航空宇航学科本科生“4C”深度融合互促教学模式研究

韦常柱，张峪浩，叶泳锋，浦甲伦，关英姿

（哈尔滨工业大学 航天学院，黑龙江 哈尔滨）

一 航空宇航专业课程教学现状

航空宇航科学和航空航天工业发展的程度体现了一个国家的综合国力，直接反映一个国家科学技术、国防建设和国民经济现代化的水平。面对航空宇航科学技术的迅猛发展、现代军备技术快速提升的趋势，培养一批能够在关键领域、核心技术方面进行自主创新的航空宇航专业科研创新型人才已成为推动我国航空宇航事业发展和建设世界一流军队的关键，也是新时代建设世界一流大学和世界一流航空宇航学科的历史责任。我国通过对现有高校扩招和更多高校新设航空宇航专业培养人才的方式，支撑了航空宇航工业的迅猛发展需求，其中本科生作为该领域的生力军，是未来的建设者和接班人，对其科研能力的培养和深层挖掘具有重要的意义[1-2]。

我校自建校以来，一直秉承“规格严格、功夫到家”的办学理念，培养了新时代里一大批杰出的科研人才。在跨越百年的新时代中，我校的教师团队更是对过去努力传承，对未来不断开拓，对过往的教学方式、培养模式等各方面进行了深刻的整理和归纳。在总结了多年的教学经验、严谨分析与充分讨论后，发现我校目前的航空宇航专业本科生培养方式暴露出来较多不足，其中较为突出的一点是：由于航空宇航是一个面向理论与工程实际需求相结合的综合学科，但是在传统的教学方式对知识的灌输下，学生在课程的学习过程中难以深刻理解部分较为抽象的专业知识；同时在传统的培养模式对人才的塑造下，学生更难以体会其在航空宇航领域中的工程实用价值和应用方法，无法快速地、直接地应用专业知识解决实际工程中的具体问题。这使本科生的科研能力难以得到充分培养，延长了科研人才的培养周期、增加了培养成本，而又不可避免地使得部分本科生磨灭了对学科的兴趣、热情及向往，反而造成了人才培养的缺口。

人才培养是大学的本质职能，本科教育是大学的根和本，世界一流大学无不是将本科教育放在发展的重要战略地位，将培养一流本科生作为坚定目标。因此，为深入贯彻全国教育大会精神，同时铭记***总书记在我校建校100 周年寄予的贺信精神，应奋然承担起在新起点的使命与担当，而其中，对航空宇航学科专业进行创新性的、适应时代需求的教学模式改革成为了难以回避的关键一步。

二 国内外教学现状

在世界著名航空航天类高校的创新型人才培养方面，美国麻省理工学院主要通过开设跨学科课程、建设学术共同体、实施跨学科研究计划进行本科生培养[3]，同时为了更好地促进本科生就业，设立了全球教育与职业发展（GECD）部门，帮助本科生进行研究意向选择，实践能力培养和就业规划[4]；加州理工大学在“Learn by Doing”的理念指导下，广泛开展体验式学习的课程教学研究，以学生为主体，注重小规模师生紧密合作，并设立了由学生、导师和项目支撑组成的学生创新灵感实验室，以实现快速的“产学研用”[5-7]；佐治亚理工学院强调实践教学的重要性，设置了专业综合实验课、毕业设计、本科生科研项目以及其他技能培训项目等在内的诸多项目导向式课程[8]；里海大学和伍斯特工学院等美国其他著名创新型大学也在人才培养时，将科学方法和科学知识的实际应用摆在第一位[9]，并且美国高等教育改革使得教学的有效性得到越来越着重的关注[10]；除此之外，如代尔夫特理工大学等欧洲著名大学也十分强调通过项目式跨学科合作进行创新型人才培养[11]。

在上述众多具有鲜明教育特色的著名高校中，美国研究型大学以其本科生科研项目种类繁多，特色明显，培养效果显著闻名世界。根据其教学模式的不同特点，可主要划分为三种类型：科学职业发展模式、科研学徒模式和基于科研的课程学习模式[12-13]。

科学职业发展模式是为了有效保持和増加学生在科学领域获取更高学位和从事科学研究的机会而设计的，SaS 计划是其中的代表性成果。1989 年，赖斯大学率先开展SaS 计划，其初衷是为了增加少数族裔和女性在科学、数学、工程和技术领域的人数。该计划吸引了大量来自外校的本科生和本校的研究生。通过不断发展，科学职业发展模式被美国越来越多的大学所效仿，该模式成为让本科生在本校研究生院继续学习的有效途径[14]。

科研学徒模式是主要招募三 四年级学生，让本科生以科研学徒的身份参与到教师为主的研究小组中，教师则对其进行一对一的指导或由科研小组统一指导。麻省理工学院的航空宇航专业是同领域中最有名的专业之一，其主要目标是把科研纳入本科生教育计划，在研究中激发他们对科学的兴趣，了解科学的本质，掌握科学知识及科学研究的步骤和方法，提高科学论证的能力，培养研究技能，主动直接地了解科学家的研究工作；正是采用了科研学徒的培养模式，显著提高了本科生自身学习经历的满意度。该培养模式极大幅度提高了学生的科研兴趣和创新能力，加强了理论与实践的联系，提高了学生的科研实践能力[15]。

基于科研的课程学习模式，最早由布朗大学发起，将本科生科研纳入布朗大学的课程计划，让本科生通过选修课程的方式参与研究。包括以下五种课程形式可供学生选择：教授如何进行科研的课程、在老师的指导下申请自主设计课程、校外实践课程、团体独立研究计划以及将科研与原有课程相结合的基础课程。其中在原有课程基础上进行调整和拓展来开展研究是基于科研的课程学习模式的一大特色，主要是让学生从事科学研究，并让科研工作成为正规课程的一部分。该模式能够使学生在研究之前具有深厚扎实和结构合理的知识基础以及掌握必要的研究方法，有利于增强学生的自信心，并尽早开始独立研究[16]。

不难看出，在国外许多世界一流航空宇航高校中，航空宇航学科专业课与科研相结合的教学与科研人才培养模式已经开始。而反观国内，类似的教育实践并未取得较大进展，并且让人担忧的现状是：由于教育模式与“学习激情”的缺乏，航空宇航学科本科生在学习过程中往往会走不少弯路[17]。因此，结合我国教育实情和国外的先进经验，将“科-教”深度融合培养模式运用到航空宇航专业本科教学当中，是加强航空宇航学科本科生人才培养的可行途径。调研近年相关课题，少有专家、学者对航空宇航专业本科教学以“科- 教”深度融合互促的方式进行改革而提出有效且合理的方案，而巨大的人才缺口使得改革的推进刻不容缓[18]。

三 “4C”深度融合互促教学模式设计

针对新时代我国航空宇航学科本科生科研人才的培养需求，采用“培养计划与课题需求的结合、传统课堂讲学与先进VR 技术应用的结合、课程校内考核与校外实践的结合、毕业设计与科研项目的结合”的深度4 结合（Combination）模式按照“培养方案改革→教学模式改革→考核方式改革”自上至下的三个层面进行研究。

图 1 “4C”深度融合互促教学模式

（一） 培养方案改革

航空宇航学科本科生现有培养方案大致模式为大一大二进行基础课学习，大三大四进行专业课学习，然而在进行专业课学习的过程中由于课时受限、理论抽象、实验课时少等原因使得学生对于专业课的知识并不能熟练掌握。因此为加强学生对专业知识的理解，应采取理论实践结合的教学方式，大三期间增加专业实验课课时，增强学生动手实践能力。大四期间将学生分流到不同的实验室，进行科研项目研究以达到科研与教学相结合的目的。

（二） 教学模式改革

1.优化教学方案：在课堂教学内容上，增设专业导论，让学生对所学背景及内容进行了解。改善传统课堂上照本宣科的教学模式，在课程当中将基础理论知识系统地进行模块化拆分，将各模块所对应的科研实际问题引入课堂，借助科研实际问题将知识点有机地重新整合、串联，使其具体化、实际化。学生在老师的指导下解决各模块所对应的科研问题，并将各模块的实际科研问题分解为多个阶段性关键问题，对其进行总结、提炼，开展相应的科研案例综合分析，加深本科生对基础知识的理解。

2.优化教学方式：通过引入先进教学手段（如VR 设备、虚拟仿真实验设备、远程教学实验设备等），实现学生与实验室连接，利用半实物、三维虚拟现实可视化仿真等技术，把专业理论知识具体化、形象化、应用化地向学生传授，将科研实践成果反哺于专业理论教学；借助各种仿真教学手段不仅为学生提供一个可以验证创新想法的平台，也有助于将抽象的专业知识形象化并且降低实验成本，优化实验条件，增强学生的学习兴趣及对专业知识的掌握程度。

（三） 考核方式改革

课程考核方式改革：在课程考核方式上采用笔试与科研实践双考核方式进行。期末笔试成绩以闭卷考试形式对学生知识掌握情况进行考察，其中主要为主观分析题，突出学生对实际问题的分析和解决方案的考核。科研实践成绩将组织本专业和科研院所相关专家评审给出，主要考察学生对所完成的课题是否满足目标明确、研究思路正确清晰、论证充分、内容详实、重点突出、难点明确、结果正确等要素。

2）本科阶段考核方式改革：待专业课程学习结束后，合理选取、设计毕业论文题目，使之与实习单位的实际项目相匹配，合理安排、利用实习周期以实现完成科研项目的同时完成毕业设计。该过程也将按关键问题分解为多个阶段节点，教师阶段性地对实习项目进行检查，总结关键问题并进行探讨与解决。根据每个阶段的内容，完成对应的实习项目，最终通过整个科研/毕业实习的完成情况对本科阶段学习成效进行检验。

四 结语

本文创新地提出了航空宇航学科本科生科教“4C”深度融合互促的课程教学模式，其中在教学方案上将系统知识模块化拆解并与实际科研项目契合匹配，有助于培养本科生的科研逻辑思维、独立思考能力以及解决实际问题能力，更有效缩短科研人才的培养周期，降低了人才培养成本。并在以下两个方面进行了深化改革。

1.优化了课程教学的手段：在专业课程教学中独特地利用先进教学手段，将课堂与实验室相连接，使抽象、难以表达的理论知识更具体化、更富趣味性。在教学上的创新更有助于学生直观理解知识点，充分了解与认识理论知识的基本原理，能够为后续科研实践打下坚实基础。

2.丰富了考核评价的维度：在本科阶段考核方式上创新地将毕业设计与本科实习相互结合，围绕具体科研项目，充分利用实习周期与科研条件，使毕业设计的理论研究依托于本科实习的科研问题，相互融合相互促进。有利于本科生切身实际地接触科研，加快航空航天人才的培养进程，更快更好地适应航天强国时代需求。

该教学模式具有广泛的应用前景，增强了教学的执行效率与学生对专业知识的理解程度，为我国理论实践结合、创新开拓性航天人才培养提供有力保障，并为我国的航天强国目标的实现打下坚实的人才基础。