新工科背景下的專業(yè)課教學探討

李啟民 王建

[摘 要] 專業(yè)課教學是本科教學活動中的一項重要內容。通過分析新工科建設任務與專業(yè)課特點，在調查研究工科大學生專業(yè)課學習興趣的基礎上，探討將科研工作與專業(yè)課教學相結合、啟發(fā)大學生創(chuàng)造性思維的教學方法;闡述將工程實踐，特別是將工程事故分析與處理案例融入專業(yè)課教學中，以及提高大學生分析實際問題和解決實際問題能力的做法與體會。研究表明，該教學方法可使學生一并圓滿完成新工科教育中基本知識、實踐能力、創(chuàng)新精神三個層面的任務。

[關鍵詞] 工程教育;專業(yè)課教學;工程事故案例;能力提升

[課題項目] 2020年度中國地質大學（北京）本科教育質量提升計劃建設項目“教學改革專項‘地基與基礎’”（KCSZ202014）

[作者簡介] 李啟民（1963—），男，山西萬榮人，博士，中國地質大學（北京）水資源與環(huán)境學院正高工（通信作者），主要從事巖土工程研究;王 建（1980—），男，四川瀘州人，博士，西南科技大學土木工程與建筑學院副教授，主要從事巖土工程研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）22-0153-04 [收稿日期] 2022-01-20

一、新工科建設任務分析

工科是利用數(shù)學、物理學、化學等基礎科學的原理，結合生產(chǎn)實踐所積累的技術經(jīng)驗而發(fā)展起來的學科，諸如土建類、水利類、機械類、電工類、信息類、熱能類、儀器儀表類、化工制藥類等。工科專業(yè)的培養(yǎng)任務即為培養(yǎng)具有良好的實踐能力和創(chuàng)新精神的科技人才，培養(yǎng)在相應的工程領域從事規(guī)劃、勘察、設計、施工、制造、管理、監(jiān)理等方面的高級技術人才。

2017年2月20日，教育部高等教育司發(fā)布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》。2017年6月16日，教育部辦公廳又發(fā)布了《關于推薦新工科研究與實踐項目的通知》。2017年6月9日，教育部在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，全面啟動、系統(tǒng)部署新工科建設。新工科的內涵為：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。新工科內涵包括三個新的層面：（1）理念新：應對變化，塑造未來;（2）要求新：培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才;（3）途徑新：繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調與共享[1]。

二、學情分析

2019年，全國普通高校畢業(yè)生為834萬人，招收碩士生81.13萬人。2020年和2021年全國普通高校畢業(yè)生分別為874萬人和909萬人，而2020年和2021年招收碩士生分別為111.4萬人和110.7萬人。因此，從近年來全國普通高校畢業(yè)生人數(shù)和碩士研究生錄取人數(shù)的情況看，87%～90%的應屆大學生畢業(yè)后要走上工作崗位（其中一少部分轉入復讀，再戰(zhàn)考研），面向生產(chǎn)第一線。但是，絕大多數(shù)大學生都是應屆高中畢業(yè)生，缺乏生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗，這就給工科大學生的專業(yè)課教學帶來了許多問題[2，3]。如何通過專業(yè)課教學，使缺乏實踐經(jīng)驗的工科大學生能學好專業(yè)課，并將專業(yè)知識作為走向社會的基石值得我們探討。無論學生將來走向哪個崗位、從事何種職業(yè)，只要具備良好的專業(yè)知識，掌握了基本技能，就能在激烈競爭中因勢利導，激流勇進。

三、專業(yè)課教學“痛點”問題分析

（一）基本理論與實踐的結合問題

如前所述，我國高等院校的工科大學生絕大多數(shù)是應屆高中畢業(yè)生。大學的理論課學習與高中階段關聯(lián)度較大，大學生的思維習慣基本一致。但是，這些年輕的大學生對工程實踐了解較少，缺乏生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，在理論與實踐之間存在“落差”，在進行專業(yè)課學習時便遇到了不同程度的困難。所以，基本理論與實踐的結合問題是專業(yè)課課堂教學的難點之一。

（二）工程實踐中“度”的把握問題

正如初學開車的學徒，對汽車的加速、減速與腳踏力度的把握是一個難點問題一樣，工科學生對工程實踐中“度”的把握同樣需要深思，“過”與“不足”都會產(chǎn)生工程方面的問題。即安全系數(shù)過小會導致工程安全事故發(fā)生，安全系數(shù)過大則導致工程造價高、浪費大。

（三）工程事故分析與基本理論的聯(lián)系與區(qū)別

工程事故是指工程結構因自身缺陷或使用不當?shù)仍蛟斐善茐?，無法繼續(xù)完成其預定功能，或者對鄰近建筑物和環(huán)境造成危害的事件。工程事故的發(fā)生一般涉及勘察、設計、施工、使用等多方面的原因，所以，工程事故的分析是課堂教學的難點之一。從現(xiàn)象上看，工程事故多數(shù)是因工程設計或工程做法的失誤，而從本質上看，則是基本理論和基本原理在實踐中的錯位。

（四）如何利用創(chuàng)新精神高水平處理工程事故

工程事故的發(fā)生是一件不幸的事情。但是如何利用創(chuàng)新精神高水平處理工程事故，則是課堂教學的又一難點。即利用最少的人工、材料、機械，采用“四兩撥千斤”的巧妙方法，短時間、低造價恢復其功能[4]。甚至，所采用的處理方法還可以彌補原設計與建設的不足，帶來意外的收獲。

四、專業(yè)課學習興趣調查

為了進一步了解工科大學生對專業(yè)課教學的興趣，在2014—2020年期間，筆者對中國地質大學（北京）的勘查技術與工程、土木工程、水文與水資源工程、環(huán)境工程、地下水科學與工程、機械設計制造及自動化等典型工科專業(yè)的四年級本科生進行了無記名問卷調查（詳見表1），共回收有效答卷516份，有效回收率為98.3%。

問卷調查將專業(yè)課教學內容分為概論、原理與規(guī)定、設計計算、施工（實施）、科研項目、工程案例6個大類，每個大類中又含有幾個專項。如表1所示，大學生最感興趣的大類是“設計計算”，占24.3%;最感興趣的專項是“研發(fā)過程”，占11.9%。感興趣人數(shù)最少的大類是“概論”，僅占7.3%;感興趣人數(shù)最少的專項是“學科重要性”，僅占1.4%。經(jīng)過從小學到大學長達16年的學習，相當一部分大四學生（約占1/4）希望通過研發(fā)活動、設計活動將16年學習的知識運用到現(xiàn)實中，體現(xiàn)自己的專業(yè)創(chuàng)造和貢獻。但是，在調查及教學實踐中也會發(fā)現(xiàn)另一種不好的現(xiàn)象，即部分學生不喜歡“計算”，而“計算”確是工科大學生的基本功。因此，“計算”既是教學的重點，也成了教學的難點。另外，“施工/實施”與“工程案例”也是得分較高的選項，說明學生渴望動手，期待生產(chǎn)實踐。由于第一節(jié)課教師講概論，學生對專業(yè)課還沒有更多的了解，因此，學生對“概論”不感興趣。由此可見，當今我國工科大學的教學內容與大學生的興趣點基本一致，這也正是我國教育事業(yè)蓬勃發(fā)展的基礎。

五、專業(yè)課教學創(chuàng)新理念與思路

在專業(yè)課教學過程中，通過實際工程項目，把學生帶入工程實踐情景中，增加感性認識，學生會更容易理解和接受教學內容，印象更為深刻[5，6]。當學生具備了相關的知識和認知因素，熟悉了該學科所特有的邏輯推理方法和解題策略時，則應結合典型的工程實踐項目，采用主動接受學習的方式，輔以有指導的發(fā)現(xiàn)學習和自動解決問題的教學，有分析、有批判地進行學習，提高其解決實際工程問題的技能。在訓練學生解決問題的能力時，應重視相關概念之間的比較和清晰描述[7]，培養(yǎng)學生有批判地提出異議的科學態(tài)度和創(chuàng)新能力，特別是通過相應的工程事故案例分析，從正、反兩個方面啟發(fā)大學生創(chuàng)造性思維。

“以事故案例為專業(yè)課教學著力點，提升新工科大學生實踐能力和創(chuàng)新能力”的教學方法，是在學生學習了基本原理和基本知識的基礎上。第一，通過對照基本原理和基礎知識，從正、反兩個方面分析實際工程事故產(chǎn)生的原因，達到復習和加深理解的目的;第二，可使學生融入實踐，強化學生分析實際問題、解決實際問題的能力;第三，可使學生在已經(jīng)掌握相關知識的基礎上進行創(chuàng)新鍛煉。該教學方法可以使學生圓滿完成工科教育三個層面的任務——基本知識、實踐能力、創(chuàng)新精神。同時，教師能夠通過學生的各種想法受到啟發(fā)，迸發(fā)科研火花，研究出更先進的技術措施，也可從中發(fā)現(xiàn)教學中的不足，進一步提升教育理念，改善教學環(huán)節(jié)，提高教學技能，為學生服務。

六、專業(yè)課教學創(chuàng)新方法及途徑

教師在講解了基礎知識、基本原理、設計計算、建設實施后，將典型的工程事故分析與處理案例作為教學著力點，分析錯綜復雜的實際問題，探討事故原因，這一過程是對教科書中相關知識的進一步理解和知識保持過程;接著，創(chuàng)設問題情境，進行課上課下翻轉，要求學生在課下根據(jù)所學的知識，探討該工程事故的處理方案。這種方式使學生既親切又緊張，從而能夠引導大家抱著解決棘手問題的強烈愿望，開動腦筋積極思考，并搜集與查閱相關知識進行探討，鍛煉創(chuàng)造性思維，提出創(chuàng)新想法;然后再設置師生翻轉課堂，學生暢所欲言，分組講解自己設計的事故處理方案，大家聽后，教師點評;最后，教師給出該事故處理方案的優(yōu)化過程、實施過程，以及事故處理后的實際效果等，供學生參考。這樣既可教育學生要具備科學設計、認真施工的工匠精神，又能鍛煉學生提出問題、分析問題和解決問題能力，還能使學生在重大工程問題面前各顯神通，盡情發(fā)揮，大膽提出各種技術創(chuàng)新方案，達到掌握原理、隨機應變、因地制宜、求真創(chuàng)新的教學目的，這正是完成新工科大學教育任務（基本知識、實踐能力、創(chuàng)新精神）最為有效的措施。

七、突出以學生為中心的教育理念，全面提升學生實踐和創(chuàng)新能力

培養(yǎng)和提高大學生分析實際問題和解決實際問題的能力是工科教學的核心。通過實際項目將學生帶入工程實踐的情景中，增加感性認識，學生會更容易理解和接受。

美國心理學家杜威（John Dewey）提出了解決問題的五個步驟，即疑難—分析—假設—檢驗與評價—結論。鼓勵學生用自己的語言重述各種概念，幫助學生養(yǎng)成正確地表征問題、系統(tǒng)思考問題的習慣和能力[8]。

最能培養(yǎng)學生分析工程問題和解決工程問題能力的教學環(huán)節(jié)則是插入典型的工程事故分析與處理案例，分析錯綜復雜的實際問題，從正、反兩個方面引導學生。例如，在學習“地基與基礎”課程中的《樁基礎》一章后，插入某短樁基礎工程事故分析與處理案例。首先，介紹工程概況，包括建筑特點、結構、地質條件、環(huán)境情況等，帶領學生進入工程實踐，使其親臨其境，增加感性認識（本例為框架結構的通信大樓，濕陷性黃土場地）。接著，介紹該樁基礎的設計、施工及其檢測情況，對照教科書復習基本知識（理論、原理、計算）。然后，引出檢測結果不能滿足設計要求的工程事故情況，再對照已經(jīng)學習的基礎知識（如短樁受力機理、荷載傳遞的影響因素、設計計算等）分析工程事故原因（設計計算、施工方法、檢測方法等），進一步從正反兩個方面對教科書中基本知識進行深刻理解與反思。接著，學生開動腦筋，根據(jù)所學的知識提出各自的處理方案，鍛煉學生的創(chuàng)新精神。最后，教師給出該事故處理的實際情況（采用樁間一定深度范圍內夯填灰土增強樁基礎承載力，并消除原土的輕微濕陷性），以及事故處理后的實際效果等（本例處理后的建筑物沉降量遠小于國家規(guī)范的要求），使學生掌握原理，化難為易，創(chuàng)新發(fā)展[7，8]。

綜上所述，新工科專業(yè)課教學應以教學大綱為基準，以國家現(xiàn)行標準與規(guī)范為導向，將教師的科研成果和工程實踐融入專業(yè)課教學中，在理解與掌握基本原理和基本技能的基礎上，激發(fā)大學生的學習興趣，啟發(fā)大學生的創(chuàng)造性思維，提高大學生分析實際問題和解決實際問題的能力，達到培養(yǎng)大學生熱愛專業(yè)、肩負起國家建設重任的專業(yè)素質目標。

參考文獻

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[8]傅樹京.高等教育學[M].北京：首都師范大學出版社，2007：190-209.

Exploration on the Teaching of Professional Courses under the Background of New Engineering

LI Qi-min1， WANG Jian2

（1. School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences 〔Beijing〕， Beijing 100083， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621010， China）

Abstract： The teaching of professional courses is an important part of undergraduate teaching activities. The paper analyzes the construction tasks and the characteristics of professional courses of Emerging Engineering Education. On the basis of investigating and studying the interest of engineering college students in professional courses， this paper discusses the teaching methods of combining scientific research with professional courses teaching to inspire college students’ creative thinking. we exchange the practice and experience of integrating engineering practice， especially engineering accident analysis and handling cases， into professional courses teaching， so as to improve college students’ ability to analyze and solve problems. This teaching method enables students to successfully complete the three-level tasks of basic knowledge， practical ability and innovative spirit in Emerging Engineering Education at the same time.

Key words： engineering education; teaching of professional courses; engineering accident cases; ability improvement