周越，潘翀,王京盈,劉彥鵬,張曉靜,郭輝

(1.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100083;2.流體力學教育部重點實驗室，北京 100083;3.山東大學能源與動力工程學院，山東濟南 250061)

科教融合是高等學校高素質(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教務處大力推進重點實驗室科研項目服務本科生實驗實踐教學的背景下，流體力學交叉前沿技術實驗室課堂將北航航空科學與工程學院流體力學教育部重點實驗室和粉體技術北京市重點實驗室的3 項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)背景本科生的實驗室實驗實踐教學項目，使學生接觸北航在流體力學和空氣動力學學科領域最新的科研成果，建立對實驗室科學研究的基本認知，了解科學研究的一般規(guī)律，認識學科發(fā)展的前沿方向，對科學研究的一般過程產(chǎn)生體驗式認知，同時為優(yōu)秀學生提供創(chuàng)新實驗實踐的平臺支持。

基于上述目標，流體力學交叉前沿技術實驗課堂嘗試探索實驗室實踐課逐級遞進式——“認知—實踐-創(chuàng)新”的層次體系，從三項國家和省部級科研成果中轉(zhuǎn)化產(chǎn)生兩大類三個層次的本科教學實驗實踐項目，為科研實驗室服務本科人才培養(yǎng)探索新模式。

1 國內(nèi)高等教育在實驗教學方面的探索現(xiàn)狀

教育部在《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中指出：“推動科研反哺教學，強化科研育人功能，推動高校及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，激發(fā)學生專業(yè)學習興趣。加強對學生科研活動的指導，加大科研實踐平臺建設力度，推動國家級、省部級科研基地更大范圍開放共享，支持學生早進課題組、早進實驗室、早進團隊，以高水平科學研究提高學生創(chuàng)新和實踐能力”。2020年，教育部又在《未來技術學院建設指南（試行）》中指出：“堅持科教結(jié)合，強化科研育人功能，探索高校和科研院所聯(lián)合培養(yǎng)未來科技創(chuàng)新領軍人才的有效模式……引導及時把最新科研成果轉(zhuǎn)化為教學內(nèi)容，推動科研基地和資源更大范圍開放共享”。

清華大學制定了進階式科學研究學習體系，使學生在導師的指導下盡早地進入感興趣的科研領域；北京大學建立了“教師指導下的獨立研究”課程和“教師指導下的小組研究”課程，分年級進行科研訓練，開設研討型小班討論課等；哈爾濱工業(yè)大學依托科研優(yōu)勢,設立了“創(chuàng)新研修課”；吉林大學開設了開放性創(chuàng)新實驗教學“課外培養(yǎng)計劃”環(huán)節(jié)；北京理工大學也開設了學生可選的開放實驗的項目[1]。

北航于2018年開始試行48 個省部級以上重點實驗室面向本科生開放。以本科生實驗室實踐活動為題目，面向本科生開放了149 項科研課題，開展了77 項科研實驗室面向本科生的開放項目，共有277名本科生參加，已取得了相應的效果和經(jīng)驗。

北航航空科學與工程學院流體力學研究所經(jīng)過近70年的發(fā)展，下轄計算流體力學國家實驗室、流體力學教育部重點實驗室、氣動聲學工信部重點實驗室和粉體技術北京市重點實驗室。在流體力學和空氣動力學領域科研人才、資源、成果、項目等極具優(yōu)勢，60 多年來始終將“研究空氣動力學基礎前沿、服務國家航空航天戰(zhàn)略需求”作為學科定位，研究方向和發(fā)展重點始終瞄準國際航空航天領域的最前沿，研究水平國內(nèi)領先、國際一流，有力地支撐了北航航空宇航科學與技術、力學學科等雙一流學科建設[2]。

為響應學校向本科生開放重點實驗室的方針政策，流體力學研究所下轄各實驗室于2018年起參與了教務處主導的重點實驗室面向本科生開放活動，組織了4 項科研認知課題面向本科生開發(fā)，服務了20 余名本科生，指導的學生于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，多人次獲全國會議優(yōu)秀論文獎。

2 課程的針對性和目標

北京航空航天大學目前采取大類招生，學生在大學一年級之后根據(jù)興趣和成績排名情況選擇具體的專業(yè)方向，學校給予學生選擇專業(yè)很大的自主權。但是仍有相當一部分學生因為缺乏了解而對專業(yè)選擇充滿迷茫。各學院雖然面向大學一年級學生加強了專業(yè)宣講力度，但是缺乏有效渠道給予學生最直接的接觸式、體驗式認識。航空科學與工程學院流體力學研究所的重點實驗室以實驗室實踐課的形式，準備用逐級遞進的教學模式面向本科生開放，使之成為幫助大學低年級學生認知各專業(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>

對于大學二、三年級的學生而言，北航對優(yōu)秀學生設有本科生科研導師制度，鼓勵學生提早進入實驗室進行科研實踐和科技創(chuàng)新，但是由于學校缺乏有效的制度保證及對教師的激勵機制，科研導師制度難以惠及更多的學生，難以實現(xiàn)規(guī)模效應。

因此，建立專門的實驗室課堂教學體系，有組織、有計劃地安排各重點實驗室向本科生開放，對于提升本科生參與科研項目訓練、培養(yǎng)創(chuàng)新人才具有重要意義。

實驗室課堂教學體系針對不同年級、不同專業(yè)的本科生分階段設置課程目標。

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

3 課程的具體實施方案

流體力學交叉前沿技術實驗室課堂涉及的科研成果包括：2013年獲國家自然科學二等獎的昆蟲飛行的空氣動力學與飛行力學（孫茂等），2018年獲國家技術發(fā)明二等獎的仿復眼成像的單相機三維流場測速關鍵技術及裝備（王晉軍、潘翀等），2016年獲中國航空學會科學技術三等獎的流體動力學方法宏量制備石墨烯（沈志剛、張曉靜等），共3 項國家和省部級科研成果。

圍繞上述研究內(nèi)容，我們建立了“認知—實踐—創(chuàng)新”逐級遞進式層次化實驗室實驗實踐體系。

其中，認知層次的內(nèi)容主要包括實驗室參觀和交流講座。

安排學生參觀流體力學教育部重點實驗室和粉體技術研究開發(fā)北京市重點實驗室。使學生了解北航流體力學學科特色、專業(yè)定位、各實驗室主要研究方向及近年來主要研究成果；認知流體力學與空氣動力學的主要研究方法、實驗常用設備及功能等，從而激發(fā)學生對流體力學和空氣動力學的興趣和好奇心[4]。

在交流講座環(huán)節(jié)，針對具體的實驗項目進行具體設計，綜合考慮選課學生的專業(yè)差異、年齡差異，平衡實驗講座所涉及的基礎理論、實驗技術原理、基本實驗手段、實驗難點及獲獎科研項目的研究思路等技術難點，探索如何避免冗長枯燥的課堂式講課方式，使無專業(yè)背景的本科生對深奧的流體力學專業(yè)知識產(chǎn)生基本的了解，激發(fā)學生進一步參與科研實驗的興趣。

參與層次的內(nèi)容主要是文獻研讀、撰寫綜述報告和參與認知實驗。

在文獻研讀、撰寫綜述報告環(huán)節(jié)，需要探索如何指導中低年級本科生開展文獻檢索、研讀和總結(jié)，培養(yǎng)其自主開展科研工作的入門技能。在參與認知實驗環(huán)節(jié)，需要降低獲獎科研實驗的難度，搭建適合本科實驗教學的實驗平臺，設計清晰的實驗操作步驟和思路，將原來的科研實驗設計成適合不同年級、不同專業(yè)本科生都可以充分參與的認知實驗，使學生充分體會認知層次了解的知識點；將專業(yè)性要求高的內(nèi)容以演示的方式介紹給本科生，開闊學生的專業(yè)視野；培養(yǎng)學生動手、動腦參與科研實驗的能力，進一步激發(fā)學生參與科研的興趣[5]。

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

圖1 建設思路

4 預期效果

該課程探索以開課教師所在實驗室科研內(nèi)容為依托，從科研成果中凝練教學內(nèi)容，使學生了解學科領域的發(fā)展、實驗室科學研究的方向、最新研究成果等，從而能夠參與到科研項目之中，產(chǎn)生創(chuàng)新成果，進一步體現(xiàn)本課程體系的學術性、前沿性、融合性、實踐性。

通過該課程的建設，完善流體力學交叉前沿技術實驗室課堂“認知—實踐—創(chuàng)新”的逐級遞進式教學層次體系，幫助學生接觸北航在流體力學和空氣動力學學科領域最新的科研成果，建立對實驗室科學研究的基本認知，了解科學研究的一般規(guī)律，認識學科發(fā)展的前沿方向，對于科學研究的一般過程產(chǎn)生體驗式認知，同時為優(yōu)秀學生提供創(chuàng)新實驗實踐平臺支持[6]。

5 具體實施情況

流體力學交叉前沿技術實驗室課堂已于2020年秋季學期正式開課。

學生選課熱情很高，在選課過程中有很多學生直接聯(lián)系開課教師，了解課程相關情況。針對所有選課的學會，教學團隊經(jīng)過認真篩選，確定了約40 位本科生入選，他們從大學一年級一直到四年級，涉及不同的學院和專業(yè)。

每周上課一次，課時長度根據(jù)具體授課內(nèi)容設置。學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)會跟進在授課方面的體會和改進辦法，敬請各位感興趣的讀者關注。