课程思政融入大学数学实验教学的探索与实践——以数据插值实验教学设计为例

张豫冈，纳仁花，祁丽娟

(兰州工业学院 基础学科部， 甘肃 兰州 730050)

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调：“要用好课堂教学这个主渠道，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应[1]。”这对专业课程发挥育人功能提出了明确要求。实践实验类课程思想政治教育是课程思政改革中较难解决的问题。大学数学实验课程旨在培养学生Matlab的运算能力、数据处理能力和程序设计能力，使学生体验利用软件解决问题的过程，从实验中去探索、学习和发现数学规律，充分调动学生学习的主动性。将思政元素有效的融入课程实验中，不仅可以丰富课程自身的内涵，还可以赋予思想政治教育鲜活的生命力，旗帜鲜明地培养学生的爱国主义情怀、认真严谨的科学态度、团结协作优良品德，增强学生勇于探索的创新精神、善于解决问题的实践能力，提升课程的教学效果和育人作用。

目前不少学者和教师已将思想政治教育融入到大学数学课程自身的各环节和各方面，以隐性思政的功能，与显性思政一起产生合力[1-5]。大学数学实验课程如何融入思政内容，本文以数据插值实验教学设计为例，探索大学数学实验课程思政的方法途径。插值法是进行数据处理的一种重要的数值计算方法，也是大学数学实验课程的重点内容。

1 教学目标设计

1.1 知识与技能目标设计

1) 熟悉拉格朗日和牛顿插值多项式，注意其不同特点；

2) 掌握用Matlab插值的方法，了解拉格朗日插值、线性插值、样条插值的基本思想；

3) 了解三种网格节点数据的插值方法的基本思想；

4) 掌握用Matlab计算一维差值和二维插值的方法[6]。

1.2 思想政治教育目标设计

1) 培养学生国土安全意识和爱国主义情怀，激发学生为保卫国家领土安全，而积极主动探索学习的激情和精神；

2) 培养学生处理数据时应具有精益求精的工匠精神；

3) 引导学生坚定“四个自信”，将爱国之情、强国之志、报国之行融入实现中华民族伟大复兴的奋斗之中。

2 实验题目改造设计

原实验题目：海水深度水深插值实验在某海域测得某些点(x,y)处的水深为z(单位：m)，由表1给出，水深数据是在低潮时测得的。船吃水深度为5 m，问在矩形[75,200]×[-50,150]里行船的哪些地方船应避免进入。

改造的实验题目：中国军舰在南海—危险海域的求解问题

在我国南海的某海域测得某些点(x,y)处的水深为z(单位：m)，由表1给出，水深数据是在低潮时测得的。已知我国军舰的吃水深度为5 m，问在矩形[75,200]×[-50,150]里行船的哪些地方军舰应避免进入。

表1 南海某海域水深数据

3 实验步骤及结果

1) 绘制数据散点图(见图1)。

clc

clear

x=[129,140,108.5,88,185.5,195,105.5,157.5,107.5,77,81,162,162,117.5];

y=[7.5,141.5,28,147,22.5,137.5,85.5,-6.5,-81,3,56.5,-66.5,84,-38.5];

z=[-4,-8,-6,-8,-6,-8,-8,-9,-9,-8,-8,-9,-4,-9];

plot3(x,y,z,'bo') % 绘制散点图

grid on

xlabel('x');

ylabel('y');

zlabel('z');

title('数据散点图')

图1 数据散点分布

图2 海底水深插值

2) 绘制海底水深插值图、等高线图(见图2、图3)。

xq=75:2:200;

yq=-50:2:150;

[xxq,yyq]=meshgrid(xq,yq);

new_Depth=griddata(x,y,z,xxq,yyq,'v4');

surf(xxq,yyq,new_Depth)

title('海底水深插值图');

contour(xxq,yyq,new_Depth,'showtext','on')

title('海底水深等高线图');

图3 海底水深等高线

图4 危险区域

3) 绘制危险区域图(寻找水深小于5m的区域)(见图4)。

danger_depth=new_Depth;

danger_depth(danger_depth<-5)=NaN;

surf(xxq,yyq,danger_depth)

title('危险区域图');

在危险区域图形窗口，点击工具栏的“三维旋转”标签，将危险区域(见图4)做三维旋转得到危险区域在xoy面投影平面图(见图5)，从而求出危险区域：[110, 200]×[0, 100]，为我国军舰在南海捍卫领海权，提供科学有效的安全信息.

图5 危险区域平面图

4 思政目标的实现

思政目标的实现,需要实验任务的科学划分及落实完成，将设计和提炼的课程思政元素，有机融入本次实验教学中，达到润物无声的育人效果。

1) 思政目标一的实现。

将实验题目由《海底测量问题》改编为《中国军舰在南海——危险海域的求解问题》，并在课件中插入“中国军舰在南海”图片(见图6)，将一个二维数据插值求解实验与与我国南海诸岛及其海域发生的争端相结合，虚拟营造二维插值实验情境，设计利于课程思政教学的真切情境与熏陶氛围，厚植爱国主义情怀。通过实验题目告知学生“南海争端”的历史背景，让学生深知南海诸岛及其海域自古就是中国的神圣领土，不容侵犯。要求学生根据实验题目数据，用二维插值的方法求解出南海的危险区域，绘制危险区域图，为我国军舰在南海捍卫领海权，提供科学有效的安全信息，激发学生为保卫国家领土安全，积极主动探索学习的激情和精神，从而实现思政教育目标一。

图6 中国军舰在南海

2) 思政目标二的实现。

在应用Matlab软件编程求解危险区域的三个实验步骤中，利用plot3、surf、contour等绘图命令实现数据可视化时，告诉学生数据分析素养不仅包括处理数据的知识与能力，还应具有处理数据的精益求精的工匠精神；在用图表展示数据时，不仅仅能使用基本的图表描述数据的信息，还能够运用技巧使数据可视化。如在实验步骤(3)绘制危险区域图中，使用“三维旋转”标签将三维危险区域图转化为平面图，从而得到危险区域的坐标区间，将技术与艺术完美结合，借助图形化的手段，更清晰、灵活、有效的反映数据信息。鼓励同学们在数据整理方面，多了解数据整理的先进手段，处理数据的精益求精的工匠精神体现在对各类处理细节都臻于至善，从而实现思政教育目标二。

3) 思政目标三的实现。

当学生完成实验，求出南海危险区域并绘制了危险区域的三维图、平面图、等高线图后，顺势马上借机鼓励学生，只要认真学懂学校开设的每门课程，掌握了先进的科学技术就有能力爱国，就可以为捍卫祖国领土主权的事业上贡献自己的力量。使学生坚信中国有能力捍卫南海主权，引导学生坚定“四个自信”，将爱国之情、强国之志、报国之行融入中国特色社会主义事业、建设社会主义现代化强国、实现中华民族伟大复兴的奋斗之中。反之，也告知学生如果当代大学生只是空有一腔爱国热情，没有科学知识、核心技术，维护国家安全也就会流于空谈。“禾苗离土即死，国家无土难存”，寸土不让、反抗侵略、反对分裂，应作为一种神圣使命和义不容辞的责任融进每一位中华儿女的生命里和血液中，实现思政教育目标三。

5 结语

本堂实验课程的教学不仅使学生掌握了Matlab的二维数据插值方法，还培养了学生处理数据时应具有精益求精的工匠精神；使学生对南海诸岛自古以来就是中国领土有了更加清楚地认识；使学生更加坚定了在党中央的坚强领导下，中国有能力捍卫南海的主权的决心和信心；激发学生为保卫国家领土安全，而积极主动探索学习的激情和精神。