课程主体视角下的学科交叉教学研究

马春阳

（南昌大学 先进制造学院，江西 南昌 330031）

引言

随着以大数据、人工智能等为代表的数据密集型科学信息时代的到来，人类解决了以往无法解决的计算密集型复杂问题。与此同时，人类也遇到了新的挑战，很多科学问题的解决乃至突破性的成果需要多学科的交叉融合，这种学科间的交叉融合有时又孕育出新的学科［1-2］。因此，学科交叉成为现代科学研究创新的主要方式之一，渗透到了科学研究、学科建设、学校教学等各个方面。很多国家在政策方面对学科交叉融合研究给予了相应的支持和资助，以主动促进学科的交叉乃至融合。学科交叉俨然已成为下一个科技高地的战略点［1-3］。

谈起学科交叉我们首先要明确什么是学科、学科的概念是什么，清楚了学科的概念方能对学科交叉概念理解清晰。学科一般按照门类进行划分，如数学、物理学［4］等。学科交叉由于相对复杂，需要多学科的知识交融，因此对学科交叉的研究非常广泛。笔者认为学科交叉可分为多个层级［5-7］：一是把学科体系看作三大门类，包括自然科学、社会科学和技术科学；二是对自然科学、社会科学、技术科学进一步细分，如自然科学可分为物理学、化学、热学等；三是从某一类学科的具体研究层面进一步细分，如物理学可以分为天体物理、引力物理和统计物理等；四是从课程的层面划分，即两门或多门相互关联又不同的课程，这种情况也称为学科内部交叉。这四种学科交叉层面是四种不同的境界，前两种交叉层面一般只有学术造诣很高的大家能进行一定的研究，大多数研究学者是后两个层面上的交叉研究。对于大学课堂来说，笔者认为第四个层面是基本的也是相对容易讲解清楚的，对学生学科交叉思维的教学培养既是基础的一环，也是大多数教师在课堂中可以实现的。

本文的研究正是基于“课程间的交叉”培养学生的多学科交叉思维能力。本研究以“传热学”课程为主体，围绕课程主体进行学科交叉案例分析，培养学生的学科交叉意识和交叉思维，让学生意识到课程涉及很多本课程之外的其他课程的知识，学生所学的各门课程之间是普遍联系的，而这种联系正是学科之间交叉的体现。

一、课程主体扩展交叉测度方法

目前，学者提出了多个侧面衡量学科的指标，如学科丰富性、学科平衡性及学科差异性等指标［8-9］，但学科交叉测度指标计算方法并不唯一，不同学者提出的计算方法存在一定的差异［10］。这种差异性会在一定程度上影响学科交叉的定量研究，但并不会对定性的结论产生影响。本文研究基于“课程间的交叉”培养学生的多学科交叉思维，以能源与动力工程专业的“传热学”课程为主体进行课程间的交叉，提出主体扩展交叉概念描述课程的交叉方式，这里主体扩展交叉概念定义为：以某一门课程为主体或中心，围绕此课程进行多学科知识的扩展交叉实践或理论教学。同时，提出了定量的课程主体扩展交叉测度计算方法：

这里，Simpson指数说明了课程主体扩展交叉的授课知识量的丰富度，即课程主体扩展交叉的学科交叉程度。本文采用以上计算方法用于评估课程或课程案例的扩展交叉指数或交叉度，指数越大说明课程或案例的学科交叉性质越强。学科交叉测度的定量衡量方法，丰富了课程主体视角下的学科交叉教学研究书稿的完整性，其对具体的课程或案例交叉测度的定量分析很重要，但是由于交叉测度具体计算的数值存在一定的主观依赖性，且文中无不同课程或案例交叉测度的对比，因此后文没有给出交叉测度的具体计算值。

二、课程主体扩展交叉教学设计

（一）设计思想

在学科交叉为引导的形势和政策下，以及在学科交叉对科学发展和教育事业的促进作用下，着眼于学科交叉思维的教学培养是基础的一环。在以课程为主体的扩展交叉概念的引导下，本文以课程主体“传热学”为例，围绕“传热学”课程进行了学科交叉教学授课，对学生的学科交叉意识、交叉思维进行了培养，让学生意识到课程之间的联系。这种联系是学科交叉的表现，可以让学生学会全面思考和分析问题，让学生体验解决交叉科学问题的成就感，使学生对所学习的课程感兴趣并主动去学习。

（二）课程教学设计

1.课程主体扩展交叉课件讲解。课程主体扩展交叉授课面向新工科建设，以产业需求为导向，把思想政治教育自然地融入“传热学”课程的交叉教学内容中。主体扩展交叉课程教学区别于以往的知识型授课方式，着重让学生理解授课内容和解决问题的方式方法，而不是简单地学习和记忆知识。主体扩展交叉课程教学为重要的知识点提供了丰富的实际案例，通过多媒体课件进行讲解和动画演示，图文并茂，提高学生对课程学习的兴趣，进而主动思考问题。在授课的同时提供一些交叉知识的课外链接，有利于学生进一步拓宽学科交叉的知识面，进而进一步探索和分析问题。

2.交叉案例启发式与讨论式教学。自然科学、工程问题中的传热现象无处不在，传热现象与我们的生活息息相关，即便没有学习过传热学，但在我们的生活中，很多活动都受传热规律的支配。在主体扩展交叉理念的引导下，启发式、讨论式教学更能激发学生发散思维，多角度地思考问题，形成学科交叉的思维方式。比如在讲授边界层对流换热现象时，结合在冬天是用冷水还是用温水洗车的案例，使学生既学习了边界层对流换热方程组的应用实例，又通过讨论用冷水洗车还是用温水洗车有利的问题，引出其中的学科交叉知识，给学生留下深刻的印象，从而使学生加深对边界层对流换热方程组的简化原理的理解。

3.交叉知识探索性教学。很多现象是多学科作用下的结果，因此学科交叉的探索性教学也是自然而然的。在讲授《非稳态导热》时，让学生观看了“9·11”事件中大楼倒塌的视频，为什么大楼受到飞机撞击后不是横着倒下，而是以类似爆破的方式自上而下发生坍塌？科学方法给出了有力的调查论证，大楼“奇怪”的倒塌方式正是学科交叉分析的重点。首先飞机撞击大楼起火产生了大量热量，短时间内释放出的巨大热量导致大楼主体钢架结构发生了融化，因此，大楼上部做近似自由落体的运动冲垮了下面的部分，产生了类似爆破的效果。通过分析可知，逃生时间即大楼钢架的升温融化时间，可以用集中参数法进行简化分析和计算。通过这样的探索式、启发式主体扩展交叉教学设计，学生不只是简单的学习知识，还增强了对知识的理解，并留下深刻的印象。

（三）考核方法

设计一些具有学科交叉特征的作业题目，对学生进行分组（每组约7人），以组为单位进行作业题目的解答，解题的结果以报告的形式上交，此作业报告作为总成绩的一部分。由于是以分组的方式进行，为防止个别学生偷懒，采取对每位组员提问的方式，最终确定总成绩，也就是说不仅报告要做好，组员还要深入参与才能得到好的成绩。通过这样的考核方式，让学生体验到解决问题的成就感和集体荣誉感，从而主动参与课程学习。

三、工程认证思想下的教学效果达成度分析

在教改课题实施过程中，对两个班级进行主体扩展交叉实验性教学，采用集体流水批卷的方式批改试卷，通过统计方法给出了期末试卷的综合性题目的作答情况。图1给出了主体扩展交叉教学两个实验班级的目标达成度统计分布图。通过图1中的使用正态分布函数对频率分布的拟合曲线可知，尽管目标达成度并不满足正态分布，但是可以采用正态分布的特征参数进行近似分析。图1（a）和图1（b）对应的正太分布拟合所得的特征参数（平均值μ，标准差σ）分别为（μ=0.83，σ=0.13）和（μ=0.89，σ=0.10）。如图1所示，主体扩展交叉教学实验班的统计平均值μ均高于0.8，标准差σ均比较低，说明实验班的平均目标达成度高，且目标达成度集中，即综合性题目的整体成绩较好，反映出主体扩展交叉教学实验取得了一定的成效。在主体扩展交叉教学理念下，培养了学生对综合性题目的理解、分析、作答能力，这说明主体扩展交叉教学有利于发散学生的思维，激发学生的学习兴趣，增加学生对知识的理解和吸收，同时获得了相对更高的目标达成度。

图1 主体扩展交叉教学两个实验班级的目标达成度统计分布

结语

通过提出和实施主体扩展交叉课程的教学方式，增加了学生主动获取知识的意愿和乐趣，增强了学生的学习主动性，进而加深了学生对知识的理解和记忆。综合性题目目标达成度数据表明，主体扩展交叉教学方式有效地提高了学生对综合性题目的理解、分析、作答的能力，培养了学生的学科交叉思维能力和解决复杂工程问题的能力。本文提出的主体扩展交叉教学方法对“传热学”之外的课程也具有一定的借鉴意义。