本科教學(xué)中理工融合型課程建設(shè)的必要性及方法

摘要：為了在本科教學(xué)中落實(shí)理工融合，針對(duì)微觀層面操作困難的問(wèn)題，提出了建設(shè)理工融合型課程的構(gòu)想。論述了理工融合型課程的概念、特點(diǎn)；從科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展、復(fù)合型人才的培養(yǎng)、學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、理工融合型專業(yè)建設(shè)四個(gè)方面分析了理工融合型課程建設(shè)的必要性；提出了理工融合型課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)程、教學(xué)活動(dòng)方面建設(shè)的具體方法，并以紅外物理與技術(shù)課程為例，對(duì)所提出的方法進(jìn)行闡釋。

關(guān)鍵詞：課程；理工融合；建設(shè)方法；紅外物理與技術(shù)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-0568（2014）11-0004-03

作者簡(jiǎn)介：藺素珍，女，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理；楊風(fēng)暴，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榧t外信息處理；王肖霞，女，講師，研究方向?yàn)樾畔⑷诤希焕畲笸校蹋芯糠较驗(yàn)樽詣?dòng)控制；王志社，男，講師，研究方向?yàn)閳D像配準(zhǔn)。

基金項(xiàng)目：本文系山西省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目“理工融合型課程的教學(xué)研究與實(shí)踐——以紅外物理為切入點(diǎn)”（編號(hào)：2012057）的科研成果。

我國(guó)高等教育多以分專業(yè)教學(xué)的模式進(jìn)行，在快速培養(yǎng)專門人才之余，也逐步暴露出人才知識(shí)結(jié)構(gòu)單一、創(chuàng)新能力不足等弊病。為了滿足市場(chǎng)對(duì)復(fù)合型人才的需要，以“厚基礎(chǔ)、寬口徑”為目的的教學(xué)改革在我國(guó)高校已有近20年的歷程。其中，理工融合教育理念——“理工同校、相得益彰、工借理勢(shì)、理勢(shì)工發(fā)、亦理亦工、個(gè)性化專業(yè)培養(yǎng)”的提出也有10余年，[1～3]其成果包括理工融合教育模式研究與實(shí)踐、[4]理工融合型課程設(shè)置、[5]理工融合型實(shí)驗(yàn)改革，[6]等等，這些研究主要以宏觀的視野探索某一學(xué)科或?qū)I(yè)的設(shè)置，以及基于理工融合的課程體系改革，如走理工融合之路培養(yǎng)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)高素質(zhì)創(chuàng)新人才、[7]環(huán)境科學(xué)專業(yè)“以崗位為平臺(tái)的理工融合”課程體系構(gòu)建研究、[8]理工融合的基礎(chǔ)儀器分析、現(xiàn)代儀器分析、應(yīng)用儀器分析三層次課程體系構(gòu)建研究、[9]理工融合的信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)課程建設(shè)的探索。[10]這些改革的基本做法是：①專業(yè)型/專科型學(xué)院升格為綜合性大學(xué)，同時(shí)設(shè)立若干理科和工科專業(yè)，以期二者在實(shí)踐中“相得益彰”，或者在理科專業(yè)加設(shè)技術(shù)課程、在工科專業(yè)增加科學(xué)課程；②創(chuàng)辦理工融合型專業(yè)，如光信息科學(xué)與工程、微電子科學(xué)與工程、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等，允許各高校根據(jù)辦學(xué)特點(diǎn)的不同授予理學(xué)或工學(xué)學(xué)士學(xué)位。[11]這些改革盡管成績(jī)斐然，但不容否認(rèn)，仍有相當(dāng)一部分本科畢業(yè)生還是不能滿足市場(chǎng)對(duì)理工復(fù)合型人才的需要，“就業(yè)困難和人才缺乏”依然并存于我國(guó)人才市場(chǎng)。

究其原因，主要是這些改革均側(cè)重于宏觀層面的教育理念研究、專業(yè)設(shè)置改革、課程體系建設(shè)，在具體的教學(xué)實(shí)踐中不可避免存在以下問(wèn)題：一是課程龐雜，由于受學(xué)制、學(xué)分限制，對(duì)某些知識(shí)技能的教學(xué)難以深入；二是對(duì)部分內(nèi)容交叉、密切相關(guān)而又分別側(cè)重“理”和“工”的課程而言，如果單獨(dú)開(kāi)設(shè)，仍以“科學(xué)”的視野探討“理”、以“技術(shù)”的方法學(xué)習(xí)“工”，其結(jié)果就常常陷入“堆砌而非融合”的困境。針對(duì)這種長(zhǎng)期以來(lái)在微觀層面缺乏可操作性，使理工融合理念很難完全落實(shí)到位的問(wèn)題，考慮到學(xué)校教學(xué)主要以課程的形式進(jìn)行，學(xué)生的能力主要是在具體的課程學(xué)習(xí)當(dāng)中逐步形成的，本研究提出建設(shè)理工融合型課程的構(gòu)想，以促進(jìn)理工復(fù)合型人才的培養(yǎng)。

一、理工融合型課程的概念

1.定義。關(guān)于課程，宋代朱熹在《朱子全書(shū)·論學(xué)》中多次提及課程，如“寬著期限，緊著課程”、“小立課程，大作工夫”等。顯然，課程的含義是功課及其進(jìn)程。在西方，牛津字典、韋伯字典等解釋“課程”即“學(xué)程”。而目前廣為接受的觀點(diǎn)：一是課程即教材，夸美紐斯認(rèn)為課程內(nèi)容就是學(xué)生要學(xué)習(xí)的知識(shí)，而知識(shí)的載體是教材；二是課程即活動(dòng)，如杜威認(rèn)為“學(xué)科科目相聯(lián)系的中心點(diǎn)是兒童本身的社會(huì)活動(dòng)”，泰勒認(rèn)為“教育的基本手段是提供學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)”。[12]所以，課程是指為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)而選擇的教育內(nèi)容及其進(jìn)程的總和。

所謂“理”即“理學(xué)”，“工”即“工學(xué)”。在學(xué)科層次和社會(huì)功用方面，理學(xué)屬于科學(xué)范疇，而工學(xué)屬于工程和技術(shù)范疇。理學(xué)重在探索未知、認(rèn)識(shí)世界，工學(xué)重在尋求方法、改造世界。前者是后者的內(nèi)核和基礎(chǔ)，后者是前者的延伸和應(yīng)用。因此，任何將這兩大學(xué)科簡(jiǎn)單地混為一談或生硬地割裂開(kāi)來(lái)的認(rèn)識(shí)和做法都是片面的。[4]而“融合”是將幾種不同事物合成一個(gè)有機(jī)整體。所以，理工融合的本質(zhì)是“科學(xué)”和“技術(shù)”的無(wú)縫對(duì)接，是水乳交融。

因此，理工融合型課程是指為了使理科生具有扎實(shí)的理論知識(shí)和較強(qiáng)的工程實(shí)踐能力、使工科生具備必要的理論知識(shí)和較高的工程實(shí)踐能力，在某一課程教學(xué)中，教學(xué)內(nèi)容選擇兼顧科學(xué)知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)方面，教學(xué)進(jìn)程安排做到科學(xué)知識(shí)與其技術(shù)應(yīng)用相貫通，相應(yīng)地，教學(xué)活動(dòng)組織力求知行統(tǒng)一。以此為據(jù)可以整合部分關(guān)系較為密切的課程，如應(yīng)用物理學(xué)、光信息科學(xué)與工程等專業(yè)都在開(kāi)設(shè)紅外物理課程與紅外技術(shù)課程，可合二為一成理工融合型課程——紅外物理與技術(shù)。

2.理工融合型課程的特點(diǎn)。根據(jù)定義，理工融合型課程具有以下特點(diǎn)：①綜合性和組合性。教學(xué)內(nèi)容綜合科學(xué)知識(shí)和工程技術(shù)應(yīng)用兩個(gè)方面，在編排方式上，采用“積件”的方式，即允許不同專業(yè)或不同學(xué)習(xí)者按照教學(xué)目標(biāo)要求或興趣適當(dāng)選擇、組合。這樣用于理科生教學(xué)，可在主要講授理論知識(shí)的同時(shí)適當(dāng)拓展（選學(xué)）相關(guān)技術(shù)應(yīng)用知識(shí)，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論的理解和激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；而面向工科生教學(xué)時(shí)，可彌補(bǔ)或夯實(shí)其理論基礎(chǔ)，使技術(shù)掌握更為透徹牢固；②交叉性和貫通性。教學(xué)進(jìn)程遵循人的認(rèn)知規(guī)律，完整再現(xiàn)從事實(shí)現(xiàn)象抽象出規(guī)律原理，再將規(guī)律原理用于解決實(shí)際問(wèn)題的認(rèn)知過(guò)程，做到科學(xué)知識(shí)與技術(shù)知識(shí)交叉滲透、融會(huì)貫通；③定向性和統(tǒng)一性。教學(xué)活動(dòng)以目標(biāo)為定向，任務(wù)內(nèi)容涵蓋知識(shí)技能學(xué)習(xí)和能力提高，活動(dòng)方式體現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)再到實(shí)踐，最終做到知行統(tǒng)一。

二、理工融合型課程建設(shè)的必要性

1.理工融合型課程建設(shè)是科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的需要。“理”是科學(xué)，是人類所積累的關(guān)于自然、社會(huì)和思維的知識(shí)體系，回答的是“是什么”、“為什么”。“工”對(duì)應(yīng)技術(shù)，泛指根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和自然科學(xué)原理發(fā)展而成的各種操作方法與技能；除操作技能外，廣義的還包括相應(yīng)的生產(chǎn)工具和其他物質(zhì)設(shè)備，以及生產(chǎn)的工藝過(guò)程或作業(yè)程序、方法，回答的是“做什么”、“怎么做”、“怎么樣”。通常認(rèn)為“技術(shù)提出課題，科學(xué)完成課題，科學(xué)是發(fā)現(xiàn)，是技術(shù)的理論指導(dǎo)；技術(shù)是發(fā)明，是科學(xué)的實(shí)際運(yùn)用”。因此，科學(xué)和技術(shù)是辯證統(tǒng)一體，既不能從邏輯上也不能從實(shí)踐中將二者分離。而“課程”是教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)程和教學(xué)活動(dòng)的總和，其中教學(xué)內(nèi)容包括某一學(xué)科的知識(shí)、技能和行為經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然是關(guān)于某一學(xué)科的理論和技術(shù)的體現(xiàn)。

2.理工融合型課程建設(shè)是復(fù)合型人才培養(yǎng)的需要。復(fù)合型人才是基礎(chǔ)扎實(shí)、知識(shí)面寬、知識(shí)運(yùn)用能力強(qiáng)、具有科學(xué)創(chuàng)新精神的人，是知識(shí)、能力、素質(zhì)兼具的人。針對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)高等教育中理工分離、重工輕理的現(xiàn)象，業(yè)內(nèi)曾掀起三次改革浪潮：第一次是20世紀(jì)90年代后期，在教育部“厚基礎(chǔ)、寬口徑”的精神下，高校進(jìn)行大規(guī)模合并、升格，目的是通過(guò)建設(shè)“大學(xué)”實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合。第二次是近10年，創(chuàng)辦理工融合型專業(yè)，按照普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄和專業(yè)介紹，有約20個(gè)專業(yè)可授予理學(xué)或工學(xué)學(xué)士學(xué)位。第三次是最近幾年，以“提高學(xué)生綜合素質(zhì)”為目的，許多高校興辦了各類“實(shí)驗(yàn)班”，如清華大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)班，在理論課程的教學(xué)上，注重基礎(chǔ)學(xué)科，幫助學(xué)生建構(gòu)夯實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)；在教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)上，注重為學(xué)生創(chuàng)建國(guó)際化的學(xué)術(shù)交流和實(shí)踐平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立開(kāi)展科研和實(shí)際工作的能力。北京大學(xué)實(shí)驗(yàn)班的改革思路是“加強(qiáng)基礎(chǔ)、淡化專業(yè)、因材施教、分流培養(yǎng)”， 力求學(xué)生的基礎(chǔ)、能力和素質(zhì)全面發(fā)展。這些改革無(wú)一例外，都是尋求學(xué)生“科學(xué)研究”和“技術(shù)應(yīng)用”能力的協(xié)調(diào)發(fā)展。眾所周知，能力的提高需要長(zhǎng)期的專門訓(xùn)練和培養(yǎng)，本科生在大學(xué)四年間投入時(shí)間和精力最多的是課程學(xué)習(xí)，因而建設(shè)理工融合型課程首當(dāng)其沖。

3.理工融合型課程建設(shè)是學(xué)生認(rèn)知的需要。人學(xué)習(xí)的目的是為了認(rèn)知世界、改造世界。研究表明，人的認(rèn)知由感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)再到實(shí)踐較容易。人們常說(shuō)沒(méi)有實(shí)踐的理論是空洞的理論、沒(méi)有理論的實(shí)踐是盲目的實(shí)踐。所以，任何理論知識(shí)的學(xué)習(xí)如果不以實(shí)踐為牽引，往往只能機(jī)械記憶，而任何技術(shù)的掌握如果離開(kāi)理論指導(dǎo)實(shí)際上也只能是機(jī)械重復(fù)。只有將二者融合，才有利于“有意義學(xué)習(xí)”的發(fā)生。

4.理工融合型課程建設(shè)是大量“亦工亦理”專業(yè)建設(shè)的需要。新的時(shí)代催生了許多兼具理工特點(diǎn)的專業(yè)，如果只是在課程體系建設(shè)時(shí)將原有的理科課程和工科課程簡(jiǎn)單堆砌，理科課程仍沿用理科思維講授、功課課程仍按工科方法學(xué)習(xí)，學(xué)生如何建立理工融合的思維能力與方法？離開(kāi)具體的課程學(xué)習(xí)訓(xùn)練，期望學(xué)生通過(guò)頓悟具備融合的本領(lǐng)是極為困難的。融合的實(shí)質(zhì)是一個(gè)新的有機(jī)整體的出現(xiàn)，因此，這種思想首先應(yīng)該體現(xiàn)在具體的課程之中。

三、理工融合型課程建設(shè)的方法

1.理工融合型課程建設(shè)的對(duì)象。理工融合型課程建設(shè)主要涉及理工融合型、理科和工科三類專業(yè)的部分專業(yè)教育課程：①理工融合型專業(yè)的部分專業(yè)教育課程。所謂理工融合型專業(yè)是指參考文獻(xiàn)[11]所述的約20個(gè)可以授予理學(xué)或工學(xué)學(xué)士學(xué)位的本科專業(yè)。這些專業(yè)通常要求畢業(yè)生具有某些領(lǐng)域的新產(chǎn)品新技術(shù)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、研究和管理能力，這就要求學(xué)生必須具備將理論知識(shí)、實(shí)踐技能綜合貫通的能力。所以，專業(yè)教育課程踐行理工融合責(zé)無(wú)旁貸；②理科專業(yè)的部分專業(yè)教育課程。理科專業(yè)主要是培養(yǎng)從事研究、教學(xué)等工作的專門人才。這就要求畢業(yè)生具有較強(qiáng)的發(fā)散思維能力。發(fā)散性思維的訓(xùn)練途徑包括“歸納”和“演繹”兩種方式，[13]前者經(jīng)由“現(xiàn)象——原理/理論——應(yīng)用”，后者經(jīng)由“原理——應(yīng)用——案例”，而這兩種方式都離不開(kāi)“科學(xué)/理論”和“技術(shù)/應(yīng)用”。此外，對(duì)理科學(xué)生進(jìn)行一定的工程實(shí)踐教學(xué)，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，也有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，設(shè)立若干理工融合型課程是十分必要的；③工科專業(yè)的部分專業(yè)教育課程。工科以培養(yǎng)高級(jí)工程技術(shù)人才為己任。高級(jí)工程技術(shù)人才與初級(jí)和中級(jí)工程技術(shù)人才的主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)能力，而設(shè)計(jì)本身就是創(chuàng)新。而創(chuàng)新人才首先是全面發(fā)展的人才，這種全面能力是學(xué)生經(jīng)年累月接受教育的反映。在課程教學(xué)中，對(duì)工科學(xué)生進(jìn)行必要的理論基礎(chǔ)夯實(shí)，可以極大地提高學(xué)生的技能，有助于其未來(lái)的持續(xù)發(fā)展。這就要求在強(qiáng)化技術(shù)教育的同時(shí)，教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)加強(qiáng)相關(guān)理論知識(shí)。

2.理工融合型課程建設(shè)的方法。理工融合型課程是專業(yè)培養(yǎng)方案的有機(jī)組成部分，因而課程內(nèi)容取舍、教學(xué)進(jìn)程安排、教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與組織與專業(yè)培養(yǎng)方案密切相關(guān)。本文以應(yīng)用物理學(xué)和光信息科學(xué)與工程專業(yè)都開(kāi)設(shè)的紅外物理課程和紅外技術(shù)課程為例進(jìn)行探討：

（1）教學(xué)內(nèi)容上理論與應(yīng)用相結(jié)合，兼顧綜合性與組合性。①教學(xué)內(nèi)容綜合科學(xué)知識(shí)和工程技應(yīng)用術(shù)兩個(gè)方面。將紅外物理、紅外技術(shù)兩大塊內(nèi)容有機(jī)整合在一起，使理論和技術(shù)結(jié)合起來(lái)形成紅外物理與技術(shù)課程，其主要內(nèi)容包括輻射度量、輻射基本規(guī)律、輻射源、輻射的大氣傳輸、輻射量測(cè)量、目標(biāo)仿真、紅外成像、偏振成像、紅外圖像處理與融合等；②部分章節(jié)內(nèi)容采用“積件”方式編排。以理論為主的內(nèi)容結(jié)構(gòu)為：背景（選學(xué)）——概念、定律——應(yīng)用（選學(xué)）。以工程技術(shù)為主的內(nèi)容結(jié)構(gòu)：相關(guān)理論（選學(xué)）——技術(shù)應(yīng)用方法、過(guò)程——前景展望（選學(xué)）。

（2）教學(xué)進(jìn)程遵循事物的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，做到科學(xué)與技術(shù)的融會(huì)貫通。①紅外物理與技術(shù)大的構(gòu)成上，以紅外輻射、傳輸、測(cè)量、成像、圖像處理的完整過(guò)程為線索；②在具體章節(jié)內(nèi)容安排上力求理論聯(lián)系實(shí)際，如在介紹腔體輻射理論后，利用相關(guān)理論對(duì)自然景物和人工輻射源的輻射特性進(jìn)行研究；介紹紅外偏振成像原理后，緊接著討論成像特性及其融合方法。在介紹紅外輻射的基本概念和定律時(shí)，列舉其技術(shù)應(yīng)用實(shí)例；在討論紅外輻射源測(cè)量和紅外成像技術(shù)之前，對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行了深入淺出的回顧；③在知識(shí)點(diǎn)安排上兼顧“科學(xué)”與“技術(shù)”的依存關(guān)系，如在一些規(guī)律和原理介紹之前，呈現(xiàn)相關(guān)現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)過(guò)程等，在探討規(guī)律原理知識(shí)之后，增加工程應(yīng)用實(shí)例等。另外，一些習(xí)題設(shè)計(jì)中，盡量與內(nèi)容形成理論和技術(shù)方面的互補(bǔ)。

（3）教學(xué)活動(dòng)安排從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)再到實(shí)踐。①依據(jù)教學(xué)目標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)，兼顧知識(shí)、技能和高級(jí)認(rèn)知能力的發(fā)展；②教學(xué)活動(dòng)方式遵循人的認(rèn)知規(guī)律，如在紅外目標(biāo)特性、仿真、成像系統(tǒng)、圖像融合等內(nèi)容教學(xué)時(shí)，首先介紹相關(guān)的紅外探測(cè)現(xiàn)象以形成感性認(rèn)識(shí)；其次，再討論相關(guān)理論、原理，上升到理性認(rèn)識(shí)；然后學(xué)習(xí)新的理論研究和技術(shù)發(fā)展成果；③教學(xué)活動(dòng)的流程以“混合式教學(xué)模式”進(jìn)行，[14]將傳統(tǒng)教學(xué)模式和信息技術(shù)環(huán)境下的教學(xué)模式相結(jié)合。如紅外圖像融合技術(shù)教學(xué)時(shí)，先組織學(xué)生觀察兩個(gè)不同紅外波段的監(jiān)控視頻，從中發(fā)現(xiàn)其成像差異，提出融合任務(wù)。然后，簡(jiǎn)單回顧目標(biāo)輻射、大氣傳輸、紅外成像過(guò)程，依據(jù)該原理和規(guī)律，提出解決方法——融合的一般思路、具體方法和算法，在此基礎(chǔ)上編程仿真實(shí)現(xiàn)融合；④理工融合型課程的教學(xué)活動(dòng)的評(píng)價(jià)重點(diǎn)是學(xué)生運(yùn)用理論解決問(wèn)題的能力，應(yīng)包括分析、設(shè)計(jì)、提交報(bào)告、匯報(bào)等方式。

針對(duì)理工融合教育改革在微觀層面的可操作性較差的問(wèn)題，提出了建設(shè)理工融合型課程的構(gòu)想。依據(jù)課程即教材、課程即活動(dòng)的觀點(diǎn)，論述了理工融合型課程的概念、特點(diǎn)；從科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展、復(fù)合型人才的培養(yǎng)、學(xué)生的認(rèn)知、理工融合型專業(yè)建設(shè)四個(gè)方面論述了理工融合型課程建設(shè)的必要性；以紅外物理與技術(shù)課程為例，提出從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)進(jìn)程、教學(xué)活動(dòng)方面建設(shè)理工融合型課程的具體方法，以期為理工融合型課程建設(shè)提供參考，促進(jìn)理工融合理念在具體課程中的落實(shí)。

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（編輯：易繼斌）