新工科背景下的“科研+科創”課程探索與實踐

張曉暉，呂新穎，余文勝，張斌，蔣東杰，慕忠成

（上海交通大學 航空航天學院，上海 201201）

在新工科建設背景下，將科研內容及科創項目融入教學，是推進工科專業教學創新的重要途徑[1-3]。常規做法是在學科基礎課或專業課中，補充科研課題或科創項目，將其作為課程大作業或拓展部分，培養學生的自主創新能力和工程實踐能力[4-6]。

2022 年秋季學期，上海交通大學航空航天學院探索了一種全新的創新及實踐教學模式，即成立一門單獨的“科研+科創”性質課程——航空航天工程科創，將“雙創”課程和課外科研部分內容整合，作為專業課之前的必修課，全員參與，以幫助學生學習和掌握專業必要的工具和學科基本研究方法，培養學生的科學精神、動手能力和創新能力。該課程在課程覆蓋面和課程內容上與以往課程有所不同（詳細對比見表1），目的是引導更多學生提前參與科研及科創，提升學生科研意識，為后續的專業課學習做準備，同時進一步了解專業知識內容，為學術和職業道路做好規劃。

表1 航空航天工程科創與現有課程對比

本文立足培養適合新工科行業需求工程人才的目標，對航空航天工程科創課程的教學實施過程進行了分析和介紹，對于相關專業的實踐創新類課程建設和探索具有良好的借鑒意義。

1 課程設立前的科創科研現狀與存在的問題

1.1 本科生科創科研現狀

上海交通大學的本科生可以通過參加“大學生創新創業訓練計劃”和“本科生研究計劃（PRP）”等課外科技活動或選修相關的“雙創”課程來進行科研及科創活動，為了保證活動的質量，培養學生科技創新能力，導師設計的項目往往有一定難度，學生需要投入大量的時間和精力。學生一般在課余、周末、寒假或暑假才有時間參與相關活動，時間分散，且跨度較大，因此此類活動通常只有部分學生參與，參與的學生只涉及所參加的項目課題，專業知識接觸面比較窄。

經過以往的數據統計[7-8]，本科階段參與科研和科創活動的學生更加明確自己的優勢和興趣點，在研究生深造階段選擇研究方向和畢業后就業擇業時能做出更優的選擇。因此，在工科專業教育中，亟待讓更多的學生接觸到更廣范圍的科研課題及科創項目。

1.2 課程開設面臨的問題

航空航天工程科創計劃開設學期為大二上學期，首先，從培養計劃來看，該課程屬于“專業啟蒙”類課程，與大一的航空航天概論、工程學導論和工程實踐等基礎課程銜接，并為后續航空航天專業的各類專業課做鋪墊。課程前所學專業課知識較少，專業知識面窄，如果直接將研究生做的科研課題給本科生，難以取得好的效果。同時，專業知識的缺乏也會阻礙學生創新想法的生成。

其次，大二期間除了學習基礎課外，還會學習空氣動力學等專業理論課，這為課程打下一定的專業基礎，但大量的課程導致學生課余時間較少。因此，學習花費時間長，需要較多經驗解決的科研課題，不適合作為課程內容。

2 課程實施

2.1 課程總體目標

新工科教學以行業新技術或新領域為目標導向，強調知識的實用性、交叉性與綜合性[9-10]。航空航天工程專業是典型的工科專業，傳統的“基礎課+專業課+畢業設計”教學模式有待進一步完善，否則學生綜合能力難以進一步提升。因此，針對現有航空航天工程專業存在低年級學生難以接觸到新技術、所學課程偏理論性等問題，提出了設立一門基于課堂學習的，以科研課題和科創項目為內容，針對全體低年級學生的獨立課程，即航空航天工程科創。

航空航天工程科創課程的主要目標是通過科研課題和科創項目，使學生對航空航天專業內容有初步理解，鼓勵學生從實踐中摸索理論知識的奧秘，分析計算所遇到的案例，使學生將理論與實踐緊密結合，學以致用，為今后從事航空航天系統設計、制造以及研究工作打下基礎。

2.2 教學內容探索

以故事為起點，激發學生空天報國的使命擔當。由于授課對象為本科二年級學生，除了航空航天概論課程以外，學生還沒有深入接觸專業課，所以，應從學生熟悉的事件、感興趣的故事入手。例如：課程中通過介紹國內民營航天企業發展的故事和再入飛行器等我國航空航天技術最近進展，讓學生了解航空航天領域的蓬勃發展；通過將教學課題與頂級期刊論文結合，提升學生對專業學習的興趣。

以新技術為線索，培養學生系統和辯證的創新思維。課程所講授的內容為難度比較低的航空航天前沿題目，培養學生對航空航天技術難點和趨勢的思考，訓練學生的辯證思維能力、系統思維能力和創新實踐能力[11-12]。課程內容設計核心思想是“寓學于研”，以解決問題為導向，同時課程以研究的科學問題為起點，幫助學生深入了解航空航天領域的技術攻關、前沿資訊、行業動態、發展規劃等，了解學校人才培養模式和航空航天企業人才需求，引導廣大學生從事航空航天工作。

以創新航空器制作實踐為手段，培養學生精益求精的大國工匠精神。航空航天工程科創課程共32 個學時，其中有6 個學時設計為創新航空器制作實踐部分。實踐是創新人才培養的重要組成部分，對于提高學生的綜合素質以及學生創新精神與實踐能力的培養有著不可替代的作用。創新航空器制作實踐教學不僅能夠使學生理解理論內容和增加感性認識，同時以小組為單位的實踐過程，可以增加學生之間和師生之間的互動，提升課程趣味性，增加課程吸引力。

以空天領域成就為研究對象，培養學生勇于探索的職業精神。課程設計時，將課程練習內容與航空航天領域取得的新進展結合，此項設計旨在增加課程的挑戰性，讓學生不僅僅作為一個簡單的課程參與者，而是一個小型科研項目的參與者甚至主導者，培養學生對知識的探究能力和創新精神。比如：在3 階RK5 階WENO 二維旋轉程序講授過程中，以我國某型導彈為例，鼓勵學生查詢相關資料和文獻；在衛星組裝結構講解中，案例是2021 年交大自主研發的“思源1 號”衛星，讓學生在學習中增強對國家和學校的自豪感，樹立遠大的理想和抱負。

將課程內容與后續專業課內容銜接，使學生做到融會貫通。針對現有的理論類課程體系和實踐類課程體系在培養學生工程能力和應用能力方面存在斷層、重復、資源未有效充分利用等方面的問題，課程依據學生工程能力提升過程重構教學內容，從對航空航天基礎的認知到設計技術實施再到保證技術拓展，逐漸提升學生的能力; 結合工程應用，對關鍵知識點從廣度和深度精心設計教學案例，使學生加強對課程內容的理解。

以結構設計工程能力的培養為例，航空航天工程科創對不同課程之間的融合與貫通示意圖如圖1 所示。在大一的航空航天概論和工程實踐中，學生學習了飛行器種類以及結構件機械加工方法；大二在學習本課程時，學生利用前面學習的激光切割和3D 打印等方法，設計并制作飛行器，在此過程中會遇到設計不合理、機體結構斷裂等新問題；進一步地，學生學習ABAQUS 等結構設計軟件，在實際加工前進行虛擬分析，先行優化結構；在后續大三飛行器結構力學課程中，學生會學習結構件受力計算，從理論高度理解結構設計，在航空航天實驗課程中，會借用應變片和數采設備對飛機結構受力進行真實測量；進一步地，大三假期學生在飛機強度研究所等地參觀實習，實際了解飛機研發一線的結構設計和測試情況。經過這樣跨課程、跨年級的持續訓練，學生會初步具備結構設計、優化與解決實際問題的工程開發能力。

圖1 航空航天工程科創對不同課程之間知識點的融合與貫通示意圖

2.3 教學形式探索

課程初期，教師“實時在線”，助力學生開展科研。在教學安排上，課程初期由教師結合所選的課題或相關研究論文，詳細講授并在課堂上編寫程序或運行軟件來演示，使學生加深對知識形成過程的理解和掌握。在課程初期的授課過程中，學生將課題中遇到的問題反饋給教師，教師直接在課堂上講解答疑，做到科研過程中教師“實時在線”，課后組織線下答疑，集中解決學生在科研中遇到的問題。順利的初次科研經歷，會極大地激發學生參加科研的積極性，形成一個系統的良性循環。

小組課題與個人課題結合，同時培養獨立思考和團隊合作能力。參與航空航天工程科創課程的學生，需要完成數個個人課題和一個小組飛行器制造實踐課題。對于個人課題，在課堂上適當地增加課堂討論，使學生能夠更好地認識和解決問題，掌握正確的解決問題思路與過程，增強學習積極性。對于以小組為單位的創新飛行器制造實踐課題，提倡團隊合作，隊員相互配合、取長補短[13]。在課程安排上，設計了“項目推進周”，專門用于小組方案討論和實施，節約了課下學生討論的時間。這種初步的科研經歷對學生今后的工作實踐和進一步深造有著很大的幫助。

在課程實踐環節，模擬航空航天企業研發流程。在課程實踐作品開發環節，引入真實航空航天企業研發流程，將參與的學生都分配總設計師、性能總師、結構總師等對應的研發角色，設置研發交付物和節點，培養其核心工程能力（工程設計方法、工程開發能力、團隊與項目、行業工程開發和工程問題解決等）[14-15]。課程結束后，對創新的實踐作品進行公開展覽和表演，不僅使學生提前體驗真實的工程開發，更給學生一種榮譽感和自豪感。

選擇課程相關實際工程及科學問題作為題目，培養學生正確分析和解決問題的能力。在教學組織方面，由“教師本位”向“學生本位”轉變，把課堂及課后作業由單純的信息傳遞向師生及學生合作學習轉變，課堂上的思考問題由“注入式”向“問題式”轉變。把一個單獨的內容擴充為對某個問題或系統性能方案的評估，增加了學生思考環節，培養其正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。例如在課程中引入我國某型飛機開發過程中一個實驗失效分析問題，不僅提升了學生的興趣，而且通過練習中的反復試錯與教師的科學解讀，培養學生腳踏實地、實事求是的科學精神和工匠精神。

在課程后期，讓學生獨立提出具有創新性的科研課題或項目，并通過課程設計完成。通過航空航天工程科創課程的學習，學生不斷地探索知識、應用知識、創造知識。

2.4 課程評價方式探索

課程考核方式是否公平有效，直接關系學生學習的熱情。航空航天工程科創課程考核以表現性評價為主，采取三級考核評價體系，即“課堂表現評價+理論作業+實踐硬件作品”的綜合評分模式，其中課堂表現評價由教師完成，理論作業評分由助教完成，教師審核，實踐硬件作品評價由任課教師答辯評分加小組成員相互評價組成。該評價體系可以較全面地反映學生課堂和課下的表現及在團隊中的貢獻。

3 反思與總結

科研、創新、教學、學習是一個有機整體，通過新設置的“科研+科創”類航空航天工程科創課程，將四者連接。通過課程，學生了解并參與專業內的科研創新實踐，分析和解決問題，促使學生養成獨立自主思考的習慣，同時提升了學生處理問題的能力。

課程結束后的匿名問卷調研結果顯示：超過93%的學生認為經過課程訓練，識別和解決工程問題的能力得到了提升；超過75%的學生認為團隊合作能力得到了提高。課程中的科研及科創內容是學生探索未知的一個載體，有利于學生拓展思維，與新工科建設背景下的培養目標相符，并為學生真正成為航空航天科技從業工作者奠定基礎。