工科专业学科交叉类课程设计与教学模式探索-以材料专业“智能热制造”系列课程为例

1、工科专业学科交叉类课程设计与教学模式探索以材料专业智能热制造系列课程为例摘要学科交叉已经成为当代科学发展的时代特征，学生培养逐步从单学科模式向学科交叉模式转变成为主要趋 势学科交叉型人才培养发展历程较短，在培养目标、课程设计和教学模式等环节存在诸多挑战。在实践中积极探索, 寻找解决问题的思路、途径和方法，是提高多学科交叉融合人才培养质量的有效途径结合上海交通大学材料学院在 “智能热制造系列课程中的长期教学实践，分析工科背景下材料领域学科交叉类课程的难点，提出基于培养目标的课程 细化分类和进阶式课程架构设计，构建分段式教学模式和引导式教学状态评估方法，探索材料领域学科交叉类课程建设 的新思路和新

2、方法关键词】智能热制造学科交叉课程设计进阶式课程架构分段式教学多学科交叉是当代科学发展的主要特征之 一，已经成为涌现重大科技成果的主要领域李 克强总理在政府工作报告中提出要顺应全球新技 术革命大趋势，加强相互交流，促进科技进步和人 才培养，尤其是青年人才培养，推动新经济发展， 占领未来发展制高点，提升产业和经济竞争力，使 中国经济提质增效、行稳致远尸教育部2017年 发布的新工科研究与实践项目指南则明确指出 新工科的人才培养要求以互联网和工业智能为核 心，通过将大数据、智能制造、云计算、人工智能、 虚拟现实等新技术用于传统工科专业的升级改 造，培养适应未来新兴产业和新经济需要的、实践 能力强、

3、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复 合型新工科人才。目前，工科学科交叉类课程面临大量全新和 未知的问题，如何突破单一学科人才培养局限，提 高复合型人才的创新能力和竞争能力，是国内众 多高校面临的共性问题。与传统学生培养相比， 学科交叉课程知识多元，需要新的教学计划来实 践近年来，在材料专业开设多学科交叉课程、培 养材料领域的创新型复合人才得到国内外众多研 究型大学的重视，探索将计算机技术、信息技术、 人工智能技术等融入传统的材料学科课程中尸 结合上海交通大学材料学院在“智能热制造”系列 课程中的长期教学实践，从交叉学科选择、教学内 容设计和课程规范建设等角度，分析工科背景下 材料领域学科交叉

4、类课程的难点；从课程设计角 度提出细化课程类型，根据教学目标设立不同融 合方式的学科交叉类课程，采用进阶式课程架构 开展逐步深入的教学；基于交叉类课程的问题导 向特征，构建分段式教学模式和引导式教学状态 评估方法，探索材料领域学科交叉类课程建设的 新思路和新方法。一、工科专业学科交叉类课程的难点（一）如何选择交叉学科相对于发展历史悠久的单学科教学体系来 说，学科交叉类课程的第一个难点在于学科选择 和教学内容确立。科研工作通常具有明确的问题 导向，学科交叉作为解决问题的有效方法，学科选 择与交叉方式通常是由问题自身决定的，科研工 作者的主要任务是根据问题目标找出最优的交叉 路径。但是对于学科交叉

5、课程来说，核心问题是 在本专业基础上扩展学生的知识面、培养学生通 过学科交叉来解决问题的能力，针对这种泛化的 目标，如何选择交叉学科是首要考虑的关键点。 目前，学科交叉课程在学科选择方面主要存在这 样几种思路- 高校优势学科的强强联合； 近 年来发展迅速的热门学科； 教学团队比较熟悉 的学科。这些设计思路具有一定的优点，但是相 对来说，缺乏对交叉学科课程的深入解析和顶层材料领域 专业仪器材料领域 测试表征技术虚拟仪器（LabVIEW平台）材料学科数据挖掘（MATLAB平台）材料制备与加工（热.力0数据、图片、波形认识材料组织与性能改善材料组织与性能交叉点 :|今| !材料领域 专业仪器材料领域

6、 测试表征技术虚拟仪器（LabVIEW平台）材料学科数据挖掘（MATLAB平台）材料制备与加工（热.力0数据、图片、波形认识材料组织与性能改善材料组织与性能交叉点 :|今| ! I自，化萨术I :J ; I计由*术I : 铮术I : J : I人工技术I;1 图1 材料学科智能热制造课程学科交叉关联图（二）如何设计教学内容学科交叉类课程从本质上存在先天的不对称 性，课程体系、教学资源、学术氛围等各环节上，本 专业都显著优于交叉学科。在本专业的教学体系 中，学生接受并适应了较为系统地、循序渐进的课 程设置，这也是工科专业最为合理的学习方式 但是，对于学科交叉类课程来说，教学目的不再是 系统地传授

7、专业知识，教学时间和资源都无法与 本专业课程相比拟，这对课程内容设计提出了很 高的要求。学科交叉类课程教学内容设计的难点 主要源自： 课程定位不够明确，是启发学生的 学科交叉思维，还是培养学生在交叉学科领域的 基本知识和技能？课程设计时缺乏配套的教 学模式规划，需要从学生角度考虑知识点的接受 程度，避免知识点“嚼不烂、学不透对学习热情的 影响； 教学团队自身缺乏对交叉学科的系统认 知，或者两个学科的教师缺乏深度融合。（三）如何实现系统性和规范性相对于传统课程，学科交叉类课程的发展历 程较短，且具有鲜明的时代特色，因此通常缺乏合 适的针对性教材，或者教材内容存在一定程度的 滞后，这也是制约学科交

8、叉课程发展的重要因素 在工科教学领域，在传统单一学科知识架构上增 加章节介绍学科交叉思路，或者针对某些工程应 用介绍学科交叉案例，是目前最为常见的教材编 写模式教材建设是一个长期过程，需要在长期 发展过程中不断打磨和改进。学科交叉类课程作 为新兴事物，发展周期较短，国内外高校都处在探 索阶段，不同学科交叉的组合方式增加了教材编 写的复杂程度，目前相关教材在数量上和质量上 均存在不足。由此可见，学科交叉类课程尚处于 探索阶段，在教学内容的系统性和规范性方面存 在短板。从人才培养的基本规律出发，明确学科 交叉类课程的基本教学目标，构建合理的知识架 构，将零散的案例教学提升为系统性的知识传授! 是一

9、个较为迫切的需求。二、工科专业学科交叉类课程的设计理念（一）细化课程类型从工科发展角度，学科交叉类课程可以分为 均等型和侧重型，前者注重双学科或多学科在基 本架构层面的融合，在课程设计时强调各学科的 知识体系和学科融合的方法论；后者则强调将多 门类知识用于具体某类或某个工程问题的攻关! 学科知识的交叉取决于工程问题自身的特点和需 求，通常采用案例教学方式。以材料专业“智能热制造系列课程为例，如 图2所示，其中“材料加工智能制造基础属于均 等型课程，在梳理材料加工专业知识脉络的同时! 较为系统地讲授信息技术、人工智能技术的基本图2 智能热制造系列课程架构设计知识和发展规律，每个教学内容均具有一定

10、的时 间跨度，具有较好的知识体系完整性；“测量与评 估则属于侧重型课程，其核心目标是如何高效获 取材料加工过程的有效信息，讲授如何通过计算 机技术、信息技术和人工智能技术进行信息获取 和分析，以材料加工领域的典型问题为导向，突出 学科交叉在解决问题中的作用，不强调知识点的 完整性&总之，细化课程类型是设计课程内容的 出发点，通常在一系列课程中应当设有12门均 等型课程和若干门侧重型课程，其中前者建议为 必修课程，后者则可列入选修课程&（二）进阶式课程架构在实际教学中，学科交叉类课程通常存在这 样的困境，即选课前认可度高，教学中抱怨声大& 当今社会的快速发展和信息充高效流动使得人们 普遍认识到学

11、科交叉的重要性，例如新材料的发 明促进医疗手段大幅度提升、无人机在农业种植 领域大显身手等，这对于学科交叉类课程是十分 有益的&但是，学科交叉类课程的教学难度也是 十分巨大的，也存在所谓#1 + 12$效应，即使同 为工科专业，学科差异带来的学习困难也是不可 忽视的&学生在本专业领域接受了较为长期的培 养与训练，获得专业知识的同时也形成了特定的 思维模式和学习习惯，这是专业课程的教学目标! 也是专业教育初期的重要内容&从这个角度来 说，学科交叉类课程是要打破这个惯式，在“破的 基础上“立，这里的“破不是抛弃，而是以此为基 础，让新的意识理念和创新方法“破土发芽&以材料专业“智能热制造系列课程为

12、例，虽 然学生对计算机技术和人工智能技术有浓厚的兴 趣，但是缺乏相关专业基础，对知识点的掌握较 慢，部分学生甚至产生了抵触情绪，需要授课教师 给予较多课外指导&由此可见，相对于传统课程 来说，学科交叉类课程容易出现学习热情逐渐遇 冷的困境，授课老师需要做好充分的准备，设计进 阶式教学架构，及时获取学生反馈，合理调节“破 和“立的节奏&三、工科专业学科交叉类课程的教学模式探 索（一一）分段式教学过程学科交叉类课程通常在本科高年级或研究生 阶段开设，这个阶段的学生对本专业已具有一定 认知，但尚缺乏其他学科的基础知识&针对这种 差异，授课教师必须采用非对称的教育模式，既要 保持本专业内容的深度，也要

13、考虑非本专业知识 的学生接受程度，这与不分专业的学科交叉类通 识课程是不同的。以材料专业“智能热制造系列课程为例，其 授课对象为材料专业高年级本科生和研究生，学 生的知识结构普遍具有显著的学科非对称性&为 此，教学团队将每个知识环节划分为3个阶段，如 图3所示，第一个阶段以提问为主，通过一个材料 领域的科学难题或工程困局说明学科交叉的重要 性，例如怎样优化冷却过程来提高低合金高强钢 的韧性，引导学生从传统“试错方案走向人工智 能方案&通过提问方式协助学生总结相关的知识 点并将其归类，针对材料学科的问题让学生给出 解决方案，对人工智能领域的问题让学生提出目 标和要求，由此确立该教学环节的授课重点

14、；第二 个阶段以讲授为主，围绕第一阶段梳理出的脉络 开展有侧重的知识讲解，如有条件可设计一些演 示或试验，也可以在讲授结束时安排一些简短的 随堂测验，用多种手段让学生充分理解相关知识 点是本阶段的关键；第三个阶段以讨论为主，让学 生独立思考并提出解决方案，通过方案交流和专 家点评来发现不足，最终取长补短形成12个集 体方案，这是培养学生创新意识的重要过程，有助 于增强学生的综合科研能力&制定完整方里 专家点评总结问题 课堂讨论 提出需求课堂讨论图3学科交叉课程分段式教学流程制定完整方里 专家点评总结问题 课堂讨论 提出需求课堂讨论（二）引导式教学反馈学科交叉类课程的特殊性不仅体现在教学 中，也

15、体现在教学反馈中，常见的问题是学生对本 学科教学的意见和建议较多且具体，对交叉学科 的反馈较少且空泛&从心理角度来分析，人们通 常对熟悉的事物通常具有良好的表达沟通能力, 而对待陌生事物则常常保持沉默&在“智能热制 造系列课程长期教学实践中，发现传统调查问卷 所获取的信息难免存在学科非对称性，对于不分 学科的问题，例如教学进度安排是否合理、课堂互 动是否有效等，学生的答复内容较多集中在本专 业上；对于不同学科的针对性问题，例如本学科与 交叉学科的课时比重是否合理、交叉学科知识点 难度是否可接受等，学生通常只完成勾选，较少阐 述具体理由或提出建议#针对这种情况，教学团队在“智能热制造”系 列课程

16、中采用网络讨论、方案展示、集体评审等方 式有助快速、灵活地掌握学生的学习效果，即在具 体案例中根据学生所说、所做和所想来综合评估 教学状态#例如，组织学生对某材料改性项目的 方案T、方案；和方案？进行集体评审，三个方 案分别采用传统试错方法、统计分析方法，以及人 工智能技术#首轮选择时，不需要学生阐明理由， 直接投票即可；第二轮选择时，学生分组拉票，通 过课堂辩论分析各方案的优缺点后再次投票&第 三轮投票前，各组介绍细化方案和实施计划，并回 答任课教师和企业嘉宾的提问。在这个过程中， 第一轮投票反映了学生对学科交叉理念的潜意识 接受程度，第二轮侧重学生对知识点的掌握，辩论 方式有利于全员参与，也有利于教师获得较为全 面的信息，第三轮考察了学生对学科交叉知识点 的灵活应用能力，教师可以在这个环节中