本科教学中理工融合型课程建设的必要性及方法

摘要：为了在本科教学中落实理工融合，针对微观层面操作困难的问题，提出了建设理工融合型课程的构想。论述了理工融合型课程的概念、特点；从科学和技术的发展、复合型人才的培养、学生的认知规律、理工融合型专业建设四个方面分析了理工融合型课程建设的必要性；提出了理工融合型课程在教学内容、教学进程、教学活动方面建设的具体方法，并以红外物理与技术课程为例，对所提出的方法进行阐释。

关键词：课程；理工融合；建设方法；红外物理与技术

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1671-0568（2014）11-0004-03

作者简介：蔺素珍，女，副教授，硕士生导师，研究方向为信号与信息处理；杨风暴，男，教授，博士生导师，研究方向为红外信息处理；王肖霞，女，讲师，研究方向为信息融合；李大威，男，助教，研究方向为自动控制；王志社，男，讲师，研究方向为图像配准。

基金项目：本文系山西省高等学校教学改革项目“理工融合型课程的教学研究与实践——以红外物理为切入点”（编号：2012057）的科研成果。我国高等教育多以分专业教学的模式进行，在快速培养专门人才之余，也逐步暴露出人才知识结构单一、创新能力不足等弊病。为了满足市场对复合型人才的需要，以“厚基础、宽口径”为目的的教学改革在我国高校已有近20年的历程。其中，理工融合教育理念——“理工同校、相得益彰、工借理势、理势工发、亦理亦工、个性化专业培养”的提出也有10余年，[1~3]其成果包括理工融合教育模式研究与实践、[4]理工融合型课程设置、[5]理工融合型实验改革，[6]等等，这些研究主要以宏观的视野探索某一学科或专业的设置，以及基于理工融合的课程体系改革，如走理工融合之路培养应用化学专业高素质创新人才、[7]环境科学专业“以岗位为平台的理工融合”课程体系构建研究、[8]理工融合的基础仪器分析、现代仪器分析、应用仪器分析三层次课程体系构建研究、[9]理工融合的信息与计算科学专业课程建设的探索。[10]这些改革的基本做法是：①专业型/专科型学院升格为综合性大学，同时设立若干理科和工科专业，以期二者在实践中“相得益彰”，或者在理科专业加设技术课程、在工科专业增加科学课程；②创办理工融合型专业，如光信息科学与工程、微电子科学与工程、电子科学与技术、计算机科学与技术等，允许各高校根据办学特点的不同授予理学或工学学士学位。[11]这些改革尽管成绩斐然，但不容否认，仍有相当一部分本科毕业生还是不能满足市场对理工复合型人才的需要，“就业困难和人才缺乏”依然并存于我国人才市场。

究其原因，主要是这些改革均侧重于宏观层面的教育理念研究、专业设置改革、课程体系建设，在具体的教学实践中不可避免存在以下问题：一是课程庞杂，由于受学制、学分限制，对某些知识技能的教学难以深入；二是对部分内容交叉、密切相关而又分别侧重“理”和“工”的课程而言，如果单独开设，仍以“科学”的视野探讨“理”、以“技术”的方法学习“工”，其结果就常常陷入“堆砌而非融合”的困境。针对这种长期以来在微观层面缺乏可操作性，使理工融合理念很难完全落实到位的问题，考虑到学校教学主要以课程的形式进行，学生的能力主要是在具体的课程学习当中逐步形成的，本研究提出建设理工融合型课程的构想，以促进理工复合型人才的培养。

一、理工融合型课程的概念

1.定义。关于课程，宋代朱熹在《朱子全书·论学》中多次提及课程，如“宽着期限，紧着课程”、“小立课程，大作工夫”等。显然，课程的含义是功课及其进程。在西方，牛津字典、韦伯字典等解释“课程”即“学程”。而目前广为接受的观点：一是课程即教材，夸美纽斯认为课程内容就是学生要学习的知识，而知识的载体是教材；二是课程即活动，如杜威认为“学科科目相联系的中心点是儿童本身的社会活动”，泰勒认为“教育的基本手段是提供学习经验”。[12]所以，课程是指为实现培养目标而选择的教育内容及其进程的总和。

所谓“理”即“理学”，“工”即“工学”。在学科层次和社会功用方面，理学属于科学范畴，而工学属于工程和技术范畴。理学重在探索未知、认识世界，工学重在寻求方法、改造世界。前者是后者的内核和基础，后者是前者的延伸和应用。因此，任何将这两大学科简单地混为一谈或生硬地割裂开来的认识和做法都是片面的。[4]而“融合”是将几种不同事物合成一个有机整体。所以，理工融合的本质是“科学”和“技术”的无缝对接，是水乳交融。

因此，理工融合型课程是指为了使理科生具有扎实的理论知识和较强的工程实践能力、使工科生具备必要的理论知识和较高的工程实践能力，在某一课程教学中，教学内容选择兼顾科学知识和技术应用两个方面，教学进程安排做到科学知识与其技术应用相贯通，相应地，教学活动组织力求知行统一。以此为据可以整合部分关系较为密切的课程，如应用物理学、光信息科学与工程等专业都在开设红外物理课程与红外技术课程，可合二为一成理工融合型课程——红外物理与技术。

2.理工融合型课程的特点。根据定义，理工融合型课程具有以下特点：①综合性和组合性。教学内容综合科学知识和工程技术应用两个方面，在编排方式上，采用“积件”的方式，即允许不同专业或不同学习者按照教学目标要求或兴趣适当选择、组合。这样用于理科生教学，可在主要讲授理论知识的同时适当拓展（选学）相关技术应用知识，以增强学生对理论的理解和激发学习动机；而面向工科生教学时，可弥补或夯实其理论基础，使技术掌握更为透彻牢固；②交叉性和贯通性。教学进程遵循人的认知规律，完整再现从事实现象抽象出规律原理，再将规律原理用于解决实际问题的认知过程，做到科学知识与技术知识交叉渗透、融会贯通；③定向性和统一性。教学活动以目标为定向，任务内容涵盖知识技能学习和能力提高，活动方式体现从感性认识到理性认识再到实践，最终做到知行统一。

二、理工融合型课程建设的必要性

1.理工融合型课程建设是科学和技术发展的需要。“理”是科学，是人类所积累的关于自然、社会和思维的知识体系，回答的是“是什么”、“为什么”。“工”对应技术，泛指根据生产实践经验和自然科学原理发展而成的各种操作方法与技能；除操作技能外，广义的还包括相应的生产工具和其他物质设备，以及生产的工艺过程或作业程序、方法，回答的是“做什么”、“怎么做”、“怎么样”。通常认为“技术提出课题，科学完成课题，科学是发现，是技术的理论指导；技术是发明，是科学的实际运用”。因此，科学和技术是辩证统一体，既不能从逻辑上也不能从实践中将二者分离。而“课程”是教学内容、教学进程和教学活动的总和，其中教学内容包括某一学科的知识、技能和行为经验，当然是关于某一学科的理论和技术的体现。

2.理工融合型课程建设是复合型人才培养的需要。复合型人才是基础扎实、知识面宽、知识运用能力强、具有科学创新精神的人，是知识、能力、素质兼具的人。针对长期以来我国高等教育中理工分离、重工轻理的现象，业内曾掀起三次改革浪潮：第一次是20世纪90年代后期，在教育部“厚基础、宽口径”的精神下，高校进行大规模合并、升格，目的是通过建设“大学”实现学科融合。第二次是近10年，创办理工融合型专业，按照普通高等学校本科专业目录和专业介绍，有约20个专业可授予理学或工学学士学位。第三次是最近几年，以“提高学生综合素质”为目的，许多高校兴办了各类“实验班”，如清华大学的计算机科学实验班，在理论课程的教学上，注重基础学科，帮助学生建构夯实的基础知识；在教学实践环节上，注重为学生创建国际化的学术交流和实践平台，培养学生独立开展科研和实际工作的能力。北京大学实验班的改革思路是“加强基础、淡化专业、因材施教、分流培养”， 力求学生的基础、能力和素质全面发展。这些改革无一例外，都是寻求学生“科学研究”和“技术应用”能力的协调发展。众所周知，能力的提高需要长期的专门训练和培养，本科生在大学四年间投入时间和精力最多的是课程学习，因而建设理工融合型课程首当其冲。

3.理工融合型课程建设是学生认知的需要。人学习的目的是为了认知世界、改造世界。研究表明，人的认知由感性认识到理性认识再到实践较容易。人们常说没有实践的理论是空洞的理论、没有理论的实践是盲目的实践。所以，任何理论知识的学习如果不以实践为牵引，往往只能机械记忆，而任何技术的掌握如果离开理论指导实际上也只能是机械重复。只有将二者融合，才有利于“有意义学习”的发生。

4.理工融合型课程建设是大量“亦工亦理”专业建设的需要。新的时代催生了许多兼具理工特点的专业，如果只是在课程体系建设时将原有的理科课程和工科课程简单堆砌，理科课程仍沿用理科思维讲授、功课课程仍按工科方法学习，学生如何建立理工融合的思维能力与方法？离开具体的课程学习训练，期望学生通过顿悟具备融合的本领是极为困难的。融合的实质是一个新的有机整体的出现，因此，这种思想首先应该体现在具体的课程之中。

三、理工融合型课程建设的方法

1.理工融合型课程建设的对象。理工融合型课程建设主要涉及理工融合型、理科和工科三类专业的部分专业教育课程：①理工融合型专业的部分专业教育课程。所谓理工融合型专业是指参考文献[11]所述的约20个可以授予理学或工学学士学位的本科专业。这些专业通常要求毕业生具有某些领域的新产品新技术的设计、开发、研究和管理能力，这就要求学生必须具备将理论知识、实践技能综合贯通的能力。所以，专业教育课程践行理工融合责无旁贷；②理科专业的部分专业教育课程。理科专业主要是培养从事研究、教学等工作的专门人才。这就要求毕业生具有较强的发散思维能力。发散性思维的训练途径包括“归纳”和“演绎”两种方式，[13]前者经由“现象——原理/理论——应用”，后者经由“原理——应用——案例”，而这两种方式都离不开“科学/理论”和“技术/应用”。此外，对理科学生进行一定的工程实践教学，不仅有助于培养学生的实践能力，也有助于激发学生的学习兴趣。为此，设立若干理工融合型课程是十分必要的；③工科专业的部分专业教育课程。工科以培养高级工程技术人才为己任。高级工程技术人才与初级和中级工程技术人才的主要区别在于设计能力，而设计本身就是创新。而创新人才首先是全面发展的人才，这种全面能力是学生经年累月接受教育的反映。在课程教学中，对工科学生进行必要的理论基础夯实，可以极大地提高学生的技能，有助于其未来的持续发展。这就要求在强化技术教育的同时，教学内容中适当加强相关理论知识。

2.理工融合型课程建设的方法。理工融合型课程是专业培养方案的有机组成部分，因而课程内容取舍、教学进程安排、教学活动设计与组织与专业培养方案密切相关。本文以应用物理学和光信息科学与工程专业都开设的红外物理课程和红外技术课程为例进行探讨：

（1）教学内容上理论与应用相结合，兼顾综合性与组合性。①教学内容综合科学知识和工程技应用术两个方面。将红外物理、红外技术两大块内容有机整合在一起，使理论和技术结合起来形成红外物理与技术课程，其主要内容包括辐射度量、辐射基本规律、辐射源、辐射的大气传输、辐射量测量、目标仿真、红外成像、偏振成像、红外图像处理与融合等；②部分章节内容采用“积件”方式编排。以理论为主的内容结构为：背景（选学）——概念、定律——应用（选学）。以工程技术为主的内容结构：相关理论（选学）——技术应用方法、过程——前景展望（选学）。

（2）教学进程遵循事物的发生发展过程，做到科学与技术的融会贯通。①红外物理与技术大的构成上，以红外辐射、传输、测量、成像、图像处理的完整过程为线索；②在具体章节内容安排上力求理论联系实际，如在介绍腔体辐射理论后，利用相关理论对自然景物和人工辐射源的辐射特性进行研究；介绍红外偏振成像原理后，紧接着讨论成像特性及其融合方法。在介绍红外辐射的基本概念和定律时，列举其技术应用实例；在讨论红外辐射源测量和红外成像技术之前，对相关理论进行了深入浅出的回顾；③在知识点安排上兼顾“科学”与“技术”的依存关系，如在一些规律和原理介绍之前，呈现相关现象、发现过程等，在探讨规律原理知识之后，增加工程应用实例等。另外，一些习题设计中，尽量与内容形成理论和技术方面的互补。

（3）教学活动安排从感性认识上升到理性认识再到实践。①依据教学目标进行学习任务设计，兼顾知识、技能和高级认知能力的发展；②教学活动方式遵循人的认知规律，如在红外目标特性、仿真、成像系统、图像融合等内容教学时，首先介绍相关的红外探测现象以形成感性认识；其次，再讨论相关理论、原理，上升到理性认识；然后学习新的理论研究和技术发展成果；③教学活动的流程以“混合式教学模式”进行，[14]将传统教学模式和信息技术环境下的教学模式相结合。如红外图像融合技术教学时，先组织学生观察两个不同红外波段的监控视频，从中发现其成像差异，提出融合任务。然后，简单回顾目标辐射、大气传输、红外成像过程，依据该原理和规律，提出解决方法——融合的一般思路、具体方法和算法，在此基础上编程仿真实现融合；④理工融合型课程的教学活动的评价重点是学生运用理论解决问题的能力，应包括分析、设计、提交报告、汇报等方式。

针对理工融合教育改革在微观层面的可操作性较差的问题，提出了建设理工融合型课程的构想。依据课程即教材、课程即活动的观点，论述了理工融合型课程的概念、特点；从科学和技术的发展、复合型人才的培养、学生的认知、理工融合型专业建设四个方面论述了理工融合型课程建设的必要性；以红外物理与技术课程为例，提出从教学内容、教学进程、教学活动方面建设理工融合型课程的具体方法，以期为理工融合型课程建设提供参考，促进理工融合理念在具体课程中的落实。

参考文献：

[1]任晓敏,王建坤.高等教育的世纪课题:理工互动与理工融合[J].中国大学教学,2000,(1).

[2]王永刚.“理工融合”教育理念与北邮物理学专业培养计划[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2004,6(3).

[3]魏学燕,纪越峰.“工借理势”试点班工作的研究与实践[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2004,6(1).

[4]闵祥伟,刘春惠.“理工融合”教育模式的方法论基础浅析[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2003,5(4).

[5]张霞,于丽.发挥“光学”在“理工融合”教育理念中的积极作用[J].物理与工程,2009,19(4).

[6]肖井华,张雨田.“理工融合”的物理实验课程改革[J].北京邮电大学学报(社会科学版),2003,5(34).

[7]杨屹,等.走理工融合之路 培养应用化学专业高素质创新人才[J].中国大学教学,2013,(7).

[8]朱启红,等.环境科学专业“以岗位为平台的理工融合”课程体系构建研究[J].现代企业教育,2012,(1).

[9]袁先友,等.理工融合的基础仪器分析、现代仪器分析、应用仪器分析三层课程体系构建研究[J].化工高等教育研究,2011,(3).

[10]谢海英,杨韧.理工融合的信息与计算科学专业课程建设的探索[J].中国科教创新导刊,2010,(11).

[11]教育部高等教育司.普通高等学校本科专业目录和专业介绍[M].北京:高等教育出版社,2012.

[12]课程[EB/OL]. http://baike.baidu.com/link?url=xpZuBbP0Wgtyz-nYkJZTqH_mj81b81nKZL2JP9BpfCjUVGiepl1AREZTWOZp9Clj.

[13]陈卫东.教育技术视野下的未来课堂研究[D].上海:华东师范大学,2013.

[14]何克抗.新课改 新课堂 新跨越——教育系统如何实现信息技术支持下的重大结构性变革[J].现代远程教育研究,2013,(4).

（编辑：易继斌）

推荐访问:理工 性及 融合 课程建设 本科