課程主體視角下的學科交叉教學研究

馬春陽

（南昌大學 先進制造學院，江西 南昌 330031）

引言

隨著以大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的數(shù)據(jù)密集型科學信息時代的到來，人類解決了以往無法解決的計算密集型復雜問題。與此同時，人類也遇到了新的挑戰(zhàn)，很多科學問題的解決乃至突破性的成果需要多學科的交叉融合，這種學科間的交叉融合有時又孕育出新的學科［1-2］。因此，學科交叉成為現(xiàn)代科學研究創(chuàng)新的主要方式之一，滲透到了科學研究、學科建設、學校教學等各個方面。很多國家在政策方面對學科交叉融合研究給予了相應的支持和資助，以主動促進學科的交叉乃至融合。學科交叉儼然已成為下一個科技高地的戰(zhàn)略點［1-3］。

談起學科交叉我們首先要明確什么是學科、學科的概念是什么，清楚了學科的概念方能對學科交叉概念理解清晰。學科一般按照門類進行劃分，如數(shù)學、物理學［4］等。學科交叉由于相對復雜，需要多學科的知識交融，因此對學科交叉的研究非常廣泛。筆者認為學科交叉可分為多個層級［5-7］：一是把學科體系看作三大門類，包括自然科學、社會科學和技術科學；二是對自然科學、社會科學、技術科學進一步細分，如自然科學可分為物理學、化學、熱學等；三是從某一類學科的具體研究層面進一步細分，如物理學可以分為天體物理、引力物理和統(tǒng)計物理等；四是從課程的層面劃分，即兩門或多門相互關聯(lián)又不同的課程，這種情況也稱為學科內(nèi)部交叉。這四種學科交叉層面是四種不同的境界，前兩種交叉層面一般只有學術造詣很高的大家能進行一定的研究，大多數(shù)研究學者是后兩個層面上的交叉研究。對于大學課堂來說，筆者認為第四個層面是基本的也是相對容易講解清楚的，對學生學科交叉思維的教學培養(yǎng)既是基礎的一環(huán)，也是大多數(shù)教師在課堂中可以實現(xiàn)的。

本文的研究正是基于“課程間的交叉”培養(yǎng)學生的多學科交叉思維能力。本研究以“傳熱學”課程為主體，圍繞課程主體進行學科交叉案例分析，培養(yǎng)學生的學科交叉意識和交叉思維，讓學生意識到課程涉及很多本課程之外的其他課程的知識，學生所學的各門課程之間是普遍聯(lián)系的，而這種聯(lián)系正是學科之間交叉的體現(xiàn)。

一、課程主體擴展交叉測度方法

目前，學者提出了多個側(cè)面衡量學科的指標，如學科豐富性、學科平衡性及學科差異性等指標［8-9］，但學科交叉測度指標計算方法并不唯一，不同學者提出的計算方法存在一定的差異［10］。這種差異性會在一定程度上影響學科交叉的定量研究，但并不會對定性的結論產(chǎn)生影響。本文研究基于“課程間的交叉”培養(yǎng)學生的多學科交叉思維，以能源與動力工程專業(yè)的“傳熱學”課程為主體進行課程間的交叉，提出主體擴展交叉概念描述課程的交叉方式，這里主體擴展交叉概念定義為：以某一門課程為主體或中心，圍繞此課程進行多學科知識的擴展交叉實踐或理論教學。同時，提出了定量的課程主體擴展交叉測度計算方法：

這里，Simpson指數(shù)說明了課程主體擴展交叉的授課知識量的豐富度，即課程主體擴展交叉的學科交叉程度。本文采用以上計算方法用于評估課程或課程案例的擴展交叉指數(shù)或交叉度，指數(shù)越大說明課程或案例的學科交叉性質(zhì)越強。學科交叉測度的定量衡量方法，豐富了課程主體視角下的學科交叉教學研究書稿的完整性，其對具體的課程或案例交叉測度的定量分析很重要，但是由于交叉測度具體計算的數(shù)值存在一定的主觀依賴性，且文中無不同課程或案例交叉測度的對比，因此后文沒有給出交叉測度的具體計算值。

二、課程主體擴展交叉教學設計

（一）設計思想

在學科交叉為引導的形勢和政策下，以及在學科交叉對科學發(fā)展和教育事業(yè)的促進作用下，著眼于學科交叉思維的教學培養(yǎng)是基礎的一環(huán)。在以課程為主體的擴展交叉概念的引導下，本文以課程主體“傳熱學”為例，圍繞“傳熱學”課程進行了學科交叉教學授課，對學生的學科交叉意識、交叉思維進行了培養(yǎng)，讓學生意識到課程之間的聯(lián)系。這種聯(lián)系是學科交叉的表現(xiàn)，可以讓學生學會全面思考和分析問題，讓學生體驗解決交叉科學問題的成就感，使學生對所學習的課程感興趣并主動去學習。

（二）課程教學設計

1.課程主體擴展交叉課件講解。課程主體擴展交叉授課面向新工科建設，以產(chǎn)業(yè)需求為導向，把思想政治教育自然地融入“傳熱學”課程的交叉教學內(nèi)容中。主體擴展交叉課程教學區(qū)別于以往的知識型授課方式，著重讓學生理解授課內(nèi)容和解決問題的方式方法，而不是簡單地學習和記憶知識。主體擴展交叉課程教學為重要的知識點提供了豐富的實際案例，通過多媒體課件進行講解和動畫演示，圖文并茂，提高學生對課程學習的興趣，進而主動思考問題。在授課的同時提供一些交叉知識的課外鏈接，有利于學生進一步拓寬學科交叉的知識面，進而進一步探索和分析問題。

2.交叉案例啟發(fā)式與討論式教學。自然科學、工程問題中的傳熱現(xiàn)象無處不在，傳熱現(xiàn)象與我們的生活息息相關，即便沒有學習過傳熱學，但在我們的生活中，很多活動都受傳熱規(guī)律的支配。在主體擴展交叉理念的引導下，啟發(fā)式、討論式教學更能激發(fā)學生發(fā)散思維，多角度地思考問題，形成學科交叉的思維方式。比如在講授邊界層對流換熱現(xiàn)象時，結合在冬天是用冷水還是用溫水洗車的案例，使學生既學習了邊界層對流換熱方程組的應用實例，又通過討論用冷水洗車還是用溫水洗車有利的問題，引出其中的學科交叉知識，給學生留下深刻的印象，從而使學生加深對邊界層對流換熱方程組的簡化原理的理解。

3.交叉知識探索性教學。很多現(xiàn)象是多學科作用下的結果，因此學科交叉的探索性教學也是自然而然的。在講授《非穩(wěn)態(tài)導熱》時，讓學生觀看了“9·11”事件中大樓倒塌的視頻，為什么大樓受到飛機撞擊后不是橫著倒下，而是以類似爆破的方式自上而下發(fā)生坍塌？科學方法給出了有力的調(diào)查論證，大樓“奇怪”的倒塌方式正是學科交叉分析的重點。首先飛機撞擊大樓起火產(chǎn)生了大量熱量，短時間內(nèi)釋放出的巨大熱量導致大樓主體鋼架結構發(fā)生了融化，因此，大樓上部做近似自由落體的運動沖垮了下面的部分，產(chǎn)生了類似爆破的效果。通過分析可知，逃生時間即大樓鋼架的升溫融化時間，可以用集中參數(shù)法進行簡化分析和計算。通過這樣的探索式、啟發(fā)式主體擴展交叉教學設計，學生不只是簡單的學習知識，還增強了對知識的理解，并留下深刻的印象。

（三）考核方法

設計一些具有學科交叉特征的作業(yè)題目，對學生進行分組（每組約7人），以組為單位進行作業(yè)題目的解答，解題的結果以報告的形式上交，此作業(yè)報告作為總成績的一部分。由于是以分組的方式進行，為防止個別學生偷懶，采取對每位組員提問的方式，最終確定總成績，也就是說不僅報告要做好，組員還要深入?yún)⑴c才能得到好的成績。通過這樣的考核方式，讓學生體驗到解決問題的成就感和集體榮譽感，從而主動參與課程學習。

三、工程認證思想下的教學效果達成度分析

在教改課題實施過程中，對兩個班級進行主體擴展交叉實驗性教學，采用集體流水批卷的方式批改試卷，通過統(tǒng)計方法給出了期末試卷的綜合性題目的作答情況。圖1給出了主體擴展交叉教學兩個實驗班級的目標達成度統(tǒng)計分布圖。通過圖1中的使用正態(tài)分布函數(shù)對頻率分布的擬合曲線可知，盡管目標達成度并不滿足正態(tài)分布，但是可以采用正態(tài)分布的特征參數(shù)進行近似分析。圖1（a）和圖1（b）對應的正太分布擬合所得的特征參數(shù)（平均值μ，標準差σ）分別為（μ=0.83，σ=0.13）和（μ=0.89，σ=0.10）。如圖1所示，主體擴展交叉教學實驗班的統(tǒng)計平均值μ均高于0.8，標準差σ均比較低，說明實驗班的平均目標達成度高，且目標達成度集中，即綜合性題目的整體成績較好，反映出主體擴展交叉教學實驗取得了一定的成效。在主體擴展交叉教學理念下，培養(yǎng)了學生對綜合性題目的理解、分析、作答能力，這說明主體擴展交叉教學有利于發(fā)散學生的思維，激發(fā)學生的學習興趣，增加學生對知識的理解和吸收，同時獲得了相對更高的目標達成度。

圖1 主體擴展交叉教學兩個實驗班級的目標達成度統(tǒng)計分布

結語

通過提出和實施主體擴展交叉課程的教學方式，增加了學生主動獲取知識的意愿和樂趣，增強了學生的學習主動性，進而加深了學生對知識的理解和記憶。綜合性題目目標達成度數(shù)據(jù)表明，主體擴展交叉教學方式有效地提高了學生對綜合性題目的理解、分析、作答的能力，培養(yǎng)了學生的學科交叉思維能力和解決復雜工程問題的能力。本文提出的主體擴展交叉教學方法對“傳熱學”之外的課程也具有一定的借鑒意義。