基于人机环专业微课题的“科研课堂”教学模式探讨

［摘 要］ 为适应新工科建设背景下本科生科研创新能力的培养需求，北京航空航天大学组织开展了“科研课堂”课程的试点建设工作。以基于人机环专业微课题的“科研课堂”为例，探讨了微课题的设计思路、科研创新能力的培养模式，以及基于OBE理念的考核机制。教学实践表明课程学习有助于学生强化科研意识、锻炼科研技能、提升实践创新和协作交流能力。采用OBE考核机制促进了学生成果总结和表达能力的提升，产出了较好的实质性研究成果。作为一门科教融合的小班研究型教学课程，“科研课堂”的建设为本科生科研素养与实践创新能力的培养提供了一种切实可行的新思路。

［关键词］ 研究型教学；新工科；科研课堂；实践创新；微课题

［基金项目］ 2021年度北京航空航天大学教学改革项目“人机环控方向微课题科研课堂教学的探索与实践”

［作者简介］ 曹晓东（1989—），男，河北乐亭人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，主要从事人工环境控制与人因效能研究；杨 波（1988—），男，安徽安庆人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院助理研究员，主要从事飞行器环境控制与建筑节能研究；庞丽萍（1973—），女，黑龙江海林人，工学博士，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，主要从事飞行器舱室舒适性与人体效能评估研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）52-0001-05 ［收稿日期］ 2022-10-24

随着经济和科技的快速发展，我国当下正面临着严峻的产业变革考验和激烈的全球竞争态势。为了适应和应对这些挑战，我国课程教学改革不断深化，培养理论与实践相结合的高素质应用型人才成为未来发展方向^［1］。在此形势下，高等院校对学生的培养教育应注意理论与实践并重^［2］。尤其是对工科类本科生的教学方式不能只局限于讲授课程理论知识，更需要结合科学研究或工程应用案例，培养学生解决实际问题的能力。近年来，提出的新工科理念^［3-5］就明确了对学生系统思维、问题导向、“大工程观”和解决复杂工程问题等能力的培养要求。这是中国科技界和教育界应对智能化、信息化科技革命与产业革命，支撑服务创新驱动发展而采取的重要战略举措。北京航空航天大学作为一所综合性研究型高校，应充分发挥其学术资源丰富、学科建设前沿性强、科研实践氛围活跃等优势，为新工科建设背景下学生科研与实践创新能力的培养提供良好的平台^［6-8］。

一、课程现状与问题分析

北京航空航天大学自2021年春季学期开始进行“科研课堂”的试点建设工作，目前开展范围覆盖了学校的主要优势理工科院系，包括航空航天学科群（材料科学与工程学院、航空科学与工程学院、交通科学与工程学院、宇航学院）、信息学科群（电子信息工程学院、计算机学院、网络空间安全学院）、医工交叉学科群（生物与医学工程学院）和理科学科群（物理学院）。“科研课堂”的建设主要依托省部级以上重点实验室，面向二、三年级的本科生开放。“科研课堂”采用小班研究型教学模式，开设1学期（32学时），接受3～8名本科生选课。每门次科研课堂都基于一项微课题研究开展，要求从国家自然科学基金、国家重大项目、重要校企合作等高质量科研项目中，梳理、筛选、提炼出适合本科生专业认知及实践创新水平的微课题。在学生完成课程学习及微课题研究后，科研导师以成果为导向进行考核，给出“通过”或“不通过”的成绩评价。对于学生在“科研课堂”中取得的优秀创新性成果，经科研导师推荐可直接参与申报“挑战杯”“冯如杯”等科技竞赛。

“科研课堂”作为一门面向本科生试点建设的科教融合实践类课程，笔者在教学过程中发现了一些值得深入探讨和研究的问题。首先，作为授课对象的二、三年级的本科生，在进入“科研课堂”前基本没有接触过科研项目，其科研技能和创新意识较为薄弱。这主要是因为在中低年级本科生的教学中，一般强调理论知识的灌输，关于前沿科研成果和最新技术应用的内容相对较少，忽视了对学生学科视野和实践能力的培养。其次，“科研课堂”的微课题设计必须符合该阶段学生的认知水平和实践能力。如果微课题的研究内容设计得过于简单，则难以有效锻炼学生的科研意识和实践能力，可能导致课程沦为“水课”；反之，如果研究内容设计得过难，则学生在基础薄弱的情况下难以顺利完成微课题研究，反而会降低其参与科研的兴趣和积极性。最后，学生科研能力的培养一般需要较长的周期，而每门次“科研课堂”的开设时间只有一个学期。如何在较短的时间内，最大程度地培养学生的创新意识和科研能力，亟须进一步研究。

二、“科研课堂”教学模式探讨

针对上述问题，通过贯彻落实新工科创新人才培养理念，以解决实际研究问题为驱动，以有效提升本科生的科研素养和实践创新能力为导向，对“科研课堂”的教学模式进行了一些探索与实践，具体探讨如下。

（一）微课题的设计思路

顾名思义，微课题是指从实际科研项目中梳理、筛选和提炼出一个适用于开展短期科研实践和研究型教学的微型课题。科研导师长期从事一线科研工作，对自己研究方向的前沿科技成果和工程技术有深入且独到的见解，因此微课题的选题可以来源于科研导师自身正在从事的重要前沿科研项目，如国家自然科学基金、国家重点研发计划等。通过让学生接触专业领域的前沿研究进展，可以将学生带到学科高站位的基点，拓宽其学科视野，激发学生的科研创新意识，调动其参与科研实践的积极性。但需要注意的是，微课题的立项必须符合本科生的专业认知水平及实践创新水平，不能一味地扩大研究范围和拔高课题难度。因此，好的微课题设计应该做到以小见大、见微知著，既可以聚焦于前沿研究问题，又可以从中解构出基础性和实用性强的研究内容，具体可包括理论建模、实验研究、实测分析、样机研制、数值模拟等研究类型。例如，人机与环境工程专业（简称人机环专业）开设的一些代表性微课题包括“与空间站同呼吸——电解制氧技术演示与实验”“飞行器防冰：超疏水技术演示与实验”“用于火星短时高热流散热的膜蒸发器”“火星探测器进入过程的气动力热特性研究”“用于人体热物理治疗的智能温度控制技术”等，这些微课题的特点是基于能激发学生研究兴趣的前沿研究问题，找到难度适宜的学习和研究实践切入点，以达到培养本科生科研创新能力的教学目的。

在确定微课题内容后，还要充分考虑“科研课堂”的教学需求，在教学过程设计和安排上应该做到“短周期、重过程、有实效”。每门次“科研课堂”的开设时间为1学期，除去教学、研讨和汇报环节，微课题的整体研究周期应控制在3个月左右。而“科研课堂”的教学效果很大程度上取决于学生的自主探索程度和实践过程，因此在较短的研究周期内，应保证微课题能涵盖科研课题的基本过程，即文献调研、方案设计、研究实践、结果分析、成果总结。微课题的研究目的不仅仅是产出成果，更重要的是让学生在实践过程中体会科研开展的思维逻辑和推进步骤，并学习到常用的研究分析方法。微课题实践最终应能产出一定的实质性成果，包括论文、研究报告、专利、试验样品、样机、软件程序等。通过检验成果质量来反映“科研课堂”的培养效果，这样有助于锻炼学生的成果总结能力和表达能力，也可以让学生体会到从无到有的研究乐趣和成就感。总之，微课题的选题与内容设计是“科研课堂”教学的立脚点，是培养学生科研创新能力的关键。优秀的微课题设计与实践能够形成可持续性的研究型教学系统，构建教学相长、教学与科研相互促进的师生学习研究共同体，对学生今后从事科研或工程实践具有积极的创新驱动作用。

（二）科研创新能力的培养

保障“科研课堂”教学质量的关键在于构建可以有效培养本科生科研创新能力的教学模式，具体可从以下几个方面开展：科研意识、理论知识、科研技能、实践创新和协作交流。对学生科研意识的培养需要引导其了解科研活动的基本逻辑和过程，并使其严格遵循学术道德和规范。对学生科研意识的培养实际上贯穿了整个“科研课堂”的教学过程。科研导师可结合微课题进展，逐步向学生讲解开展科学研究的思维逻辑，在实践过程中逐渐加深其对研究过程的理解，同时引导学生树立正确的学术价值观。讲授理论知识虽然不是“科研课堂”的主要目的，但对于帮助学生打好研究基础，使其快速融入微课题研究具有重要作用。中低年级的本科生还没有接触很多专业课程，且“科研课堂”在试点建设过程中鼓励学生跨学科选课，因此，部分学生对微课题涉及的专业知识可能缺乏了解。科研导师应根据研究背景，凝练相关的理论知识作为教学内容，并提供教材与文献供学生查阅。

对学生科研技能的培养是“科研课堂”的教学重点，也是开展研究实践的基础。学生应掌握的科研技能主要包括文献调研、方案设计、学术报告及论文写作。对于学生文献调研能力的培养，应使其能够根据微课题研究内容收集文献资料，并进行阅读、分析和综述，为后续开展科研工作奠定基础。在教学过程中，科研导师可以先演示如何利用搜索引擎和数据库检索中英文文献，并结合示例论文讲解如何结合粗读和精读来高效阅读文献。在此基础上，引导学生在阅读和分析文献时形成批判性思维，并结合范文指导学生如何撰写高质量的文献综述。方案设计是从理论准备过渡到研究实践的必要步骤，其培养目的是让学生能够依据微课题的研究目标和内容，设计出可实施的具体方案。科研导师可以先集中讲解研究方案的常用设计思路，包括研究对象和范围、研究手段（实验测量、理论推导、数值模拟等）、研究结果的呈现与分析、成果总结形式等。在此基础上，指导学生根据微课题研究内容设计初步的研究方案。随着研究的进行，科研导师可以采用例会的形式与学生进行交流研讨，针对学生研究方案存在的问题进行反馈修正。学术报告与论文写作是总结和表达研究成果的两种主要方式，也是贯穿研究者学术生涯的重要工作。在学术报告与学术论文中存在很多规范性和专业性的表达要求，应由科研导师结合具体范例进行讲解。例如，学术报告的基本框架、幻灯片的制作标准，报告过程的基本规范等；学术论文的主体架构，各部分的写作内容和逻辑关系，图表的制作规范，写作语言的要求以及期刊论文的投稿、修改和发表等。除了基本规范和要求外，在报告准备和论文写作过程中也有很多经验技巧。科研导师应结合自身的研究经验，指出一些初学者的常见错误，帮助学生提高学术报告和论文写作水平。最后，可以结合微课题研究对学术报告和论文写作进行实践练习，以汇报答辩和研究报告等形式进行考核。科研导师应定期与学生交流进展情况，指出其内容和格式上存在的问题并提出改进意见，帮助学生提升对研究成果的总结和表达能力。

对实践创新和协作交流能力的培养，主要体现在指导学生开展微课题自主探索和研究实践的过程中。科研导师通过具体讲解和演示，指导学生动手操作实验仪器和使用分析软件，为学生自主开展科研实践打下技术基础。同时，做好学生进入实验室的安全教育培训工作，监督落实实验室安全管理要求和实验安全操作规程。微课题研究应始终坚持实践第一，克服以往只注重理论学习、忽视理论联系实际的弊端，锻炼学生运用理论知识和科研技能解决实际研究问题的实践能力。科研导师要充分调动学生参与微课题研究的积极性，鼓励学生进行自主学习和探究，使学生的思维模式逐渐从被动接受向主动思索转变。只有激发了学生的研究兴趣和动力，才能有效培养其独立研究和自主创新的能力，使其运用创新思维推进微课题的研究实践。科研导师在此过程中主要起辅助作用，即根据学生的研究进展情况给予适度的指导，启发式地引导学生解决实践中遇到的问题。在进行科研实践训练的同时，还应强化学生的团队协作精神和学术交流能力。

（三）基于OBE理念的成果考核

成果考核是评估“科研课堂”教学目标是否达成的重要环节，应体现出对新工科人才创新实践能力的培养要求。传统考核形式是通过打分制将学生分出不同等级，人为形成了一种孤立竞争环境，显然不利于学生自主探索精神与协作交流能力的培养。成果导向型教育（Outcome-based Education， OBE）是由Spady于1981年提出的一种教育理念，具体是指教学设计和教学实施的目标是学生通过教育过程最后所取得的学习成果。《华盛顿协议》全面接受了OBE理念，使其成为工程教育专业认证的核心理念之一。OBE理念作为新工科建设和教学改革中的核心^［9-11］，其培养理念与“科研课堂”的建设思路十分契合。实行基于OBE理念的成果考核机制，有助于提升学生参与微课题实践的积极性，同时，在考核过程中可以促进其成果总结和表达能力的提高。