適應新工科背景的大學數(shù)學教學模式研究

徐萬海 李楠 周麗丹

摘 ?要：新工科是在新時代、新環(huán)境、新形勢的需求下應運而生的，是高等教育改革的初步探索和嘗試。目標是培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。數(shù)學是工科專業(yè)的主要基礎課程。在新工科背景下，大學數(shù)學的教學任務，評價指標，教學方法面臨諸多挑戰(zhàn)。文章以船舶與海洋工程和環(huán)境科學與工程兩個傳統(tǒng)工科專業(yè)為例，重點闡述新工科背景下的大學數(shù)學教學體系構(gòu)建問題。相關研究成果可為傳統(tǒng)工科向新工科的升級轉(zhuǎn)變提供理論參考和技術支撐。

關鍵詞：新工科;船舶與海洋工程;環(huán)境科學與工程;數(shù)學教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0105-04

Abstract： The new engineering arises in the new era， the new environment and the demand of the new situation. It is the preliminary exploration and attempt of higher education reform. Our goal is to cultivate diverse， innovative and outstanding engineering and scientific talents. Under the background of new engineering， mathematics， as the main basic course of engineering major， faces many challenges in its teaching task， evaluation index and teaching method. This paper focuses on the construction of university mathematics teaching system by taking ship and ocean engineering and environmental science and engineering as examples. The research results provide theoretical reference and technical support for upgrading from traditional engineering to new engineering.

Keywords： new engineering; Ship and Ocean Engineering; Environmental Science and Engineering; Mathematics teaching

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”“中國制造2025”“一帶一路”倡議等的提出，新形勢下，傳統(tǒng)工程教育培養(yǎng)的人才已無法滿足新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)的需要。教育部高教司在2017年發(fā)布了新工科研究與實踐指導文件，明確了工科建設的目標和要求[1]。相對于傳統(tǒng)的工科人才，新工科建設培養(yǎng)的是工程實踐能力強、創(chuàng)新能力突出、具備國際競爭力的高素質(zhì)復合型人才[2]。

大學數(shù)學作為新工科專業(yè)的基礎課程，對人才各方面的能力培養(yǎng)起著舉足輕重的作用[3]。2019年7月12日，四部委聯(lián)合制定了《關于加強數(shù)學科學研究工作方案》，強調(diào)數(shù)學的重要性，將大學數(shù)學教學改革提升到國家戰(zhàn)略高度[4]。面對新形勢、新要求，積極開展適應新工科背景的大學數(shù)學教學模式研究是“新經(jīng)濟”時代對高等教育發(fā)展所提出的必然要求。

一、傳統(tǒng)工科專業(yè)的新工科建設

（一）船舶與海洋工程專業(yè)新工科建設

船舶與海洋工程專業(yè)是我國工科教育體系的重要組成部分，是具有鮮明行業(yè)特色的傳統(tǒng)工科專業(yè)。隨著建設海洋強國等戰(zhàn)略目標的提出，船舶與海洋工程專業(yè)為國防建設、船舶建造和海洋開發(fā)等培養(yǎng)高精尖人才的任務更加迫切，已然成為新工科專業(yè)建設的排頭兵。

船舶與海洋工程專業(yè)作為我國高校相對稀缺的專業(yè)，就目前國內(nèi)發(fā)展情況而言，無論是以學科知識為中心，還是以順應就業(yè)需求為中心的人才教育與培養(yǎng)模式，都存在模式單一，課堂教學以灌輸知識為主，缺乏工程案例，創(chuàng)新實踐深度參與度低、市場導向薄弱等問題，與學科專業(yè)改造升級、復合型工程專業(yè)人才的迫切需求不相適應。新工科建設是在當前新形勢的時代背景下，對國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、產(chǎn)業(yè)變革升級新趨勢、國際競爭新形勢以及立德樹人新要求作出的積極回應，隨著“中國制造2025”把海洋工程裝備和高技術船舶作為十大重點發(fā)展領域之一加快推進，新工科也對船舶與海洋工程專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了新的要求，培養(yǎng)既能適應經(jīng)濟社會發(fā)展、又能引領行業(yè)前行的專業(yè)人才極具緊迫性。對于解決領域內(nèi)教育存在的突出問題，加快學科專業(yè)改造升級等都具有積極的意義。

（二）環(huán)境科學與工程專業(yè)新工科建設

生態(tài)文明建設是事關人民福祉與民族未來的大計。黨的十九大報告中，習近平總書記更是把污染防治攻堅戰(zhàn)作為與防范化解重大風險、精準脫貧并重的三大攻堅戰(zhàn)之一。在這樣的形勢和背景下，環(huán)境科學與工程專業(yè)肩負著為未來、為生態(tài)文明建設和可持續(xù)發(fā)展培育人才的歷史使命，這也為對當前的環(huán)境科學與工程教學模式提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)性、智慧化的欠缺是當前環(huán)境科學與工程領域教學的短板。伴隨著第四次工業(yè)革命的發(fā)展，環(huán)保企業(yè)對精通環(huán)境污染防治技術，同時掌握智能智慧、大數(shù)據(jù)等方面知識的人才需求相當大。然而，高等院校目前的培養(yǎng)體系缺少相應人才的培養(yǎng)，以致于高校培養(yǎng)人才的出口與社會、行業(yè)的需求存在偏差，嚴重影響了行業(yè)、企業(yè)、公眾、媒體等對環(huán)境教育的觀感。在《統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》的指導思想引領下，面向環(huán)保行業(yè)數(shù)字化、智能化、智慧化的重大需求，高校需進行環(huán)境科學與工程人才培養(yǎng)的深度改革[5]。以新工科建設為契機，培養(yǎng)智慧環(huán)保創(chuàng)新性人才，改進當前環(huán)境科學與工程專業(yè)教學的短板，形成基于新工科2.0的智慧環(huán)保系統(tǒng)教學模式，提升學生專業(yè)素質(zhì)和國際化視野，滿足行業(yè)和社會對新型環(huán)保產(chǎn)業(yè)人才的需求。

二、新工科專業(yè)對數(shù)學的要求

（一）船舶與海洋工程專業(yè)

數(shù)學是船舶與海洋工程專業(yè)的重要主干基礎課程，在船舶與海洋工程專業(yè)領域內(nèi)具有舉足輕重的地位。從船舶結(jié)構(gòu)力學、船舶流體力學、船體強度與結(jié)構(gòu)設計和船舶結(jié)構(gòu)動力學等課程學習，到FORTRAN、CAD、C++等編程與設計軟件，再到MATLAB、ANSYS、ABAQUS、FLUENT等數(shù)值計算軟件，數(shù)學知識的運用幾乎滲透到每一個角落[6]。隨著數(shù)學逐漸發(fā)展為一個博大精深的科學體系，包括船舶與海洋工程學科在內(nèi)的各理工學科都越來越嚴謹、精細。因此，在新工科背景下培養(yǎng)船舶與海洋工程專業(yè)創(chuàng)新型人才時，數(shù)學是其中的一個非常重要的方面。

在船舶與海洋工程專業(yè)的課程設置中，首先要求學生學習高等數(shù)學、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、場論與復變函數(shù)、工程數(shù)學基礎、隨機過程等基本理論課程。以此為基礎，開設理論力學、材料力學、船舶結(jié)構(gòu)力學、船舶流體力學、船體強度與結(jié)構(gòu)設計、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物靜力學、船舶結(jié)構(gòu)動力學等船舶與海洋工程專業(yè)核心課程，要求學生能夠運用學習的數(shù)學基礎知識解決以下問題：

（1）船舶結(jié)構(gòu)力學：方程求解，矩陣運算求解，桁架結(jié)構(gòu)限元法理論推導，平面應力與平面應變求解等;

（2）船體強度與結(jié)構(gòu)設計：與船舶結(jié)構(gòu)力學基本一致;

（3）船舶流體力學：建立流體力學重要的N-S方程并求解;

（4）船舶與海洋結(jié)構(gòu)物靜力學：多重積分的求解-計算浮心、重心、穩(wěn)性等;

（5）船舶結(jié)構(gòu)動力學：動力學方程的數(shù)值求解-有限差分法、有限元等數(shù)值方法。

此外，根據(jù)學生設計與研究的需要，學生還需掌握 FORTRAN編程、CAD繪圖及MATLAB、ABAQUS、FLUENT等軟件的使用，利用所學習的數(shù)學知識進行船舶與海洋工程實際問題的求解。

（二）環(huán)境科學與工程專業(yè)

作為傳統(tǒng)工科專業(yè)，環(huán)境科學與工程專業(yè)主要學習力學類、化學類、工程流體力學、環(huán)境監(jiān)測等基礎理論知識，接受工程制圖、污染監(jiān)測分析、工程設計和科研實驗的基本訓練，具有環(huán)境污染治理和市政工程領域的工程設計、科學研究和管理規(guī)劃的基本能力。數(shù)學的學習與應用貫穿了環(huán)境科學與工程學生培養(yǎng)的全過程，并對于學生培養(yǎng)的多個方面起著重要的支撐作用。伴隨著環(huán)境領域?qū)I與大數(shù)據(jù)的需求越來越多，關系也越來越密切。

首先，數(shù)學的學習有利于培養(yǎng)學生的工程素質(zhì)。將數(shù)學、自然科學、工程基礎和專業(yè)知識應用于環(huán)境/市政工程，培養(yǎng)學生解決復雜工程問題的能力。

其次，數(shù)學的學習有利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。基于數(shù)學的學習和應用，學生掌握自然科學和工程科學的基本原理，有助于其識別、表述、分析復雜環(huán)境/市政工程問題，并獲得有效結(jié)論。

再次，數(shù)學的學習有利于培養(yǎng)學生的研究能力。數(shù)學的原理與方法在研究方案的構(gòu)建和實驗的綜合設計方面有著普遍的應用。此外，學生可通過分析數(shù)據(jù)信息對復雜環(huán)境問題進行探索與研究，提出合理解決方案。

最后，數(shù)學的學習有利于培養(yǎng)學生的工具應用能力。學生基于數(shù)學基礎，選擇、使用或開發(fā)適合的技術、資源、工具，對復雜工程問題進行分析、解釋、模擬、預測，并理解其適用范圍。

隨著新工科背景下環(huán)境領域中智慧元素的不斷深入，環(huán)境科學與工程專業(yè)在已有的知識體模塊化的培養(yǎng)方案上，將智慧元素融入課程設置，對學生的數(shù)學基礎知識提出了更具有指向性和更高的要求，數(shù)學知識的不斷深入學習與環(huán)境領域的發(fā)展需求保持著雙向遞進關系。在第一知識體模塊——基礎類課程中，要求學生學習基本數(shù)學理論課程。在學習基礎理論知識的同時，學生通過在無機化學與分析化學、有機化學、物理化學、生物化學及配套實驗課程等自然科學類基礎課程教學環(huán)節(jié)中解決具體數(shù)學問題，構(gòu)建用數(shù)學概括與解決抽象科學問題的思想與邏輯思維，正確理解和運用數(shù)學基本概念與方法。

以此為基礎，在第二知識體模塊的知識與技能類課程中開設工程流體力學、工程力學、化學工程原理、環(huán)境分析監(jiān)測、測量學及畫法幾何及工程制圖等環(huán)境學科基礎類課程和環(huán)境化學、大氣污染控制工程、廢水工程、固體廢棄物處理與資源化利用、測量與地理信息應用等環(huán)境科學與工程專業(yè)核心類課程。學生需在學科基礎課程中學會數(shù)學知識與工程原理的轉(zhuǎn)化，掌握方程組的求解、矩陣的運算，微分方程在工程力學、測量學中的求解等;工程制圖教學要求學生運用數(shù)學抽象空間想象能力與嚴謹?shù)臄?shù)字維度思想，熟練掌握繪圖技能;在環(huán)境科學與工程專業(yè)核心課程上，要求學生掌握微分方程的建立與求解、動力學方程的數(shù)值求解、線性/非線性模型擬合等數(shù)學知識，對環(huán)境中水、氣、固廢等問題的監(jiān)測、分析與解決過程中的數(shù)據(jù)進行有效地結(jié)構(gòu)化處理和多元化解析，運用合適的數(shù)學工具結(jié)合實際需求對環(huán)境污染防治提出數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與風險預測;知識與技能類課程的設置，響應環(huán)保行業(yè)發(fā)展需求，培養(yǎng)環(huán)境科學與工程專業(yè)的學生向全生命周期治理的思維轉(zhuǎn)變。

三、新工科背景下的數(shù)學課程體系

未來船舶與海洋工程的發(fā)展中將越來越多地涉及和應用到相關的知識，因此在新工科背景下要求船舶與海洋工程專業(yè)人才對數(shù)學有更高和更新的目標。在環(huán)境科學與工程領域，也有著類似的趨勢，隨著5G時代的到來，大數(shù)據(jù)、智能、智慧元素在環(huán)境領域起著越來越重要的作用。新工科的提出，既更加凸顯了數(shù)學在新工科人才培養(yǎng)中的基礎地位，同時也為大學數(shù)學的教學帶來了挑戰(zhàn)。因此，需重新設計船舶與海洋工程以及環(huán)境科學與工程專業(yè)的數(shù)學課程體系，為如何培養(yǎng)符合上述專業(yè)未來需求的新工科人才作出合理規(guī)劃。

（一）師資隊伍建設

大學教師在新工科人才培養(yǎng)過程中起著舉足輕重的作用，新工科對教師提出了更高的要求。新工科背景下，對于數(shù)學、船舶與海洋工程專業(yè)以及環(huán)境科學與工程教師的要求不僅僅體現(xiàn)在掌握扎實的知識體系上，更體現(xiàn)在掌握現(xiàn)代信息技術，并將其應用到課堂教學和管理中。例如，通過借助信息化手段將授課科目的知識結(jié)構(gòu)進行劃分，提高學生的學習效率。最后，教師需要有較強的研究能力和創(chuàng)新能力，在教學過程中對知識的把握更加準確，在講解知識的時候更加深入。

（二）數(shù)學體系重構(gòu)

要想讓數(shù)學與“大數(shù)據(jù)”“云計算”產(chǎn)生密切聯(lián)系，與船舶與海洋工程以及環(huán)境科學與工程專業(yè)新工科人才培養(yǎng)產(chǎn)生聯(lián)系，需要對現(xiàn)有的數(shù)學課程結(jié)構(gòu)進行重新構(gòu)建。可以根據(jù)專業(yè)特點劃分知識結(jié)構(gòu)，根據(jù)后續(xù)專業(yè)課程的需要明確側(cè)重點，既減輕了學生的負擔，又能使學生更好地做到“學以致用”。此外，可以根據(jù)學生的需要，開設一些適合學生的選修課程，比如數(shù)學實驗、統(tǒng)計推斷、數(shù)學軟件、運籌學、數(shù)據(jù)庫應用技術、人工智能理論與應用等，這些課程的學習會極大地滿足參加學科競賽學生的需要，通過這些課程的學習，既激發(fā)了學生的學習興趣，同時也會使學生在學科競賽中攻破難題，取得好成績。

（三）線上線下結(jié)合

傳統(tǒng)的教學模式主要是課堂上教師講，學生聽。隨著教學改革的逐漸深入以及適應信息化的要求，可通過網(wǎng)絡課堂推動學生學習掌握數(shù)學、船舶與海洋工程/環(huán)境科學與工程專業(yè)知識，例如目前較為常用的“雨課堂”、網(wǎng)上慕課、微課等。調(diào)研顯示，學生們對于這些網(wǎng)絡課程是非常感興趣的。在原有知識體系的基礎上，建立線下、線上相結(jié)合的教學模式，線下課堂傳授理論知識，線上推送預習、復習資料，將一些選做題、課外資料推送給學生，豐富學生數(shù)學知識的同時吸引學生學習興趣，拓寬學生學習知識面。既增強了教學的趣味性，同時也有利于學生鞏固和提高所學知識。

（四）體系整改與完善

完善的教學體系對人才培養(yǎng)有著彌足輕重的作用。針對不同工程類專業(yè)的數(shù)學課程體系，需重點研究課程體系相關的影響因素，制定評價指標和因素集。依據(jù)客觀的評價結(jié)果，有針對性地整改課程體系中存在的問題，促使課程體系逐步趨于完善，與新工科的復合型人才培養(yǎng)的實際情況相吻合。

四、結(jié)束語

新工科建設對工程專業(yè)人才的培養(yǎng)起到了促進的作用，同時也提出了全新的挑戰(zhàn)，文章以船舶與海洋工程以及環(huán)境科學與工程專業(yè)為例，探討了新工科背景的大學數(shù)學教學模式。數(shù)學同時是船舶與海洋工程專業(yè)以及環(huán)境科學與工程專業(yè)的主干基礎學科，新時代工程領域的高技術卓越人才應具備扎實的數(shù)學基礎。新工科背景下，船舶與海洋工程以及環(huán)境科學與工程專業(yè)中的數(shù)學教學都應秉持理論與實踐并重，數(shù)學知識與專業(yè)知識深度融合，網(wǎng)絡資源與傳統(tǒng)課堂有效結(jié)合的指導思想，優(yōu)化和整合數(shù)學課程的教學內(nèi)容，構(gòu)建現(xiàn)代化專業(yè)數(shù)學教學體系，切實解決新形勢下數(shù)學教育的瓶頸，提高教學質(zhì)量和教學效率，服務于培養(yǎng)高素質(zhì)復合型新工科人才。

參考文獻：

[1]教育部高教司.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知（教高司函[2017]6號）[EB/OL].[2017-02-20].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[2]劉新風.新工科內(nèi)涵解讀與前景分析[J].招生考試通訊（高考版），2021（3）：60-61.

[3]吳延紅.面向新工科的大學數(shù)學基礎課程體系構(gòu)建與研究[J].青年與社會，2019（11）：2.

[4]科技部辦公廳，教育部辦公廳，中科院辦公廳，等.關于加強數(shù)學科學研究工作方案[EB/OL].[2019-07-12].https：//www.cas.cn/zcjd/201909/t20190918_4715042.shtml.

[5]國務院.統(tǒng)籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案（國發(fā)[2015]64號）[EB/OL].[2015-10-24].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/moe_1778/201511/t20151105_217823.html.

[6]趙娜，葉仁傳.論船舶與海洋工程教學與科研中數(shù)學知識及數(shù)學軟件工具[J].教育教學論壇，2019（16）：2.