適應新工科背景的大學數學教學模式研究

徐萬海 李楠 周麗丹

摘 ?要：新工科是在新時代、新環境、新形勢的需求下應運而生的，是高等教育改革的初步探索和嘗試。目標是培養多樣化、創新型卓越工程科技人才。數學是工科專業的主要基礎課程。在新工科背景下，大學數學的教學任務，評價指標，教學方法面臨諸多挑戰。文章以船舶與海洋工程和環境科學與工程兩個傳統工科專業為例，重點闡述新工科背景下的大學數學教學體系構建問題。相關研究成果可為傳統工科向新工科的升級轉變提供理論參考和技術支撐。

關鍵詞：新工科;船舶與海洋工程;環境科學與工程;數學教學

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）S1-0105-04

Abstract： The new engineering arises in the new era， the new environment and the demand of the new situation. It is the preliminary exploration and attempt of higher education reform. Our goal is to cultivate diverse， innovative and outstanding engineering and scientific talents. Under the background of new engineering， mathematics， as the main basic course of engineering major， faces many challenges in its teaching task， evaluation index and teaching method. This paper focuses on the construction of university mathematics teaching system by taking ship and ocean engineering and environmental science and engineering as examples. The research results provide theoretical reference and technical support for upgrading from traditional engineering to new engineering.

Keywords： new engineering; Ship and Ocean Engineering; Environmental Science and Engineering; Mathematics teaching

隨著“互聯網+”“中國制造2025”“一帶一路”倡議等的提出，新形勢下，傳統工程教育培養的人才已無法滿足新經濟、新產業的需要。教育部高教司在2017年發布了新工科研究與實踐指導文件，明確了工科建設的目標和要求[1]。相對于傳統的工科人才，新工科建設培養的是工程實踐能力強、創新能力突出、具備國際競爭力的高素質復合型人才[2]。

大學數學作為新工科專業的基礎課程，對人才各方面的能力培養起著舉足輕重的作用[3]。2019年7月12日，四部委聯合制定了《關于加強數學科學研究工作方案》，強調數學的重要性，將大學數學教學改革提升到國家戰略高度[4]。面對新形勢、新要求，積極開展適應新工科背景的大學數學教學模式研究是“新經濟”時代對高等教育發展所提出的必然要求。

一、傳統工科專業的新工科建設

（一）船舶與海洋工程專業新工科建設

船舶與海洋工程專業是我國工科教育體系的重要組成部分，是具有鮮明行業特色的傳統工科專業。隨著建設海洋強國等戰略目標的提出，船舶與海洋工程專業為國防建設、船舶建造和海洋開發等培養高精尖人才的任務更加迫切，已然成為新工科專業建設的排頭兵。

船舶與海洋工程專業作為我國高校相對稀缺的專業，就目前國內發展情況而言，無論是以學科知識為中心，還是以順應就業需求為中心的人才教育與培養模式，都存在模式單一，課堂教學以灌輸知識為主，缺乏工程案例，創新實踐深度參與度低、市場導向薄弱等問題，與學科專業改造升級、復合型工程專業人才的迫切需求不相適應。新工科建設是在當前新形勢的時代背景下，對國家戰略發展新需求、產業變革升級新趨勢、國際競爭新形勢以及立德樹人新要求作出的積極回應，隨著“中國制造2025”把海洋工程裝備和高技術船舶作為十大重點發展領域之一加快推進，新工科也對船舶與海洋工程專業人才的培養提出了新的要求，培養既能適應經濟社會發展、又能引領行業前行的專業人才極具緊迫性。對于解決領域內教育存在的突出問題，加快學科專業改造升級等都具有積極的意義。

（二）環境科學與工程專業新工科建設

生態文明建設是事關人民福祉與民族未來的大計。黨的十九大報告中，習近平總書記更是把污染防治攻堅戰作為與防范化解重大風險、精準脫貧并重的三大攻堅戰之一。在這樣的形勢和背景下，環境科學與工程專業肩負著為未來、為生態文明建設和可持續發展培育人才的歷史使命，這也為對當前的環境科學與工程教學模式提出了嚴峻的挑戰。

系統性、智慧化的欠缺是當前環境科學與工程領域教學的短板。伴隨著第四次工業革命的發展，環保企業對精通環境污染防治技術，同時掌握智能智慧、大數據等方面知識的人才需求相當大。然而，高等院校目前的培養體系缺少相應人才的培養，以致于高校培養人才的出口與社會、行業的需求存在偏差，嚴重影響了行業、企業、公眾、媒體等對環境教育的觀感。在《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》的指導思想引領下，面向環保行業數字化、智能化、智慧化的重大需求，高校需進行環境科學與工程人才培養的深度改革[5]。以新工科建設為契機，培養智慧環保創新性人才，改進當前環境科學與工程專業教學的短板，形成基于新工科2.0的智慧環保系統教學模式，提升學生專業素質和國際化視野，滿足行業和社會對新型環保產業人才的需求。

二、新工科專業對數學的要求

（一）船舶與海洋工程專業

數學是船舶與海洋工程專業的重要主干基礎課程，在船舶與海洋工程專業領域內具有舉足輕重的地位。從船舶結構力學、船舶流體力學、船體強度與結構設計和船舶結構動力學等課程學習，到FORTRAN、CAD、C++等編程與設計軟件，再到MATLAB、ANSYS、ABAQUS、FLUENT等數值計算軟件，數學知識的運用幾乎滲透到每一個角落[6]。隨著數學逐漸發展為一個博大精深的科學體系，包括船舶與海洋工程學科在內的各理工學科都越來越嚴謹、精細。因此，在新工科背景下培養船舶與海洋工程專業創新型人才時，數學是其中的一個非常重要的方面。

在船舶與海洋工程專業的課程設置中，首先要求學生學習高等數學、線性代數、概率論與數理統計、場論與復變函數、工程數學基礎、隨機過程等基本理論課程。以此為基礎，開設理論力學、材料力學、船舶結構力學、船舶流體力學、船體強度與結構設計、船舶與海洋結構物靜力學、船舶結構動力學等船舶與海洋工程專業核心課程，要求學生能夠運用學習的數學基礎知識解決以下問題：

（1）船舶結構力學：方程求解，矩陣運算求解，桁架結構限元法理論推導，平面應力與平面應變求解等;

（2）船體強度與結構設計：與船舶結構力學基本一致;

（3）船舶流體力學：建立流體力學重要的N-S方程并求解;

（4）船舶與海洋結構物靜力學：多重積分的求解-計算浮心、重心、穩性等;

（5）船舶結構動力學：動力學方程的數值求解-有限差分法、有限元等數值方法。

此外，根據學生設計與研究的需要，學生還需掌握 FORTRAN編程、CAD繪圖及MATLAB、ABAQUS、FLUENT等軟件的使用，利用所學習的數學知識進行船舶與海洋工程實際問題的求解。

（二）環境科學與工程專業

作為傳統工科專業，環境科學與工程專業主要學習力學類、化學類、工程流體力學、環境監測等基礎理論知識，接受工程制圖、污染監測分析、工程設計和科研實驗的基本訓練，具有環境污染治理和市政工程領域的工程設計、科學研究和管理規劃的基本能力。數學的學習與應用貫穿了環境科學與工程學生培養的全過程，并對于學生培養的多個方面起著重要的支撐作用。伴隨著環境領域對AI與大數據的需求越來越多，關系也越來越密切。

首先，數學的學習有利于培養學生的工程素質。將數學、自然科學、工程基礎和專業知識應用于環境/市政工程，培養學生解決復雜工程問題的能力。

其次，數學的學習有利于培養學生分析問題和解決問題的能力。基于數學的學習和應用，學生掌握自然科學和工程科學的基本原理，有助于其識別、表述、分析復雜環境/市政工程問題，并獲得有效結論。

再次，數學的學習有利于培養學生的研究能力。數學的原理與方法在研究方案的構建和實驗的綜合設計方面有著普遍的應用。此外，學生可通過分析數據信息對復雜環境問題進行探索與研究，提出合理解決方案。

最后，數學的學習有利于培養學生的工具應用能力。學生基于數學基礎，選擇、使用或開發適合的技術、資源、工具，對復雜工程問題進行分析、解釋、模擬、預測，并理解其適用范圍。

隨著新工科背景下環境領域中智慧元素的不斷深入，環境科學與工程專業在已有的知識體模塊化的培養方案上，將智慧元素融入課程設置，對學生的數學基礎知識提出了更具有指向性和更高的要求，數學知識的不斷深入學習與環境領域的發展需求保持著雙向遞進關系。在第一知識體模塊——基礎類課程中，要求學生學習基本數學理論課程。在學習基礎理論知識的同時，學生通過在無機化學與分析化學、有機化學、物理化學、生物化學及配套實驗課程等自然科學類基礎課程教學環節中解決具體數學問題，構建用數學概括與解決抽象科學問題的思想與邏輯思維，正確理解和運用數學基本概念與方法。

以此為基礎，在第二知識體模塊的知識與技能類課程中開設工程流體力學、工程力學、化學工程原理、環境分析監測、測量學及畫法幾何及工程制圖等環境學科基礎類課程和環境化學、大氣污染控制工程、廢水工程、固體廢棄物處理與資源化利用、測量與地理信息應用等環境科學與工程專業核心類課程。學生需在學科基礎課程中學會數學知識與工程原理的轉化，掌握方程組的求解、矩陣的運算，微分方程在工程力學、測量學中的求解等;工程制圖教學要求學生運用數學抽象空間想象能力與嚴謹的數字維度思想，熟練掌握繪圖技能;在環境科學與工程專業核心課程上，要求學生掌握微分方程的建立與求解、動力學方程的數值求解、線性/非線性模型擬合等數學知識，對環境中水、氣、固廢等問題的監測、分析與解決過程中的數據進行有效地結構化處理和多元化解析，運用合適的數學工具結合實際需求對環境污染防治提出數據質量評估與風險預測;知識與技能類課程的設置，響應環保行業發展需求，培養環境科學與工程專業的學生向全生命周期治理的思維轉變。

三、新工科背景下的數學課程體系

未來船舶與海洋工程的發展中將越來越多地涉及和應用到相關的知識，因此在新工科背景下要求船舶與海洋工程專業人才對數學有更高和更新的目標。在環境科學與工程領域，也有著類似的趨勢，隨著5G時代的到來，大數據、智能、智慧元素在環境領域起著越來越重要的作用。新工科的提出，既更加凸顯了數學在新工科人才培養中的基礎地位，同時也為大學數學的教學帶來了挑戰。因此，需重新設計船舶與海洋工程以及環境科學與工程專業的數學課程體系，為如何培養符合上述專業未來需求的新工科人才作出合理規劃。

（一）師資隊伍建設

大學教師在新工科人才培養過程中起著舉足輕重的作用，新工科對教師提出了更高的要求。新工科背景下，對于數學、船舶與海洋工程專業以及環境科學與工程教師的要求不僅僅體現在掌握扎實的知識體系上，更體現在掌握現代信息技術，并將其應用到課堂教學和管理中。例如，通過借助信息化手段將授課科目的知識結構進行劃分，提高學生的學習效率。最后，教師需要有較強的研究能力和創新能力，在教學過程中對知識的把握更加準確，在講解知識的時候更加深入。

（二）數學體系重構

要想讓數學與“大數據”“云計算”產生密切聯系，與船舶與海洋工程以及環境科學與工程專業新工科人才培養產生聯系，需要對現有的數學課程結構進行重新構建。可以根據專業特點劃分知識結構，根據后續專業課程的需要明確側重點，既減輕了學生的負擔，又能使學生更好地做到“學以致用”。此外，可以根據學生的需要，開設一些適合學生的選修課程，比如數學實驗、統計推斷、數學軟件、運籌學、數據庫應用技術、人工智能理論與應用等，這些課程的學習會極大地滿足參加學科競賽學生的需要，通過這些課程的學習，既激發了學生的學習興趣，同時也會使學生在學科競賽中攻破難題，取得好成績。

（三）線上線下結合

傳統的教學模式主要是課堂上教師講，學生聽。隨著教學改革的逐漸深入以及適應信息化的要求，可通過網絡課堂推動學生學習掌握數學、船舶與海洋工程/環境科學與工程專業知識，例如目前較為常用的“雨課堂”、網上慕課、微課等。調研顯示，學生們對于這些網絡課程是非常感興趣的。在原有知識體系的基礎上，建立線下、線上相結合的教學模式，線下課堂傳授理論知識，線上推送預習、復習資料，將一些選做題、課外資料推送給學生，豐富學生數學知識的同時吸引學生學習興趣，拓寬學生學習知識面。既增強了教學的趣味性，同時也有利于學生鞏固和提高所學知識。

（四）體系整改與完善

完善的教學體系對人才培養有著彌足輕重的作用。針對不同工程類專業的數學課程體系，需重點研究課程體系相關的影響因素，制定評價指標和因素集。依據客觀的評價結果，有針對性地整改課程體系中存在的問題，促使課程體系逐步趨于完善，與新工科的復合型人才培養的實際情況相吻合。

四、結束語

新工科建設對工程專業人才的培養起到了促進的作用，同時也提出了全新的挑戰，文章以船舶與海洋工程以及環境科學與工程專業為例，探討了新工科背景的大學數學教學模式。數學同時是船舶與海洋工程專業以及環境科學與工程專業的主干基礎學科，新時代工程領域的高技術卓越人才應具備扎實的數學基礎。新工科背景下，船舶與海洋工程以及環境科學與工程專業中的數學教學都應秉持理論與實踐并重，數學知識與專業知識深度融合，網絡資源與傳統課堂有效結合的指導思想，優化和整合數學課程的教學內容，構建現代化專業數學教學體系，切實解決新形勢下數學教育的瓶頸，提高教學質量和教學效率，服務于培養高素質復合型新工科人才。

參考文獻：

[1]教育部高教司.教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知（教高司函[2017]6號）[EB/OL].[2017-02-20].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.

[2]劉新風.新工科內涵解讀與前景分析[J].招生考試通訊（高考版），2021（3）：60-61.

[3]吳延紅.面向新工科的大學數學基礎課程體系構建與研究[J].青年與社會，2019（11）：2.

[4]科技部辦公廳，教育部辦公廳，中科院辦公廳，等.關于加強數學科學研究工作方案[EB/OL].[2019-07-12].https：//www.cas.cn/zcjd/201909/t20190918_4715042.shtml.

[5]國務院.統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案（國發[2015]64號）[EB/OL].[2015-10-24].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/moe_1778/201511/t20151105_217823.html.

[6]趙娜，葉仁傳.論船舶與海洋工程教學與科研中數學知識及數學軟件工具[J].教育教學論壇，2019（16）：2.