基于“新工科”项目建设探讨提升课堂教学质量的方法策略

胡雪 夏博 李华 葛云

摘 要：高等工程教育是培养国家新兴领域工程科技人才的重要战略。为了适应高等工程教育的发展和“新工科”研究与实践项目的建设需求，探讨提升课堂教学质量的方法策略是十分必要的。在课堂教学过程中，凸显“学生为主体”教学模式和理念，帮助学生构建学科交叉的知识网络，同时引导学生以“工程实践案例”出发，进行深度思考，并启发学生通过团队合作的形式寻找解决问题的方法，鼓励学生创建逻辑性思维、批判性思维、系统性思维和创新性思维，培养学生的自主学习能力、交流表达能力和团队合作精神。

关键词：新工科；教学质量；方法策略

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）16-0077-03

Abstract： Higher engineering education is an important strategy to train engineering science and technology talents in the new field of our country. In order to meet the needs of the development of higher engineering education and the research and practice of "Emerging Engineering Education"， it is necessary to explore the methods and strategies to improve the quality of classroom teaching. In the course of classroom teaching， the teaching mode and idea of "students as the main body" are highlighted， and the students are helped to build a cross-disciplinary knowledge network. At the same time， the students are guided to think deeply from the perspective of "engineering practice cases". It also inspires students to find ways to solve problems in the form of teamwork， and encourages students to create logical thinking， critical thinking， systematic thinking and innovative thinking， as well as help develop students' autonomous learning ability， communication and expression skills and teamwork spirit.

Keywords： emerging engineering education； teaching quality； method and strategy

高等工程教育是國家创新体系建设的重要环节，是培养国家新兴领域工程科技人才的重要战略。据教高厅函[2018]17号文件，“新工科”研究与实践项目的建设应当以“新工科”理念为先导，凝聚更多共识，主动应对新一轮科技革命和产业变革，实现从专业分割转向跨界交叉融合；以需求牵引开展多样化探索，创新大学的组织形式，促进建立“理工”“工工”结合、“工农”“工文”交叉的未来技术学院，深化高校综合改革[1]。新工科的提出，不仅为工程教育的理论和实践探索提供了全新的视角，也是对国际工程教育改革发展作出的中国本土化回应[2]。所谓新工科，指的是对传统的、现有的学科进行转型和升级，或将传统学科与其他学科进行交叉融合，同时结合互联网和人工智能对传统行业的颠覆性影响，形成的一种适合现代产业发展需要的新型学科群。新工科具备引领性、交融性、创新性、跨界性和发展性等特征[3]。新工科项目的提出与实施最终目的是为了培养多元化、创新型卓越工程人才，为未来提供智力和人才支撑[4]。

以机械制造及其自动化专业为例，为了适应时代的发展和产业的需要，机械制造及其自动化专业正不断融合大数据、人工智能、云计算等信息技术，形成了智能制造[5]、云制造[6]、虚拟制造[7]等研究领域，为未来产业转型和升级培养大量高端技术型人才。由于高等工程教育的范式发生变化，现行的工科人才培养标准和培养模式面临着新的严峻挑战。目前，高等工程教育对工科专业学生提出更高要求，即具备有效交流、批判性思维、系统思维、协同合作、数据决策和自我管理等技能[8]。上述能力的培养需要贯彻到学生所学的课程中去。因此，本文基于“新工科”项目背景，探讨提升课堂教学质量的方法策略是十分必要的。

一、工科课程教学过程中转换“教”与“学”之间的关系

教师在“教”的过程中，针对理论知识和实践环节应采用不同的教学策略。讲授理论内容应注意，帮助学生形成必要的理论思维，注意授课和思考的逻辑性；而进行实践环节时，必须说明为实践的操作程序和最终目的，让学生理解所学知识的实际应用。学生在“学”的过程中，教师要注重引导学生自主思考，采用基于问题模式的教学方法，可最大程度上激发学生的自主学习能力。教师在有限的时间内能够高效地完成教学任务，引导学生进行探究性学习，全方位展示工程实例与理论知识的联系。在授课过程中，逐渐从“教师为主体”向“学生为主体”的教学模式，凸显学生“学”的作用和地位。同时，提倡和鼓励学生质疑和提问，促进学生以批判性思维进行辩证地、全面地看待问题，寻找最优解决方案。

二、工科课程教学过程中应注重学科交叉

在“新工科”项目建设过程中，传统学科的界限已经变得模糊。现代工程问题涉及技术、经济、社会、艺术等学科领域，这要求未来新型工科人才能够利用跨学科的观点和知识，不断创新思维模式，创造性地解决复杂的现实工程问题。学科交叉和融合能够打破传统工科学科的固定范式，让学生具备多学科思维面对实际工程问题；与此同时，促进学科之间的交流，创造以“问题解决”为中心的教学模式。譬如，机械制造及其自动化专业是技术、艺术和经济的结合，它要求学生不仅具有较扎实的自然科学基础和较好的人文社会科学基础，掌握机械设计的基本原理和方法，具有独立进行机械设计和用多种方式表达设计意图的能力；而且，需要了解机械零件的工艺性和经济性，掌握人的行为与机械之间的关系，以及机械边缘学科与交叉学科的相关知识。这样才能做出好的设计，制造出既能满足使用要求，又有符合人体工学的实用机械。因此，在工科学科授课过程中，应注重学科交叉，帮助学生形成系统思维模式，构建完整的知识网络。

三、工科课程多引入工程实例，将理论与实践相结合

机制专业课程授课过程中应当采取“解决工程问题”模式的授课方法。以具体工程案例为导向，创设一种使学生产生疑问并渴望得到答案的学习情境，激发学生的求知欲望，调动学生学习的积极性，引导学生积极思考，在教师的启发下发挥自身潜能，进行自主学习，并获得理想的教学效果。具体实施方法：在授课过程中，将某一知识点以实际工程案例的方式提出，启发学生寻找分析、解决问题的途径，并在已知与未知之间建立联系。之后，教师正确引导学生思考解决问题的方案，学生组队共同攻克各个环节，一起获得解决方案。在此过程中，课堂教学内容便会渗透在解决问题的每一个环节里，学生更易掌握所学的知识点。最后，通过归纳总结，使学生在“解决问题”的方法中获取知识。在此过程中，教师通过“提出工程实践问题”和“引导学生深度思考”，培养了学生的创新思维能力和团队合作意识。

四、工科课程应尝试双语教学，拓展学生视野

双语教学的目标有两点，其一是获取学科知识，其二是培养和提高学生运用专业外语的能力。在实际的教学实践中，教師可采用头脑风暴、案例教学等教学方法，鼓励学生用外语对实际问题进行思考和陈述；并且不断引导学生开口表达观点。但是，教学中应正确处理外语与专业教学之间的关系，切忌将双语课变为英语课。在此教学理念下，学生能够熟练应用专业英语进行学术交流，阅读外文资料，为开拓学生的国际视野打下良好基础，同时培养了学生的交流表达能力。

在机械制造及其自动化本科课程教学过程中（以《机械制造基础一》课程中第二章第一节晶体缺陷为例），本教学团队具体的实施方案如下：

首先，在课程导入阶段，通过设问方式引导学生回顾上节课内容，引入“金刚石与石墨”实例，引导学生思考“碳原子组成的固体物质为何形态相差如此之大，两者的理想晶体结构的差异”，并且通过设置悬念“实际的晶体结构与理想晶体结构的差异”，引导学生思考和理解本节课程内容“晶体缺陷”的重要性和必要性；在课程讲授阶段，每隔15-20分钟，根据所讲内容设置提问环节，例如“点缺陷有什么表现形式”，“点缺陷的存在对材料力学性能的影响如何”，提高学生注意力和课堂参与度。与此同时，鼓励学生质疑和提问，讲解晶体学发展相关的科学故事，通过科学故事告诉学生晶体学理论是不断完善的，前辈的理论经实践后被推翻，让学生明白在科学世界里探索必须具备思辨精神和质疑能力。教师根据学生的提问间接了解学生对该知识点的掌握情况，经过答疑解惑搭建学生与老师之间的沟通的桥梁，尊重学生在课堂上的主体地位，充分凸显“学生为主体”的教学模式。其次，机械制造理论和相关学科并非独立存在，涉及到材料学科基础知识、工程力学、机械零件制造工艺、经济学理论等相关知识。授课时，根据实际工程案例——齿轮零件的加工过程，向同学们阐述齿轮的结构设计、选用的材料、制造工艺和制造成本等，帮助学生了解一个机械零件所涉及的学科知识，并能够灵活应用所学理论知识解释工程现象。例如，齿轮零件制造过程中通常包含喷丸处理，喷丸处理的目的是通过齿轮零件的表面变形强化，增大齿轮表层的位错密度，最终提高齿轮的使用寿命。在此过程中，以工程实例作为引导，将理论与实践相结合，打破了传统的学科范式，引导学生深度思考。同时，学生自由组合，课后自主选择工程案例进行剖析，最终培养了学生的团队合作精神和自主学习能力。最后，在授课过程中，可将晶体缺陷、位错、齿轮等英语专业名词附在课件中，让学生了解专业术语的英文表达，便于后续阅读英文文献，获取最新科学研究发展动态。

综上所述，基于“新工科”研究与实践项目的建设，将提升工科课程课堂教学质量的方法策略绘制如图（图1所示）。在教学过程中，凸显“学生为主体”教学模式和理念，注重学科交叉的相关知识和专业英语的教授，帮助学生构建学科交叉的知识网络，同时引导学生以“工程实践案例”出发，进行深度思考，并启发学生通过团队合作的形式寻找解决问题的方法，鼓励学生创建逻辑性思维、批判性思维、系统性思维和创新性思维，培养学生的自主学习能力、交流表达能力和团队合作精神。

参考文献：

[1]教育部办公厅关于公布首批“新工科”研究与实践项目的通知（教高厅函〔2018〕17号）[Z].

[2]吴爱华，侯永峰，杨秋波，等.加快发展和建设新工科主动适应和引领新经济[J].高等工程教育研究，2017（1）：1-9.

[3]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，20170，38（2）：26-35.

[4]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）：1-6.

[5]张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程，2014（8）： 1-5.

[6]李伯虎，张霖.云制造[M].清华大学出版社，2015.

[7]肖田元.虚拟制造研究进展与展望[J].系统仿真学报，2004，16（9）：1879-1883.

[8]徐晓飞，丁效华.面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J].中国大学教学，2017（6）：6-10.