徐萬海 李楠 周麗丹
摘 ?要:新工科是在新時(shí)代、新環(huán)境、新形勢的需求下應(yīng)運(yùn)而生的,是高等教育改革的初步探索和嘗試。目標(biāo)是培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。數(shù)學(xué)是工科專業(yè)的主要基礎(chǔ)課程。在新工科背景下,大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)任務(wù),評價(jià)指標(biāo),教學(xué)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(xué)與工程兩個(gè)傳統(tǒng)工科專業(yè)為例,重點(diǎn)闡述新工科背景下的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)體系構(gòu)建問題。相關(guān)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(shù)支撐。
關(guān)鍵詞:新工科;船舶與海洋工程;環(huán)境科學(xué)與工程;數(shù)學(xué)教學(xué)
中圖分類號:G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)、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(shí)踐指導(dǎo)文件,明確了工科建設(shè)的目標(biāo)和要求[1]。相對于傳統(tǒng)的工科人才,新工科建設(shè)培養(yǎng)的是工程實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力突出、具備國際競爭力的高素質(zhì)復(fù)合型人才[2]。
大學(xué)數(shù)學(xué)作為新工科專業(yè)的基礎(chǔ)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(guān)于加強(qiáng)數(shù)學(xué)科學(xué)研究工作方案》,強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)的重要性,將大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)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(yīng)新工科背景的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式研究是“新經(jīng)濟(jì)”時(shí)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(shè)
(一)船舶與海洋工程專業(yè)新工科建設(shè)
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(shè)海洋強(qiáng)國等戰(zhàn)略目標(biāo)的提出,船舶與海洋工程專業(yè)為國防建設(shè)、船舶建造和海洋開發(fā)等培養(yǎng)高精尖人才的任務(wù)更加迫切,已然成為新工科專業(yè)建設(shè)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(xué)科知識為中心,還是以順應(yīng)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(xué)以灌輸知識為主,缺乏工程案例,創(chuàng)新實(shí)踐深度參與度低、市場導(dǎo)向薄弱等問題,與學(xué)科專業(yè)改造升級、復(fù)合型工程專業(yè)人才的迫切需求不相適應(yīng)。新工科建設(shè)是在當(dāng)前新形勢的時(shí)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(yīng),隨著“中國制造2025”把海洋工程裝備和高技術(shù)船舶作為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一加快推進(jìn),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(yīng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、又能引領(lǐng)行業(yè)前行的專業(yè)人才極具緊迫性。對于解決領(lǐng)域內(nèi)教育存在的突出問題,加快學(xué)科專業(yè)改造升級等都具有積極的意義。
(二)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)新工科建設(shè)
生態(tài)文明建設(shè)是事關(guān)人民福祉與民族未來的大計(jì)。黨的十九大報(bào)告中,習(xí)近平總書記更是把污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)作為與防范化解重大風(fēng)險(xiǎn)、精準(zhǔn)脫貧并重的三大攻堅(jiān)戰(zhàn)之一。在這樣的形勢和背景下,環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)肩負(fù)著為未來、為生態(tài)文明建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展培育人才的歷史使命,這也為對當(dāng)前的環(huán)境科學(xué)與工程教學(xué)模式提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
系統(tǒng)性、智慧化的欠缺是當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域教學(xué)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(shù),同時(shí)掌握智能智慧、大數(shù)據(jù)等方面知識的人才需求相當(dāng)大。然而,高等院校目前的培養(yǎng)體系缺少相應(yīng)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(yán)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(jìn)世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)總體方案》的指導(dǎo)思想引領(lǐng)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(jìn)行環(huán)境科學(xué)與工程人才培養(yǎng)的深度改革[5]。以新工科建設(shè)為契機(jī),培養(yǎng)智慧環(huán)保創(chuàng)新性人才,改進(jìn)當(dāng)前環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)的短板,形成基于新工科2.0的智慧環(huán)保系統(tǒng)教學(xué)模式,提升學(xué)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(xué)的要求
(一)船舶與海洋工程專業(yè)
數(shù)學(xué)是船舶與海洋工程專業(yè)的重要主干基礎(chǔ)課程,在船舶與海洋工程專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)具有舉足輕重的地位。從船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)、船舶流體力學(xué)、船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和船舶結(jié)構(gòu)動力學(xué)等課程學(xué)習(xí),到FORTRAN、CAD、C++等編程與設(shè)計(jì)軟件,再到MATLAB、ANSYS、ABAQUS、FLUENT等數(shù)值計(jì)算軟件,數(shù)學(xué)知識的運(yùn)用幾乎滲透到每一個(gè)角落[6]。隨著數(shù)學(xué)逐漸發(fā)展為一個(gè)博大精深的科學(xué)體系,包括船舶與海洋工程學(xué)科在內(nèi)的各理工學(xué)科都越來越嚴(yán)謹(jǐn)、精細(xì)。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(shí),數(shù)學(xué)是其中的一個(gè)非常重要的方面。
在船舶與海洋工程專業(yè)的課程設(shè)置中,首先要求學(xué)生學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)、場論與復(fù)變函數(shù)、工程數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、隨機(jī)過程等基本理論課程。以此為基礎(chǔ),開設(shè)理論力學(xué)、材料力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)、船舶流體力學(xué)、船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、船舶與海洋結(jié)構(gòu)物靜力學(xué)、船舶結(jié)構(gòu)動力學(xué)等船舶與海洋工程專業(yè)核心課程,要求學(xué)生能夠運(yùn)用學(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識解決以下問題:
(1)船舶結(jié)構(gòu)力學(xué):方程求解,矩陣運(yùn)算求解,桁架結(jié)構(gòu)限元法理論推導(dǎo),平面應(yīng)力與平面應(yīng)變求解等;
(2)船體強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):與船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)基本一致;
(3)船舶流體力學(xué):建立流體力學(xué)重要的N-S方程并求解;
(4)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物靜力學(xué):多重積分的求解-計(jì)算浮心、重心、穩(wěn)性等;
(5)船舶結(jié)構(gòu)動力學(xué):動力學(xué)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(xué)生設(shè)計(jì)與研究的需要,學(xué)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(xué)習(xí)的數(shù)學(xué)知識進(jìn)行船舶與海洋工程實(shí)際問題的求解。
(二)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)
作為傳統(tǒng)工科專業(yè),環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)主要學(xué)習(xí)力學(xué)類、化學(xué)類、工程流體力學(xué)、環(huán)境監(jiān)測等基礎(chǔ)理論知識,接受工程制圖、污染監(jiān)測分析、工程設(shè)計(jì)和科研實(shí)驗(yàn)的基本訓(xùn)練,具有環(huán)境污染治理和市政工程領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)、科學(xué)研究和管理規(guī)劃的基本能力。數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用貫穿了環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)生培養(yǎng)的全過程,并對于學(xué)生培養(yǎng)的多個(gè)方面起著重要的支撐作用。伴隨著環(huán)境領(lǐng)域?qū)I與大數(shù)據(jù)的需求越來越多,關(guān)系也越來越密切。
首先,數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程素質(zhì)。將數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識應(yīng)用于環(huán)境/市政工程,培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。
其次,數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力?;跀?shù)學(xué)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用,學(xué)生掌握自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理,有助于其識別、表述、分析復(fù)雜環(huán)境/市政工程問題,并獲得有效結(jié)論。
再次,數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的研究能力。數(shù)學(xué)的原理與方法在研究方案的構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)方面有著普遍的應(yīng)用。此外,學(xué)生可通過分析數(shù)據(jù)信息對復(fù)雜環(huán)境問題進(jìn)行探索與研究,提出合理解決方案。
最后,數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)有利于培養(yǎng)學(xué)生的工具應(yīng)用能力。學(xué)生基于數(shù)學(xué)基礎(chǔ),選擇、使用或開發(fā)適合的技術(shù)、資源、工具,對復(fù)雜工程問題進(jìn)行分析、解釋、模擬、預(yù)測,并理解其適用范圍。
隨著新工科背景下環(huán)境領(lǐng)域中智慧元素的不斷深入,環(huán)境科學(xué)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(shè)置,對學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識提出了更具有指向性和更高的要求,數(shù)學(xué)知識的不斷深入學(xué)習(xí)與環(huán)境領(lǐng)域的發(fā)展需求保持著雙向遞進(jìn)關(guān)系。在第一知識體模塊——基礎(chǔ)類課程中,要求學(xué)生學(xué)習(xí)基本數(shù)學(xué)理論課程。在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識的同時(shí),學(xué)生通過在無機(jī)化學(xué)與分析化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)及配套實(shí)驗(yàn)課程等自然科學(xué)類基礎(chǔ)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中解決具體數(shù)學(xué)問題,構(gòu)建用數(shù)學(xué)概括與解決抽象科學(xué)問題的思想與邏輯思維,正確理解和運(yùn)用數(shù)學(xué)基本概念與方法。
以此為基礎(chǔ),在第二知識體模塊的知識與技能類課程中開設(shè)工程流體力學(xué)、工程力學(xué)、化學(xué)工程原理、環(huán)境分析監(jiān)測、測量學(xué)及畫法幾何及工程制圖等環(huán)境學(xué)科基礎(chǔ)類課程和環(huán)境化學(xué)、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(yīng)用等環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)核心類課程。學(xué)生需在學(xué)科基礎(chǔ)課程中學(xué)會數(shù)學(xué)知識與工程原理的轉(zhuǎn)化,掌握方程組的求解、矩陣的運(yùn)算,微分方程在工程力學(xué)、測量學(xué)中的求解等;工程制圖教學(xué)要求學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)抽象空間想象能力與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)字維度思想,熟練掌握繪圖技能;在環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)核心課程上,要求學(xué)生掌握微分方程的建立與求解、動力學(xué)方程的數(shù)值求解、線性/非線性模型擬合等數(shù)學(xué)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(jìn)行有效地結(jié)構(gòu)化處理和多元化解析,運(yùn)用合適的數(shù)學(xué)工具結(jié)合實(shí)際需求對環(huán)境污染防治提出數(shù)據(jù)質(zhì)量評估與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測;知識與技能類課程的設(shè)置,響應(yīng)環(huán)保行業(yè)發(fā)展需求,培養(yǎng)環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)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(xué)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(yīng)用到相關(guān)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(xué)有更高和更新的目標(biāo)。在環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域,也有著類似的趨勢,隨著5G時(shí)代的到來,大數(shù)據(jù)、智能、智慧元素在環(huán)境領(lǐng)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(xué)在新工科人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)地位,同時(shí)也為大學(xué)數(shù)學(xué)的教學(xué)帶來了挑戰(zhàn)。因此,需重新設(shè)計(jì)船舶與海洋工程以及環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的數(shù)學(xué)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(duì)伍建設(shè)
大學(xué)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(xué)、船舶與海洋工程專業(yè)以及環(huán)境科學(xué)與工程教師的要求不僅僅體現(xiàn)在掌握扎實(shí)的知識體系上,更體現(xiàn)在掌握現(xiàn)代信息技術(shù),并將其應(yīng)用到課堂教學(xué)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(jìn)行劃分,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。最后,教師需要有較強(qiáng)的研究能力和創(chuàng)新能力,在教學(xué)過程中對知識的把握更加準(zhǔn)確,在講解知識的時(shí)候更加深入。
(二)數(shù)學(xué)體系重構(gòu)
要想讓數(shù)學(xué)與“大數(shù)據(jù)”“云計(jì)算”產(chǎn)生密切聯(lián)系,與船舶與海洋工程以及環(huán)境科學(xué)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(xué)課程結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新構(gòu)建??梢愿鶕?jù)專業(yè)特點(diǎn)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(diǎn),既減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān),又能使學(xué)生更好地做到“學(xué)以致用”。此外,可以根據(jù)學(xué)生的需要,開設(shè)一些適合學(xué)生的選修課程,比如數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)推斷、數(shù)學(xué)軟件、運(yùn)籌學(xué)、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用技術(shù)、人工智能理論與應(yīng)用等,這些課程的學(xué)習(xí)會極大地滿足參加學(xué)科競賽學(xué)生的需要,通過這些課程的學(xué)習(xí),既激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,同時(shí)也會使學(xué)生在學(xué)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(xué)模式主要是課堂上教師講,學(xué)生聽。隨著教學(xué)改革的逐漸深入以及適應(yīng)信息化的要求,可通過網(wǎng)絡(luò)課堂推動學(xué)生學(xué)習(xí)掌握數(shù)學(xué)、船舶與海洋工程/環(huán)境科學(xué)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(xué)生們對于這些網(wǎng)絡(luò)課程是非常感興趣的。在原有知識體系的基礎(chǔ)上,建立線下、線上相結(jié)合的教學(xué)模式,線下課堂傳授理論知識,線上推送預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)資料,將一些選做題、課外資料推送給學(xué)生,豐富學(xué)生數(shù)學(xué)知識的同時(shí)吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)知識面。既增強(qiáng)了教學(xué)的趣味性,同時(shí)也有利于學(xué)生鞏固和提高所學(xué)知識。
(四)體系整改與完善
完善的教學(xué)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(xué)課程體系,需重點(diǎn)研究課程體系相關(guān)的影響因素,制定評價(jià)指標(biāo)和因素集。依據(jù)客觀的評價(jià)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(fù)合型人才培養(yǎng)的實(shí)際情況相吻合。
四、結(jié)束語
新工科建設(shè)對工程專業(yè)人才的培養(yǎng)起到了促進(jìn)的作用,同時(shí)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(xué)與工程專業(yè)為例,探討了新工科背景的大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)模式。數(shù)學(xué)同時(shí)是船舶與海洋工程專業(yè)以及環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)的主干基礎(chǔ)學(xué)科,新時(shí)代工程領(lǐng)域的高技術(shù)卓越人才應(yīng)具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。新工科背景下,船舶與海洋工程以及環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)中的數(shù)學(xué)教學(xué)都應(yīng)秉持理論與實(shí)踐并重,數(shù)學(xué)知識與專業(yè)知識深度融合,網(wǎng)絡(luò)資源與傳統(tǒng)課堂有效結(jié)合的指導(dǎo)思想,優(yōu)化和整合數(shù)學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容,構(gòu)建現(xiàn)代化專業(yè)數(shù)學(xué)教學(xué)體系,切實(shí)解決新形勢下數(shù)學(xué)教育的瓶頸,提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率,服務(wù)于培養(yǎng)高素質(zhì)復(fù)合型新工科人才。
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