新工科背景下高校數(shù)學“層次+模塊”教學改革探索-以山東農(nóng)業(yè)工程學院為例

1、新工科背景下高校數(shù)學“層次+模塊”教學改革探索以山東農(nóng)業(yè)工程學院為例摘要：根據(jù)新工科背景下對高校數(shù)學基礎(chǔ)課的要求，按照學科和專業(yè)及培養(yǎng)方案的畢業(yè)目標對教 學內(nèi)容進行了重構(gòu)，構(gòu)建了基于“層次+模塊”的數(shù)學課程教學體系，完善數(shù)學基礎(chǔ)課對工程認證專 業(yè)的支撐，保障教學課程符合專業(yè)特色，持續(xù)提高教學質(zhì)量&關(guān)鍵詞：新工科 工程認證數(shù)學課程Exploration on Teaching Reform of Level + Module of Mathematics in Collegesand Universities under the Background of New Engineering Sci

2、ence:Taking Shandong University of Agricultural Engineering as an ExampleAbstract： According to the requirements of basic colleges , mathematics courses under the background of new engineering, the teaching content was reconstructed according to the graduation goals of disciplines, majors and traini

3、ng programs, and a mathematics course teaching system based on levels + modules was constructed to improve the basic mathematics courses. The support of engineering certification majors ensures that the teaching courses conform to the professional characteristics and continuously improves the qualit

4、y of teaching.Key words :emerging engineering education ； enginee ring accreditation ； mathematics2019年10月，習近平總書記在向第六屆世 界互聯(lián)網(wǎng)大會的賀信中指出“新一輪科技革命和 產(chǎn)業(yè)革命加速演進，人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等 新技術(shù)新業(yè)態(tài)方興未艾。”我國已經(jīng)進入高等教 育普及化的階段，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命 及大數(shù)據(jù)、人工智能等先進制造業(yè)的沖擊下，本 科教育面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。特別是我國，在基 礎(chǔ)制造業(yè)等領(lǐng)域，如何通過高等教育培養(yǎng)卓越人 才，實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的彎道超車，解決目前精密自 造業(yè)等

5、領(lǐng)域的卡脖子問題,也是目前擺在工科高 校前的重要內(nèi)容。在應(yīng)用型本科高?！靶鹿た啤钡母母镞^程中， 越來越重視數(shù)學知識在各學科中的“基石”作用, 數(shù)學在解決工程問題中的支撐能力越來越明顯% 工程教育認證標準對學生的12條畢業(yè)要求中, 有兩條是對數(shù)學相關(guān)能力的，要求學生可以“能 夠?qū)?shù)學、自然科學、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識用于 解決復(fù)雜工程問題”“能夠應(yīng)用數(shù)學、自然科學和 工程科學的基本原理，識別、表達、并通過文獻研 究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論o ”數(shù)學在 工程教育中的作用越來越受到高校的重視。中國 學生有公認最為扎實的基礎(chǔ)數(shù)學素養(yǎng)，但到了高 等教育階段，學生反而不知道如何使用數(shù)學原理 去處理實際

6、問題，這和目前&新工科$所要求的 “工程實踐能力強、創(chuàng)新能力強的高素質(zhì)”工程人 才的培養(yǎng)目標有著非常明顯距離。特別是在“新 工科$的背景下，突破原有學科壁壘實現(xiàn)大學數(shù) 學由“基礎(chǔ)課向“復(fù)合型課程”轉(zhuǎn)型這一過程中， 更多問題和矛盾也突顯出來。如何按照工程認證 的畢業(yè)目標與數(shù)學基礎(chǔ)課的知識點進行對標，展 現(xiàn)數(shù)學基礎(chǔ)課的基石作用，使數(shù)學課程成為連接 各專業(yè)知識的重要節(jié)點，達到培養(yǎng)具備使用數(shù)學 知識分析和解決實際問題的學生的目標，也是困 擾很多高校的問題。目前很多高校開展了基于工程認證為目標 的“新工科建設(shè)，并開始了對數(shù)學基礎(chǔ)課程改革 的探索，取得的一些成果o 一方面，工程認證以學 生為中心的培養(yǎng)模式

7、與我國&新工科$建設(shè)本身 有很好的契合點，有利于&新工科$人才培養(yǎng)；另 一方面，基于工程認證的教育模式改革有利于解 決目前我國數(shù)學教學“學用分立的現(xiàn)狀1新工科背景下數(shù)學教學的主要問題1.1數(shù)學課作為工科專業(yè)非常重要的學科基 礎(chǔ)課程，擔負著培養(yǎng)學生數(shù)學能力、從數(shù)字的角 度建立工科思維的重要任務(wù)但很多應(yīng)用型本科 高校按照培養(yǎng)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標，在人才培 養(yǎng)方案的制定過程中，不斷提高實踐教學比例， 專業(yè)課比例不斷增加導致了數(shù)學理論課時減少 數(shù)學課時減少導致知識不足以支撐各專業(yè)需要 的供求矛盾越來越突出。1.2按照工程教育認證的標準，課程對專業(yè) 的支撐作關(guān)系該更加具體，有較好的支撐度高 等數(shù)學、線性

8、代數(shù)、概率統(tǒng)計等都是公共基礎(chǔ)課 程，單一的課程目標很難按照工程認證要求的支 撐度，特別是對一些學科門類較多的應(yīng)用型本科 高校，課程和專業(yè)目標很難達到統(tǒng)一以山東農(nóng) 業(yè)工程學院為例，學校經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在基 本形成以工學為主體，農(nóng)業(yè)工程為特色的學科專 業(yè)體系，涵蓋了工學、農(nóng)學、管理學、經(jīng)濟學、文 學、藝術(shù)學6個學科門類這樣的背景下，數(shù)學如 何對應(yīng)不同學科專業(yè)，達成對畢業(yè)要求的支撐對 數(shù)學基礎(chǔ)課的設(shè)計提出了更高的要求傳統(tǒng)單一 模式的數(shù)學課程設(shè)置已經(jīng)不再適應(yīng)當前新工科 對數(shù)學課程的要求。1.3高校數(shù)學課程內(nèi)容跟不上教育革命要 求傳統(tǒng)的數(shù)學課程以概念、定理、公式推導等死 記硬背的內(nèi)容為主，學生在學習過

9、程中主動性不 高，創(chuàng)新不足，這種模式不適應(yīng)新的學習技術(shù)革 命要求新工科改革要求在培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用人才 的過程中，培養(yǎng)學生自主學習的能力、團隊素質(zhì) 和使用現(xiàn)代化技術(shù)手段解決負責問題的能力2基于層次+模塊的數(shù)學教學改革探索基于上述問題，我校以“新工科背景下對數(shù) 學基礎(chǔ)課程要求為出發(fā)點，采用基于CDIO的教 學模式和“分層教學思想，構(gòu)建新的數(shù)學基礎(chǔ)課 支撐模式，為“新工科背景下的高校數(shù)學基礎(chǔ)課 教學改革探索新途徑。2.1課程體系設(shè)計針對“新工科$的人才培養(yǎng)目標，對照“國標$ 要求和工程教育認證標準， 教學課程體系按照 “層次+模塊的形式進行設(shè)計通過調(diào)整課程的 內(nèi)容、開展教學方法和考核評價體系改革，建立

10、 一套基于“層次+模塊$高校數(shù)學教學體系，打破 傳統(tǒng)學科和專業(yè)的壁壘，緊扣學科、專業(yè)發(fā)展需 要，才能對新工科背景下跨學科專業(yè)人才培養(yǎng)目 標的達成提供更加力支撐度根據(jù)&新工科$對高水平工程型人才培養(yǎng)的 新需求，對應(yīng)用型本科數(shù)學基礎(chǔ)課程體系進行模 塊化設(shè)計，著眼于行業(yè)需求和學生發(fā)展兩個維 度，從數(shù)學課程教學實際需要出發(fā)，以較典型的應(yīng)用型本科高校為例，將相關(guān)專業(yè)劃分為機械工 程、信息工程、農(nóng)業(yè)工程、管理工程四大學科專業(yè) 群,建立起面向四大專業(yè)的基于應(yīng)用型本科高校為例，將相關(guān)專業(yè)劃分為機械工 程、信息工程、農(nóng)業(yè)工程、管理工程四大學科專業(yè) 群,建立起面向四大專業(yè)的基于“層次+模塊$的 數(shù)學課程體系（詳見

11、圖1）。2.2課程教學內(nèi)容模塊化設(shè)計以我校數(shù)學基礎(chǔ)課中的高等數(shù)學、線性代 數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、復(fù)變函數(shù)與積分變換、運 籌學等課程為例，按照，新工科”的需求進行“模 塊化”設(shè)計,形成6門主要課程,11個重點模塊 （詳見表1）。表1數(shù)學系列課程的模塊化架構(gòu)表課程名稱模塊數(shù)學內(nèi)容M1一元函數(shù)微積分，微分方程,空間解 析幾何，多元函數(shù)微分學，級數(shù)高等數(shù)學M2多重積分，曲線曲面積分M3二重積分M4差分方程線性代數(shù)M1矩陣與線性方程組M6相似矩陣與二次型概率論與數(shù)理統(tǒng)計M1概率論M4數(shù)理統(tǒng)計復(fù)變函數(shù)與積分變換M5復(fù)變函數(shù)與積分變換運籌學M3數(shù)學規(guī)劃M4圖與網(wǎng)絡(luò)2.3數(shù)學模塊化教學運行機制按照“新工科”的

12、要求,對現(xiàn)有應(yīng)用型本科高 校的學科和專業(yè)進行深入調(diào)研，重構(gòu)數(shù)學及課程 體系，建立以六門數(shù)學課程為載體，以內(nèi)容重構(gòu) 的六大模塊為基本教學單元的課程體系，通過柔 性結(jié)合，組成面向四個專業(yè)群的課程組合，能夠 很好的服務(wù)于四大專業(yè)群的數(shù)學教學需要。新工 科背景下高校數(shù)學基礎(chǔ)課（層次+模塊”教學改革 在教學中的具體運行機制（詳見圖2）。數(shù)銅模機械工程 專業(yè)群管理工程 專業(yè)群農(nóng)業(yè)工程 專業(yè)群信息工程 專業(yè)群M3模塊卜M5模塊 hM2嗽 M6模塊數(shù)銅模機械工程 專業(yè)群管理工程 專業(yè)群農(nóng)業(yè)工程 專業(yè)群信息工程 專業(yè)群M3模塊卜M5模塊 hM2嗽 M6模塊M呻-|M1模塊“層次+模塊”教學運行機制圖2.4教學內(nèi)

13、容緊扣專業(yè)畢業(yè)要求按照工程認證的要求，重新對課程的內(nèi)容進 行調(diào)整，對主要涉及的農(nóng)學、工程學、管理學等專 業(yè)的畢業(yè)要求進行調(diào)整，增加對應(yīng)專業(yè)畢業(yè)要求 的內(nèi)容。以高等數(shù)學為例，在對涉農(nóng)專業(yè)的教 學大綱中，加入典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)函數(shù)的邊際產(chǎn)量和 生產(chǎn)彈性計算；在定積分教學中加入水利設(shè)施壓 強的計算求解案例；對土地管理專業(yè)的學生在進 行最小乘法教學時，加入土地統(tǒng)計預(yù)測方面的簡 單問題;在電工學中加入不定積分計算交流電電 流和電壓有效符合計算、使用傅立葉級數(shù)解決非 正弦周期波分解問題；在經(jīng)濟類專業(yè)中，加入使 用多元函數(shù)微分解決銷量和利潤關(guān)系問題等。案 例庫的建設(shè),一方面提高對各專業(yè)畢業(yè)要求的支 撐,另一方面也

14、提高了學生學習的興趣,取得良 好的教學效果。2.5建立“以各種知識傳授為載體，以能力與 素質(zhì)培養(yǎng)為主要目標”的新模式以工程教育的要求，面向應(yīng)用,使學生養(yǎng)成 分析問題、查閱文獻、建立解決思路及實際應(yīng)用 并解決問題的能力。利用一體化學習經(jīng)驗帶動科 學知識與個人和人際交往能力的方法，樹立以學 生為中心的觀念，采用問題導向或基于項目的探 究式教學方法，將問題前置，引導學生主動思考, 建立創(chuàng)新思維能力和協(xié)作學習能力。2.6考核改革實踐建立形式多樣、靈活科學的考核手段，除了 傳統(tǒng)的筆試，提高過程考核的比例,積極開展線 上線下混合課程的教學工作，課前通過布置預(yù)習 任務(wù)的方式,引導學生進行預(yù)習,課上使用項目

15、教學、討論式教學等多種方式結(jié)合的方法,在教 學過程中觀察學生表現(xiàn)以及學生的回顧總結(jié)、互 評和自評等方式,形成過程性考核成績。2.7以賽促學，提高學生創(chuàng)新能力弓I入數(shù)學建模思維,采用Matlab、Spss、 Lingo等軟件，對實際案例進行分析研究，將數(shù)學 基本知識的講授和實際案例結(jié)合，讓每個學生切 身體會到數(shù)學在工程專業(yè)中的作用o鼓勵學生通 過預(yù)習、自主查閱資料的方法,對相關(guān)知識點進 行深入學習，教師在重點講解課上內(nèi)容的同時, 根據(jù)專業(yè)特點增加部分內(nèi)容供學生有選擇性的 自主學習,教師通過提供參考資料、網(wǎng)上教學視 頻、文獻查閱方法、總結(jié)討論等方法，對這部分內(nèi) 容進行補充。同時，鼓勵學生參加全國大學生數(shù) 學競賽、數(shù)學建模競賽的數(shù)學應(yīng)用競賽項目。近 年，我校有47人獲國家一等獎,43人獲國家二等 獎,52人獲國家三等獎,82人獲省一等獎,106人 獲省二等獎，近兩百人次獲得省三