适应新工科背景的大学数学教学模式研究
徐万海 李楠 周丽丹
摘 要：新工科是在新时代、新环境、新形势的需求下应运而生的，是高等教育改革的初步探索和尝试。目标是培养多样化、创新型卓越工程科技人才。数学是工科专业的主要基础课程。在新工科背景下，大学数学的教学任务，评价指标，教学方法面临诸多挑战。文章以船舶与海洋工程和环境科学与工程两个传统工科专业为例，重点阐述新工科背景下的大学数学教学体系构建问题。相关研究成果可为传统工科向新工科的升级转变提供理论参考和技术支撑。
关键词：新工科;船舶与海洋工程;环境科学与工程;数学教学
中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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
隨着“互联网+”“中国制造2025”“一带一路”倡议等的提出，新形势下，传统工程教育培养的人才已无法满足新经济、新产业的需要。教育部高教司在2017年发布了新工科研究与实践指导文件，明确了工科建设的目标和要求[1]。相对于传统的工科人才，新工科建设培养的是工程实践能力强、创新能力突出、具备国际竞争力的高素质复合型人才[2]。
大学数学作为新工科专业的基础课程，对人才各方面的能力培养起着举足轻重的作用[3]。2019年7月12日，四部委联合制定了《关于加强数学科学研究工作方案》，强调数学的重要性，将大学数学教学改革提升到国家战略高度[4]。面对新形势、新要求，积极开展适应新工科背景的大学数学教学模式研究是“新经济”时代对高等教育发展所提出的必然要求。
一、传统工科专业的新工科建设
（一）船舶与海洋工程专业新工科建设
船舶与海洋工程专业是我国工科教育体系的重要组成部分，是具有鲜明行业特色的传统工科专业。随着建设海洋强国等战略目标的提出，船舶与海洋工程专业为国防建设、船舶建造和海洋开发等培养高精尖人才的任务更加迫切，已然成为新工科专业建设的排头兵。
船舶与海洋工程专业作为我国高校相对稀缺的专业，就目前国内发展情况而言，无论是以学科知识为中心，还是以顺应就业需求为中心的人才教育与培养模式，都存在模式单一，课堂教学以灌输知识为主，缺乏工程案例，创新实践深度参与度低、市场导向薄弱等问题，与学科专业改造升级、复合型工程专业人才的迫切需求不相适应。新工科建设是在当前新形势的时代背景下，对国家战略发展新需求、产业变革升级新趋势、国际竞争新形势以及立德树人新要求作出的积极回应，随着“中国制造2025”把海洋工程装备和高技术船舶作为十大重点发展领域之一加快推进，新工科也对船舶与海洋工程专业人才的培养提出了新的要求，培养既能适应经济社会发展、又能引领行业前行的专业人才极具紧迫性。对于解决领域内教育存在的突出问题，加快学科专业改造升级等都具有积极的意义。
（二）环境科学与工程专业新工科建设
生态文明建设是事关人民福祉与民族未来的大计。党的十九大报告中，习近平总书记更是把污染防治攻坚战作为与防范化解重大风险、精准脱贫并重的三大攻坚战之一。在这样的形势和背景下，环境科学与工程专业肩负着为未来、为生态文明建设和可持续发展培育人才的历史使命，这也为对当前的环境科学与工程教学模式提出了严峻的挑战。
系统性、智慧化的欠缺是当前环境科学与工程领域教学的短板。伴随着第四次工业革命的发展，环保企业对精通环境污染防治技术，同时掌握智能智慧、大数据等方面知识的人才需求相当大。然而，高等院校目前的培养体系缺少相应人才的培养，以致于高校培养人才的出口与社会、行业的需求存在偏差，严重影响了行业、企业、公众、媒体等对环境教育的观感。在《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》的指导思想引领下，面向环保行业数字化、智能化、智慧化的重大需求，高校需进行环境科学与工程人才培养的深度改革[5]。以新工科建设为契机，培养智慧环保创新性人才，改进当前环境科学与工程专业教学的短板，形成基于新工科2.0的智慧环保系统教学模式，提升学生专业素质和国际化视野，满足行业和社会对新型环保产业人才的需求。
二、新工科专业对数学的要求
（一）船舶与海洋工程专业
数学是船舶与海洋工程专业的重要主干基础课程，在船舶与海洋工程专业领域内具有举足轻重的地位。从船舶结构力学、船舶流体力学、船体强度与结构设计和船舶结构动力学等课程学习，到FORTRAN、CAD、C++等编程与设计软件，再到MATLAB、ANSYS、ABAQUS、FLUENT等数值计算软件，数学知识的运用几乎渗透到每一个角落[6]。随着数学逐渐发展为一个博大精深的科学体系，包括船舶与海洋工程学科在内的各理工学科都越来越严谨、精细。因此，在新工科背景下培养船舶与海洋工程专业创新型人才时，数学是其中的一个非常重要的方面。
在船舶与海洋工程专业的课程设置中，首先要求学生学习高等数学、线性代数、概率论与数理统计、场论与复变函数、工程数学基础、随机过程等基本理论课程。以此为基础，开设理论力学、材料力学、船舶结构力学、船舶流体力学、船体强度与结构设计、船舶与海洋结构物静力学、船舶结构动力学等船舶与海洋工程专业核心课程，要求学生能够运用学习的数学基础知识解决以下问题：
（1）船舶结构力学：方程求解，矩阵运算求解，桁架结构限元法理论推导，平面应力与平面应变求解等;
（2）船体强度与结构设计：与船舶结构力学基本一致;
（3）船舶流体力学：建立流体力学重要的N-S方程并求解;
（4）船舶与海洋结构物静力学：多重积分的求解-计算浮心、重心、稳性等;
（5）船舶结构动力学：动力学方程的数值求解-有限差分法、有限元等数值方法。
此外，根据学生设计与研究的需要，学生还需掌握 FORTRAN编程、CAD绘图及MATLAB、ABAQUS、FLUENT等软件的使用，利用所学习的数学知识进行船舶与海洋工程实际问題的求解。
（二）环境科学与工程专业
作为传统工科专业，环境科学与工程专业主要学习力学类、化学类、工程流体力学、环境监测等基础理论知识，接受工程制图、污染监测分析、工程设计和科研实验的基本训练，具有环境污染治理和市政工程领域的工程设计、科学研究和管理规划的基本能力。数学的学习与应用贯穿了环境科学与工程学生培养的全过程，并对于学生培养的多个方面起着重要的支撑作用。伴随着环境领域对AI与大数据的需求越来越多，关系也越来越密切。
首先，数学的学习有利于培养学生的工程素质。将数学、自然科学、工程基础和专业知识应用于环境/市政工程，培养学生解决复杂工程问题的能力。
其次，数学的学习有利于培养学生分析问题和解决问题的能力。基于数学的学习和应用，学生掌握自然科学和工程科学的基本原理，有助于其识别、表述、分析复杂环境/市政工程问题，并获得有效结论。
再次，数学的学习有利于培养学生的研究能力。数学的原理与方法在研究方案的构建和实验的综合设计方面有着普遍的应用。此外，学生可通过分析数据信息对复杂环境问题进行探索与研究，提出合理解决方案。
最后，数学的学习有利于培养学生的工具应用能力。学生基于数学基础，选择、使用或开发适合的技术、资源、工具，对复杂工程问题进行分析、解释、模拟、预测，并理解其适用范围。
随着新工科背景下环境领域中智慧元素的不断深入，环境科学与工程专业在已有的知识体模块化的培养方案上，将智慧元素融入课程设置，对学生的数学基础知识提出了更具有指向性和更高的要求，数学知识的不断深入学习与环境领域的发展需求保持着双向递进关系。在第一知识体模块——基础类课程中，要求学生学习基本数学理论课程。在学习基础理论知识的同时，学生通过在无机化学与分析化学、有机化学、物理化学、生物化学及配套实验课程等自然科学类基础课程教学环节中解决具体数学问题，构建用数学概括与解决抽象科学问题的思想与逻辑思维，正确理解和运用数学基本概念与方法。
以此为基础，在第二知识体模块的知识与技能类课程中开设工程流体力学、工程力学、化学工程原理、环境分析监测、测量学及画法几何及工程制图等环境学科基础类课程和环境化学、大气污染控制工程、废水工程、固体废弃物处理与资源化利用、测量与地理信息应用等环境科学与工程专业核心类课程。学生需在学科基础课程中学会数学知识与工程原理的转化，掌握方程组的求解、矩阵的运算，微分方程在工程力学、测量学中的求解等;工程制图教学要求学生运用数学抽象空间想象能力与严谨的数字维度思想，熟练掌握绘图技能;在环境科学与工程专业核心课程上，要求学生掌握微分方程的建立与求解、动力学方程的数值求解、线性/非线性模型拟合等数学知识，对环境中水、气、固废等问题的监测、分析与解决过程中的数据进行有效地结构化处理和多元化解析，运用合适的数学工具结合实际需求对环境污染防治提出数据质量评估与风险预测;知识与技能类课程的设置，响应环保行业发展需求，培养环境科学与工程专业的学生向全生命周期治理的思维转变。
三、新工科背景下的数学课程体系
未来船舶与海洋工程的发展中将越来越多地涉及和应用到相关的知识，因此在新工科背景下要求船舶与海洋工程专业人才对数学有更高和更新的目标。在环境科学与工程领域，也有着类似的趋势，随着5G时代的到来，大数据、智能、智慧元素在环境领域起着越来越重要的作用。新工科的提出，既更加凸显了数学在新工科人才培养中的基础地位，同时也为大学数学的教学带来了挑战。因此，需重新设计船舶与海洋工程以及环境科学与工程专业的数学课程体系，为如何培养符合上述专业未来需求的新工科人才作出合理规划。
（一）师资队伍建设
大学教师在新工科人才培养过程中起着举足轻重的作用，新工科对教师提出了更高的要求。新工科背景下，对于数学、船舶与海洋工程专业以及环境科学与工程教师的要求不仅仅体现在掌握扎实的知识体系上，更体现在掌握现代信息技术，并将其应用到课堂教学和管理中。例如，通过借助信息化手段将授课科目的知识结构进行划分，提高学生的学习效率。最后，教师需要有较强的研究能力和创新能力，在教学过程中对知识的把握更加准确，在讲解知识的时候更加深入。
（二）数学体系重构
要想让数学与“大数据”“云计算”产生密切联系，与船舶与海洋工程以及环境科学与工程专业新工科人才培养产生联系，需要对现有的数学课程结构进行重新构建。可以根据专业特点划分知识结构，根据后续专业课程的需要明确侧重点，既减轻了学生的负担，又能使学生更好地做到“学以致用”。此外，可以根据学生的需要，开设一些适合学生的选修课程，比如数学实验、统计推断、数学软件、运筹学、数据库应用技术、人工智能理论与应用等，这些课程的学习会极大地满足参加学科竞赛学生的需要，通过这些课程的学习，既激发了学生的学习兴趣，同时也会使学生在学科竞赛中攻破难题，取得好成绩。
（三）线上线下结合
传统的教学模式主要是课堂上教师讲，学生听。随着教学改革的逐渐深入以及适应信息化的要求，可通过网络课堂推动学生学习掌握数学、船舶与海洋工程/环境科学与工程专业知识，例如目前较为常用的“雨课堂”、网上慕课、微课等。调研显示，学生们对于这些网络课程是非常感兴趣的。在原有知识体系的基础上，建立线下、线上相结合的教学模式，线下课堂传授理论知识，线上推送预习、复习资料，将一些选做题、课外资料推送給学生，丰富学生数学知识的同时吸引学生学习兴趣，拓宽学生学习知识面。既增强了教学的趣味性，同时也有利于学生巩固和提高所学知识。
（四）体系整改与完善
完善的教学体系对人才培养有着弥足轻重的作用。针对不同工程类专业的数学课程体系，需重点研究课程体系相关的影响因素，制定评价指标和因素集。依据客观的评价结果，有针对性地整改课程体系中存在的问题，促使课程体系逐步趋于完善，与新工科的复合型人才培养的实际情况相吻合。
四、结束语
新工科建设对工程专业人才的培养起到了促进的作用，同时也提出了全新的挑战，文章以船舶与海洋工程以及环境科学与工程专业为例，探讨了新工科背景的大学数学教学模式。数学同时是船舶与海洋工程专业以及环境科学与工程专业的主干基础学科，新时代工程领域的高技术卓越人才应具备扎实的数学基础。新工科背景下，船舶与海洋工程以及环境科学与工程专业中的数学教学都应秉持理论与实践并重，数学知识与专业知识深度融合，网络资源与传统课堂有效结合的指导思想，优化和整合数学课程的教学内容，构建现代化专业数学教学体系，切实解决新形势下数学教育的瓶颈，提高教学质量和教学效率，服务于培养高素质复合型新工科人才。
参考文献：
[1]教育部高教司.教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知（教高司函[2017]6号）[EB/OL].[2017-02-20].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201702/t20170223_297158.html.
[2]刘新风.新工科内涵解读与前景分析[J].招生考试通讯（高考版），2021（3）：60-61.
[3]吴延红.面向新工科的大学数学基础课程体系构建与研究[J].青年与社会，2019（11）：2.
[4]科技部办公厅，教育部办公厅，中科院办公厅，等.关于加强数学科学研究工作方案[EB/OL].[2019-07-12].https：//www.cas.cn/zcjd/201909/t20190918_4715042.shtml.
[5]国务院.统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案（国发[2015]64号）[EB/OL].[2015-10-24].http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/moe_1777/moe_1778/201511/t20151105_217823.html.
[6]赵娜，叶仁传.论船舶与海洋工程教学与科研中数学知识及数学软件工具[J].教育教学论坛，2019（16）：2.
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