新工科背景下的专业课教学探讨

李启民 王建

[摘 要] 专业课教学是本科教学活动中的一项重要内容。通过分析新工科建设任务与专业课特点，在调查研究工科大学生专业课学习兴趣的基础上，探讨将科研工作与专业课教学相结合、启发大学生创造性思维的教学方法;阐述将工程实践，特别是将工程事故分析与处理案例融入专业课教学中，以及提高大学生分析实际问题和解决实际问题能力的做法与体会。研究表明，该教学方法可使学生一并圆满完成新工科教育中基本知识、实践能力、创新精神三个层面的任务。

[关键词] 工程教育;专业课教学;工程事故案例;能力提升

[课题项目] 2020年度中国地质大学（北京）本科教育质量提升计划建设项目“教学改革专项‘地基与基础’”（KCSZ202014）

[作者简介] 李启民（1963—），男，山西万荣人，博士，中国地质大学（北京）水资源与环境学院正高工（通信作者），主要从事岩土工程研究;王 建（1980—），男，四川泸州人，博士，西南科技大学土木工程与建筑学院副教授，主要从事岩土工程研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）22-0153-04 [收稿日期] 2022-01-20

一、新工科建设任务分析

工科是利用数学、物理学、化学等基础科学的原理，结合生产实践所积累的技术经验而发展起来的学科，诸如土建类、水利类、机械类、电工类、信息类、热能类、仪器仪表类、化工制药类等。工科专业的培养任务即为培养具有良好的实践能力和创新精神的科技人才，培养在相应的工程领域从事规划、勘察、设计、施工、制造、管理、监理等方面的高级技术人才。

2017年2月20日，教育部高等教育司发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》。2017年6月16日，教育部办公厅又发布了《关于推荐新工科研究与实践项目的通知》。2017年6月9日，教育部在北京召开新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议，全面启动、系统部署新工科建设。新工科的内涵为：以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。新工科内涵包括三个新的层面：（1）理念新：应对变化，塑造未来;（2）要求新：培养未来多元化、创新型卓越工程人才;（3）途径新：继承与创新、交叉与融合、协调与共享[1]。

二、学情分析

2019年，全国普通高校毕业生为834万人，招收硕士生81.13万人。2020年和2021年全国普通高校毕业生分别为874万人和909万人，而2020年和2021年招收硕士生分别为111.4万人和110.7万人。因此，从近年来全国普通高校毕业生人数和硕士研究生录取人数的情况看，87%～90%的应届大学生毕业后要走上工作岗位（其中一少部分转入复读，再战考研），面向生产第一线。但是，绝大多数大学生都是应届高中毕业生，缺乏生产实践的经验，这就给工科大学生的专业课教学带来了许多问题[2，3]。如何通过专业课教学，使缺乏实践经验的工科大学生能学好专业课，并将专业知识作为走向社会的基石值得我们探讨。无论学生将来走向哪个岗位、从事何种职业，只要具备良好的专业知识，掌握了基本技能，就能在激烈竞争中因势利导，激流勇进。

三、专业课教学“痛点”问题分析

（一）基本理论与实践的结合问题

如前所述，我国高等院校的工科大学生绝大多数是应届高中毕业生。大学的理论课学习与高中阶段关联度较大，大学生的思维习惯基本一致。但是，这些年轻的大学生对工程实践了解较少，缺乏生产实践经验，在理论与实践之间存在“落差”，在进行专业课学习时便遇到了不同程度的困难。所以，基本理论与实践的结合问题是专业课课堂教学的难点之一。

（二）工程实践中“度”的把握问题

正如初学开车的学徒，对汽车的加速、减速与脚踏力度的把握是一个难点问题一样，工科学生对工程实践中“度”的把握同样需要深思，“过”与“不足”都会产生工程方面的问题。即安全系数过小会导致工程安全事故发生，安全系数过大则导致工程造价高、浪费大。

（三）工程事故分析与基本理论的联系与区别

工程事故是指工程结构因自身缺陷或使用不当等原因造成破坏，无法继续完成其预定功能，或者对邻近建筑物和环境造成危害的事件。工程事故的发生一般涉及勘察、设计、施工、使用等多方面的原因，所以，工程事故的分析是课堂教学的难点之一。从现象上看，工程事故多数是因工程设计或工程做法的失误，而从本质上看，则是基本理论和基本原理在实践中的错位。

（四）如何利用创新精神高水平处理工程事故

工程事故的发生是一件不幸的事情。但是如何利用创新精神高水平处理工程事故，则是课堂教学的又一难点。即利用最少的人工、材料、机械，采用“四两拨千斤”的巧妙方法，短时间、低造价恢复其功能[4]。甚至，所采用的处理方法还可以弥补原设计与建设的不足，带来意外的收获。

四、专业课学习兴趣调查

为了进一步了解工科大学生对专业课教学的兴趣，在2014—2020年期间，笔者对中国地质大学（北京）的勘查技术与工程、土木工程、水文与水资源工程、环境工程、地下水科学与工程、机械设计制造及自动化等典型工科专业的四年级本科生进行了无记名问卷调查（详见表1），共回收有效答卷516份，有效回收率为98.3%。

问卷调查将专业课教学内容分为概论、原理与规定、设计计算、施工（实施）、科研项目、工程案例6个大类，每个大类中又含有几个专项。如表1所示，大学生最感兴趣的大类是“设计计算”，占24.3%;最感兴趣的专项是“研发过程”，占11.9%。感兴趣人数最少的大类是“概论”，仅占7.3%;感兴趣人数最少的專项是“学科重要性”，仅占1.4%。经过从小学到大学长达16年的学习，相当一部分大四学生（约占1/4）希望通过研发活动、设计活动将16年学习的知识运用到现实中，体现自己的专业创造和贡献。但是，在调查及教学实践中也会发现另一种不好的现象，即部分学生不喜欢“计算”，而“计算”确是工科大学生的基本功。因此，“计算”既是教学的重点，也成了教学的难点。另外，“施工/实施”与“工程案例”也是得分较高的选项，说明学生渴望动手，期待生产实践。由于第一节课教师讲概论，学生对专业课还没有更多的了解，因此，学生对“概论”不感兴趣。由此可见，当今我国工科大学的教学内容与大学生的兴趣点基本一致，这也正是我国教育事业蓬勃发展的基础。

五、专业课教学创新理念与思路

在专业课教学过程中，通过实际工程项目，把学生带入工程实践情景中，增加感性认识，学生会更容易理解和接受教学内容，印象更为深刻[5，6]。当学生具备了相关的知识和认知因素，熟悉了该学科所特有的逻辑推理方法和解题策略时，则应结合典型的工程实践项目，采用主动接受学习的方式，辅以有指导的发现学习和自动解决问题的教学，有分析、有批判地进行学习，提高其解决实际工程问题的技能。在训练学生解决问题的能力时，应重视相关概念之间的比较和清晰描述[7]，培养学生有批判地提出异议的科学态度和创新能力，特别是通过相应的工程事故案例分析，从正、反两个方面启发大学生创造性思维。

“以事故案例为专业课教学着力点，提升新工科大学生实践能力和创新能力”的教学方法，是在学生学习了基本原理和基本知识的基础上。第一，通过对照基本原理和基础知识，从正、反两个方面分析实际工程事故产生的原因，达到复习和加深理解的目的;第二，可使学生融入实践，强化学生分析实际问题、解决实际问题的能力;第三，可使学生在已经掌握相关知识的基础上进行创新锻炼。该教学方法可以使学生圆满完成工科教育三个层面的任务——基本知识、实践能力、创新精神。同时，教师能够通过学生的各种想法受到启发，迸发科研火花，研究出更先进的技术措施，也可从中发现教学中的不足，进一步提升教育理念，改善教学环节，提高教学技能，为学生服务。

六、专业課教学创新方法及途径

教师在讲解了基础知识、基本原理、设计计算、建设实施后，将典型的工程事故分析与处理案例作为教学着力点，分析错综复杂的实际问题，探讨事故原因，这一过程是对教科书中相关知识的进一步理解和知识保持过程;接着，创设问题情境，进行课上课下翻转，要求学生在课下根据所学的知识，探讨该工程事故的处理方案。这种方式使学生既亲切又紧张，从而能够引导大家抱着解决棘手问题的强烈愿望，开动脑筋积极思考，并搜集与查阅相关知识进行探讨，锻炼创造性思维，提出创新想法;然后再设置师生翻转课堂，学生畅所欲言，分组讲解自己设计的事故处理方案，大家听后，教师点评;最后，教师给出该事故处理方案的优化过程、实施过程，以及事故处理后的实际效果等，供学生参考。这样既可教育学生要具备科学设计、认真施工的工匠精神，又能锻炼学生提出问题、分析问题和解决问题能力，还能使学生在重大工程问题面前各显神通，尽情发挥，大胆提出各种技术创新方案，达到掌握原理、随机应变、因地制宜、求真创新的教学目的，这正是完成新工科大学教育任务（基本知识、实践能力、创新精神）最为有效的措施。

七、突出以学生为中心的教育理念，全面提升学生实践和创新能力

培养和提高大学生分析实际问题和解决实际问题的能力是工科教学的核心。通过实际项目将学生带入工程实践的情景中，增加感性认识，学生会更容易理解和接受。

美国心理学家杜威（John Dewey）提出了解决问题的五个步骤，即疑难—分析—假设—检验与评价—结论。鼓励学生用自己的语言重述各种概念，帮助学生养成正确地表征问题、系统思考问题的习惯和能力[8]。

最能培养学生分析工程问题和解决工程问题能力的教学环节则是插入典型的工程事故分析与处理案例，分析错综复杂的实际问题，从正、反两个方面引导学生。例如，在学习“地基与基础”课程中的《桩基础》一章后，插入某短桩基础工程事故分析与处理案例。首先，介绍工程概况，包括建筑特点、结构、地质条件、环境情况等，带领学生进入工程实践，使其亲临其境，增加感性认识（本例为框架结构的通信大楼，湿陷性黄土场地）。接着，介绍该桩基础的设计、施工及其检测情况，对照教科书复习基本知识（理论、原理、计算）。然后，引出检测结果不能满足设计要求的工程事故情况，再对照已经学习的基础知识（如短桩受力机理、荷载传递的影响因素、设计计算等）分析工程事故原因（设计计算、施工方法、检测方法等），进一步从正反两个方面对教科书中基本知识进行深刻理解与反思。接着，学生开动脑筋，根据所学的知识提出各自的处理方案，锻炼学生的创新精神。最后，教师给出该事故处理的实际情况（采用桩间一定深度范围内夯填灰土增强桩基础承载力，并消除原土的轻微湿陷性），以及事故处理后的实际效果等（本例处理后的建筑物沉降量远小于国家规范的要求），使学生掌握原理，化难为易，创新发展[7，8]。

综上所述，新工科专业课教学应以教学大纲为基准，以国家现行标准与规范为导向，将教师的科研成果和工程实践融入专业课教学中，在理解与掌握基本原理和基本技能的基础上，激发大学生的学习兴趣，启发大学生的创造性思维，提高大学生分析实际问题和解决实际问题的能力，达到培养大学生热爱专业、肩负起国家建设重任的专业素质目标。

参考文献

[1]李贝，梁志扬.国际化人才培养的影响因素及对策研究[J].北京教育（高教版），2017（5）：19-21.

[2]王章豹，吴娟.工科大学生工程素质现状调查及分析[J].高等工程教育研究，2014（6）：105-111.

[3]孙伟民.基于设计院工作模式跨专业培养应用型人才的探索[J].中国大学教学，2008（8）：23-25.

[4]李启民，李翕然，杨书申，等.环境工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2016：208-219.

[5]刘昕雨，刘男，宋宝萍.浅谈工科大学生的创新教育[J].高教探索，2016（S1）：181-182+186.

[6]王颖.微课背景下应用型院校的教学问题及应对策略[J].教育与职业，2019（2）：80-83.

[7]周建松.以课堂建设为抓手 推动高职教学创新[J].中国大学教学，2014（12）：75-78.

[8]傅树京.高等教育学[M].北京：首都师范大学出版社，2007：190-209.

Exploration on the Teaching of Professional Courses under the Background of New Engineering

LI Qi-min1， WANG Jian2

（1. School of Water Resources and Environment， China University of Geosciences 〔Beijing〕， Beijing 100083， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology， Mianyang， Sichuan 621010， China）

Abstract： The teaching of professional courses is an important part of undergraduate teaching activities. The paper analyzes the construction tasks and the characteristics of professional courses of Emerging Engineering Education. On the basis of investigating and studying the interest of engineering college students in professional courses， this paper discusses the teaching methods of combining scientific research with professional courses teaching to inspire college students’ creative thinking. we exchange the practice and experience of integrating engineering practice， especially engineering accident analysis and handling cases， into professional courses teaching， so as to improve college students’ ability to analyze and solve problems. This teaching method enables students to successfully complete the three-level tasks of basic knowledge， practical ability and innovative spirit in Emerging Engineering Education at the same time.

Key words： engineering education; teaching of professional courses; engineering accident cases; ability improvement