深度引導(dǎo)式的工科教學(xué)方法探索

［摘 要］ 隨著國家和社會需求的不斷改變和增加，工科的“交叉融合性”得到進(jìn)一步增強(qiáng)，對工科的“實踐性”提出了新要求。為在教學(xué)中加強(qiáng)新工科“實踐性”和“交叉融合性”，提出一種“深度引導(dǎo)式”教學(xué)方法。要求學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，在“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”完成核心教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和鞏固，并完成教學(xué)工程項目，提升學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與度。能夠讓學(xué)生以第一視角進(jìn)行學(xué)習(xí)，激發(fā)其學(xué)習(xí)的主動性，增加學(xué)習(xí)的體驗感，提高其“交叉”運(yùn)用所學(xué)解決問題的能力。

［關(guān)鍵詞］ 新工科；實踐性；交叉融合性；深度引導(dǎo)

［基金項目］ 2022年度西北工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“模塊化-深度引導(dǎo)式的工科教學(xué)方法探索與研究”（2022JGY14）

［作者簡介］ 劉振剛（1981—），男，陜西渭南人，博士，西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院副教授（通信作者），主要從事多相流動、渦輪葉片表面微顆粒沉積研究；呂亞國（1980—），男，陜西咸陽人，博士，西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院副教授，主要從事多相流動、航空發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)研究。

［中圖分類號］ G642.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）07-0141-04 ［收稿日期］ 2023-12-14

引言

近些年，由于國際形勢的變化，我國在很多高科技領(lǐng)域面臨“卡脖子”的難題，如何培養(yǎng)優(yōu)秀的科技人才更好地解決這些問題，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級，服務(wù)于我國新時代的社會主義建設(shè)，加強(qiáng)國家安全，是目前我國工科教育面臨的重要問題。

21世紀(jì)以來，隨著“知識爆炸”時代的來臨，國家和社會需求不斷改變和增加，新的工程學(xué)科不斷涌現(xiàn)，高校的學(xué)科結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，學(xué)科邊界越來越模糊，學(xué)科之間的互融和交叉變得愈來愈頻繁、愈來愈緊密，傳統(tǒng)工科教學(xué)面臨諸多挑戰(zhàn)，必須對工科教學(xué)方法進(jìn)行必要的改革，以適應(yīng)當(dāng)前工科的特點(diǎn)。

2016年，新工科概念被提出，教育部組織高校進(jìn)行深入研討，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”［1］。2017年6月，教育部正式發(fā)布《新工科研究與實踐項目指南》。2020年2月，教育部發(fā)布了《第二批新工科研究與實踐項目指南》。目前，圍繞新工科的教學(xué)改革以及探索還在不斷進(jìn)行著。在這些探索和研究中，加強(qiáng)新工科的“實踐性”和“交叉融合性”是重要改革方向［2-5］。

本文擬以計算機(jī)流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics， CFD）課程為例，針對當(dāng)前工科的“實踐性”和“交叉融合性”，采用一種深度引導(dǎo)式的教學(xué)方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗感，提高其在實踐中解決問題的能力，為其他課程提供實踐參考。

一、現(xiàn)狀分析及主要問題

近年來，筆者在講授CFD課程或相關(guān)課程時，發(fā)現(xiàn)如下問題：第一，由于教學(xué)偏理論，學(xué)生沒有太多機(jī)會親自動手解決一個非確定性答案的問題，對于自己所學(xué)的“實用性”存在一定的疑惑；第二，由于學(xué)生自主選課，部分先修課程的銜接還不夠緊密，或者學(xué)生根本沒有接觸過部分先修內(nèi)容，例如，在學(xué)習(xí)流體力學(xué)或CFD前，學(xué)生對于偏微分方程的分類和性質(zhì)的了解不夠深入，甚至沒有了解；第三，雖然學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過編程語言，對編程有了初步了解，但是大多數(shù)學(xué)生對“編寫”程序有敬畏心理，甚至很排斥，即使處理較多數(shù)據(jù)，也傾向于使用類似于Excel的軟件進(jìn)行相關(guān)操作，完成CFD簡單算例存在一定難度，導(dǎo)致CFD課程的“實踐性”和“交叉融合性”教學(xué)效果大打折扣；第四，當(dāng)前課堂教學(xué)時間較之前有所減少，每節(jié)課中，學(xué)生接收的信息量較大，給他們理解和掌握課堂教學(xué)內(nèi)容帶來了一定的困難，如何讓學(xué)生高效和主動地在課后復(fù)習(xí)課堂教學(xué)內(nèi)容以及進(jìn)一步提升解決問題的實踐能力，是當(dāng)前教學(xué)亟須解決的一個重要問題。

近年來，很多學(xué)校開始嘗試翻轉(zhuǎn)課堂［6-7］或半翻轉(zhuǎn)課堂［8］提高教學(xué)效果。翻轉(zhuǎn)課堂改變了傳統(tǒng)的以教師為中心的授課方式，采用以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)方式，以提高學(xué)生的自學(xué)能力和實踐能力，然而，其依賴于學(xué)生的自覺性［6］。對此，須采用半翻轉(zhuǎn)課堂的形式，驅(qū)動學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)［8］。在翻轉(zhuǎn)課堂或半翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中，一般的教學(xué)材料不夠“生動”，學(xué)生處于旁觀者的角度，例如，以幻燈片的形式把課件發(fā)放給學(xué)生，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中難免耐心不足。為了讓學(xué)生更加積極主動地參與教學(xué)活動，一些學(xué)校采用“基于項目”或“基于工程”驅(qū)動的教學(xué)方法［9-12］，該方法有助于學(xué)生理解較為抽象的理論［11］。采用該方法時，教學(xué)項目或工程的規(guī)模是一個非常關(guān)鍵的問題。

二、“深度引導(dǎo)式”的工科教學(xué)方法

為解決上述教學(xué)中的問題，以及改善翻轉(zhuǎn)課堂或半翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方式的不足，本文提出“深度引導(dǎo)式”的工科教學(xué)方法，以提高學(xué)生的實踐能力。

1.總體方案?！吧疃纫龑?dǎo)式”的工科教學(xué)方法的核心是要求學(xué)生通過在“沉浸式動態(tài)學(xué)習(xí)平臺”學(xué)習(xí)以及完成教學(xué)工程來增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。首先，梳理本課程與先修課程的關(guān)系，將先修課程中與本課程較為緊密的內(nèi)容以及本課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化，并根據(jù)這些模塊化的教學(xué)內(nèi)容完成教學(xué)課件；其次，確定核心教學(xué)內(nèi)容，這些教學(xué)內(nèi)容具有舉一反三和以點(diǎn)破面的作用，基于這些教學(xué)內(nèi)容，搭建“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”，以及編寫開放式的教學(xué)項目，這些項目具有一定的探索性質(zhì)，但僅限于教學(xué)內(nèi)容，以控制教學(xué)項目的規(guī)模，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗感；再次，進(jìn)行課堂教學(xué)，課堂教學(xué)應(yīng)結(jié)合學(xué)生提出的問題進(jìn)行，這些問題主要來源于學(xué)生通過“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”自學(xué)的過程以及完成教學(xué)項目的過程；最后，須針對本課程所學(xué)重點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計一個具備綜合性和開放性的教學(xué)項目，進(jìn)一步提高學(xué)生解決綜合問題的能力，注意該項目也需要圍繞教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計，要控制其規(guī)模。

“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”不是簡單的課件，也不是簡單地通過閱讀相關(guān)資料“靜態(tài)”地對相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的強(qiáng)化，它具有如下特點(diǎn)和功能：（1）學(xué)生通過在該平臺學(xué)習(xí)，能夠加深其對所學(xué)內(nèi)容的理解。（2）該平臺是動態(tài)互動的，即學(xué)生要完成整個過程的學(xué)習(xí)，必須在平臺的引導(dǎo)和提示下，手動完成部分內(nèi)容。在學(xué)生參與前，該平臺是“半成品”，在學(xué)生參與的情況下，可以使其變成“成品”，因此，學(xué)生的參與度得到提升。（3）學(xué)生能夠看到不同階段的重要結(jié)果，從而進(jìn)一步理解獲得最終結(jié)果的重要細(xì)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的主動性，讓學(xué)生以第一視角理解“當(dāng)家之難”，避免以第二視角被動學(xué)習(xí)，從而提出重要問題。可以看出，如果把“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”看作特殊課件，那么學(xué)生要深度參與整個制作過程，在這個過程中，學(xué)生會切身體會所學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，從而能夠在課堂上或者課下與教師和同學(xué)進(jìn)行高效率的討論。

本文建議教學(xué)項目僅針對教學(xué)內(nèi)容，但是要具有開放性，即項目的發(fā)展有多種路徑，在完成項目的過程中，學(xué)生可以自定研究內(nèi)容和問題。需要注意的是，必須控制教學(xué)項目的規(guī)模，避免學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中耗費(fèi)過多精力，導(dǎo)致完不成項目，學(xué)生獲得不好的學(xué)習(xí)體驗感。由于教學(xué)項目具有一定的開放性，學(xué)生在完成項目的過程中需要運(yùn)用其他學(xué)科的知識，進(jìn)一步提升其“交叉”運(yùn)用多學(xué)科解決問題的實踐能力，這正是新工科所要求的。

2.具體實施。下面以CFD初級課程為例對深度引導(dǎo)式的工科教學(xué)方法進(jìn)行說明。如圖1所示，課堂教學(xué)內(nèi)容為擴(kuò)散問題、對流-擴(kuò)散問題、壓力-速度耦合問題以及非定常問題；針對課堂教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生須結(jié)合一維傳熱問題自學(xué)FDM（有限差分法）、FEM（有限元法）和FVM（有限體積法）的基本思想，在課堂上可以針對學(xué)生提出的問題對這三個方法進(jìn)行對比；在課堂教學(xué)內(nèi)容中，選取對流-擴(kuò)散問題作為核心內(nèi)容，針對該問題建立相應(yīng)的“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”（將在下文中描述該平臺的搭建），設(shè)計開放式教學(xué)項目——不同離散格式對計算的影響，學(xué)生須編寫計算程序完成該項目，并結(jié)合偏微分方程的分類和性質(zhì)進(jìn)行討論。在整個教學(xué)內(nèi)容完成后，學(xué)生須通過編寫計算程序完成一個綜合性開放式項目，該項目仍然需要結(jié)合偏微分方程的分類和性質(zhì)進(jìn)行相關(guān)討論。

為達(dá)到上文中提及的“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”的要求，本文選取基于Python編程語言的Jupyter Notebook開發(fā)環(huán)境作為搭建工具。Jupyter Notebook是一種基于網(wǎng)頁的用于交互計算的應(yīng)用程序，借助Jupyter Notebook可以在網(wǎng)頁上編寫和顯示文本，還能編寫和運(yùn)行代碼，其結(jié)果能夠直接顯示，能夠滿足“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”的要求。本項目擬利用Python編寫相關(guān)代碼，其在教學(xué)上有幾點(diǎn)好處：（1）Python簡單易學(xué)，學(xué)生能夠快速將其作為高效工具進(jìn)行學(xué)習(xí)；（2）Python有豐富的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)庫，避免學(xué)生陷入一些編程技術(shù)細(xì)節(jié)以及不必要的底層數(shù)值計算程序的編寫；（3）Python有科學(xué)繪圖庫，能夠讓學(xué)生快速顯示計算結(jié)果，即達(dá)到“所算即所示”的效果，加深對自己所學(xué)或所算結(jié)果的理解，提高學(xué)習(xí)效率；（4）Python在科學(xué)和工程中有著廣泛應(yīng)用，學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，能夠熟練掌握Python語言，提升解決其他科學(xué)和技術(shù)問題的綜合能力。

圖2給出了“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”的部分演示，其主要包括以下內(nèi)容：（1）主要問題的描述；（2）控制方程和邊界條件的展示以及方程離散過程的展示，也可以利用符號計算作為輔助工具，結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在平臺完成方程離散過程；（3）主要問題的解決，對于重要的階段結(jié)果，學(xué)生須通過輸出相關(guān)數(shù)據(jù)或者展示圖形來完成這一步，對于較難理解的部分，學(xué)生也可以自行輸出結(jié)果。

結(jié)語

本文針對新工科的“實踐性”和“交叉融合性”這兩個重要改革方向，結(jié)合當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀，提出了一種“深度引導(dǎo)式”的工科教學(xué)方法，以CFD初級課程為例，采用Jupyter Notebook開發(fā)環(huán)境搭建了“沉浸式動態(tài)互動學(xué)習(xí)平臺”，并設(shè)計了教學(xué)項目。筆者采用“深度引導(dǎo)式”教學(xué)方法，結(jié)合小班教學(xué)，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗感，提高了學(xué)生的實踐能力以及“交叉”使用所學(xué)解決問題的能力。該教學(xué)方法彌補(bǔ)了部分翻轉(zhuǎn)課堂或半翻轉(zhuǎn)課堂的不足，對于其他同類課程教學(xué)具有參考意義。

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A Deep-Guided Teaching Method for Engineering Courses

LIU Zhen-gang， LYU Ya-guo， ZHU Peng-fei， HU Jian-ping

（School of Power and Energy， Northwestern Polytechnical University， Xi’an， Shaanxi 710129， China）

Abstract： As the demands of our nation and society are increased and changed， the cross-connection of engineering disciplines is being enhanced and the new requirement for the practice engineering disciplines is needed. To meet the requirement of practice and cross-connection in the new engineering education， this paper suggests a called deep-guided teaching method. In this method， students are required to understand the core contents taught in the classroom by learning them again on an immersing-dynamic-interactive platform and finish the projects subjected to the taught contents， accordingly， their participation degree and the teaching effectiveness are enhanced. This method allows students to learn from the first perspective， inspiring their initiative， increasing their experience in the learning， and improving their ability of solving practical problems with their learnt interdisciplinarity knowledges.

Key words： emerging engineering disciplines; practice; cross-connection; deep-guided