新时代一流航天类课程建设实践与思考——以《空间数据分析基础》课程改革为例

李柳元， 曹晋滨

(北京航空航天大学 空间与环境学院，北京 102206)

一、研究背景和意义

为贯彻落实习近平关于教育的重要论述和全国教育大会精神，中国近几年相继出台了一系列关于教育改革的措施和建设意见，包括《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法(暂行)》[1]《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》[2]《关于一流本科课程建设的实施意见》[3]等。这些教育改革的政策文件指明了建设有中国特色的世界高等教育强国的具体任务、目标和方针。

从《统筹推进世界一流大学和一流学科建设实施办法(暂行)》到《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》,再到《关于一流本科课程建设的实施意见》，本质上就是一个从宏观规划到具体实施的任务分解过程。教育部、财政部及国家发展和改革委员会联合发布的《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》[4]指出，要把一流本科教育建设作为“双一流”建设的基础任务。

纵观新一轮的教育改革文件精神，可以发现，建设世界一流课程是建设一流专业、一流学科和一流大学的基石。图1显示了新时代可持续性发展的高等教育循环关系：只有建设好一流的课程才能建设成一流的专业、一流的学科和一流的大学，同时造就出一流的人才。可见，课程是人才培养的核心要素[3]。

图1 可持续性发展的高等教育循环关系

反之，一流人才的成长有利于建设一流的教师队伍，从而保障一流课程、一流专业、一流学科和一流大学的建设，实现教和学的可持续性发展，最终建成一个良性循环的教育生态系统。

此外，建设世界一流本科课程也有助于实现中国“十四五”规划中建成文化强国和教育强国的远景目标[5]。2021年是“十四五”规划实施的开局之年。在新时代新要求下，如何建设好世界一流本科课程成为中国高校讨论的热点话题。其中，如何实现理工科“课程思政”①就是业界讨论的一个焦点[6-7]。然而，不同专业课程中的思政教育元素并不完全相同。目前，隐藏在航天类专业课程的思政教育元素尚未被很好地挖掘出来。除了“课程思政”之外，如何提高课程高阶性、创新性和挑战度(即“两性一度”)也是建设一流本科课程的基本任务[3]。“两性一度”已经成为打造中国“金课”的三项重要指标[8]。下文拟以《空间数据分析基础》一流本科生课程的教学改革和建设实践为例，主要研究新时代一流航天类专业课程的思政教育元素的挖掘方法和“两性一度”的课程质量提升办法。

二、航天类课程思政教育办法

2019年10月，教育部印发《关于一流本科课程建设的实施意见》[3]的指导思想为：“落实立德树人根本任务，深入挖掘各类课程和教学方式中蕴含的思想政治教育元素，建设适应新时代要求的一流本科课程。”这些指导性纲要为实现“课程思政”指明了路线和方针。下文主要探讨航天类专业课程隐含的思政教育元素的挖掘方法和教学实践经验。

(一) 课程目标思政

1. 方法

课程目标指明了课程教学的培养任务和目的，是课程的“灵魂”所在，它直接指引着学生的学习方向和兴趣。一流的课程目标要体现对学生专业知识、能力和素养的综合要求，而且要紧紧围绕新时代国家和社会发展的战略需求，结合学科专业定位和特色。因此，课程教学在融入思政教育元素之前，首先要结合学科专业特征和发展方向适当地调整课程教学目标，并在课程教学目标中自然地融入爱国主义、爱岗敬业等思想品德培养要求，借以达成一流本科课程立德树人的根本任务。

2. 案例

表1给出了《空间数据分析基础》课程目标思政的改革方案。在改革前，该课程教学目标主要强调学习和掌握专业知识的要求。改革后，其教学目标不仅保留了掌握核心专业知识学习的要求，还要求学生明确学习课程的使命和责任担当，要有“空天报国”情怀以及实现“中国梦”和“航天梦”的伟大理想。新教学目标不仅告诉学生要学什么，还告诉他们学了用来为祖国贡献什么，从而实现课程目标的思政教育效果。

表1 课程目标思政改革案例

(二) 课程内容思政

1. 方法

按照一流本科课程思政要求，课程内容也需要进行思政教育改革。对于理工科专业课程来说，最好的爱国主义教育和立志教育素材就是对课程学科发展做出杰出贡献的老一辈科学家的爱国奉献精神。在讲解课程专业知识以前，先讲解课程学科的发展历程、发展现状和未来，赋予课程与时俱进的生命力。同时，也介绍那些推动课程专业或学科发展的历史人物故事，从而增加课程的趣味性。采用以故事导入教学内容的教学方式，可以加深学生对课程来龙去脉的宏观认识，增强课程的生动感和现实感，从而大大地激发学生的学习兴趣和爱国奉献的精神，使学生明大德、立大志和做大事。

2. 案例

在课程改革前，《空间数据分析基础》课程主要介绍如何处理和分析航天器在轨测量的空间探测数据。该课程具有鲜明的航天特色。课程改革后，在介绍“空间探测数据简介”章节中增加了以下课程思政内容：

(1)中国航天发展历程和“两弹一星”精神

在讲授空间探测对象、探测数据类别、数据分级处理流程和数据文件格式之前，先回顾了中国航天科技的发展历程。如图2所示，中国航天科技和空间科学事业的发展得益于党中央和国务院的伟大决策、也得益于像钱学森一样的23位“两弹一星”②功勋科学家的不懈努力和奋斗。

图2 中国航天发展历程

“两弹一星”功勋科学家的艰苦奋斗不仅为中国国防和航天科技事业打下了坚实的基础，也为后人留下了宝贵的“两弹一星”精神财富。图3总结了“热爱祖国、无私奉献、自立更生、艰苦奋斗、大力协同和勇于攀登”的“两弹一星”精神。老一辈科学家不畏艰难困苦的拼搏精神永远值得年轻人学习。

图3 “两弹一星”精神

通过回顾历史，让学生了解中国的航天水平、学习继承老一辈航天人的奋斗精神。不忘初心，借以引导学生树立正确的人生观、价值观和个人奋斗目标，增强学生的爱国情怀和空天报国的责任感。中国航天科技从无到有、从落后到现在与世界航天大国齐头并进，这些历史都很好地告诉年轻一代，中国的科技发展只能靠中国人自己，而且有能力有信心突破任何技术瓶颈、解决“卡脖子”的科技发展难题。

(2)采用中国卫星数据作为处理和分析实验对象

为了增强学生的民族自豪感和自信心，笔者尽力挖掘中国卫星的探测数据作为课程的数据处理和分析实验资料。在课程讲义或课后作业的配套实验数据库中，主要采用了中国“双星探测计划”的“探测一号”卫星数据、“张衡一号”卫星数据、风云系列卫星的探测数据等。

例如，《空间数据分析基础》课程的第六次课后作业题：将中国“探测一号”卫星测量的磁场数从地心太阳黄道坐标系(GSE)中 (BX_gse、BY_gse和BZ_gse)转化至地心太阳磁层坐标系(GSM)中，分别求出GSM坐标系中磁场三分量在6点～7点半时间段的平滑值和两种方法所得到的频率高于2 mHz的高频波和频率在2～22 mHz的带通滤波结果。要求给出数据处理程序，并且将所有数据画在同一张图上，比较两种滤波结果的异同和优缺点。

(三)教学过程思政

要真正实现“课程思政”，仅仅靠修改教学目标和增加课程内容还远远不够。思政教育是贯穿在整个课程教学过程中的一项艰巨的任务。必须将价值塑造、知识传授和能力培养三者融为一体[9]。塑造学生优良的思想品德和传授专业的知识技能是教师教书育人的本职工作。要成功地塑造学生优良的思想品德，首先要求教师具有合格的政治素养和优良的思想品德。

教师在教学过程中要以身作则地推行社会主义核心价值观。所有课程设计和教学方法要以人为本，以学生发展为中心，能深入地了解新时代学生的行为方式和学习秉性。教师要致力于开启学生内在学习潜力和动力，注重学生德、智、体、美、劳全面发展。在平时上课过程中要密切关注每一位学生的思想动态。对于行为不端的学生要及时给予批评指正，对于团结友爱的学生要给予及时表扬，利用榜样的力量来塑造学生的思想品德，从而做到传道和授业两不误，践行立德树人的教学理念。

三、航天类课程“两性一度”提升办法

除了加强“课程思政”之外，如何提升课程的“两性一度”也是建设一流本科课程的重要目标。高阶性要求“课程内容强调广度和深度，突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力”。创新性要求“教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程；教学方法体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习”。挑战度要求“课程设计增加研究性、创新性、综合性内容，加大学生学习投入，科学‘增负’，让学生体验‘跳一跳才能够得着’的学习挑战；严格考核考试评价，增强学生经过刻苦学习收获能力和素质提高的成就感”[3，8]。

(一) 增加研究型课程配套实验

1. 方法

要实现课程内容创新性，可以根据课程相关学科的发展现状和发展方向，及时修改课程教学大纲和讲义内容，以便将课程学科发展的新技术、新原理或新的研究成果融入到课程教学中去。

要增强理工科课程的高阶性和挑战度，最好的办法就是根据课程内容适当增加课程配套实验或设置微型研究课题，从而增强课程学习内容的实践性和研究性。课程配套实验内容或微型课题研究任务需要设置一些具有创新性和挑战度的工程技术问题或科学问题让学生来研究解决，借以锻炼学生应用所学知识分析问题和解决问题的能力，从而提升课程的高阶性和挑战度。课程配套实验或微型课题的设置需要突破习惯性思维模式，注重培养学生深度分析、大胆质疑和勇于创新的科研精神和能力。

航天类课程作为专业性极强的理工科课程，涉及的技术和知识更新得很快。航天项目的实施需要集成不同领域的尖端科学技术，而且不同的航天项目有不同的技术需求和不同的科学目标。因此，只有对航天类课程不断更新，才能赋予课程与时俱进的生命力。

2. 案例

改革前，《空间数据分析基础》课程主要通过教学案例和课后练习来训练学生处理和分析卫星观测数据的能力。如表2所示，课程改革前主要使用十几年前发射的卫星数据，如“探测一号”、Cluster、Demeter、GOES、LANL系列卫星、OMNI数据库等。由于课时限制，改革前的课程无法涉及到国内外最新卫星探测项目的数据处理和分析方法。

表2 改革前后课程实践形式的变化

改革后，增加了课程实验，即《空间探测数据处理实验》课程(1学分，16学时)，并采用了最近几年发射的卫星数据，如中国“张衡一号”卫星数据(8 T)、欧洲航天局SWARM卫星数据(2 T)，MMS卫星数据(100 G)、美国Van Allen Probes卫星数据(1.39 T)等。

除了更新实验数据之外，在介绍如何处理卫星探测数据之前，首先，介绍了每个卫星项目从科学问题的提出、有效载荷的性能需求和项目的总体设计思路等，借以培养学生对空间科学问题和航天任务的总体规划能力。让学生了解空间科学前沿的国际发展动态、增强学生的国际视野和战略思维。从而提升课程的高阶性。其次，为了培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力，课程配套的所有实验都采用问题导向和分组实验等微型研究课题方式进行。学生在实验前先针对研究问题开展讨论、然后设计数据处理方案，最后再分工合作完成整个实验任务，并撰写实验报告。不同的实验环节可以综合地训练学生动手处理和分析卫星数据的能力，从而达成知识、能力和素养相结合的一流人才的培养目标。

为了提高课程配套实验的技术水平，课程负责人课题组还聘请了该学科领域具有丰富数据处理经验且研究成果突出的优秀科研骨干教师来共同指导学生实验，采用不同年龄段的教师组成的团队的教学机制有利于实现优势互补和可持续性发展的教学模式。

(二) 教学手段和教学方法改进措施

1. 教学手段改革

(1)方法

为实现“教学方法体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合”，可以根据现代网络和通信技术的发展，选择合适的网络直播系统或在线教学软件来实现课程的直播和录播。也可以选择课程中心、网络云盘或社交软件来实现课程资源的在线共享。网络信息技术的使用有利于突破传统的面对面的教学方式，实现不受时间和空间限制的个性化教学方式，特别有利于实施“翻转课堂”(Flipped Classroom)教学模式。

(2)案例

在《空间数据分析基础》课程教学中，主要采用了多种教学工具来实现学生离线自主学习、课堂学习、课后复习和答疑。如图4所示，图中展示了以学生学习为中心的信息技术的应用。一些较大的数据处理软件、卫星数据和代码等可以上传至网盘或云盘让学生下载使用；课程有声讲义可以通过课程中心共享；微信群用于课程日常沟通、答疑；课后作业和参考答案可以通过电子邮件发送；腾讯会议可以用于课后讨论和答疑。

图4 以学生学习为中心的教学工具应用范例

2. 教学方法改革

教师要上好一门课程，需要根据学生的学习秉性选择合适的教学方法，做到因材施教。随着时代的发展，学生的生活习性和学习方式也在改变。现代大学生人人携带着手机或电脑，如果按照传统的教师讲学生听的教学方式，当教师在讲台上专注讲解课程时，部分学生就会偷偷玩手机，而不认真听讲。由于教师要讲好课，也得全身心投入讲解，所以不可能随时留心每位学生的听课状态。因此，传统教学方式很难避免部分学生不认真听课的弊端。

(1) “翻转课堂”

与传统“填鸭式”教学方式不同，“翻转课堂”是一种基于现代网络信息技术发展起来的学生自主学习模式[10-11]。学生需要先通过互联网获取在线学习资料，如图4所示，然后根据个人情况规划学习时间，自学指定的文字、视频或音频等教学材料，直到对基本知识和概念有一定了解之后，再与教师或同学进行更加深入的交流讨论[12]。

要全盘照抄国外的“翻转课堂”教学模式容易做到，但是要把课程教学效果“翻转”好也需要一些技巧。例如，课程内容在完全“翻转”还是部分“翻转”时教学效果更好？学生自主学习安排在课外还是课上？如何检验学生对课程“翻转”内容的学习效果？等等。

(2) “半翻转课堂”实践案例

与国外“翻转课堂”的教学模式不完全一样，为了兼顾不同自学能力的学生，在《空间数据分析基础》课程实际教学过程中首次采用了“半翻转课堂”教学模式。如图5所示，每个完整的大圆给出了“半翻转课堂”中教师或学生扮演的多重角色，并且“教”和“学”都围绕着课程内容展开。学生除了自主学习课程内容，还要讲解课后作业和答疑，教师通过课堂提问和课后作业的完成情况检查学生的学习效果，重点讲解一些难点知识和答疑。

在每次上课之前，任课教师提前把课程讲义PPT和其他电子参考资料通过微信群发给学生预习。上课时让学生在规定的时间内完成自学章节内容，学生在学习过程中可以随时提出问题并与任课教师或同学进行讨论。等到学生在规定时间内看完课程内容以后，任课教师及时总结学生的学习问题所在，有选择性地讲解一些重点和难点知识。为了加强学生对所学知识的系统理解和掌握，任课教师在课后还会及时把课程全部内容的有声讲义上传至课程中心供学生下载和复习。

除了常规的课程内容学习“翻转”之外，还采用师生互换角色的方式，让学生上讲台讲解自己所做的课后练习题。让学生自己讲解课后练习题，一方面，可以敦促学生把问题搞清楚，杜绝抄作业还抄不明白的混学模式；另一方面，还可以锻炼学生的思维能力、口头表达能力以及与人沟通的能力。

通过“半翻转课堂”教学实践，不仅提高了学生自主学习的能力，而且还增强了其学习责任心和学习兴趣，可以避免学生在课堂上玩手机的情况。同时，学生在学习过程中有问题也可以随时提出来以待现场解决。久而久之，学生就养成了自觉学习的习惯和兴趣。因此，“半翻转课堂”不仅仅是“教”与“学”的简单翻转，而且也实现了学生“玩”与“学”的翻转，让学生赢得更多的学习时间，学习效率大大提高。这种“半翻转课堂”教学模式有效地提高了学生的学习效率，增进了师生互动和生生互动，并取得了良好的教学效果。

四、课程改革效果检验和持续性建设

尽管针对一流本科课程建设的总体要求对现有课程进行了大刀阔斧的改革和建设,但这并不意味着此次课程改革和建设就取得了成功。在提高课程高阶性和挑战度时，还要充分考虑学生的学习能力和接受程度等，从而做到因材施教。如果只是盲目地提高课程的高阶性和挑战度，可能会造成学生学习困难甚至完全不能接受等问题，最后造成课程建设与立德树人的教学目标相差甚远。因此，如何平衡课程高阶性和学生学习适应性之间的关系也是一个 至关重要的议题。

课程改革成功可以通过改革后的实际教学效果来检验。课程实际教学效果好坏由学生的学习效果来反映。教师可以通过观察学生的课堂反应、学习积极性、课程实验和课后作业的完成情况，及时地调整课程的教学进度和教学方法，甚至反复修改相应教学内容，从而平衡课程高阶性和学生学习适应性之间的关系。为了确实提高一流课程的教学效果，教师要及时关注学生的“评教”结果和建议，并及时修改教学内容和教学手段。检验课程建设效果和课程再建设是一流本科课程建设的必要环节。

总之，在一流本科课程改革和建设过程中，一定要考虑学生的学习能力和学习效果，才能真正实现立德树人的教育目标。一流本科课程建设、一流专业建设、一流学科建设和一流大学建设都是持续性的教育改革和建设过程，任何课程的改革和建设都不可能做到一劳永逸。随着时代的发展和科学技术的进步，只有不断地总结教学经验、不断地改进教学方法和手段、不断地更新教学内容，才能真正打造出与时俱进的世界一流课程，从而培养出品学兼优的拔尖人才，最终建成一个如图1所示的可持续性发展的高等教育生态循环系统。

五、结语

《空间数据分析基础》课程的改革和实践证明，航天类“课程思政”要以介绍中国航天科技发展历程为出发点，让学生学习并继承“两弹一星”老一辈科学家的爱国奉献和勇于攀登的精神，从而将空天报国情怀厚植于年轻人的心里。这种以课程学科发展史来挖掘思政教育元素的方法可以推广到其他理工类专业课程的思政教育中。

此外，一流航天类专业课程可以通过设置研究型课程配套实验和“半翻转课堂”的教学模式来培养学生深度分析和大胆质疑的意识以及勇于创新的精神和自主学习的能力。学生在规定时间内完成预定的自学内容以后，教师可以通过课堂提问和课后作业完成情况检查学生的学习效果，然后根据存在的问题重点讲解一些难点知识。此外，通过让学生自己讲解课后作业的方式，可以敦促学生把问题搞清楚，杜绝抄作业的“混学”模式，同时锻炼学生的思维能力、口头表达能力以及与人沟通的能力。

“半翻转课堂”不仅实现了“教”与“学”的翻转，而且还实现了学生“玩”与“学”的翻转，让学生赢得了更多的学习时间，学习效率也得到较大提高，同时增进了师生互动与生生互动，获得了良好的教学效果。

注释：

① “课程思政”是将高校思想政治教育融入课程教学和改革的各环节、各方面，实现立德树人，润物无声。

② “两弹一星”指核弹(原子弹、氢弹)、导弹和人造卫星。共有23位科学家获得“两弹一星”功勋奖章。在研制“两弹一星”的过程中，形成了“热爱祖国、无私奉献、自力更生、艰苦奋斗，大力协同和勇于攀登”的“两弹一星”精神。