“新工科”背景下公共基础课教学理念的构建

王刚

[摘要]“新工科”建设提出工程教育要促进学生全面发展，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的人才。公共基础课程教学要围绕新工科人才培养目标，与时俱进，不断地进行教学内容、教学方法方面的改革，为新工科建设保驾护航。

[关键词]新工科;工程教育;工程认证;基础课教学

[中图分类号]G642 [文献标识码]A [文章编号]2095-3437（2019）12-0074-03

综观人类社会发展史可以看出，每当人类在科学技术领域取得重大突破时，人类知识就会快速增长，同时必将伴随工业革命的发生。而新知识带来新思维，为培养适应新工业革命需求的人才，人类教育方式、学习方式也会发生巨大变革。目前世界正处在第四次工业革命的前夜，这次革命以互联网和人工智能在生产、生活各个方面的广泛应用为其主要特点，世界上发达经济体都在努力抓住这一历史机遇，争取成为领航者。“新工科”建设正是在这样的背景下提出的，它是高等教育为了适应第四次工业革命对人才的需求而进行的一次教育变革。

习近平总书记指出：“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈。”

“复旦共识”和“天大行动”提出工程教育要培养新兴工程科技人才，探索实施工程教育人才培养的“新模式”，打造具有国际竞争力的工程教育“新质量”，建立完善中国特色工程教育的“新体系”，实现我国从工程教育大国走向工程教育强国的转变。工程教育要推动学科交叉整合和跨界整合，产生新的技术，培育新的工科领域，积极发展新兴工科，大力培养工程科技创新和产业创新人才，服务产业转型升级。促进科学教育、人文教育、工程教育的有机融合，促进学生全面发展，培养科学基础厚、工程能力强、综合素质高的人才。工程教育要改革教學方法和考核方式，形成以学习者为中心的工程教育模式。

“复旦共识”和“天大行动”提出的对工程人才知识和能力的要求与工程认证标准中对工科专业毕业生的知识和能力要求相统一，为工程教育如何培养适应社会需要的人才指明了方向。大学物理和高等数学作为两门重要的基础课程在培养工程人才中发挥重要作用，这一点在工程认证标准中也得到了体现。大学物理与高等数学教学如何才能更好地为“新工科”建设服务呢？

一、渗透工程认证理念，以“问题为导向”组织教学

我们以国家电气工程专业认证标准为例，标准1：掌握一定的电气工程知识，能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决电气工程领域的复杂工程问题;标准2：具备一定的工程问题分析能力，能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析电气工程领域的复杂工程问题，以获得解决电气工程问题的有效结论。

台湾铭传大学信息学院中的信息传播工程学系定义的核心能力的第一部分是“学生的专业知识”，专业知识的第一条是“运用数学、科学以及工程知识的能力（稳固基础）”。

从认证标准可以看出，工科学生要具备扎实的数学和物理学知识，能否运用这些知识解决工程问题是判断学生是否掌握知识的依据。

“新工科”建设提出工程教育要不断更新教学内容和课程体系来适应产业和技术的发展，提高课程兴趣度、学业挑战度。推进产学合作、产教融合、科教协同，构建新工科人才能力体系，培养大批具有较强行业背景知识、工程实践能力、胜任行业发展需求的应用型和技术技能型人才。

“新工科”建设的理念与工程认证理念一脉相承，其核心就是工程教育的各个环节最终目的是让学生理论联系实际，学会运用知识解决工程问题。“教什么永远比如何教重要”，大学物理教学和高等数学教学要努力体现新工科建设理念，加强应用性改革，将理论知识与工程问题相结合，要让学生在运用知识解决问题的过程中掌握知识。

目前，大学物理课程教学还是较为注重知识的逻辑性，强调解题技巧，对学生成绩的评定还是以解题为主，对学生缺乏吸引力。学生从书本中学习的是一些抽象的知识，很难看到物理知识的实际运用，同时由于知识深奥难懂，学生学习积极性自然不容易提高。高等数学也同样如此，微积分知识对部分学生来说非常抽象，理解起来比较困难。如何通过增加知识的实用性来提高课程的兴趣度，激发学生的求知欲是基础课程改革的一大难点，下面笔者谈一点自己的想法。

（一）把生活中的一些实际事例转化为研究问题

在解决问题的过程中学习知识，这是以“问题为导向”开展教学最直接有效的途径，一方面可以突出知识的实用性，另一方面可以把抽象的知识形象化。以光学中圆孔衍射知识为例，衍射知识的原理比较抽象，不管是数学分析还是文字描述，不少学生理解起来都比较困难，更别说用来分析问题了。圆孔衍射作为一种典型的衍射现象，如果照本宣科，学生往往对内容没什么兴趣，在教学中，如果首先从分析人眼的结构及人眼是如何区分物体这个问题人手，就会极大地提高学生学习的兴趣。其从生活常识角度去理解最小分辨角概念，从而解决了本节最难也是最有实用价值的知识点;由此更进一步分析其在工程上的应用，要想设计一个分辨率很高的光学仪器，如天文望远镜，应如何提高其分辨率。只要我们深入挖掘，就能针对课本内容寻找对应的实际事例转化为研究问题来提高学生理论联系实际的能力。

（二）以“工程实例问题”为切入点，强化知识的应用性，促进知识交叉整合

数学知识和物理知识的综合运用能力是工科学生必须具备的能力，综合运用能力不仅指的是数学知识的综合运用、物理知识的综合运用，它们之间也是紧密联系的，物理为数学提供模型，数学是解决物理问题的工具。严格来说，不同的工科专业都是在发展到一定阶段后才从物理这个大家庭中独立出去的，每一工科专业都要综合运用物理、数学知识，只是由于专业的不同在某一方面有所侧重，具有扎实的基础知识有利于学科的交叉融合，这是新工科建设中培养人才的一个重要方面。我们在教学中可以在课堂上针对某一工程实例进行探讨、分析，也可以以研究性学习的方式让学生课外对工程问题进行探究。

掌握完整的基础科学知识体系对学生综合能力素质的提升有重要作用，但对于不同专业的学生，我们在保证其知识体系完整的情况下，还要根据不同专业的特点选取不同的工程问题来提高学生对工程问题的分析、解决能力。如对土木建筑、机械制造等相关专业，力学的内容与学生的专业学习有更大相关性，教学中就要对这部分内容有所侧重，要把这部分内容与学生的专业课程联系起来，选取一些典型实例，在对实例的分析、研究中掌握知识，拓展知识的应用，实现工程认证中学生所需的能力的培养。

（三）把“科技热点问题”引入课堂，体现知识应用的时代性

当今世界，生物技术、通信技术、航空航天技术、能源技术等领域在不断进步，许多新技术已在我们生活中得到了实际应用，这些新技术的原理大多可以用所学的原理来解释，教师要关注这些科技成果，发掘其中能用课本知识解释的内容，引入教学中，进一步强化基础知识的应用性，提高学生学习兴趣。

二、加强教学方法研究，适应新工科培养人才要求

随着科学技术在教育领域的渗透，教育教学的方式、方法都有了巨大的变革，教师要不断地学习这些新科技，使教学方法能跟上时代发展。

（一）转变教学理念，改进教学方法适应科技发展

随着网络技术和智能手机的发展，学生变成了“数字原住民”，其特点是把科技语言变成了母语，大学生的学习方式正在逐渐改变。新工科建设及工程认证就是为了适应这种新变化而形成的，基础课的教学方法也要适应这种新变化，要逐渐为学生提供同步、半同步、非同步学习。教师要成为“感性的教练”，而不是信息的管道，教师的工作不是向学生灌输知识，而是给学生提供合理的情境，让学生去感受。

作为一个二本院校，我校学生的知识基础整体较差，学生的知识结构不完整，自学能力不强。在这种情况下，课堂教学的主阵地作用不但不能削弱，还要有所加强，课堂教学不但要帮助学生打好基础，还要让学生学会学习、主动学习。由于课堂教学的时间毕竟有限，为了更好地帮学生打牢基础，必须利用现代科学技术，使课堂教学在时间上得以延伸，在空间上得到拓展，教师必须主动学习一些新的教育教学技术，利用網络课程提供所有教学资料，让学有余力的学生自学一些新知识。让学习有困难的学生能消化课堂所学内容。

（二）加强建模教学，促进知识交叉融合

工程认证是从学生获得的能力角度来判断教学质量高低的，开展建模教学能更好培养学生能力，满足“新工科”建设的需要。教师要精选一些工程实例，指导学生按照科学研究的一般思路先提出假设，建立模型，运用数学工具分析模型，用建立的模型来分析实际问题，找出模型存在的不足进行完善。在建模教学中，大学物理和高等数学如果能够有机地结合在一起，会起到事半功倍的效果。

围绕实际问题建立模型可以激发学生的兴趣和探索自然的欲望，有助于其整合知识，把知识的整体结构化。如核电站模型，除了要进行结构方面的设计，还要考虑材料、环保等方面的问题，这些知识的综合运用，就会让学生的各科知识有效地整合在一起，形成解决问题的有效思路，而不仅仅是从物理、数学角度形成的一些抽象的概念与公式;另外，模型建立的过程也是学生形成自己的学习方法，培养终生学习能力的有效途径。

（三）探索开展合作学习的新途径、新方法，培养团队意识

“新工科”建设要培养高素质的工程技术人员中，学生综合素质培养中团队合作意识是其中一个重要方面。工程认证标准中标准9、标准12分别是“具备团队合作能力，能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色”，“具有终身学习的能力，具有自主学习和终身学习的意识，在电气工程领域有不断学习和适应发展的能力”。

从现代科学技术的发展历程来看，重大的科学技术成果已经不是伽利略、牛顿时代凭个人的聪明才智就能实现重大突破的，团队合作已经是科学研究的主要形式，合作能力、团队意识是未来工程领袖人才必须具备的能力。

从学生学习角度来看，研究表明，学生运用材料独自学习很快就会达到一个瓶颈而导致学习效果提升得很慢，小组合作学习效果比独自学习好，而教别人学习的效果最好，可以掌握新知识的90%。

在理论课、实验课的学习中，我们要积极探索合作学习的方式、方法，理论课可以让学生组成学习小组共同完成作业、写作教学小论文等;实验课组成实验小组，共同设计实验步骤、进行实验数据采集、完成实验报告;还可以通过网络学习形式探讨学习中遇到的各种问题，互相促进，提高学习效率。我们要根据不同的教学内容，采取不同的组合方式，让学生之间互相取长补短。

三、发挥通识课程优势，培养具有全面素养的新工科人才

“天大行动”中指出，工程教育要“促进学生的全面发展，把握新工科人才的核心素养，强化工科学生的家国情怀、全球视野、法治意识和生态意识，培养设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，提升创新创业、跨学科交叉融合、自主终身学习、沟通协商能力和工程领导力”。

国家电气工程专业认证标准中的标准3、标准6、标准8都重点指出工程人才在工作中要全面考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素，理解应承担的责任;其中标准8的内容是“具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在电气工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任”。

台湾铭传大学信息学院中的信息传播工程学系定义的核心能力中第三部分为“学生的社会责任”，指出学生要“解专业伦理及社会责任（社会伦理）”。

从中可以看出，工程人员的伦理道德、社会责任感及职业道德是工科人才的核心素养，这与我国传统的思想中立德树人的思想相一脉相承。我们首先要培养一个有道德的人，才能更好地为社会服务、为国家服务。在教学中，联系一些背景知识介绍科学家的贡献，介绍他们对科学的态度、他们的职业精神及他们社会责任感等。爱因斯坦作为一个伟大的科学家，他不仅是科学上的圣人，也是一个关注人类长远发展、热爱和平的伟人，晚年，他一直从事反对战争的社会活动，反对使用原子武器。万维网的发明者伯纳斯·李，《时代》周刊评价他的发明就像古代印刷术一样，并且纯粹是个人劳动成果，如果他把这个研究成果申请专利，他将成为我们这个时代最富有的人，但他把这个成果无偿地奉献给了全人类。伟大的科学家带给我们的不仅是他们的研究成果，还有他们留下的宝贵的精神财富，让学生认同这些精神财富是实现“新工科”培养目标的重要方面，也是工程认证中对学生能力要求的一个重要方面。

工程技术人员是改造自然界的执行者，他们必须尊重自然、敬畏自然，用自己的知识来使自然界变得更加美好，更有利于人类的生存。物理学家们正是秉承这样的理念开始科学研究的，我们要在教学中给学生介绍他们的思想与行为，让学生受到科学精神的熏陶，并将其自觉转化为自己的职业态度。

四、结束语

“新工科”是我国社会经济转型发展的产物，旨在为经济社会的发展、科学技术的创新提供人才支撑，大学物理和高等数学这两门重要的基础课程要以未来工程建设所需要的人才标准为指引，不断地进行教学内容更新、教学方法改革，来满足智能化时代对我们的要求。