面向新工科卓越工程師培養的基礎課程跨學科實踐

袁怡佳 夏萌 吉宏俊 呂智國 陸佳亮 邵凌翾 高曉楠

摘? 要：新工科建設旨在革新卓越工程師人才的教育培養模式，多學科交叉融合是其重要一步。上海交通大學巴黎卓越工程師學院借鑒法國工程師學校的教育體系，在基礎教育階段積極探索跨學科融合教學，培養學生解決問題的綜合能力和實踐創新素養。該文將闡述學院如何開展基礎課程的多學科交叉實踐教學，調研學生的學習體驗與學習效果，為面向新工科卓越工程師培養的基礎課程實踐教學提供借鑒與思路。

關鍵詞：跨學科實踐；基礎課程；綜合工程能力；新工科；法國工程師教育

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）20-0013-04

Abstract： The construction of new engineering aims to innovate education and training mode of outstanding engineering talents， and the interdisciplinary integration is an important step for it. SJTU Paris Elite Institute of Technology （SPEIT） draws inspiration from education system of French engineering schools and actively explores interdisciplinary integration teaching in the basic curriculum stage， cultivates students' comprehensive problem-solving abilities and practical innovation literacy. This article will present how SPEIT conducts interdisciplinary practical teaching of basic courses， investigates learning experience and effect of students， and provides reference and ideas for practical teaching of basic courses aimed at cultivating outstanding engineers in the new engineering field.

Keywords： interdisciplinary practice; basic courses; comprehensive engineering capacity; new engineering; French engineering education

近年來，從“復旦共識”到“天大行動”，再到“北京指南”，新工科建設成為了我國新時期高等工程教育改革的指導方針[1]。鐘登華院士強調，新工科是以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新性卓越工程人才[2]。建設跨學科多學科融合教育是新工科建設人才培養的重要手段，契合了新工科建設要求，是復雜社會發展的內在要求，是時代前行的基本需要[3]?？鐚W科教育儼然成為國內各大高校關注的熱點，院系紛紛積極探索培養跨學科高素質復合型人才的培養模式。

上海交通大學巴黎卓越工程師學院（以下簡稱“中法學院”）借鑒法國高等工程師學校的教育體系，致力培養新工科背景下，符合現代工程發展要求、具備綜合工程技術能力的國際化創新型人才。中法學院人才培養模式、培養方式及培養計劃主要借鑒法國工程師的培養理念，同時融合中國高等教育的模式與培養要求，創立了獨特的“基礎教育階段+工程師階段”的人才培養方式與課程體系[4]。學生在最初2.5年的基礎教育階段不分專業，進行工科通識教育：采用“大數學”和“大物理”覆蓋數學、物理、化學、計算機科學以及機械、能源、材料和通信等應用學科外沿，輔以人文管理課程、工程實習實踐的通識教育，打破傳統的專業及學科壁壘，形成多學科交叉綜合的課程體系。工程師階段分為機械工程、信息工程、能源與動力工程進行專業培養。基礎教育階段來源于法國工程師培養體系中的“預科”[4]，側重強化數、理、化和計算機等基礎學科的學習，旨在夯實學生的基礎知識儲備，構建完整的知識體系，培養跨學科思維及解決問題的綜合工程能力。

基于“以學生為中心，以產出為導向和持續改進”的OBE（Outcomes-based Education）教學理念，中法學院自2012年建院伊始，就在基礎教育階段持續開展與摸索具有學院特色的“分層融入式”跨學科教學（此文皆以物理化學教學為例，數學計算機教學類似）：不同層面包括物理學科不同分支之間，物理與化學之間，物理化學與數學計算機之間。并將其融入各個教學環節，包括日常課堂教學及探究性學習的實踐項目。筆者曾針對上述教學環節在不同層面實施跨學科教育的開展情況及效果進行過調研，問卷調查對象為學院經過基礎教育階段學習的四屆學生。結果顯示，學生對于跨學科綜合實踐項目的體驗及評價最高，并表示希望增加類似跨學科交叉實踐教學[5]。

實踐是科學理論的基礎。新工科要求工程人才要有更高水平的實踐能力、終身學習能力、創造性思維、文化素質和大視野等[6]。學生只有通過不斷地實踐才能真正地掌握知識與提高技能，實踐教學因而是人才培養過程中的重要環節。源于跨學科綜合實踐項目的學生滿意度高，中法學院近年來一直在實踐課堂中進一步探索跨學科融合教學模式。通過強化教學活動中的跨學科實踐，全方位提高學生的學科及工程技術能力。學科能力包含理解、建模、分析、運算和驗算等，工程技術能力包含應用知識、自主研究、創新、跨學科、團隊協作及交流表達等。

一? 物理化學相關教學介紹

基礎教育階段的物理化學課程每學期平均112～160學時（每周7～10學時），由中法學院物理與化學教學組采用團隊教學完成所有教學任務，匯聚一批高水平的中法基礎課程教師，其中，法方教師皆為法國教育部認證委派的預科教師。除傳統大班授課的理論課2學時之外，系統還配置多元實踐教學，包括小班化教學（人數控制在20人左右）的實驗課、習題課及跨學科綜合實踐項目等。習題課每周2學時，實驗課平均每周或每兩周2學時。

理論課采用啟發講授法，通過系統嚴謹的數理論證及跨物理分支、物理化學交叉聯系講解，構建知識框架體系，注重理論聯系實際，循循善誘地調動學生積極性，培養學生應用知識、跨學科等能力。習題課實施翻轉課堂，邀請學生上黑板邊書寫求解過程邊解釋解題思路，教師從旁指導并作進一步講解。在學生加深理解理論、拓寬知識在實踐中應用的同時，也培養其應用知識、交流表達等能力。實驗課學生兩兩分組實驗，兩名任課教師參與指導。遵循問題導向，通過部分命題自主探究，既強化學生的實際操作技能，也培養其創新、團隊協作等能力。將理論與實踐聯系起來，能讓死板的課本知識變得生動直觀，讓學生樂于接受、易于記憶，更好地理解和掌握理論知識，明白理論對實踐起到指導及檢驗作用。開放式提問的多元實踐探究，給予學生更多自主創新的空間，使其由“被動接受”轉變為“主動探索”，促進學生高階思維能力的發展，提高學生解決問題的綜合實踐能力。

物理化學課程采用促進學生綜合工程能力發展的持續性考核制度，激勵學生進行有規律的學習?？己朔绞桨ǔ銮?、口試、作業、實驗、階段測試及期末考試等。其中，實驗課采用能力培養為導向的考核：教師根據學生的課堂實驗表現及課后實驗報告給予學生綜合評價，考查學生的理解、分析、實現、驗證及交流能力。每次實驗的評價細則更是針對具體實驗內容而制定，做到“因材施考”?？谠囎鳛閷W院工程師教育的一個重要特色，除最終得分，采用綜合能力培養為導向的等級量表作為輔助評價，考查學生的讀題審題、建模分析、運算求解、檢查驗算及表達交流能力。“知識+技能+態度”的多元化、過程性考核全面真實地評價學生的綜合能力及學習效果，引導學生認知自我，進而反思和調適，實現“以評促學”。

跨學科綜合實踐項目，學生自由組合3～4人為一組，選定物理、數學、計算機其中的某一命題。運用在課堂上學過的各學科知識，經過分析討論、理論建模計算、Python等軟件編程得出最終結果。最后撰寫法語報告，并作法語答辯。項目全程由數學計算機、物理化學及法語教學組教師共同指導。學生在完成實踐項目的過程中，不僅要充分理解本學科的基本知識和核心理論，還要綜合運用其他學科的方法和技術來解決問題，學生在實踐過程中不斷學習、主動探索，將理論與實際有機結合，真正實現“做中學”[7]。

二? 基礎課程跨學科實踐教學的發展與實施

面臨招生多元化帶來的生源多樣性，中法學院關注到新生存在個體差異，為滿足不同學生的能力發展需求，在零法語基礎新生進行密集法語學習的第一學期，開設基礎綜合數理實踐項目。此課程對于免修基礎法語課程的學生，即法語水平較高的國際生、語言保送生為必修課，對于學有余力的學生為選修課。由基礎教育階段的數理教師及工程師階段的專業教師共同參與指導，根據學生現有知識、能力水平確定項目主題及內容供學生選擇。實踐項目涵蓋不同專業領域，涉及數理計算機等多學科知識技能。學生自由組隊，完成若干項目實踐。物理主題有光的折射實驗與模擬、地震波的自動檢測等；數學計算機主題有森林火災的模擬、創建和解決迷宮等；專業主題有天氣預測軟件的開發、預測核能系統行為的機器學習替代模型等。對于每個項目，學生構建理論模型，動手實驗、基于數學解析進行數值模擬，對比實驗與模擬結果，分析二者差異原因，并提出改進方法。最后，每組全體學生將做項目答辯，評審小組由三位來自不同專業領域的教師組成，全方位、跨學科地檢驗項目的完成情況及展示效果。通過多學科交叉融合的自主性研究，將專業教育融入基礎教育，讓學生在理解掌握數理計算機及相關專業知識的同時，培養其創新、跨學科、團隊協作等意識與能力。

鑒于項目教學法的實施效果，數學計算機與物理化學教學組采用團隊教學，在基礎教育階段各年級陸續協作開設數理實驗課。依據數理課程的教學安排及進度，共同準備實驗內容。強化跨學科教學以“問題”為中心，選題上要注重選擇現實情境下的真實問題，并基于問題增進學科間的內在聯系[8]。每次實驗圍繞一個物理問題或模型展開，例如大一主題有電子電路基礎中網絡等效電阻的求解，大二主題有熱力學基礎中熵的統計意義，大三主題有電磁學基礎中的色散關系。針對每個主題，數理教師設計一系列從簡入繁、由易到難，層層深入、環環相扣的自主探究步驟。將相關的數學理論及方法有機地融入物理主題的分析與處理，再通過編程實現問題的求解與討論。舉例質點力學中擺的研究，物理模型從單擺到雙擺，運動情況從小角度到大角度，情景假設從無阻尼到有阻尼，并將線性代數及微分方程的相關計算融合到物理研究，最后通過數值模擬分析并探討物理問題。教師通過協作教學，加強不同基礎學科之間的交叉融合，拓展教學內容的廣度及深度。學生通過深度學習的跨學科實踐，一方面實現數學知識與信息技術的內容情景化，提高其學習興趣及熱情，另一方面促進跨學科思維及解決問題能力的提升。

基于數理實驗課的教學形式與內容，物理與化學教學團隊將適宜的編程實踐融入習題課。對于某些問題，數學理論上存在解析解，但計算復雜繁瑣，需用數值模擬分析方法，通過編程得到數值解。以往任課教師會將課前得出的數值結果在課上展示給學生。相比“直接知道”的答案，學生更需要經過自主探究得出結果。教師依據學生的編程水平，將部分數值模擬計算給予學生自己實現求解。如波動光學有關干涉的習題課上，要求學生通過Python編程求解雙縫及多縫干涉的光強分布，并描述分析其圖像。在加深理解物理現象的同時，也提高學生的編程能力。通過加強學生課堂參與度，促使其積極主動地去學習，進而提高課堂教學效率。

三? 基礎課程跨學科實踐教學的調查與研究

針對上述基礎課程跨學科實踐教學的實施開展情況，筆者做了一次無記名問卷調查。調查對象為中法學院在讀的本科一、二、三、四年級學生，收到問卷共計135份。

第一部分是學生對于跨學科實踐教學的主觀想法。首先就學生希望的實踐教學類型是跨學科還是局限于單一學科進行了調查。絕大部分學生（81%）希望是跨學科?；A教育階段大多為數理課程，理論性較強，局限于單一學科的實踐教學易使學生覺得枯燥乏味，學習興趣不足。跨學科實踐教學能使學生學會融會貫通地使用相關學科知識，有利于構建完整的數理知識體系，提高學習興趣，激發學生多角度地去思考與解決問題。調查二是學生就開展跨學科實踐所帶來學習效果的反饋感想。其中，73%的學生認為能使其融會貫通地掌握知識技能；70%認為能夠完善知識體系，構建完整的理論框架；63%認為能夠激發學習興趣，激勵其自主探究問題；67%認為能夠培養高階思維能力及綜合實踐素養。由此可見，大部分學生是非常認可跨學科實踐的教學效果，它既可深化學生對科學理論的理解，又可提升學習積極性，并加強學生解決問題的綜合實踐能力。

第二部分針對基礎綜合數理實踐項目。調查三是學生傾向選擇項目課題類型的結果，72%的學生選擇專業類，約45%的學生分別選擇數學、物理與生活實例類的課題。大多數學生傾向選擇專業類課題，表明學生更加關注與專業相關的研究課題。調查四是學生就開展基礎綜合數理實踐項目的反饋感想。其中，72%的學生表示提高了解決實際問題的綜合實踐能力，約65%的學生分別表示理解掌握了數學計算機及相關學科或專業知識；提前接觸了專業知識，了解了專業發展現狀與前景；培養了跨學科探究、團隊協作等意識與能力。調查五要求受訪學生就基礎綜合數理實踐項目的實施情況及教學效果進行打分（最低1分，最高5分），平均分為3.6分。從打分均值來看，學生是認可基礎綜合數理實踐項目的。

第三部分針對數理實驗課。調查六是學生傾向實驗課類型的結果，22%的學生選擇純數學計算機，46%選擇數學計算機與物理化學結合，32%表示兩者皆可。由此可見，相較于純數學計算機實驗，多數學生更傾向數理實驗課。通過物理化學的實例探究，將數學理論知識及計算機技術轉換為問題情景，提升學生的學習興趣。調查七是學生就開展數理實驗課所帶來學習效果的反饋感想。其中，62%的學生認為通過情景化教學能使數學概念生動化，加深理論理解與掌握；53%認為通過物理化學實例探究，能夠提高學習興趣及熱情；59%認為通過數學計算機實踐，能夠拓展物理化學教學內容的廣度與深度；64%認為通過數理實驗課能夠加強學科聯系，提升綜合素養。調查八要求受訪學生就跨學科實踐在數理實驗課中的開展情況及教學效果進行打分，平均分為3.6分。由平均分看來，學生對于數理實驗課的反饋是正面積極的。

最后是針對編程融入物理習題課。調查九是學生對于物理需用計算機編程進行數值求解的結果及分析，傾向方式的結果，22%的學生選擇老師直接給出，25%選擇自主探究得出，53%表示兩者皆可。相比數理實驗課的主觀訴求，學生對于自主編程求解的主觀意愿不強，這就需要教師去思考如何調動學生自主探究的積極性，而不是形式上地將編程加入物理習題計算中。調查十是學生就物理習題課融入編程實踐所帶來學習效果的反饋感想。其中，45%的學生認為能夠通過自主探究，加深物理知識的理解；72%認為能夠提高自身編程能力；74%認為通過將物理知識融合編程實踐，能夠提高學習物理及計算機技術的積極性；59%認為通過理論聯系實際，能夠鍛煉解決實際問題的能力。調查十一要求受訪學生就跨學科實踐在物理習題中的開展情況及教學效果進行打分，平均分為3.7分。評分與基礎綜合數理實踐項目以及數理實驗課均值相仿，表明學生對于物理習題課融入編程實踐也是認可的。

四? 結束語

知識發展的內在邏輯及問題解決的需要使學科交叉與融合成為一種必然的發展趨勢[9]。中法學院在基礎教育階段中發展探索跨學科實踐教學，包括開設跨學科項目類課程、新增數理實驗課以及將編程融入物理習題，調研顯示學生皆給予正面積極的反饋。不同教學組協同，以跨學科方式組織實踐教學，使不同學科教育從內容上而非形式上、從實質上而非表面上形成有機整合，突破學科、專業的邊界，加強學科間的相互聯系。通過強化基礎課程的跨學科實踐，全方位提高學生的學科及工程技術能力，調動學生的自主性與積極性，奠定學生學習的主體地位，使其在實踐教學中體驗、收獲、展示與交流，促進學生樂于學習、善于學習。

數學計算機與物理化學教學團隊將聯合工程師階段的專業教師，繼續鉆研改進現有跨學科實踐教學。如豐富數理實驗課主題內容，尤其是有關專業科技前沿與實際應用的實例；如增設針對跨學科實踐教學，“態度+知識+能力”的評價方式與標準；如對于不同水平學生實施“因材施教”等，同時也將共同探索新工科背景下跨學科教學的其他模式，如基于學科整合的跨學科課程，“整合課程”模式是培養綜合性、復合型人才的有效選擇之一；基于項目和設計思維的合作學習模式是培養工程師的有效模式[10]等。

參考文獻：

[1] 馬宏偉，張偉偉.新工科力學課程體系的幾點思考[J].高等工程教育研究，2018（3）：6-12.

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[4] 李萍，鐘圣怡，李軍艷，等.借鑒法國模式，開拓工科基礎課教學新思路[J].高等工程教育研究，2015（2）：20-28.

[5] 袁怡佳，鐘圣怡，歐亞飛，等.中法合辦工程師教育的跨學科實踐[J].中國大學教學，2017（10）：42-45.

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[8] 田娟，孫振東.跨學科教學的誤區及理性回歸[J].中國教育學刊，2019（4）：63-67.

[9] 于汝霜，閻光才.高校教師跨學科交往研究[J].高等教育研究，2017，38（6）：23.

[10] 李麗娟，楊文斌，肖明，等.跨學科多專業融合的新工科人才培養模式探索與實踐[J].高等工程教育研究，2020（1）：25-30.

基金項目：2023年教育部高等學校教學研究項目“中法大學物理中量子物理課程教學對比研究”（DJZW202324hd）

第一作者簡介：袁怡佳（1984-），女，漢族，浙江鎮海人，博士，副教授。研究方向為物理與化學教學、工程師教育、光學。

*通信作者：夏萌（1989-），女，漢族，江蘇江陰人，博士，講師。研究方向為熱能工程。