新工科建設課程的案例教學實踐

梁軍　　趙均　　張建明

［摘 要］新工科建設給課程教學改革帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)。文章以Z大學系統(tǒng)科學與工程課程為實踐背景，結合新工科要求，從案例教學法的實施要點、新工科形勢下課程教學面臨的新挑戰(zhàn)、課程案例教學改革的實施與成效等方面，開展系統(tǒng)科學與工程案例教學改革實踐活動，為類似工科課程教學改革積累經(jīng)驗、提供借鑒。

［關鍵詞］教學改革；案例教學法；新工科；系統(tǒng)科學與工程

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）06-0042-04

近年來，為深化高等工程教育改革和推動工程教育創(chuàng)新，教育部出臺了多項與新工科建設有關的舉措，標志著我國新工科建設已全面展開[1]。新工科建設涉及高等工程教育的方方面面，給傳統(tǒng)工程教育帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)，而本科教學改革無疑是其中關鍵的一環(huán)[2]。新工科的“新技術、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式”要求直接推動了傳統(tǒng)工科教學模式的改革，高校教師應主動轉變教育理念、更新教學方式，積極探索能激發(fā)學生學習興趣、促進學生能力提升的教學新方法，而案例教學法就是其中深受歡迎的一種[3-4]。

案例教學法由美國哈佛大學法學院院長蘭德爾于19世紀70年代首創(chuàng)，后經(jīng)不斷推廣應用與發(fā)展，逐漸成為各國法學、醫(yī)學和管理學等領域推崇的成功教育模式[5]，近年來我國教育界也大力提倡和推動案例教學法的應用。從目前公開發(fā)表的文獻資料來看，案例教學法多用于法學、醫(yī)學、商學、管理學等專業(yè)，理工科專業(yè)課程的案例教學應用較少。這可能與理工科課程多是傳授基本的理論知識、完整的應用案例較難獲取有關，同時也說明部分高校理工科專業(yè)教師對這一方法可能不熟悉，影響了這一方法的推廣應用。本文以Z大學系統(tǒng)科學與工程這一典型理工科課程為實踐背景，結合新工科建設要求，從案例教學法的實施要點、新工科形勢下課程教學面臨的新挑戰(zhàn)、課程案例教學改革的實施與成效等方面，開展系統(tǒng)科學與工程課程教學改革實踐活動，為類似理工科課程的教學改革積累經(jīng)驗、提供借鑒，為推廣應用案例教學法貢獻一個成功案例。

一、案例教學法的實施要點

案例教學法是一種由教師引導的啟發(fā)式教學模式，教師通過精心選擇的具體案例將學生引入特定的真實情境中，將理論知識與具體應用全面融合，通過學生對知識、理論、案例的獨立思考或集體協(xié)作分析，進一步提高學生分析和解決某一具體問題的能力。并且，相對于課程理論和知識內容的成熟和固化，靈活多樣的案例教學更能夠與時俱進，適應新工科建設的發(fā)展性要求。案例教學法的實施要點如下：

（一）確立教學目標，提出需要解決的問題

教學目標具有導向功能、控制功能和激勵功能。確立教學目標，就是明確通過案例教學要解決課程中什么層次上的什么問題，是對學生學習行為結果的一種規(guī)定，是學生學習該門課后必須達到的要求，也是完成教學任務、提高教學質量的重要前提和保證。

（二）優(yōu)化布局教學模塊，精選教學案例

根據(jù)課程的教學目標和知識體系，要先對課程內容優(yōu)化布局為既能完整覆蓋又有邏輯關聯(lián)和支撐的教學模塊，再為各教學模塊精心選擇教學案例。教學案例選擇要把握的原則有：既要配合各章節(jié)教學內容和要求，又要涵蓋整個課程知識主線，具備綜合性；既要具備知識性、思想性、方法性，與課程知識相吻合相匹配，又要注重新穎性、趣味性、代表性，能吸引學生且有說服力。具體的基本要求包括：情節(jié)應精練，篇幅不宜過長；同時關注與教學內容和目的相關的成功與失敗兩方面；與課程基本知識關聯(lián)，且有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維；具有一定的實用性，盡可能反映現(xiàn)實中的熱點、難點問題；能體現(xiàn)新工科要求的新知識、新觀點、新方法、新科技、新系統(tǒng)；不同教學案例間最好有關聯(lián)性、連續(xù)性、對照性，多個案例最終可以形成一條教學主線。

（三）設計教學場景，讓學生查閱資料自主預習

案例教學過程中對教學場景的精心設計有助于達到更好的教學效果，包括營造案例所需的氛圍、把握案例節(jié)點呈現(xiàn)的時機、借助計算機仿真或動畫軟件工具、留出學生思考的空間和時間、籌劃與教學案例有關的課堂討論、布置與案例類似的課外作業(yè)和延伸閱讀、課程學習拓展研究報告的展示與答辯，等等。在開展案例教學活動之前，最重要的是根據(jù)具體案例情況讓學生查閱資料和自主預習，學生準備是否充分是能否取得預想教學效果的關鍵。

（四）課堂組織案例解析，結合課程知識分析討論

教學案例的分析討論是案例教學的核心環(huán)節(jié)，需要安排單獨的討論課時，爭取做到人人都有發(fā)言機會。教師應從多個視角引導和啟發(fā)學生對案例進行分析，要鼓勵學生積極參與討論，既要防止離題、觀點一邊倒、爭論不休，還要盡量避免冷場，這就要求教師具有較好的課堂駕馭能力，要能控制氣氛、掌握方向，善于引導學生圍繞中心議題發(fā)言，從而把討論引向正確的軌道，達到拓展學生思路、開啟學生創(chuàng)新性思維的目的。同時，討論前的理論準備非常重要，教師應向學生講授相關的理論知識，將基本概念、基本理論、基本方法以及有關專題的研究情況講授給學生，使其成為學生討論、探討解決方案的依據(jù)。當然，教師還要對學生在分析討論過程中的表現(xiàn)進行考核。

（五）及時進行總結點評和效果評價

教學案例的課堂討論結束后，教師應及時對本次教學進行歸納和總結。點評和評價主要包括以下幾個方面：將學生提出的技術方案與實際案例方案進行比較，指出學生方案的優(yōu)點和在實施中可能遇到的問題；對學生在方案設計中的新思路、新方法予以關注、分析和鼓勵；討論行業(yè)先進技術和國內外發(fā)展動態(tài)，介紹案例相關的行業(yè)知識（拓展知識）；明晰解決問題思路，強調關鍵知識，鼓勵創(chuàng)新意識。有效的總結與點評，是對案例理論價值的提煉，是對知識和方法脈絡的梳理，是對學生掌握知識、提升能力的有利推動，并起到承上啟下的作用。

（六）開展課程實踐活動

課程實踐是學生運用課程知識和方法解決實際應用問題的教學環(huán)節(jié)，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力非常重要。在學習、掌握課堂知識和方法的基礎上，可通過教師命題或學生自主選題的方式，確定課程實踐的研究課題，參照課堂教學案例的研究步驟和解決問題的思路，讓學生獨立或組隊合作完成課題研究，并形成研究報告或研究論文。

二、新工科建設賦予系統(tǒng)科學與工程課程教學的新使命

系統(tǒng)科學和工程課程是一門涉及復雜系統(tǒng)演化規(guī)律，研究如何分析、建設、管理、決策和控制復雜系統(tǒng)的科學。該課程全面介紹系統(tǒng)科學和系統(tǒng)工程的基礎理論、應用方法和工程應用，包括連續(xù)動態(tài)系統(tǒng)、離散動態(tài)系統(tǒng)、系統(tǒng)自組織、非線性復雜系統(tǒng)及混沌特征、系統(tǒng)工程方法論、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)預測、系統(tǒng)評價和系統(tǒng)決策等諸多內容，能幫助學生建立起系統(tǒng)研究方法的思維體系。系統(tǒng)科學和工程非某一具體學科的具體知識范疇，而是具有很強的跨學科、交叉知識色彩。近十年來，筆者所在課題組為Z大學開設了系統(tǒng)科學與工程課程，取得了良好效果，形成了創(chuàng)新性、實踐性課程特色。

新工科建設進程的加快推進，為系統(tǒng)科學與工程課程教學帶來了新挑戰(zhàn)，其主要包括：

（一）新工科建設使課程的知識結構發(fā)生了深刻變化

傳統(tǒng)工科注重學科原理知識，知識的基礎性、學術性、專業(yè)性特征顯著，新工科則更加強調學生的知識轉化能力、應用能力和實踐能力。從知識結構上來看，傳統(tǒng)工科往往是單一學科領域的，新工科則是應對新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命而形成的具有跨學科、跨領域、跨行業(yè)特性的產(chǎn)物，其知識結構往往是在傳統(tǒng)學科領域的基礎上融合了“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化、智能化等內容而形成的。這促使系統(tǒng)科學與工程課程教學內容須進一步更新升級，教學案例更應體現(xiàn)和覆蓋新工科的知識體系，這也是課程改革的重點和難點。

（二）新工科建設使課程面向的應用領域大大拓展

新工科是指在新一輪科技、產(chǎn)業(yè)革命以及知識生產(chǎn)模式轉型背景下，面向當前新經(jīng)濟的現(xiàn)實急需和未來發(fā)展，運用新興技術建設和發(fā)展一批新興工科形態(tài)，構筑具有跨界整合、創(chuàng)新驅動、應用實踐等特征的中國本土化的新型工科，尤其強調移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術與傳統(tǒng)工業(yè)、制造業(yè)的深度融合發(fā)展。類似系統(tǒng)科學與工程這樣的基礎課程，其所面向的應用領域從傳統(tǒng)行業(yè)向新經(jīng)濟形態(tài)、從單一行業(yè)向多行業(yè)跨界融合轉化，這將促使教師在教學案例選擇過程中必須突出新經(jīng)濟形態(tài)和跨界融合的特點，以符合新工科的時代要求。

（三）新工科建設尤其重視多學科知識的融合交叉

交融性是新工科的學科特征，表現(xiàn)為由多個學科交叉、融合、滲透或拓展而形成，以落實新經(jīng)濟強調的綠色、智能、泛在等理念。與傳統(tǒng)工科相比，新工科更強調學科的實用性、綜合性與交叉性，注重現(xiàn)有工科交叉復合、工科與其他學科交叉融合、應用理科向工科延伸、孕育形成新的交叉學科等。系統(tǒng)科學與工程的課程內容、知識方法要適應新工科多學科知識融合交叉的理念，自然就要求教學案例具有多學科知識融合交叉的特點，以鍛煉學生利用多學科知識和方法分析問題和解決問題的能力，同時要求教師具備多學科知識融合交叉的素質。

（四）新工科建設強調培養(yǎng)寬口徑、高素質卓越人才

傳統(tǒng)工科的人才培養(yǎng)側重于專業(yè)工程教育，注重學科專業(yè)設置與工程領域的具體職業(yè)崗位對接，使用的是傳統(tǒng)的工程教育理念，即“小工程觀”。新工科則側重于跨界整合能力的培養(yǎng)，注重學科專業(yè)設置的跨學科性、跨領域性、跨行業(yè)性，強調學科專業(yè)之間的交叉融合，注重科學、人文、歷史、經(jīng)濟、管理、工程、技術等知識的深度融合，培養(yǎng)的是具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的復合型工程科技人才，采用的是新型工程教育理念，即“大工程觀”。這樣的要求，使系統(tǒng)科學與工程課程不僅要在教學案例的選擇和講解中突出能力培養(yǎng)要素，而且在教學過程中要通過討論發(fā)言、課題研究、結題答辯等有意識地培養(yǎng)學生的綜合分析能力和創(chuàng)新實踐能力。

（五）新工科建設強調提升學生的創(chuàng)新實踐能力

創(chuàng)新性是新工科人才培養(yǎng)最重要的屬性特征，是新工科的價值所在，是國家經(jīng)濟社會發(fā)展對新工科本質屬性提出的要求。新工科建設是服務以新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特點的新經(jīng)濟發(fā)展，尋求我國在核心關鍵技術上的突破，在未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)戰(zhàn)略制高點，因此，在技術、產(chǎn)業(yè)和模式，以及人才培養(yǎng)模式上的創(chuàng)新是新工科的主要任務。具體到某一課程，就要求盡可能設置一定比重的教學實踐環(huán)節(jié)，鼓勵學生開展創(chuàng)新研究活動，訓練并提高學生的科研創(chuàng)新能力，即使是本科教育也要堅持做到。系統(tǒng)科學與工程課程主要通過課程大作業(yè)和研究報告來實現(xiàn)這一目標。

（六）新工科建設強調學生具備創(chuàng)新研究體驗和團隊合作精神

通過創(chuàng)新研究體驗可以增強學生自主學習和終身學習的能力，使學生勤于觀察思考，提高判斷力，善于發(fā)現(xiàn)并解決問題。提高人文素養(yǎng)和綜合素質，強調團隊合作的溝通能力、團隊意識、領導力、協(xié)同力，增強個人的社會責任感、工程倫理、科學道德等品德修養(yǎng)，這些對于學生來說都是終身受益的寶貴財富。系統(tǒng)科學與工程課程的討論課和課程大作業(yè)鼓勵學生自由選題、自主組隊、分工協(xié)作，從選題、組隊開始，讓學生熟悉查閱文獻、科技調研、方法研究、科學實驗、分析總結、撰寫報告、登臺答辯等各個環(huán)節(jié)，形成完整的創(chuàng)新研究鏈，使學生自始至終在團隊協(xié)調合作的氛圍中學習。

（七）新工科建設需要新的課程考核方法

新工科課程教學的質量評估需引入多維度、多元化的綜合評價體系。僅就系統(tǒng)科學與工程課程的考核來說，共有課堂討論（含材料準備和發(fā)言數(shù)量、質量）、課程章節(jié)作業(yè)、基本理論知識考試、課程大作業(yè)（研究過程質量、研究報告質量和規(guī)范性、答辯水平）等多項指標，以此全面、充分地考查學生個人和團隊的能力和水平。

三、系統(tǒng)科學與工程課程教學改革的實踐與成效

一門課程的教學改革往往涉及許多方面。如系統(tǒng)科學與工程課程改革近幾年所開展的工作主要有：

（一）課程改革設計

系統(tǒng)科學與工程的教學共包含四個環(huán)節(jié)，即課堂授課、課堂討論、課程實踐和課程結題答辯。其中，課堂授課除講授基本的課程知識和科學方法外，還穿插多個與課程章節(jié)內容有關的教學案例；課堂討論主要圍繞教學案例展開，學生事先在課外準備下次課堂的討論素材，教師把握討論主題和討論節(jié)奏，學生積極發(fā)言甚至開展辯論，有爭議的觀點再由學生在課后繼續(xù)探討；課程實踐以自由組隊的興趣小組為單位（每組限定4～6人），自由組隊、自主選題、分工協(xié)作，從定題到結題合作完成課題研究的整個過程；課程結題答辯要求各個小組研究成果以科技報告或科技論文形式提交，并在最后幾節(jié)課進行成果報告和結題答辯。

對照新工科和“雙一流”要求，圍繞課程教學目標，課題組對系統(tǒng)科學與工程進行了課程改革方案設計，其具有以下特色：

1.“以生為本”的教學模式改革，面向理工農(nóng)醫(yī)各學科學生，促進多學科交叉融合。主要措施包括：（1）全面采用案例教學方法，加大教學案例的課時占比，激發(fā)學生的學習熱情和主動學習、自主學習的潛力，提升教學效果；（2）在課程實踐項目中強化選題的科技含量和應用色彩，以突出課程的實踐性和可行性；（3）在課程實踐項目答辯環(huán)節(jié)提高學生對成績評定的參與度；（4）適應選課學生的不同學科背景，將課堂授課內容分為基本內容和延伸內容，基本內容是所有學生都需要掌握的，主要在課堂授課環(huán)節(jié)完成；延伸內容針對學生的不同學科背景分為“理工農(nóng)醫(yī)”方向和“人文社科”方向，主要通過延伸閱讀在討論環(huán)節(jié)完成；（5）進行實驗平臺建設；（6）使用Z大學推出的“學在Z大”教學互動平臺，讓師生能夠隨時隨地互動、答疑解惑、交流學習情況等。

2.實踐應用方向的聚焦和深化，引導學生關注、研究國家重大政策和戰(zhàn)略發(fā)展方向，如經(jīng)濟金融、國防軍事、工業(yè)交通、農(nóng)業(yè)環(huán)保、教育科技、互聯(lián)網(wǎng)與信息等領域，讓學生在學習知識的同時對與國家發(fā)展密切相關的領域進行深度思考和科學研究，為學生今后成為各行各業(yè)的領軍人物和精英提供磨煉機會。

3.通過創(chuàng)新性、實踐性的拓展強化活動，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。為實現(xiàn)上述目標，任課教師要總結自身豐富的科學研究經(jīng)驗和工程實踐經(jīng)歷，對典型應用、工程案例進行精選和理論提升，提高學生的學習興趣，深化理論教學和應用實踐的結合。同時，在教學過程中注意引入、積累、完善應用案例和實際科研項目的演示性實驗、體驗性環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地打造一門具有實踐特色的課程。目前，首批選用的典型應用和工程案例來自區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展、城市交通規(guī)劃、機器人系統(tǒng)、環(huán)保大數(shù)據(jù)系統(tǒng)、高等教育深度分析、智能制造工業(yè)優(yōu)化布局、發(fā)電廠經(jīng)濟運行與控制等應用領域。

（二）教學案例精選

結合系統(tǒng)科學與工程課程知識豐富、應用面廣的特點，教師應整合幾大類重點應用方向，在課程教學案例精選和課程實踐項目選題上引導學生關注國家重大戰(zhàn)略發(fā)展方向。目前，課題組從六大重點應用領域共精選了八個典型教學案例，涵蓋了動態(tài)系統(tǒng)、非線性復雜系統(tǒng)、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)預測、系統(tǒng)評價、系統(tǒng)決策等課程內容和知識點分支。

（三）課堂討論的組織

根據(jù)課堂教學案例所涉及的知識和方法，布置學生在課外進行下次課堂討論的素材準備，選取課外故事，圍繞預選主題分組進行討論，要求每個人都要提前準備，該環(huán)節(jié)也是平時成績考核的一部分。發(fā)言不必全面和精準，但必須是自己的觀點和論據(jù)，杜絕網(wǎng)上拷貝、照本宣科、敷衍了事?；蛘咴诜纸M中就某一觀點、問題或現(xiàn)象設置正反方，以辯論形式展開討論。

（四）課程考核

課程考核與成績評定包括平時成績和期末成績兩部分。平時成績主要由平時作業(yè)和課堂討論表現(xiàn)決定；期末成績包括兩個小項：基本理論知識考試、方法掌握及實踐能力的課題研究考核（以小組為單位的課程大作業(yè)），其中前者占比較小，采用閉卷考試形式進行評定，后者占比較大，分為研究質量得分和答辯表現(xiàn)得分兩項。研究質量成績以小組為單位考查研究過程（包括組隊、選題、定題、分工、研究、中期匯報、結題、答辯、提交研究報告等所有環(huán)節(jié)）和研究報告的質量、水平，而答辯成績則由任課教師和每個研究小組在答辯現(xiàn)場獨立打分（以小組為單位，每個小組給其他小組打分）。

（五）課改成效

經(jīng)過幾輪教學實踐，系統(tǒng)科學與工程課程模式和內容已經(jīng)基本成熟，并形成了鮮明的課程特色，最核心的是其基于課程知識內容的創(chuàng)新性、實踐性。創(chuàng)新性體現(xiàn)在以課程知識內容為支撐、以課程實踐項目為手段，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和提高學生解決復雜問題的創(chuàng)新能力。實踐性體現(xiàn)在通過對應用背景進行調研和完成課程實踐項目，加強學生理論結合實踐的實際體驗，提高學生面向實際問題的動手研究能力。

系統(tǒng)科學與工程的方法類內容包括系統(tǒng)建模、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)仿真、系統(tǒng)優(yōu)化、系統(tǒng)預測、系統(tǒng)評價和系統(tǒng)決策等方面，近幾屆學生的課程實踐研究項目分布在經(jīng)濟、金融、教育、工業(yè)、交通、軍事、科技、信息等多個領域。這些研究項目涉及面非常廣，每一個項目的完成都要經(jīng)歷背景調研、數(shù)據(jù)搜集、方案設計、方法研究、結果驗證、實際應用、總結提高等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都要與應用問題緊密結合，具有很強的課程實踐特征。學生綜合運用課程知識，在教師的指導下，完成了從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，到解決問題、總結問題的研究全過程，提高了創(chuàng)新研究能力。

四、結語

在教學過程中恰當?shù)夭捎冒咐虒W方法，不僅可以提高教師的教學水平與知識傳授能力，還能提高學生分析問題、解決問題的能力，啟發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，從而使教學活動變得更生動、更豐富、更全面，滿足教學需求。本文著眼于新工科建設要求，以Z大學系統(tǒng)科學與工程課程為實踐背景，將案例教學與其他教學改革措施相結合，優(yōu)化整合課程教學內容、聚焦深化課程重大應用方向、拓展強化實踐研究環(huán)節(jié)，為相關工科課程的教學改革積累經(jīng)驗、提供借鑒。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 鐘登華. 新工科建設的內涵與行動[J]. 高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[2] 林健. 引領高等教育改革的新工科建設[J]. 中國高等教育，2017（Z2）：40-43.

[3] 林東. 卓越法治人才培養(yǎng)背景下案例教學的應用探索[J]. 教育理論與實踐，2020，40（15）：48-50.

[4] 楊楠，李童. 案例教學視域下軟件工程“一體兩翼”教學模式的構建與實踐[J]. 高等工程教育研究，2020（1）：177-181.

[5] 楊光富，張宏菊. 案例教學：從哈佛走向世界：案例教學發(fā)展歷史研究[J]. 外國中小學教育，2008（6）：1-5.

［責任編輯：劉鳳華］