新工科建設(shè)背景下高等數(shù)學多目標教學模式探索

張玲　陳永強　張華　

[摘 要] 針對目前我國高校高等數(shù)學的課程設(shè)置和教學現(xiàn)狀，主張建立高等數(shù)學多目標教學模式體系，并在教學設(shè)計與實踐的基礎(chǔ)上，提出通過以學生為中心的各種教學方式方法嘗試，進一步探索新的分級模式，以適應(yīng)時下新工科的建設(shè)與發(fā)展。

[關(guān)鍵詞] 新工科;高等數(shù)學;多目標教學

[中圖分類號] G642 ? [文獻標志碼] A [文章編號] 1008-2549（2019） 03-0110-03

一 多目標教學的實踐背景

未來幾十年， 新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)變革將同我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展形成歷史性交匯， 而在這一交匯過程中，工程在社會中的作用會發(fā)生深刻的變化， 工程科技進步和創(chuàng)新必然日益成為推動人類社會發(fā)展的重要引擎。這種趨勢為工程教育創(chuàng)新變革帶來了重大機遇， 但這一機遇的內(nèi)涵不再是簡單的擴大招生規(guī)模、增加專業(yè)數(shù)量的傳統(tǒng)所指， 而是促使我們反思高等教育、對工科教育整體進行改革創(chuàng)新的機遇，它一方面要發(fā)展一批面向未來布局的新興工科專業(yè);另一方面，將是對現(xiàn)有的傳統(tǒng)工科專業(yè)進行改造升級。正是在這種宏闊的背景上，新工科建設(shè)應(yīng)運而生。2017年初，復(fù)旦共識、天大行動和北京指南，構(gòu)成了新工科建設(shè)的“三部曲”，奏響了人才培養(yǎng)的主旋律，開拓了高等教育改革的新路徑。

新工科的外部表現(xiàn)形式是新專業(yè)的出現(xiàn)，但是其本質(zhì)是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。什么是新工科要培養(yǎng)的創(chuàng)新型人才？理科是研究自然之理的科學，工科是運用自然之理的科學，新工科的核心目標就是培養(yǎng)偉大的工程師——應(yīng)用自然之理進行偉大創(chuàng)新的人。

而新工科的人才培養(yǎng)目標，勢必要對高校今后的課堂教學提出了新的要求：一是更新工程人才知識體系。將產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的最新發(fā)展、行業(yè)對人才培養(yǎng)的最新要求引入教學過程，更新教學內(nèi)容和課程體系，建成滿足行業(yè)發(fā)展需要的新的課程和教材資源，提高課程興趣度、學業(yè)挑戰(zhàn)度，最終促進學生的全面發(fā)展。二是創(chuàng)新工程教育方式與手段。落實以學生為中心的理念，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，形成以學習者為中心的教育模式。并推進信息技術(shù)和教育教學的深度融合，建設(shè)和推廣應(yīng)用在線開放課程，充分利用虛擬仿真等技術(shù)創(chuàng)新工程實踐教學方式，從而完善新工科人才“創(chuàng)意-創(chuàng)新-創(chuàng)業(yè)”的教育體系。

二 高等數(shù)學多目標教學模式的建立

新工科建設(shè)的核心目標是培養(yǎng)應(yīng)用自然之理進行創(chuàng)新的人，而數(shù)學則是自然之理的基石。為了適應(yīng)新工科建設(shè)的要求，很多高校對傳統(tǒng)的高等數(shù)學教育教學模式進行改革，嘗試建立了多目標教學模式體系。作為高等院校的公共基礎(chǔ)課，高等數(shù)學承擔著理論思維能力培養(yǎng)的主要任務(wù)，它是學習后續(xù)課程的前提與工具，并要與專業(yè)課的內(nèi)容相結(jié)合。然而，現(xiàn)階段大部分院校的高等數(shù)學課程設(shè)置走了一個極端，即過分強調(diào)知識的系統(tǒng)性、完整性，忽略應(yīng)用性、專業(yè)性，重理論，輕實踐。另一個極端則是部分院校錯誤、片面地理解了工學結(jié)合人才培養(yǎng)模式，大幅度地削減高等數(shù)學這一公共基礎(chǔ)課課時，完全忽略了高等數(shù)學在課程體系中的地位與教育功能。

與此同時，隨著21世紀以來高等教育的快速發(fā)展，高等學校教學過程中一些新問題也凸顯出來。突出表現(xiàn)在隨著高校招生規(guī)模的擴大，生源分布差異和水平差異也相應(yīng)加大。高校公共基礎(chǔ)課教學原來自然分班、“齊步走”的教學模式經(jīng)常遇到諸如“優(yōu)生吃不飽、劣生吃不了” “進度難掌握、重修高比例”等諸多新難題。與此同時，高等數(shù)學教師在教學過程中主要以直接灌輸為主，缺乏師生互動，學生處于被動接受知識的狀態(tài)，缺乏對高等數(shù)學的學習興趣。數(shù)學的應(yīng)用意識和數(shù)學建模能力沒有得到很好地拓展和訓練。

建立高等數(shù)學多目標教學模式體系，正是旨在有效地避免或解決上述存在問題。多目標教學模式體系的教學理念源于孔孟所提出的“因材施教”思想，既對不同層次的學生提出不同的教學目標，分別施教;也對學生在理論知識及應(yīng)用能力等不同層面的優(yōu)異表現(xiàn)均加以認可，最后幫助、激勵學生達到或超過教學基本要求。多目標培養(yǎng)的出發(fā)點是針對各類人才對數(shù)學素質(zhì)的要求，在力爭全面提高高等數(shù)學教育質(zhì)量的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生朝著自己優(yōu)勢的方向發(fā)展。通過多目標教學，實現(xiàn)對學生的差異性培養(yǎng)，提高教師的教學能力。因此，根據(jù)學生不同專業(yè)類別，不同層次貫徹因材施教、因材施學原則，實施多目標培養(yǎng)必然是高等數(shù)學教學要遵循的規(guī)律。

為此，我們實行了高等數(shù)學分級教學，及時把握學生的學習狀態(tài)，同時了解各高校的高等數(shù)學培養(yǎng)模式，邊實踐邊總結(jié)，不斷摸索、完善培養(yǎng)方案及評價體系、保障機制，保證多目標教學模式的預(yù)期效果。

1 多目標教學的實施方案

包括教學方案的總體設(shè)計及可行性研究。先確立分級教學目標，以及為實現(xiàn)不同目標要求對各教學環(huán)節(jié)進行一系列改革研究，如課程體系的優(yōu)化，教學方法的選取，課后練習及作業(yè)題的編寫、題庫建設(shè)等;再通過教學實踐分析方案的可行性。每年學校新生入學后，都按照專業(yè)特點以及基礎(chǔ)調(diào)研，通過問卷、座談、入學成績分析等多種方式對新生的數(shù)學基礎(chǔ)、學習要求以及學習動力等方面進行調(diào)研，獲取第一手資料。然后進行分級考試，兼顧學生專業(yè)，將全校新生按4：13：7的比例，分成A、B、C三個等級的教學班進行教學。

2 對學生學習評價方式的改革

在評價方式上，既體現(xiàn)公平性，更起到引導(dǎo)、促進學生提高自身學習能力，避免學生平時松懈而期末突擊學習，基礎(chǔ)知識不扎實，學習連貫性差的弊端。分級教學后，每學期期中進行階段考試，階段考試內(nèi)容與等級相關(guān)，采用網(wǎng)上閱卷系統(tǒng)，對各級別、各分級教學班、各專業(yè)，甚至每個學生的考試情況、包括每道題的得分都詳細把握，隨時調(diào)取、分析，有針對性地解決學生在學習過程中遇到的問題;同時在每個學期布置一次實踐大作業(yè)，初步學習構(gòu)建數(shù)學模型的方法，應(yīng)用高等數(shù)學知識解決專業(yè)上、或社會生活中的問題。以期建立一種既關(guān)注學生學習的結(jié)果，更關(guān)注平時學習的狀態(tài)和過程;既關(guān)注學習能力，更關(guān)注學生的學習態(tài)度和情感的學習評價體系，讓學生根據(jù)這種評價體系的各項指標找到努力的方向和目標，自覺、愉快地投入到數(shù)學學習活動中來。

3 多目標教學模式順利實施的保障機制

每學期開展青年教師基本功大賽，提高青年教師教學水平;開展研討交流，同行間相互促進;課堂以積點方式鼓勵學生向老師提問或回答老師問題，建立班級學習群，實現(xiàn)教學相長的師生互動機制;課前發(fā)送分級教學目標、課后發(fā)送板書等課件，規(guī)范教學過程，強化知識點，優(yōu)化開放教學資源;采用多次測驗（課堂作業(yè)）取最高分，發(fā)送學生優(yōu)質(zhì)作業(yè)，激發(fā)學生學習興趣等方面探索多目標教學模式的保障機制。

三 多目標教學模式的設(shè)計與實踐

1 教學過程中，根據(jù)分級目標，精講多練

通過精講多練，強化數(shù)學的思維培養(yǎng)。數(shù)學的思想方法是數(shù)學的靈魂，是論證、計算與應(yīng)用的統(tǒng)帥，也是數(shù)學發(fā)現(xiàn)的源泉。引進一個新概念，并在此基礎(chǔ)上建立一些性質(zhì)，進而解決一些計算問題，這些數(shù)學知識間特定的聯(lián)系，構(gòu)成環(huán)環(huán)相扣的結(jié)構(gòu)，或者稱為密切相關(guān)的系統(tǒng)。明確這個結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)，自然明了性質(zhì)證明來自概念，計算方法來自概念與性質(zhì)。所以，教學過程中必須突出數(shù)學的思想方法，注重數(shù)學思想方法的分析滲透，引導(dǎo)學生如何去思考數(shù)學問題，發(fā)現(xiàn)數(shù)學問題，分析數(shù)學問題，演繹及推理數(shù)學問題，以培養(yǎng)學生的數(shù)學思維，提高解決實際問題的能力。

例如，從切線斜率和變速直線運動的速度引出導(dǎo)數(shù)之后，精講求導(dǎo)法則和公式，并讓學生參與推導(dǎo)，體會數(shù)學的思想方法。引導(dǎo)學生發(fā)現(xiàn)，根據(jù)兩個變量之間的關(guān)系，只需兩邊求導(dǎo)，就得到這兩個變量的變化率（導(dǎo)數(shù)）之間的關(guān)系，從而應(yīng)用相關(guān)變化率，解決生產(chǎn)生活中的實際問題。如，“落在平靜水面上的石頭？ 產(chǎn)生同心波紋？ 若最外一圈波半徑的增大率總是每秒6米，問在2秒末擾動水面面積的增大率為多少？”利用相關(guān)變化率知識很容易求得，在2秒末擾動水面面積的增大率為每秒平方米。

通過精講多練，重視概念的形成過程。通過講解概念的形成過程，展示出知識的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和完善的思維過程，使學生對概念的理解不再抽象和陌生，從而培養(yǎng)學生的邏輯思維。比如，作為高等數(shù)學工具的極限概念，是運動與靜止的對立統(tǒng)一進入數(shù)學的結(jié)果，其邏輯思維規(guī)律是變量靜態(tài)下形式邏輯思維規(guī)律，如果只從純數(shù)學知識方面講解極限，學生學習起來是相當困難的。因此，我們從莊子《天下篇》“一尺之棰，日取其半，萬世不竭”，以及劉徽的“割圓術(shù)”出發(fā)，以文字和動畫相結(jié)合的方式引出極限概念。

通過精講多練，歸納總結(jié)數(shù)學的方法。將教材內(nèi)容的實質(zhì)內(nèi)涵概括提煉，總結(jié)歸納，使其核心內(nèi)容凸顯出來，隱含的脈絡(luò)清晰起來，分散的內(nèi)容凝集起來，諸多知識點貫通起來。例如，在微分中值定理部分，精講羅爾中值定理，以及輔助函數(shù)的構(gòu)造方法。由于羅爾定理的三個條件中，連續(xù)性、可導(dǎo)性比較容易滿足，但兩個端點的函數(shù)值剛好相等這個條件，很多函數(shù)都不能滿足，這使得羅爾定理的應(yīng)用范圍比較小，引導(dǎo)學生思考：去掉第三個條件，保留前面兩個條件，會有什么情況出現(xiàn)？從而得到拉格朗日中值定理。而拉格朗日中值定理的證明，只需將將羅爾定理中曲線在端點處高度不同變成相同，應(yīng)用羅爾定理而得到，進一步強化構(gòu)造輔助函數(shù)的思想方法。這一思想方法將三大微分中值定理有機地聯(lián)系起來（圖1）。

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圖1 幾個微分中值定理的關(guān)系

2 推進現(xiàn)代信息技術(shù)與高等數(shù)學的深度融合

板書是高等數(shù)學傳統(tǒng)的教學手段，不可或缺。但多媒體技術(shù)的運用，能夠優(yōu)化教學效果，起到錦上添花的作用。比如利用動畫體現(xiàn)極限過程、曲面所圍體積等等。然而，作為公共基礎(chǔ)課的高等數(shù)學，多為150人左右的大課，黑板作為板書的陣地，不夠清晰，平板電腦手寫板顯示出越來越明顯的優(yōu)勢，字體清晰、顏色明快、重點突出，而且既不用邊寫邊擦，又可以與PPT隨時切換。

此外，利用微信、QQ，將講課板書、課件發(fā)送學習群，輔助學生整理筆記;將散在的知識點以每日一題的方式要求學生在線提交、實時進行答疑，線上、線下交互式教學。同時將MATLAB、MAPLE等數(shù)學軟件部分融入高等數(shù)學課程內(nèi)容。

3 以學生為中心，讓學生參與到教學中來

每學期安排指導(dǎo)3～5次學生講解習題課;每次作業(yè)指導(dǎo)學生參與批改，既提高學生的學習興趣和能力，也使作業(yè)得以全批全改;將課堂內(nèi)容拓展為若干實踐大作業(yè)，學生選題后，自己總結(jié)，自己發(fā)現(xiàn)，自己分析并最終解決，形成小論文;鼓勵更多學生參與全國大學生數(shù)學建模競賽、“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽，等等，在教師的指導(dǎo)與培訓下，獲得較強的解決科技、工程生產(chǎn)和生活問題的能力。

4 推進開放式教學，提高學生自我發(fā)展能力

積極建設(shè)高等數(shù)學在線課程，及以課程應(yīng)用與教學服務(wù)相融通的優(yōu)質(zhì)微課、MOOC，進一步推進以學生為中心的教學方式方法變革。

多目標教學的數(shù)年實踐，驗證其實施方案是可行的，評價方式較為合理，保障機制較為有效，也獲得了預(yù)期的教學成果，但仍有一些需要完善的內(nèi)容。譬如隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，數(shù)學的應(yīng)用越來越廣，但在各個領(lǐng)域的作用程度卻有所差異，不同專業(yè)對高等數(shù)學的要求有很大差別。如果偏重學生的數(shù)學基礎(chǔ)進行分級教學，不同專業(yè)實施同一培養(yǎng)方案，必然會影響教學效果。但由于高校的擴招和師資的缺乏，有時分級教學難以更好地兼顧學生的數(shù)學基礎(chǔ)和專業(yè)需要，這給高等數(shù)學分級教學提出了新的課題。再如為更好地服務(wù)專業(yè)，適應(yīng)專業(yè)，融入專業(yè)，還宜進一步對傳統(tǒng)的教學內(nèi)容做必要的取舍，建立基礎(chǔ)課程與專業(yè)知識的有機融合，針對不同的專業(yè)，給出適應(yīng)專業(yè)需求的教學內(nèi)容。在內(nèi)容框架設(shè)計上，不必過分強調(diào)理論體系的完整性和邏輯體系的嚴謹性，要堅持以針對性為出發(fā)點，為專業(yè)課程學習和技能訓練提供基礎(chǔ)知識和基本能力的支撐，更好地適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)目標對課堂教學的新要求。再有， 新工科建設(shè)和發(fā)展背景下，如何利用先進的教育方法和手段不斷提升高等數(shù)學教育教學水平，是每位高等數(shù)學教育者應(yīng)該深入思考的問題。為使我國高等數(shù)學教育更好地適應(yīng)國家社會經(jīng)濟發(fā)展的需要，適應(yīng)新工科的建設(shè)與發(fā)展，我們應(yīng)該積極推進教育教學改革，科學合理地設(shè)計人才培養(yǎng)方案，使我們的學生具有創(chuàng)新精神和求知欲，具有獨立思考和綜合判斷能力，具有不斷向其他知識領(lǐng)域進行拓展的能力。

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