新工科發(fā)展背景下工科數(shù)學課程教學基地建設的探索

黃 平，楊啟貴

(華南理工大學 數(shù)學學院,廣州 510640)

0 引 言

當前，我國經(jīng)濟已步入高質(zhì)量創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展新階段，“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等重大戰(zhàn)略目標正在成功向前推進。全球信息技術(shù)革命進程持續(xù)快速演進，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)廣泛、深入影響到經(jīng)濟社會各個領(lǐng)域，工程在社會中的作用發(fā)生了深刻變化，工程科技進步和創(chuàng)新成為推動人類社會發(fā)展的重要引擎，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟蓬勃興起，數(shù)碼經(jīng)濟時代悄然來臨。新經(jīng)濟的發(fā)展對工程專業(yè)人才培養(yǎng)提出了挑戰(zhàn)，相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟需要的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型“新工科”人才。因此，迫切需要加快工程教育改革，使工程教育進一步著眼于互聯(lián)網(wǎng)革命、新技術(shù)發(fā)展、制造業(yè)升級等時代特征[1]。著力培養(yǎng)學生的核心能力，即創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力以及學習而且是快速學習新事物的能力，以服務與支撐我國經(jīng)濟實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，適應新時代發(fā)展要求成為高等工程教育的當務之急。

國家工科數(shù)學課程教學基地是由教育部(原國家教委)于1996年啟動的一個國家重點建設項目，我校是首批建設的6個基地之一。作為國家級的工科數(shù)學教學基地，在工科數(shù)學課程體系建設、師資培訓和教學改革等方面發(fā)揮了排頭兵和示范作用，對推動全國高校工科數(shù)學課程的教學改革產(chǎn)生了重要影響[2]。然而，近年來工科數(shù)學基地建設卻少有受到人們的關(guān)注和重視，即使在“新工科”發(fā)展如此高漲的呼聲面前表現(xiàn)也異常平靜，這不能不讓人感到意外并引發(fā)深思。作為基地建設的首批成員之一，有義務率先發(fā)出自己的聲音，提出新的觀點，在“新工科”建設大潮中為工科數(shù)學教學基地建設探索新路徑。

1 建設理念

建設理念是建設目標和建設思路的集中體現(xiàn)，是行動的先導，發(fā)揮著引領(lǐng)作用，基地的進一步建設首先要有一個正確的建設理念。

1.1 把握“新工科”發(fā)展契機，創(chuàng)新建設理念

“新工科”概念自2016年提出以來，受到社會各界的強烈反響，在不到1年的時間里，教育部組織高校進行深入研討，形成了“復旦共識”和“天大行動”，接著又有了“北京指南”，可以說 “新工科”是在新經(jīng)濟發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)變革新形勢下工程教育改革的必然選擇，為我國工程教育發(fā)展開啟了新思維，指明了新方向，必將對今后我國工程教育產(chǎn)生重大而深遠的影響，亦將給工科院校基礎(chǔ)學科的教學帶來重大機遇和變革[3-6]。數(shù)學課程是大學教育的重要基礎(chǔ)課程之一，對于工科專業(yè)則尤為重要，因為數(shù)學是表述技術(shù)原理、進行復雜的工程設計與計算必不可少的工具，可以說，大學數(shù)學教育直接關(guān)系到工科教育的成敗。因此，面對新時代“新工科”發(fā)展形勢，工科數(shù)學教學基地應采取怎樣的舉措，發(fā)揮更大作用是一個具有重大意義的課題。主動融入“新工科”發(fā)展行動，把握“新工科”發(fā)展對數(shù)學教育帶來的新需求，創(chuàng)新建設理念，引領(lǐng)基地在“新工科”建設中向更高水平、更高質(zhì)量前進，為“新工科”發(fā)展培養(yǎng)具有高數(shù)學素質(zhì)的人才，是基地建設的首要任務。

1.2 以數(shù)學化為抓手，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

數(shù)學是最具原始創(chuàng)新驅(qū)動力的基礎(chǔ)學科之一，這歸根于數(shù)學本身所具有的思維抽象性、邏輯嚴謹性、應用廣泛性等本質(zhì)特征。正因為如此，2002年，美國科學基金會將數(shù)學列為該基金會5大創(chuàng)新項目之首(其他4個分別為：環(huán)境中的生物復雜性,信息技術(shù)研究,納米科學和工程,以及21世紀的勞動力)，并指出該重大創(chuàng)新項目背后的推動力就是一切科學和工程領(lǐng)域的數(shù)學化(Mathematization)，可見數(shù)學對于原始創(chuàng)新驅(qū)動與“新工科”發(fā)展的重要地位和重大作用。事實上，數(shù)學化已成為幾乎所有學科的創(chuàng)新基礎(chǔ)，數(shù)學與其他學科的結(jié)合變得更加廣泛與深入，這在環(huán)境、材料、生命科學以及智能制造和人文、醫(yī)藥科學等領(lǐng)域已十分明顯，這些學科的數(shù)學化趨勢，要求人們必須具備更高的數(shù)學化思維能力和實踐應用能力，這在很大程度影響著我國的綜合國力和創(chuàng)新能力[7-8]。因此，以數(shù)學化為手段，有效發(fā)揮數(shù)學對于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)作用，全面提升學生的數(shù)學化創(chuàng)新能力，是工科數(shù)學課程教學基地進一步建設的重要抓手。

1.3 重視數(shù)學實踐教學，培養(yǎng)學生數(shù)學應用能力

縱觀數(shù)學的發(fā)展歷程，數(shù)學一直是由社會需要及問題解決驅(qū)動。事實上，許多科學技術(shù)的發(fā)明創(chuàng)造都可以歸結(jié)為數(shù)學問題的解決，并且技術(shù)的進步又反過來促進了數(shù)學的更大發(fā)展。比如，當今計算機技術(shù)的發(fā)展一方面歸功于數(shù)學，另一方面又為數(shù)學提供了空前廣闊的領(lǐng)域，使數(shù)學的應用無論從廣度和深度上都達到了前所未有的程度，并促成了數(shù)學科學向數(shù)學技術(shù)轉(zhuǎn)化，使數(shù)學技術(shù)成為當今高科技的一個本質(zhì)特征和顯著標志。正是在這種科學與技術(shù)高度融合的背景下，數(shù)學實踐成為現(xiàn)實并逐漸顯示其重要性，促使我國大多數(shù)高校新開設了“數(shù)學實驗”“數(shù)學軟件”“數(shù)學建模”等數(shù)學實踐課程，對培養(yǎng)學生的數(shù)學應用能力發(fā)揮了很大作用[9]。然而，數(shù)學實踐課程在大多數(shù)高校仍屬于邊緣化狀態(tài)，其重視程度還遠遠不夠，這是數(shù)學實踐教學目前面臨的主要問題。因此，工科數(shù)學課程基地建設，應抓住關(guān)鍵問題，以解決問題為動力，切實加強實踐教學課程體系建設，強化實踐教學過程，促進理論課程與實踐課程融合，推動理論與實踐教學共同發(fā)展，實現(xiàn)工科數(shù)學教育的知行合一，不僅讓學生學習知識，也讓學生學會知識的轉(zhuǎn)化與應用，更好發(fā)揮實踐教學的重要作用，培養(yǎng)學生的數(shù)學化應用能力。

2 建設內(nèi)容

以“新工科”發(fā)展理念與創(chuàng)新能力培養(yǎng)為引領(lǐng)，以課程體系、教學內(nèi)容、教學方法、教學能力與質(zhì)量保障體系建設為主要內(nèi)容，注重實效、扎實推進，全面提升工科數(shù)學教學質(zhì)量。

2.1 課程體系建設

課程體系一直是工科數(shù)學課程教學基地建設的核心內(nèi)容，多年來，工科數(shù)學課程體系已從傳統(tǒng)的單一理論課程體系發(fā)展為目前的以理論課程為主，實踐課程為輔，理論與實踐課程兼有的課程體系，這無疑是工科數(shù)學教學所取得的重要進展。然而，目前的工科數(shù)學教學仍然基本處于理論教學為主導的地位，理論與實踐教學發(fā)展不平衡、不協(xié)調(diào)的矛盾依然突出，實踐教學沒有取得更充分發(fā)展。從教學規(guī)律的角度，導致許多學生學而不知其用，實踐創(chuàng)新能力不足，社會適應能力不強的重要原因之一[10-12]。因此，必須加強數(shù)學實踐課程建設(合理分配理論與實踐教學課時、加強數(shù)學模型學習、在習題中增加實驗問題、習題課與實驗課融合、加大課程設計與畢業(yè)設計實踐環(huán)節(jié)管理等)，構(gòu)建理論與實踐教學融合的工科數(shù)學課程體系，促進工科數(shù)學教學向創(chuàng)新驅(qū)動教育轉(zhuǎn)變。

2.2 教學模式創(chuàng)新

教學模式集中反映了教學內(nèi)容、方法、手段與考核方式等各方面的重要特征。因此，教學模式的創(chuàng)新是一項系統(tǒng)工程，根本途徑是要向以學生為中心，注重激發(fā)學生學習興趣、潛能和創(chuàng)造力的教學模式轉(zhuǎn)變。

(1)教學內(nèi)容創(chuàng)新。工科數(shù)學教學對于“新工科”的發(fā)展有著十分重要的創(chuàng)新引擎作用，尤其在邏輯、表達、抽象思維等方面至關(guān)重要。隨著新經(jīng)濟、新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，許多新問題、新思想、新方法以前所未有的速度出現(xiàn)。因此，如何讓這些新內(nèi)容及時進入課堂教學，主動適應新時代發(fā)展，已成為工科數(shù)學教學的重要創(chuàng)新源。工科數(shù)學基地建設應及時抓住“新工科”發(fā)展契機，以問題為導向，勇于創(chuàng)新，使教學內(nèi)容充分體現(xiàn)新經(jīng)濟發(fā)展的時代性、思想性與應用性，全面提升數(shù)學課程對新問題的研究解決能力[13]。

(2)教學方法創(chuàng)新。工科數(shù)學教學方法需要創(chuàng)新。目前的教學過多注重相關(guān)理論概念、原理的傳授，較少對于學習者對知識的吸收與轉(zhuǎn)化過程的關(guān)注；加上學生對于知識吸收效果以及自身知識體系構(gòu)建檢測反饋環(huán)節(jié)的缺失，教師到學生的知識傳遞過程并不完整，學生自身并沒有真正建立不同知識要素之間的聯(lián)系，難以實現(xiàn)知識的吸收與轉(zhuǎn)化，直接影響到學生的適應能力。學習是一個由淺入深，由學習者“外部”向“內(nèi)部”逐漸轉(zhuǎn)化的過程，只有達到了“轉(zhuǎn)化學習”的最后階段，學習者所學知識才能真正轉(zhuǎn)化為自身知識體系上的一個部分，并成為其探索新知識時的一個已有知識基礎(chǔ)。然而，目前的教學模式并沒有使學生經(jīng)歷完整的學習階段，尤其是“轉(zhuǎn)化學習”階段的缺失。對于學生來說，在其自身的知識體系結(jié)構(gòu)中，相關(guān)知識要素的概念圖并不完整，沒有形成有效綜合與聯(lián)系，影響了學生的創(chuàng)新能力。因此，必須對教學過程與方法進行改革，強化實踐教學，通過理論與實踐相結(jié)合打通“隱性知識”傳遞通道，促進學生對知識的吸收與轉(zhuǎn)化應用，關(guān)注學生對知識的吸收效果與知識體系的構(gòu)建。采用問題驅(qū)動教學方法，注重激發(fā)學生學習興趣和潛能，突出以學生為主體。數(shù)學學習的最根本目的是讓學生學會如何解決問題，而不僅是學習數(shù)學知識和演算技巧[14-16]。正如美國數(shù)學家哈爾莫斯(P.R.Halmos)[17]曾經(jīng)指出:“數(shù)學的真正組成部分是問題和解”。從問題的提出、分析、演變、概念形成、問題解決等全過程思維活動始終以問題為中心，從而達到掌握知識、發(fā)展能力的教學目的。這有助于學生理解問題的來龍去脈，體驗處理問題的全過程實踐，學會知識的應用，促進學生將知識向能力轉(zhuǎn)化。

(3)創(chuàng)新考核方式。考核方式對于教學具有指揮棒的重要作用，隨著新時代對創(chuàng)新人才“能力、素質(zhì)”提出的不同要求，考核方式也應進行相應改革，主動適應新變化，才能有效發(fā)揮其積極作用。改革傳統(tǒng)的“理論考試”考核模式，克服以“考試成績論英雄”所帶來的“高分低能”弊端，突出“能力、素質(zhì)”綜合要素考核，體現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求。即更加注重考核學生的自主學習能力、分析和解決問題的能力以及知識的轉(zhuǎn)化應用能力，關(guān)注學生的學習實踐過程。引導學生向提高能力、培育素質(zhì)方向發(fā)展，實現(xiàn)自主學習方式，有效激發(fā)學生的學習興趣和潛在動力，促進工科數(shù)學教學更快向素質(zhì)教育轉(zhuǎn)變，提升學生的實踐創(chuàng)新能力和社會適應能力，為“新工科”發(fā)展培育高素質(zhì)人才。

2.3 教學能力建設

教學能力建設是學校和每一位教育工作者的永恒主題，也是基地建設的重要內(nèi)容，尤其在“新工科”發(fā)展背景下具有更加豐富的內(nèi)涵和要求。就工科數(shù)學教學而言，特別需要加強以下幾方面能力的建設。

(1)數(shù)學化能力。現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展表明數(shù)學化是科技發(fā)展的重要驅(qū)動力和必然趨勢。例如，現(xiàn)代民航飛機百分之百的數(shù)字化開發(fā)過程；運用Radon變換開發(fā)并榮獲諾貝爾醫(yī)學獎的CT技術(shù)等重大發(fā)明都充分說明了這一點。諾貝爾獎不僅僅是因為儀器的發(fā)明，更多指向的是基礎(chǔ)科學方面的卓越成就(這里主要是數(shù)學和生物醫(yī)學科學)。儀器只是手段或表現(xiàn)，背后的基礎(chǔ)科學才是王道，才是科學儀器的靈魂，數(shù)學化能力正是這種活的靈魂的核心體現(xiàn)[18]。

(2)計算思維能力。當前，通常認為科學方法分為三大類別：理論、實驗和計算，相應地理論思維、實驗思維與計算思維被認為是現(xiàn)代科技創(chuàng)新的三大支柱，作為最具時代特征的計算機思維則倍受人們關(guān)注。所謂計算思維即是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設計以及人類行為理解等涵蓋計算機科學之廣度的一系列思維活動。正如圖靈獎得主迪科斯徹 (Dijkstra)所說：“我們所使用的工具影響著我們的思維方式和思維習慣，從而也將深刻地影響著我們的思維能力。”事實上，這種思維活動在計算工具的發(fā)展、演化過程中得到發(fā)展，計算機的出現(xiàn)更是把人的科學思維與物質(zhì)的計算工具合二為一，從而極大地拓展了人類認識世界和解決問題的能力和范圍，計算思維能力因此成為當今社會最重要的能力之一[19]。

(3)學科融合能力。學科融合(Fusion of subjects)是指在承認學科差異的基礎(chǔ)上不斷打破學科邊界，促進學科間相互滲透、交叉的活動。學科交叉融合是當今世界學術(shù)主流發(fā)展方向之一，它是科學前沿的生長點，也是新發(fā)現(xiàn)的高產(chǎn)地，還是“新工科”發(fā)展的主陣地，能促成多學科協(xié)同攻克復雜的綜合性問題，滿足國家和社會發(fā)展的現(xiàn)實需求。例如芝加哥大學十分注重學科交叉，建立的分子工程學院不對學科設限，而是從分子的角度，化學、物理、生物、材料都在其中，多領(lǐng)域融合來推進新工學前沿的探索，學科交叉理念不僅根植于機構(gòu)建設，也反映到該校校園建筑上[20]。顧名思義，工科數(shù)學不同于一般數(shù)學，其最大的差別就在于更加注重數(shù)學與其他學科的交叉融合。工科數(shù)學教學不只是一個單純的數(shù)學教學問題，還需要對其他學科領(lǐng)域相關(guān)問題背景的深刻理解，以實現(xiàn)問題的數(shù)學化轉(zhuǎn)換，這正是“新工科”發(fā)展最不可或缺的一種能力。

3 結(jié) 語

工科數(shù)學是工科院校重要的基礎(chǔ)性課程，工科數(shù)學課程教學基地建設應主要包括課程體系、師資隊伍與教學能力建設，對于工科人才培養(yǎng)具有十分重要的意義和作用。在“新工科”發(fā)展背景下，基地建設應更加重視理念、內(nèi)容的創(chuàng)新與教學模式改革，加強教學能力建設，進一步提升教師的數(shù)學化、計算思維與學科融合能力，更好發(fā)揮數(shù)學的創(chuàng)新驅(qū)動作用，適應“新工科”發(fā)展對創(chuàng)新人才培養(yǎng)新要求。