新工科建设背景下民族高校工程数学的教学改革与实践

2023-06-07尹江华

科技风 2023年15期

尹江华

摘要：工程数学是新工科专业课的理论基础，是新工科综合性人才培养至关重要的基础支撑。论文以深化民族高校教育教学改革、提高人才质量为基础背景，在分析新工科工程问题解决对工程数学课程教学要求的基础上，详细阐述了当前民族高校工程数学课程教学存在的问题以及问题存在的原因。论文从教学方向、教学观念、教学模式以及考核方式四个角度探索了工程数学教学范式的改革与实践，以期为民族高校工程数学的教学改革与实践提供行之有效的思路与方案。

关键词：新工科；工程数学；教学改革；教学实践

工程数学是诸多科技领域的基础，从计算机到人工智能再到大数据时代，都离不开工程数学的支撑。工程数学的课程知识已经渗透到众多行业中，比如《复变函数》在物理学和信号处理方面有重要的应用，例如电磁学中的双极子问题、量子力学中的粒子波函数、频率分析以及时域分析等；《概率论与数理统计》可以跟机器学习联系在一起，得到程序中参数更新的最优方案，检验机器学习的效果以及进行大数据分析。工程数学对科技创新的关键性作用是不言而喻的。

运用数学知识解决经济社会存在的问题和优化数据科学与人工智能问题是新工科复合型人才的基本技能，也是民族高校卓越人才培养的基本目标。传统工程数学已经不能适应新时代新学科的建设和紧缺人才对数学知识和运用所学知识解决实际问题的新要求。通过对当前民族高校工程数学课程教学现状进行考察，结合新工科专业如数据科学、人工智能、智能或智慧等专业对人才培养的新要求，本文梳理了当前民族高校工程数学教学亟需解决的问题以及问题存在的原因，并针对出现的问题尝试开展相应的教学改革与教学实践。

1 传统工程数学课程教学存在的问题

1.1 课程体系设置与人才需求脱节

工程数学课程包含《线性代数》《概率论与数理统计》《复变函数》等。虽然课程门类多，但课程内容具有滞后性，不能及时体现数学学科的发展变化和民族地区经济社会的需求以及新工科专业的培养需要。另外，课程内容也具有重叠性，需要重新调整课程内容侧重点以满足人才培养目标的新要求。这需要我们对形成以项目制、模块化和交叉性为特色的课程体系设置进行更深入的思考。

1.2 教学内容与学科融合不紧密

在教学过程中，数学理论与其他学科知识结合得不紧密，忽视了新工科对工程数学知识需求的专业性，没有真正做到工程数学知识的“供给侧”，即没有根据每个学科每个专业的人才培养需求有侧重点地进行工程数学知识的讲解。专业培养需求导向是工程数学课程改革的基本依据，工程数学课程教学需要根据专业人才培养目标的要求，重设教学目标，细化教学内容，重视数学知识的创新性与应用性。

1.3 教学理念与教学方法缺乏创新

数学教师在工程数学教学过程中经常会出现典型的“重理轻工”现象，即完全按照理科数学课程的教学方法来开展工程数学教学。比如重视数学定理、数学知识体系的讲解而忽略数学知识的应用与数学知识分析问题过程的讲解。不重视培养学生数学知识的迁移能力和数学思维的发散能力，最终会制约全方位人才培养和影响卓越工程教育发展。

1.4 忽略学生创新思维、实践能力以及解决问题能力的培养

国家越来越重视基础学科，推出了一系列加强基础学科的“行动方案”。工程数学教学的效果不仅体现在实际的应用中，更重要的是体现在对一个人思维能力的培养上。新工科培养的人才应能运用所学数学知识解决“卡脖子”难题，能够独立运用数学知识解决复杂工程问题，运用工程数学知识助力民族地区科技创新和产业发展，增强民族地区在相关领域的竞争力。

1.5 工程数学的课程设置与教学没有结合民族高校的特点开展改革

民族高校为满足社会对创新人才的需要，提高了对工程数学的教学要求，但是相应的课程设置和教学内容的调整却没有及时跟进。比如很多民族高校数学专业自九十年代起就把数学实验和数学模型等实践课程列为专业必修课，然而新工科专业却很少设置必修课或选修课，一般是公选课，然而公选课的选修率都普遍较低，学生畏难情绪严重。当前民族高校工程数学教学需要开展分层教学和因材施教的改革模式，以适应不同层次的学生培养。

2 工程数学教学问题的原因分析

2.1 教师与学生主观能动性不强

新工科建设需要工程数学知识的融通共进，需要教师深入实践，提高产学研创新创业能力。但由于教师教学科研压力大，而且在实施交叉知识融合过程中，由于学科间跨度较大，课程融合难度高，导致教师难以迎难而上而中途放弃。教师的科研项目也偏理科化，对学生培养重理论轻应用。另一方面，学生对自身要求不高，为了拿学分应付学习，对数学知识的学习停留于理论，不愿意融合学科知识解决实际问题。

2.2 受固有教育模式和交叉学科建设时间影响

参考文献[1]指出了我国大学专业教育模式最突出的问题是采用了单一而狭窄的“专业教育模式”，而且这种模式还持续实施了很长的时间。这种专业分离培养模式限制了交叉学科和专业的发展。另外，我国交叉学科和新学科专业建设的时间不算长。文献[2]2010年才明确提出扩大三类人才培养的规模，即扩大应用型人才、复合型人才和技能型人才，而且相关专业建设较晚，如2015年才开始筹备大数据管理与应用专业，2018年才设立人工智能专业。我国也是2018年之后才提出新工科等“四新”学科政策。工程数学课程教学改革不是一蹴而就的，需要逐步改变固有思维，不断摸索新教学模式，不断积累经验。

2.3大环境影响

近些年由于扩招导致学生人数增多，但民族高校投入生产实践的经费没有相应增加，实验室设备的配套与更新跟不上生源和社會的发展。另一方面，企业更愿意接纳理论扎实、操作能力强的优质学生。大环境对学生的培养质量提出了更严格的要求，也对工程数学课程教学改革提出了新要求，课程教学需结合时代背景因地制宜，因时制宜，克服困难，大力培养具有发展潜力，理论与实践并举的拔尖人才。

2.4缺乏可借鉴的民族高校工程数学改革模式

近些年新工科背景下的高校数学教学改革如火如荼，有很多可借鉴的改革成果。然而，这些改革模式很少适用于民族高校开展，当前仍然缺少一个具有民族性、区域性和国际性特色的工程数学教育教学改革模式。广西是壮美之乡，有很多广西特色的工程问题的解决需要用到工程数学知识，比如汽车生产线的优化设计、物流中心的选址问题、城市道路的规划、风雨桥建设、东盟博览会科技产品制造等。广西也有很多著名的数学家，比如王元、吴学谋等，他们的数学著作、数学理论和数学创新等都是很好的教学素材。这些具有广西民族元素的工程数学知识有待大力开发与实践。另外，广西濒临东南亚，学生和教师中都有很多外籍友人，可以借鉴国外的工程数学教学模式，开创具有区域性和国际性的工程数学教学模式。

3 教学改革举措与实践

3.1教学方向改革：共性导向，融汇出新

在新工科建设背景下，民族地区高校工程数学课程教学需要根据当前科学技术发展的要求，突出民族特色、区域特色和国际特色，逐步实现教学内容的现代化。文献[3]认为数学知识的学习与新工科专业知识学习、新工科专业能力培养之间的关联太弱，需要找到契合点提高二者之间的互动，强化数学基础知识的“强堡垒”作用。教学改革的方向不再局限强调数学知识重要性，而是找出数理工信文等学科知识的共性，找到知识交叉融通的方法。

3.1.1 扬民族自信，开数据科学导论课

导论课内容的核心任务是对民族数学家所提出的问题以及对错综复杂的实际问题进行数据分析研究。导论课的内容具有高度前沿性、民族性、区域性和多学科融合性，更贴近实际应用。另外，对民族数学家的相关成果进行研究，更能激发学生的民族自信心，激发学生的学习热情与学习主动性。为民族地区高校创新型科技人才培养提供可借鉴的育人经验。

3.1.2 整合民族资源，优化教学内容

根据各学科各专业的差异和特点，工程数学与各专业有机结合，依托各专业做好基础平台。在设置数学课程时，可以先整合民族资源，把民族地区经济建设和工程发展等所需的数学知识进行整合和分类。比如优化《概率论与数理统计》和《常微分方程》等课程知识，先糅合为一个整体，再设置与大数据、人工智能等新兴专业应用需求相对应的课程模块，突出民族地区建设问题导向和民族发展应用，为解决实际科技难题提供必要的知识和应用能力储备。

3.1.3 突出民族应用，理论结合实际

民族经济发展以及工程建设中有很多工程数学知识运用的成功案例，但是也有很多“卡脖子”的关键问题有待运用数学知识来解决。教学中以课本的主要知识作为支撑点，加以拓展和补充民族工程应用实例，对相关知识加以推导和证明，可强化学生对基础知识的运用，让学生切实体验数学推动产业发展的魅力，从而激发学习数学的兴趣。另外，将近代数学发展历程和数学前沿动态充实到教学中去，采用“定性讲解+突出应用实例”的方式，让学生充分理解和掌握数学的“功用”，有助于学生开阔视野和增强学习数学的积极性。

3.2教学观念改革：注重教学协作，打造数学“金课”

3.2.1 坚持以学为中心，做好分层教学

开展以“学生为主体”的课程教学范式综合改革。逐步实行分层次分类组织教学模式，实现人才分流培养。借鉴目前大学英语分层教学的成熟模式，工程数学教学可以按学科类别根据学生数学基础的差异以及学习进度差异等，在自愿申请的基础上，灵活选择不同层次的教学内容。同时考核也实行教考分离，实行学分和级别两类考核，学分考核可获得相应学分，而级别考核可作为保研等加分项。

3.2.2 运用网络信息技术，打造数学“金课”

虽然网络信息化手段（如MOOC、翻转课堂）在工程数学课程教学中已经得到普及，但目前仍没有发挥好新教学手段对提升工程数学教学质量的作用。运用网络信息技术，为工程数学课程教学创设形象具体的教学情境、网络学习平台、线上线下融合式教学等，有助于拓宽学生的学习渠道，完善答疑机制和提高学习的主观能动性，提升学生学习成就感，打造新工科工程数学“金课”。

3.3教学模式改革：重视数学实验、数学建模和数学竞赛，培养科研意识

3.3.1 多层次实践平台建设

调整更新工程数学实验内容，加大设计性和综合性实验的比例，重视演示实验，开发针对工程数学课程教学的仿真模拟、多媒体演示平台、数值模拟实验平台等。这样才能够让学生有机会根据需要主动学习、享受学习，达到教与学的相互促进，通过实践活动的体验和实验方案的设计分析来提高学生的动手能力，形成创新意识。

3.3.2 重视数学实验与数学模型

积极开展数学实验，把所教的数学知识和相关软件结合（如Matlab、phython、mathematica 和Lindo等），指导学生运用所学数学知识进行建模，培养学生自主学习、自主实训、数学实验、数学建模和协作创新能力，提高学生独立分析和解决复杂工程问题的能力。

3.3.3 重视大学生数学竞赛

大学生数学竞赛有助于选拔和培养未来的数学家和科学拔尖人才。数学竞赛中包含了各种各样的“问题解决”模板，通过对这些题目进行举一反三的拓展训练，可以培养学生的数学知识领悟能力和发散能力。大学生参加数学竞赛，可以不断提高运算能力、逻辑推理能力、数据处理能力和空间想象能力，不断提高解决复杂数据和复杂工程问题的技能。

3.3.4 重视科研意识培养

順利完成导论课的学生可以参加教师主持的科研项目或者独立申请大学生科研项目。利用科研项目培养学生的数学运用能力、数据挖掘能力以及科研创新意识。学生从本科起就参与到教师的科研项目或独立开展科学研究，对今后继续从事科学研究或者就业的帮助都很大。

3.4考核方式改革：强化过程评价，多元考核方式，创新创业孵化

3.4.1 强化过程评价与多元考核

现行的工程数学课程考核方式多为闭卷答题式，强化的是理论知识，弱化了应用能力的考核，需要将二者结合起來。遵循以“学生为中心、成果导向、持续改进”的OBE教育教学理念，以“过程性、多元化、重能力”为指导思想，规范课程多元化和过程性考核，把阶段性考核与成效性考核优化组合，扭转“一卷定胜负”的现象。在新工科建设背景下，建立多元评价体系，注重考核的过程化、电子化、在线化、综合化，这将更有利于创新性人才培养。

3.4.2 创新创业孵化

民族高校充分激发学校师生将创新创业赛事与学科优势、专业特点及社会需求紧密结合，持续打造“课程、大赛、训练、孵化”四合一的交叉教育实践教学模式，开展创新创业先锋班建设，推进产教、产创融合。工程数学课程考核可以与创新创业成果结合，支持和鼓励学生以创新创业项目孵化的方式证明工程数学课程的学习效果。

结语

工程数学是新工科专业课的理论基础，是新工科综合性人才培养至关重要的基础支撑。文章对目前民族高校传统工程数学教学模式与人才培养不相适应的情况展开了富有建设性的教学改革与教学实践探索，对当前民族高校工程数学课程教学模式改革提出了新的思路与可行性建议。经过课程教学改革与教学实践，以期探索出推动科技发展的工程数学课程教学示范模式，培养具有自主创新能力的复合型人才，实现高等教育为基础教育服务，为建设民族地区社会、经济服务的目标。

参考文献：