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摘 要 总结“空间粒子辐射探测技术与应用”专题研讨课程建设与改革中以大工程观教育理念为指导，在教材编写、教学与研讨内容设计、大工程体验、宏思维能力培养等方面进行的有益探索与实践。
关键词 大工程观；专题研讨课；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）12-0132-03
Exploration of Teaching Reform of Special Topic Seminar based on View of Engineering with a Big E//LIU Guofu， LI Hui
Abstract In this paper， some useful explorations and practices under the guidance of the view of engineering with a big E in the construction and reform of the special topic seminar， the detection technology and application of space particles radiation， have been illustrated in many aspects， such as the textbook compilation， the design of teaching and seminar contents， the direct experience with megaprojects， and the development of the ability of macro-thinking.
Key words view of engineering with a big E； special topic seminar； teaching reform
1 对基于大工程观教育理念的课程教学改革的认识
大工程观由20世纪90年代时任MIT工学院院长的Joel Moses首次提出后，由于其实践性、整合性、创新性等特点，越来越受到工程教育界的认可[1]。未来的优秀工程师应该具备大工程观，这既是科技发展的趋势、学科交融的必然，又是社会的需求。李培根院士在Moses大工程观的基础上，对什么是大工程观给出一个明确的定义，即大工程观包括宏大或复杂工程视野、工程的多学科视野及其所需要的科学基础素养，此外还应包含相应的人文情怀及工程组织素养[2]。他同时指出，树立大工程观是工程本身的需要，是工程孕育与成长的需要，是创新的需要，是卓越工程师培养的需要，归根结底，是涉及我国能否成为创新型国家的大事[2]。
大工程观教育是重视工程教育的系统性和完整性，在培养学生良好的技术水平和人文素质的基础上，全面提高学生综合素质和能力的一种创新教育模式，是在体现时代性、把握规律性、富于创造性的教育教学实践中开辟的一条新路[3]。大工程观教育理念强调培养学生良好的多学科视野和扎实的基础知识、自学习和自教育能力、宏思维能力，给予学生较多的大工程体验机会。我国在大工程观意识培养方面刚刚起步，如何充分利用现有的科学技术手段和教学资源，最大化、最有效地培养工学专业学生的大工程意识，是一个富有挑战性的研究课题。
一般认为在高等工程教育改革中占据核心地位的课程和教学改革是践行大工程观的最佳载体和实现途径，在人才培养过程中应通过完善课程设置、深化课程体系和教学改革加以体现[4-5]。相对于其他传统课程，专题研讨课由于以下几个原因，更适合在教学中贯彻大工程观教育理念。
一是专题研讨课是以研究和讨论为主要教学方式的创新型、研究型课程，给学生创造了一个在合作环境下进行研究型学习的机会，锻炼了学生的合作交流能力与批判性思维能力。
二是研究和讨论的内容主要围绕某一工程学术领域，并结合教师自身的工程研究经历进行选题，这就保证了学生能拥有体验工程的环境和接触到最新的工程科技前沿。
三是研讨课的交流方式提供了一个开放、宽松、积极的学习空间，它可以激发学生从各自学科背景出发，进行跨学科的理论思考，多侧面、多角度地对相关研讨主题进行细分、剖析和推演，从而深化和完善对某一问题的理解[6-9]。
笔者从2011年起开始承担专题研讨课“空间粒子辐射探测技术与应用”的建设与教学任务，经过几年的教学实践，以大工程观教育理念为指导，在课程教材编写、教学与研讨内容设计、大工程体验、宏思维能力培养等方面进行了一些有益的探索与实践，下面就这些问题谈谈自己的看法。
2 基于大工程观教育理念的专题研讨课教学实践
基于大工程观的课程教材编写 大工程观的核心内容是：工程教育应打破学科壁垒，与多学科进行融合，使培养对象具有整体的知识体系，并为其提供充分的实践机会。这种为工程实际服务的工程教育观克服了传统工程教育过分强调专业化、科学化从而割裂工程本身的弊端，凸显了工程本身的系统性和完整性。整体论思想是大工程观的典型特征，而一门课程的教材质量从教学源头上影响着该门课程的教学质量，因此，用大工程观思想统领课程教材编写恰到好处。
由于对空间粒子的探测是人们进行航天活动的基本技术保障，是人们进行空间探测、研究太空物理学现象的基本方法，也是人们认识和研究太空、向太空进军的首要条件，因而空间粒子探测技术得到了高速发展。目前，基于空间粒子探测的国内外大型工程项目，如国内的暗物质探测计划，美国主导的阿尔法磁谱仪项目（AMS-02）、钱德拉X射线天文台和费米γ射线望远镜，意大利主导的帕梅拉（PAMELA）宇宙射线探测器，日本主导的CALET国际空间探索计划等，有的处在样机研制阶段，有的已经在轨运行，这些都为基于大工程观的课程教材编写和教学提供了广阔的工程背景和素材。 基于大工程观思想，结合当今空间粒子探测技术的发展状况，编写《空间粒子辐射探测技术基础》研讨课教材，对空间粒子辐射探测技术作了比较全面系统的论述。全书内容共分为四大部分共九章：第一部分分两章，介绍空间粒子辐射探测的基础知识，空间粒子辐射环境和空间粒子辐射探测的基本原理；第二部分分三章，介绍空间粒子辐射探测器、空间粒子辐射探测电子学系统和空间粒子鉴别/甄别技术；第三部分分三章，介绍空间带电粒子探测方法、空间X射线与γ射线探测方法以及空间中子探测方法；第四部分介绍目前在轨运行的几个典型空间大型粒子探测器的工作原理。为满足研讨课程教学的需要，全书不仅提供了大量的习题与思考题，还结合实际工程项目提供了18个研讨题目，丰富和完善了教材内容。
基于大工程观的教学与研讨内容设计[9] 根据“空间粒子辐射探测技术与应用”专题研讨课主要知识点的内在逻辑关系，设计的教学内容包含四个模块（对应课程教材的四部分内容），每个模块中又布置了四个左右的研讨题目供学生选择。这些研讨题目在教材中没有现成答案，学生需要查阅大量文献资料才能完全理解。比如在第一部分的教学内容中讲述了空间粒子辐射探测技术的发展现状、特点与趋势，对空间粒子辐射对卫星、航天器和人类空间/地面活动的危害以及空间粒子辐射探测的物理意义和应用意义没有过多阐述，就把这些内容作为研讨内容，让学生越辩越明。
另外，还将当年国际会议、研讨会以及期刊上的有关粒子辐射探测技术的最新进展经过整理给学生讲解并设计研讨内容。比如，2013年4月，丁肇中教授在欧洲核子中心召开新闻发布会，公布了ASM02实验的第一个物理结果，随后这个结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letter）上。随即给学生分析讲解这篇文章，并布置一道研讨题目：“怎么理解这次研究成果是朝着人类认识暗物质方向前进的重要一步，但不是最终答案？”教学过程中，这些做法和研讨内容都非常受学生欢迎。
基于大工程观的大工程体验 在学校课程教学中，虽然让学生真刀真枪在某一真正的大工程中进行实践的机会很少，但结合科研条件，采取一些措施，有意识地建立起便于学生体验的大工程环境，尽可能地让学生去感受和想象大工程[2]。下面举两个教学实践案例来说明，分别针对在轨运行和样机研制阶段的大工程体验。
【案例1】2009年，美国NASA发射的月球轨道探测器携带的月球勘测中子探测器LEND，是第一台能对月球超热中子辐射精确成像的中子望远镜。LEND的主要组成是八个3He正比计数器和一个闪烁体探测器。尽管只能通过视频、录像、报导和论文来感受LEND的倩影和魅力，但实验室购买有3He正比计数器和闪烁体探测器以及相关的电子学线路。因此，在介绍LEND时把学生带到科研实验室，让他们近距离观察和使用这些设备。值得一提的是，有一组学生利用闪烁体探测器设计了一台办公环境中子/γ监测仪，参加了学校组织的虚拟仪器大赛，并荣获二等奖。
【案例2】目前国际上对暗物质的探测竞争激烈，世界主要大国都出台了相应的暗物质探测计划。让学生分组查阅资料，了解国内外在间接探测、直接探测和加速器探测暗物质方面正在进行和计划进行的科学实验，并比较这三种寻找暗物质的方式各有什么优缺点。在此基础上，学生可以去想象设计出暗物质探测器。实践表明，只有让学生更大程度地具有大工程观，只有让更多的学生具有大工程观，想象空间才能扩大，创新和创业能力才能大大提高。
基于大工程观的宏思维能力培养 宏思维能力是指对一些宏观问题、重大问题、事物进行整体联系的观察、感觉和思辨能力[2，10]。宏思维能力需要对社会问题的关注，需要哲学素养，需要人文情怀。所有这些恰恰是未来优秀工程师也应该具备的。在讲授空间粒子探测技术课程过程中，在大工程观教育理念下就有意识地培养学生的宏思维能力采取如下措施。
一是给学生讲清楚课程的性质和意义。空间粒子探测技术是一门探索宇宙空间奥秘的课程，它研究的粒子能量由10-4电子伏特（宇宙背景辐射）到1020电子伏特的硬γ射线（可见光光子只在大约1.6～3.2电子伏特的很小的一段范围内），这些粒子来自人类周围星体世界的大宇宙，从太阳系、银河系直到河外系，采用的技术手段却是粒子与物质的相互作用。本门课程将人类对“小宇宙”和“大宇宙”的研究有机地结合起来。
二是将课程的作用阐释清楚。正是由于现代的由人造卫星、航天飞机或空间站携带的各种X射线、γ射线、高能带电粒子望远镜对宇宙射线的探测能力很强，科学家得以突破大气层的屏障，系统地研究宇宙中存在的各种高能粒子射线以及发射高能射线的各种奇特的星体，观测到许许多多奇妙的现象，使得人类对宇宙的起源、演变、结构以及支配宇宙的物理规律得以更全面深入地了解，人类认识宇宙的窗口也随之扩展。
三是通过讲授宇宙射线观测的基本原理和历史发展，并介绍几个有代表性的高能天体物理探测器，如阿尔法磁谱仪AMS和帕梅拉（PAMELA）宇宙射线探测器，使学生对粒子辐射探测器的研制与应用有一个较全面的认识，增强大工程意识，增强国际合作意识。
3 总结
如何在人才培养过程中践行大工程观教育理念，是近年来高等工程教育界一直思考与探索的重大问题之一。大工程教育是系统工程，只有相关人员共同努力，才能实现改革目标。作为任课教师，首要任务是在所讲授课程中贯彻大工程观教育理念，发扬“没有条件，创造条件也要上”的精神，采取积极的态度进行改革。只有不断总结经验和教训，才能使改革健康推进。
参考文献
[1]谢笑珍.“大工程观”的涵义、本质特征探析[J].高等工程教育研究，2008（3）：35-38.
[2]李培根.工程教育需要大工程观[J].高等工程教育研究，2011（3）：1-3.
[3]孙立民.关于大工程观下高等工程教育改革思路的思考[J].教育教学论坛，2010（33）：18-19.
[4]王淑芳，金涌.大工程观教育理念下工程教育课程体系与教学改革[J].化工高等教育，2011（1）：13-19.
[5]林华，曾鸿鹄.基于大工程观的工科专业课程教学一体化建设[J].当代教育理论与实践，2012（11）：71-73.
[6]李军.利用Seminar教学模式提高教学质量[J].中国电力教育，2010（10）：75-76.
[7]白福臣.德国大学的研讨课教学模式探究[J].产业与科技论坛，2008（7）：249-250.
[8]蓝江桥.浅析研讨课的教学方法[J].空军雷达学院学报，2006（3）：219-221.
[9]刘国福，杨俊，熊艳.本科生专题研讨课教学的认识与实践[J].高等教育研究学报，2012（3）：63-64.
[10]李培根.谈专业教育中的宏思维能力培养[J].中国高等教育，2009（1）：16-17.
关键词 大工程观；专题研讨课；教学改革
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）12-0132-03
Exploration of Teaching Reform of Special Topic Seminar based on View of Engineering with a Big E//LIU Guofu， LI Hui
Abstract In this paper， some useful explorations and practices under the guidance of the view of engineering with a big E in the construction and reform of the special topic seminar， the detection technology and application of space particles radiation， have been illustrated in many aspects， such as the textbook compilation， the design of teaching and seminar contents， the direct experience with megaprojects， and the development of the ability of macro-thinking.
Key words view of engineering with a big E； special topic seminar； teaching reform
1 对基于大工程观教育理念的课程教学改革的认识
大工程观由20世纪90年代时任MIT工学院院长的Joel Moses首次提出后，由于其实践性、整合性、创新性等特点，越来越受到工程教育界的认可[1]。未来的优秀工程师应该具备大工程观，这既是科技发展的趋势、学科交融的必然，又是社会的需求。李培根院士在Moses大工程观的基础上，对什么是大工程观给出一个明确的定义，即大工程观包括宏大或复杂工程视野、工程的多学科视野及其所需要的科学基础素养，此外还应包含相应的人文情怀及工程组织素养[2]。他同时指出，树立大工程观是工程本身的需要，是工程孕育与成长的需要，是创新的需要，是卓越工程师培养的需要，归根结底，是涉及我国能否成为创新型国家的大事[2]。
大工程观教育是重视工程教育的系统性和完整性，在培养学生良好的技术水平和人文素质的基础上，全面提高学生综合素质和能力的一种创新教育模式，是在体现时代性、把握规律性、富于创造性的教育教学实践中开辟的一条新路[3]。大工程观教育理念强调培养学生良好的多学科视野和扎实的基础知识、自学习和自教育能力、宏思维能力，给予学生较多的大工程体验机会。我国在大工程观意识培养方面刚刚起步，如何充分利用现有的科学技术手段和教学资源，最大化、最有效地培养工学专业学生的大工程意识，是一个富有挑战性的研究课题。
一般认为在高等工程教育改革中占据核心地位的课程和教学改革是践行大工程观的最佳载体和实现途径，在人才培养过程中应通过完善课程设置、深化课程体系和教学改革加以体现[4-5]。相对于其他传统课程，专题研讨课由于以下几个原因，更适合在教学中贯彻大工程观教育理念。
一是专题研讨课是以研究和讨论为主要教学方式的创新型、研究型课程，给学生创造了一个在合作环境下进行研究型学习的机会，锻炼了学生的合作交流能力与批判性思维能力。
二是研究和讨论的内容主要围绕某一工程学术领域，并结合教师自身的工程研究经历进行选题，这就保证了学生能拥有体验工程的环境和接触到最新的工程科技前沿。
三是研讨课的交流方式提供了一个开放、宽松、积极的学习空间，它可以激发学生从各自学科背景出发，进行跨学科的理论思考，多侧面、多角度地对相关研讨主题进行细分、剖析和推演，从而深化和完善对某一问题的理解[6-9]。
笔者从2011年起开始承担专题研讨课“空间粒子辐射探测技术与应用”的建设与教学任务，经过几年的教学实践，以大工程观教育理念为指导，在课程教材编写、教学与研讨内容设计、大工程体验、宏思维能力培养等方面进行了一些有益的探索与实践，下面就这些问题谈谈自己的看法。
2 基于大工程观教育理念的专题研讨课教学实践
基于大工程观的课程教材编写 大工程观的核心内容是：工程教育应打破学科壁垒，与多学科进行融合，使培养对象具有整体的知识体系，并为其提供充分的实践机会。这种为工程实际服务的工程教育观克服了传统工程教育过分强调专业化、科学化从而割裂工程本身的弊端，凸显了工程本身的系统性和完整性。整体论思想是大工程观的典型特征，而一门课程的教材质量从教学源头上影响着该门课程的教学质量，因此，用大工程观思想统领课程教材编写恰到好处。
由于对空间粒子的探测是人们进行航天活动的基本技术保障，是人们进行空间探测、研究太空物理学现象的基本方法，也是人们认识和研究太空、向太空进军的首要条件，因而空间粒子探测技术得到了高速发展。目前，基于空间粒子探测的国内外大型工程项目，如国内的暗物质探测计划，美国主导的阿尔法磁谱仪项目（AMS-02）、钱德拉X射线天文台和费米γ射线望远镜，意大利主导的帕梅拉（PAMELA）宇宙射线探测器，日本主导的CALET国际空间探索计划等，有的处在样机研制阶段，有的已经在轨运行，这些都为基于大工程观的课程教材编写和教学提供了广阔的工程背景和素材。 基于大工程观思想，结合当今空间粒子探测技术的发展状况，编写《空间粒子辐射探测技术基础》研讨课教材，对空间粒子辐射探测技术作了比较全面系统的论述。全书内容共分为四大部分共九章：第一部分分两章，介绍空间粒子辐射探测的基础知识，空间粒子辐射环境和空间粒子辐射探测的基本原理；第二部分分三章，介绍空间粒子辐射探测器、空间粒子辐射探测电子学系统和空间粒子鉴别/甄别技术；第三部分分三章，介绍空间带电粒子探测方法、空间X射线与γ射线探测方法以及空间中子探测方法；第四部分介绍目前在轨运行的几个典型空间大型粒子探测器的工作原理。为满足研讨课程教学的需要，全书不仅提供了大量的习题与思考题，还结合实际工程项目提供了18个研讨题目，丰富和完善了教材内容。
基于大工程观的教学与研讨内容设计[9] 根据“空间粒子辐射探测技术与应用”专题研讨课主要知识点的内在逻辑关系，设计的教学内容包含四个模块（对应课程教材的四部分内容），每个模块中又布置了四个左右的研讨题目供学生选择。这些研讨题目在教材中没有现成答案，学生需要查阅大量文献资料才能完全理解。比如在第一部分的教学内容中讲述了空间粒子辐射探测技术的发展现状、特点与趋势，对空间粒子辐射对卫星、航天器和人类空间/地面活动的危害以及空间粒子辐射探测的物理意义和应用意义没有过多阐述，就把这些内容作为研讨内容，让学生越辩越明。
另外，还将当年国际会议、研讨会以及期刊上的有关粒子辐射探测技术的最新进展经过整理给学生讲解并设计研讨内容。比如，2013年4月，丁肇中教授在欧洲核子中心召开新闻发布会，公布了ASM02实验的第一个物理结果，随后这个结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letter）上。随即给学生分析讲解这篇文章，并布置一道研讨题目：“怎么理解这次研究成果是朝着人类认识暗物质方向前进的重要一步，但不是最终答案？”教学过程中，这些做法和研讨内容都非常受学生欢迎。
基于大工程观的大工程体验 在学校课程教学中，虽然让学生真刀真枪在某一真正的大工程中进行实践的机会很少，但结合科研条件，采取一些措施，有意识地建立起便于学生体验的大工程环境，尽可能地让学生去感受和想象大工程[2]。下面举两个教学实践案例来说明，分别针对在轨运行和样机研制阶段的大工程体验。
【案例1】2009年，美国NASA发射的月球轨道探测器携带的月球勘测中子探测器LEND，是第一台能对月球超热中子辐射精确成像的中子望远镜。LEND的主要组成是八个3He正比计数器和一个闪烁体探测器。尽管只能通过视频、录像、报导和论文来感受LEND的倩影和魅力，但实验室购买有3He正比计数器和闪烁体探测器以及相关的电子学线路。因此，在介绍LEND时把学生带到科研实验室，让他们近距离观察和使用这些设备。值得一提的是，有一组学生利用闪烁体探测器设计了一台办公环境中子/γ监测仪，参加了学校组织的虚拟仪器大赛，并荣获二等奖。
【案例2】目前国际上对暗物质的探测竞争激烈，世界主要大国都出台了相应的暗物质探测计划。让学生分组查阅资料，了解国内外在间接探测、直接探测和加速器探测暗物质方面正在进行和计划进行的科学实验，并比较这三种寻找暗物质的方式各有什么优缺点。在此基础上，学生可以去想象设计出暗物质探测器。实践表明，只有让学生更大程度地具有大工程观，只有让更多的学生具有大工程观，想象空间才能扩大，创新和创业能力才能大大提高。
基于大工程观的宏思维能力培养 宏思维能力是指对一些宏观问题、重大问题、事物进行整体联系的观察、感觉和思辨能力[2，10]。宏思维能力需要对社会问题的关注，需要哲学素养，需要人文情怀。所有这些恰恰是未来优秀工程师也应该具备的。在讲授空间粒子探测技术课程过程中，在大工程观教育理念下就有意识地培养学生的宏思维能力采取如下措施。
一是给学生讲清楚课程的性质和意义。空间粒子探测技术是一门探索宇宙空间奥秘的课程，它研究的粒子能量由10-4电子伏特（宇宙背景辐射）到1020电子伏特的硬γ射线（可见光光子只在大约1.6～3.2电子伏特的很小的一段范围内），这些粒子来自人类周围星体世界的大宇宙，从太阳系、银河系直到河外系，采用的技术手段却是粒子与物质的相互作用。本门课程将人类对“小宇宙”和“大宇宙”的研究有机地结合起来。
二是将课程的作用阐释清楚。正是由于现代的由人造卫星、航天飞机或空间站携带的各种X射线、γ射线、高能带电粒子望远镜对宇宙射线的探测能力很强，科学家得以突破大气层的屏障，系统地研究宇宙中存在的各种高能粒子射线以及发射高能射线的各种奇特的星体，观测到许许多多奇妙的现象，使得人类对宇宙的起源、演变、结构以及支配宇宙的物理规律得以更全面深入地了解，人类认识宇宙的窗口也随之扩展。
三是通过讲授宇宙射线观测的基本原理和历史发展，并介绍几个有代表性的高能天体物理探测器，如阿尔法磁谱仪AMS和帕梅拉（PAMELA）宇宙射线探测器，使学生对粒子辐射探测器的研制与应用有一个较全面的认识，增强大工程意识，增强国际合作意识。
3 总结
如何在人才培养过程中践行大工程观教育理念，是近年来高等工程教育界一直思考与探索的重大问题之一。大工程教育是系统工程，只有相关人员共同努力，才能实现改革目标。作为任课教师，首要任务是在所讲授课程中贯彻大工程观教育理念，发扬“没有条件，创造条件也要上”的精神，采取积极的态度进行改革。只有不断总结经验和教训，才能使改革健康推进。
参考文献
[1]谢笑珍.“大工程观”的涵义、本质特征探析[J].高等工程教育研究，2008（3）：35-38.
[2]李培根.工程教育需要大工程观[J].高等工程教育研究，2011（3）：1-3.
[3]孙立民.关于大工程观下高等工程教育改革思路的思考[J].教育教学论坛，2010（33）：18-19.
[4]王淑芳，金涌.大工程观教育理念下工程教育课程体系与教学改革[J].化工高等教育，2011（1）：13-19.
[5]林华，曾鸿鹄.基于大工程观的工科专业课程教学一体化建设[J].当代教育理论与实践，2012（11）：71-73.
[6]李军.利用Seminar教学模式提高教学质量[J].中国电力教育，2010（10）：75-76.
[7]白福臣.德国大学的研讨课教学模式探究[J].产业与科技论坛，2008（7）：249-250.
[8]蓝江桥.浅析研讨课的教学方法[J].空军雷达学院学报，2006（3）：219-221.
[9]刘国福，杨俊，熊艳.本科生专题研讨课教学的认识与实践[J].高等教育研究学报，2012（3）：63-64.
[10]李培根.谈专业教育中的宏思维能力培养[J].中国高等教育，2009（1）：16-17.