“新工科”背景下公共基礎課教學理念的構(gòu)建

王剛

[摘要]“新工科”建設提出工程教育要促進學生全面發(fā)展，培養(yǎng)科學基礎厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的人才。公共基礎課程教學要圍繞新工科人才培養(yǎng)目標，與時俱進，不斷地進行教學內(nèi)容、教學方法方面的改革，為新工科建設保駕護航。

[關鍵詞]新工科;工程教育;工程認證;基礎課教學

[中圖分類號]G642 [文獻標識碼]A [文章編號]2095-3437（2019）12-0074-03

綜觀人類社會發(fā)展史可以看出，每當人類在科學技術領域取得重大突破時，人類知識就會快速增長，同時必將伴隨工業(yè)革命的發(fā)生。而新知識帶來新思維，為培養(yǎng)適應新工業(yè)革命需求的人才，人類教育方式、學習方式也會發(fā)生巨大變革。目前世界正處在第四次工業(yè)革命的前夜，這次革命以互聯(lián)網(wǎng)和人工智能在生產(chǎn)、生活各個方面的廣泛應用為其主要特點，世界上發(fā)達經(jīng)濟體都在努力抓住這一歷史機遇，爭取成為領航者。“新工科”建設正是在這樣的背景下提出的，它是高等教育為了適應第四次工業(yè)革命對人才的需求而進行的一次教育變革。

習近平總書記指出：“我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈?！?/p>

“復旦共識”和“天大行動”提出工程教育要培養(yǎng)新興工程科技人才，探索實施工程教育人才培養(yǎng)的“新模式”，打造具有國際競爭力的工程教育“新質(zhì)量”，建立完善中國特色工程教育的“新體系”，實現(xiàn)我國從工程教育大國走向工程教育強國的轉(zhuǎn)變。工程教育要推動學科交叉整合和跨界整合，產(chǎn)生新的技術，培育新的工科領域，積極發(fā)展新興工科，大力培養(yǎng)工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新人才，服務產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。促進科學教育、人文教育、工程教育的有機融合，促進學生全面發(fā)展，培養(yǎng)科學基礎厚、工程能力強、綜合素質(zhì)高的人才。工程教育要改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的工程教育模式。

“復旦共識”和“天大行動”提出的對工程人才知識和能力的要求與工程認證標準中對工科專業(yè)畢業(yè)生的知識和能力要求相統(tǒng)一，為工程教育如何培養(yǎng)適應社會需要的人才指明了方向。大學物理和高等數(shù)學作為兩門重要的基礎課程在培養(yǎng)工程人才中發(fā)揮重要作用，這一點在工程認證標準中也得到了體現(xiàn)。大學物理與高等數(shù)學教學如何才能更好地為“新工科”建設服務呢？

一、滲透工程認證理念，以“問題為導向”組織教學

我們以國家電氣工程專業(yè)認證標準為例，標準1：掌握一定的電氣工程知識，能夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識用于解決電氣工程領域的復雜工程問題;標準2：具備一定的工程問題分析能力，能夠應用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研究分析電氣工程領域的復雜工程問題，以獲得解決電氣工程問題的有效結(jié)論。

臺灣銘傳大學信息學院中的信息傳播工程學系定義的核心能力的第一部分是“學生的專業(yè)知識”，專業(yè)知識的第一條是“運用數(shù)學、科學以及工程知識的能力（穩(wěn)固基礎）”。

從認證標準可以看出，工科學生要具備扎實的數(shù)學和物理學知識，能否運用這些知識解決工程問題是判斷學生是否掌握知識的依據(jù)。

“新工科”建設提出工程教育要不斷更新教學內(nèi)容和課程體系來適應產(chǎn)業(yè)和技術的發(fā)展，提高課程興趣度、學業(yè)挑戰(zhàn)度。推進產(chǎn)學合作、產(chǎn)教融合、科教協(xié)同，構(gòu)建新工科人才能力體系，培養(yǎng)大批具有較強行業(yè)背景知識、工程實踐能力、勝任行業(yè)發(fā)展需求的應用型和技術技能型人才。

“新工科”建設的理念與工程認證理念一脈相承，其核心就是工程教育的各個環(huán)節(jié)最終目的是讓學生理論聯(lián)系實際，學會運用知識解決工程問題?！敖淌裁从肋h比如何教重要”，大學物理教學和高等數(shù)學教學要努力體現(xiàn)新工科建設理念，加強應用性改革，將理論知識與工程問題相結(jié)合，要讓學生在運用知識解決問題的過程中掌握知識。

目前，大學物理課程教學還是較為注重知識的邏輯性，強調(diào)解題技巧，對學生成績的評定還是以解題為主，對學生缺乏吸引力。學生從書本中學習的是一些抽象的知識，很難看到物理知識的實際運用，同時由于知識深奧難懂，學生學習積極性自然不容易提高。高等數(shù)學也同樣如此，微積分知識對部分學生來說非常抽象，理解起來比較困難。如何通過增加知識的實用性來提高課程的興趣度，激發(fā)學生的求知欲是基礎課程改革的一大難點，下面筆者談一點自己的想法。

（一）把生活中的一些實際事例轉(zhuǎn)化為研究問題

在解決問題的過程中學習知識，這是以“問題為導向”開展教學最直接有效的途徑，一方面可以突出知識的實用性，另一方面可以把抽象的知識形象化。以光學中圓孔衍射知識為例，衍射知識的原理比較抽象，不管是數(shù)學分析還是文字描述，不少學生理解起來都比較困難，更別說用來分析問題了。圓孔衍射作為一種典型的衍射現(xiàn)象，如果照本宣科，學生往往對內(nèi)容沒什么興趣，在教學中，如果首先從分析人眼的結(jié)構(gòu)及人眼是如何區(qū)分物體這個問題人手，就會極大地提高學生學習的興趣。其從生活常識角度去理解最小分辨角概念，從而解決了本節(jié)最難也是最有實用價值的知識點;由此更進一步分析其在工程上的應用，要想設計一個分辨率很高的光學儀器，如天文望遠鏡，應如何提高其分辨率。只要我們深入挖掘，就能針對課本內(nèi)容尋找對應的實際事例轉(zhuǎn)化為研究問題來提高學生理論聯(lián)系實際的能力。

（二）以“工程實例問題”為切入點，強化知識的應用性，促進知識交叉整合

數(shù)學知識和物理知識的綜合運用能力是工科學生必須具備的能力，綜合運用能力不僅指的是數(shù)學知識的綜合運用、物理知識的綜合運用，它們之間也是緊密聯(lián)系的，物理為數(shù)學提供模型，數(shù)學是解決物理問題的工具。嚴格來說，不同的工科專業(yè)都是在發(fā)展到一定階段后才從物理這個大家庭中獨立出去的，每一工科專業(yè)都要綜合運用物理、數(shù)學知識，只是由于專業(yè)的不同在某一方面有所側(cè)重，具有扎實的基礎知識有利于學科的交叉融合，這是新工科建設中培養(yǎng)人才的一個重要方面。我們在教學中可以在課堂上針對某一工程實例進行探討、分析，也可以以研究性學習的方式讓學生課外對工程問題進行探究。

掌握完整的基礎科學知識體系對學生綜合能力素質(zhì)的提升有重要作用，但對于不同專業(yè)的學生，我們在保證其知識體系完整的情況下，還要根據(jù)不同專業(yè)的特點選取不同的工程問題來提高學生對工程問題的分析、解決能力。如對土木建筑、機械制造等相關專業(yè)，力學的內(nèi)容與學生的專業(yè)學習有更大相關性，教學中就要對這部分內(nèi)容有所側(cè)重，要把這部分內(nèi)容與學生的專業(yè)課程聯(lián)系起來，選取一些典型實例，在對實例的分析、研究中掌握知識，拓展知識的應用，實現(xiàn)工程認證中學生所需的能力的培養(yǎng)。

（三）把“科技熱點問題”引入課堂，體現(xiàn)知識應用的時代性

當今世界，生物技術、通信技術、航空航天技術、能源技術等領域在不斷進步，許多新技術已在我們生活中得到了實際應用，這些新技術的原理大多可以用所學的原理來解釋，教師要關注這些科技成果，發(fā)掘其中能用課本知識解釋的內(nèi)容，引入教學中，進一步強化基礎知識的應用性，提高學生學習興趣。

二、加強教學方法研究，適應新工科培養(yǎng)人才要求

隨著科學技術在教育領域的滲透，教育教學的方式、方法都有了巨大的變革，教師要不斷地學習這些新科技，使教學方法能跟上時代發(fā)展。

（一）轉(zhuǎn)變教學理念，改進教學方法適應科技發(fā)展

隨著網(wǎng)絡技術和智能手機的發(fā)展，學生變成了“數(shù)字原住民”，其特點是把科技語言變成了母語，大學生的學習方式正在逐漸改變。新工科建設及工程認證就是為了適應這種新變化而形成的，基礎課的教學方法也要適應這種新變化，要逐漸為學生提供同步、半同步、非同步學習。教師要成為“感性的教練”，而不是信息的管道，教師的工作不是向?qū)W生灌輸知識，而是給學生提供合理的情境，讓學生去感受。

作為一個二本院校，我校學生的知識基礎整體較差，學生的知識結(jié)構(gòu)不完整，自學能力不強。在這種情況下，課堂教學的主陣地作用不但不能削弱，還要有所加強，課堂教學不但要幫助學生打好基礎，還要讓學生學會學習、主動學習。由于課堂教學的時間畢竟有限，為了更好地幫學生打牢基礎，必須利用現(xiàn)代科學技術，使課堂教學在時間上得以延伸，在空間上得到拓展，教師必須主動學習一些新的教育教學技術，利用網(wǎng)絡課程提供所有教學資料，讓學有余力的學生自學一些新知識。讓學習有困難的學生能消化課堂所學內(nèi)容。

（二）加強建模教學，促進知識交叉融合

工程認證是從學生獲得的能力角度來判斷教學質(zhì)量高低的，開展建模教學能更好培養(yǎng)學生能力，滿足“新工科”建設的需要。教師要精選一些工程實例，指導學生按照科學研究的一般思路先提出假設，建立模型，運用數(shù)學工具分析模型，用建立的模型來分析實際問題，找出模型存在的不足進行完善。在建模教學中，大學物理和高等數(shù)學如果能夠有機地結(jié)合在一起，會起到事半功倍的效果。

圍繞實際問題建立模型可以激發(fā)學生的興趣和探索自然的欲望，有助于其整合知識，把知識的整體結(jié)構(gòu)化。如核電站模型，除了要進行結(jié)構(gòu)方面的設計，還要考慮材料、環(huán)保等方面的問題，這些知識的綜合運用，就會讓學生的各科知識有效地整合在一起，形成解決問題的有效思路，而不僅僅是從物理、數(shù)學角度形成的一些抽象的概念與公式;另外，模型建立的過程也是學生形成自己的學習方法，培養(yǎng)終生學習能力的有效途徑。

（三）探索開展合作學習的新途徑、新方法，培養(yǎng)團隊意識

“新工科”建設要培養(yǎng)高素質(zhì)的工程技術人員中，學生綜合素質(zhì)培養(yǎng)中團隊合作意識是其中一個重要方面。工程認證標準中標準9、標準12分別是“具備團隊合作能力，能夠在多學科背景下的團隊中承擔個體、團隊成員以及負責人的角色”，“具有終身學習的能力，具有自主學習和終身學習的意識，在電氣工程領域有不斷學習和適應發(fā)展的能力”。

從現(xiàn)代科學技術的發(fā)展歷程來看，重大的科學技術成果已經(jīng)不是伽利略、牛頓時代憑個人的聰明才智就能實現(xiàn)重大突破的，團隊合作已經(jīng)是科學研究的主要形式，合作能力、團隊意識是未來工程領袖人才必須具備的能力。

從學生學習角度來看，研究表明，學生運用材料獨自學習很快就會達到一個瓶頸而導致學習效果提升得很慢，小組合作學習效果比獨自學習好，而教別人學習的效果最好，可以掌握新知識的90%。

在理論課、實驗課的學習中，我們要積極探索合作學習的方式、方法，理論課可以讓學生組成學習小組共同完成作業(yè)、寫作教學小論文等;實驗課組成實驗小組，共同設計實驗步驟、進行實驗數(shù)據(jù)采集、完成實驗報告;還可以通過網(wǎng)絡學習形式探討學習中遇到的各種問題，互相促進，提高學習效率。我們要根據(jù)不同的教學內(nèi)容，采取不同的組合方式，讓學生之間互相取長補短。

三、發(fā)揮通識課程優(yōu)勢，培養(yǎng)具有全面素養(yǎng)的新工科人才

“天大行動”中指出，工程教育要“促進學生的全面發(fā)展，把握新工科人才的核心素養(yǎng)，強化工科學生的家國情懷、全球視野、法治意識和生態(tài)意識，培養(yǎng)設計思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，提升創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、跨學科交叉融合、自主終身學習、溝通協(xié)商能力和工程領導力”。

國家電氣工程專業(yè)認證標準中的標準3、標準6、標準8都重點指出工程人才在工作中要全面考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環(huán)境等因素，理解應承擔的責任;其中標準8的內(nèi)容是“具有人文社會科學素養(yǎng)、社會責任感，能夠在電氣工程實踐中理解并遵守工程職業(yè)道德和規(guī)范，履行責任”。

臺灣銘傳大學信息學院中的信息傳播工程學系定義的核心能力中第三部分為“學生的社會責任”，指出學生要“解專業(yè)倫理及社會責任（社會倫理）”。

從中可以看出，工程人員的倫理道德、社會責任感及職業(yè)道德是工科人才的核心素養(yǎng)，這與我國傳統(tǒng)的思想中立德樹人的思想相一脈相承。我們首先要培養(yǎng)一個有道德的人，才能更好地為社會服務、為國家服務。在教學中，聯(lián)系一些背景知識介紹科學家的貢獻，介紹他們對科學的態(tài)度、他們的職業(yè)精神及他們社會責任感等。愛因斯坦作為一個偉大的科學家，他不僅是科學上的圣人，也是一個關注人類長遠發(fā)展、熱愛和平的偉人，晚年，他一直從事反對戰(zhàn)爭的社會活動，反對使用原子武器。萬維網(wǎng)的發(fā)明者伯納斯·李，《時代》周刊評價他的發(fā)明就像古代印刷術一樣，并且純粹是個人勞動成果，如果他把這個研究成果申請專利，他將成為我們這個時代最富有的人，但他把這個成果無償?shù)胤瞰I給了全人類。偉大的科學家?guī)Ыo我們的不僅是他們的研究成果，還有他們留下的寶貴的精神財富，讓學生認同這些精神財富是實現(xiàn)“新工科”培養(yǎng)目標的重要方面，也是工程認證中對學生能力要求的一個重要方面。

工程技術人員是改造自然界的執(zhí)行者，他們必須尊重自然、敬畏自然，用自己的知識來使自然界變得更加美好，更有利于人類的生存。物理學家們正是秉承這樣的理念開始科學研究的，我們要在教學中給學生介紹他們的思想與行為，讓學生受到科學精神的熏陶，并將其自覺轉(zhuǎn)化為自己的職業(yè)態(tài)度。

四、結(jié)束語

“新工科”是我國社會經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的產(chǎn)物，旨在為經(jīng)濟社會的發(fā)展、科學技術的創(chuàng)新提供人才支撐，大學物理和高等數(shù)學這兩門重要的基礎課程要以未來工程建設所需要的人才標準為指引，不斷地進行教學內(nèi)容更新、教學方法改革，來滿足智能化時代對我們的要求。