàn)代信息技術與教學深度融合，積極引導學生進行探究式與個性化學習”。挑戰(zhàn)度要求“課程設計增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性內容，加大學生學習投入，科學‘增負’，讓學生體驗‘跳一跳才能夠得著’的學習挑戰(zhàn)；嚴格考核考試評價，增強學生經過刻苦學習收獲能力和素質提高的成就感”[3，8]。

(一) 增加研究型課程配套實驗

1. 方法

要實現(xiàn)課程內容創(chuàng)新性，可以根據課程相關學科的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展方向，及時修改課程教學大綱和講義內容，以便將課程學科發(fā)展的新技術、新原理或新的研究成果融入到課程教學中去。

要增強理工科課程的高階性和挑戰(zhàn)度，最好的辦法就是根據課程內容適當增加課程配套實驗或設置微型研究課題，從而增強課程學習內容的實踐性和研究性。課程配套實驗內容或微型課題研究任務需要設置一些具有創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的工程技術問題或科學問題讓學生來研究解決，借以鍛煉學生應用所學知識分析問題和解決問題的能力，從而提升課程的高階性和挑戰(zhàn)度。課程配套實驗或微型課題的設置需要突破習慣性思維模式，注重培養(yǎng)學生深度分析、大膽質疑和勇于創(chuàng)新的科研精神和能力。

航天類課程作為專業(yè)性極強的理工科課程，涉及的技術和知識更新得很快。航天項目的實施需要集成不同領域的尖端科學技術，而且不同的航天項目有不同的技術需求和不同的科學目標。因此，只有對航天類課程不斷更新，才能賦予課程與時俱進的生命力。

2. 案例

改革前，《空間數據分析基礎》課程主要通過教學案例和課后練習來訓練學生處理和分析衛(wèi)星觀測數據的能力。如表2所示，課程改革前主要使用十幾年前發(fā)射的衛(wèi)星數據，如“探測一號”、Cluster、Demeter、GOES、LANL系列衛(wèi)星、OMNI數據庫等。由于課時限制，改革前的課程無法涉及到國內外最新衛(wèi)星探測項目的數據處理和分析方法。

表2 改革前后課程實踐形式的變化

改革后，增加了課程實驗，即《空間探測數據處理實驗》課程(1學分，16學時)，并采用了最近幾年發(fā)射的衛(wèi)星數據，如中國“張衡一號”衛(wèi)星數據(8 T)、歐洲航天局SWARM衛(wèi)星數據(2 T)，MMS衛(wèi)星數據(100 G)、美國Van Allen Probes衛(wèi)星數據(1.39 T)等。

除了更新實驗數據之外，在介紹如何處理衛(wèi)星探測數據之前，首先，介紹了每個衛(wèi)星項目從科學問題的提出、有效載荷的性能需求和項目的總體設計思路等，借以培養(yǎng)學生對空間科學問題和航天任務的總體規(guī)劃能力。讓學生了解空間科學前沿的國際發(fā)展動態(tài)、增強學生的國際視野和戰(zhàn)略思維。從而提升課程的高階性。其次，為了培養(yǎng)學生深度分析、大膽質疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力，課程配套的所有實驗都采用問題導向和分組實驗等微型研究課題方式進行。學生在實驗前先針對研究問題開展討論、然后設計數據處理方案，最后再分工合作完成整個實驗任務，并撰寫實驗報告。不同的實驗環(huán)節(jié)可以綜合地訓練學生動手處理和分析衛(wèi)星數據的能力，從而達成知識、能力和素養(yǎng)相結合的一流人才的培養(yǎng)目標。

為了提高課程配套實驗的技術水平，課程負責人課題組還聘請了該學科領域具有豐富數據處理經驗且研究成果突出的優(yōu)秀科研骨干教師來共同指導學生實驗，采用不同年齡段的教師組成的團隊的教學機制有利于實現(xiàn)優(yōu)勢互補和可持續(xù)性發(fā)展的教學模式。

(二) 教學手段和教學方法改進措施

1. 教學手段改革

(1)方法

為實現(xiàn)“教學方法體現(xiàn)先進性與互動性，大力推進現(xiàn)代信息技術與教學深度融合”，可以根據現(xiàn)代網絡和通信技術的發(fā)展，選擇合適的網絡直播系統(tǒng)或在線教學軟件來實現(xiàn)課程的直播和錄播。也可以選擇課程中心、網絡云盤或社交軟件來實現(xiàn)課程資源的在線共享。網絡信息技術的使用有利于突破傳統(tǒng)的面對面的教學方式，實現(xiàn)不受時間和空間限制的個性化教學方式，特別有利于實施“翻轉課堂”(Flipped Classroom)教學模式。

(2)案例

在《空間數據分析基礎》課程教學中，主要采用了多種教學工具來實現(xiàn)學生離線自主學習、課堂學習、課后復習和答疑。如圖4所示，圖中展示了以學生學習為中心的信息技術的應用。一些較大的數據處理軟件、衛(wèi)星數據和代碼等可以上傳至網盤或云盤讓學生下載使用；課程有聲講義可以通過課程中心共享；微信群用于課程日常溝通、答疑；課后作業(yè)和參考答案可以通過電子郵件發(fā)送；騰訊會議可以用于課后討論和答疑。

圖4 以學生學習為中心的教學工具應用范例

2. 教學方法改革

教師要上好一門課程，需要根據學生的學習秉性選擇合適的教學方法，做到因材施教。隨著時代的發(fā)展，學生的生活習性和學習方式也在改變?，F(xiàn)代大學生人人攜帶著手機或電腦，如果按照傳統(tǒng)的教師講學生聽的教學方式，當教師在講臺上專注講解課程時，部分學生就會偷偷玩手機，而不認真聽講。由于教師要講好課，也得全身心投入講解，所以不可能隨時留心每位學生的聽課狀態(tài)。因此，傳統(tǒng)教學方式很難避免部分學生不認真聽課的弊端。

(1) “翻轉課堂”

與傳統(tǒng)“填鴨式”教學方式不同，“翻轉課堂”是一種基于現(xiàn)代網絡信息技術發(fā)展起來的學生自主學習模式[10-11]。學生需要先通過互聯(lián)網獲取在線學習資料，如圖4所示，然后根據個人情況規(guī)劃學習時間，自學指定的文字、視頻或音頻等教學材料，直到對基本知識和概念有一定了解之后，再與教師或同學進行更加深入的交流討論[12]。

要全盤照抄國外的“翻轉課堂”教學模式容易做到，但是要把課程教學效果“翻轉”好也需要一些技巧。例如，課程內容在完全“翻轉”還是部分“翻轉”時教學效果更好？學生自主學習安排在課外還是課上？如何檢驗學生對課程“翻轉”內容的學習效果？等等。

(2) “半翻轉課堂”實踐案例

與國外“翻轉課堂”的教學模式不完全一樣，為了兼顧不同自學能力的學生，在《空間數據分析基礎》課程實際教學過程中首次采用了“半翻轉課堂”教學模式。如圖5所示，每個完整的大圓給出了“半翻轉課堂”中教師或學生扮演的多重角色，并且“教”和“學”都圍繞著課程內容展開。學生除了自主學習課程內容，還要講解課后作業(yè)和答疑，教師通過課堂提問和課后作業(yè)的完成情況檢查學生的學習效果，重點講解一些難點知識和答疑。

在每次上課之前，任課教師提前把課程講義PPT和其他電子參考資料通過微信群發(fā)給學生預習。上課時讓學生在規(guī)定的時間內完成自學章節(jié)內容，學生在學習過程中可以隨時提出問題并與任課教師或同學進行討論。等到學生在規(guī)定時間內看完課程內容以后，任課教師及時總結學生的學習問題所在，有選擇性地講解一些重點和難點知識。為了加強學生對所學知識的系統(tǒng)理解和掌握，任課教師在課后還會及時把課程全部內容的有聲講義上傳至課程中心供學生下載和復習。

除了常規(guī)的課程內容學習“翻轉”之外，還采用師生互換角色的方式，讓學生上講臺講解自己所做的課后練習題。讓學生自己講解課后練習題，一方面，可以敦促學生把問題搞清楚，杜絕抄作業(yè)還抄不明白的混學模式；另一方面，還可以鍛煉學生的思維能力、口頭表達能力以及與人溝通的能力。

通過“半翻轉課堂”教學實踐，不僅提高了學生自主學習的能力，而且還增強了其學習責任心和學習興趣，可以避免學生在課堂上玩手機的情況。同時，學生在學習過程中有問題也可以隨時提出來以待現(xiàn)場解決。久而久之，學生就養(yǎng)成了自覺學習的習慣和興趣。因此，“半翻轉課堂”不僅僅是“教”與“學”的簡單翻轉，而且也實現(xiàn)了學生“玩”與“學”的翻轉，讓學生贏得更多的學習時間，學習效率大大提高。這種“半翻轉課堂”教學模式有效地提高了學生的學習效率，增進了師生互動和生生互動，并取得了良好的教學效果。

四、課程改革效果檢驗和持續(xù)性建設

盡管針對一流本科課程建設的總體要求對現(xiàn)有課程進行了大刀闊斧的改革和建設,但這并不意味著此次課程改革和建設就取得了成功。在提高課程高階性和挑戰(zhàn)度時，還要充分考慮學生的學習能力和接受程度等，從而做到因材施教。如果只是盲目地提高課程的高階性和挑戰(zhàn)度，可能會造成學生學習困難甚至完全不能接受等問題，最后造成課程建設與立德樹人的教學目標相差甚遠。因此，如何平衡課程高階性和學生學習適應性之間的關系也是一個 至關重要的議題。

課程改革成功可以通過改革后的實際教學效果來檢驗。課程實際教學效果好壞由學生的學習效果來反映。教師可以通過觀察學生的課堂反應、學習積極性、課程實驗和課后作業(yè)的完成情況，及時地調整課程的教學進度和教學方法，甚至反復修改相應教學內容，從而平衡課程高階性和學生學習適應性之間的關系。為了確實提高一流課程的教學效果，教師要及時關注學生的“評教”結果和建議，并及時修改教學內容和教學手段。檢驗課程建設效果和課程再建設是一流本科課程建設的必要環(huán)節(jié)。

總之，在一流本科課程改革和建設過程中，一定要考慮學生的學習能力和學習效果，才能真正實現(xiàn)立德樹人的教育目標。一流本科課程建設、一流專業(yè)建設、一流學科建設和一流大學建設都是持續(xù)性的教育改革和建設過程，任何課程的改革和建設都不可能做到一勞永逸。隨著時代的發(fā)展和科學技術的進步，只有不斷地總結教學經驗、不斷地改進教學方法和手段、不斷地更新教學內容，才能真正打造出與時俱進的世界一流課程，從而培養(yǎng)出品學兼優(yōu)的拔尖人才，最終建成一個如圖1所示的可持續(xù)性發(fā)展的高等教育生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。

五、結語

《空間數據分析基礎》課程的改革和實踐證明，航天類“課程思政”要以介紹中國航天科技發(fā)展歷程為出發(fā)點，讓學生學習并繼承“兩彈一星”老一輩科學家的愛國奉獻和勇于攀登的精神，從而將空天報國情懷厚植于年輕人的心里。這種以課程學科發(fā)展史來挖掘思政教育元素的方法可以推廣到其他理工類專業(yè)課程的思政教育中。

此外，一流航天類專業(yè)課程可以通過設置研究型課程配套實驗和“半翻轉課堂”的教學模式來培養(yǎng)學生深度分析和大膽質疑的意識以及勇于創(chuàng)新的精神和自主學習的能力。學生在規(guī)定時間內完成預定的自學內容以后，教師可以通過課堂提問和課后作業(yè)完成情況檢查學生的學習效果，然后根據存在的問題重點講解一些難點知識。此外，通過讓學生自己講解課后作業(yè)的方式，可以敦促學生把問題搞清楚，杜絕抄作業(yè)的“混學”模式，同時鍛煉學生的思維能力、口頭表達能力以及與人溝通的能力。

“半翻轉課堂”不僅實現(xiàn)了“教”與“學”的翻轉，而且還實現(xiàn)了學生“玩”與“學”的翻轉，讓學生贏得了更多的學習時間，學習效率也得到較大提高，同時增進了師生互動與生生互動，獲得了良好的教學效果。

注釋：

① “課程思政”是將高校思想政治教育融入課程教學和改革的各環(huán)節(jié)、各方面，實現(xiàn)立德樹人，潤物無聲。

② “兩彈一星”指核彈(原子彈、氫彈)、導彈和人造衛(wèi)星。共有23位科學家獲得“兩彈一星”功勛獎章。在研制“兩彈一星”的過程中，形成了“熱愛祖國、無私奉獻、自力更生、艱苦奮斗，大力協(xié)同和勇于攀登”的“兩彈一星”精神。