深度引导式的工科教学方法探索

［摘 要］ 随着国家和社会需求的不断改变和增加，工科的“交叉融合性”得到进一步增强，对工科的“实践性”提出了新要求。为在教学中加强新工科“实践性”和“交叉融合性”，提出一种“深度引导式”教学方法。要求学生在课堂学习的基础上，在“沉浸式动态互动学习平台”完成核心教学内容的学习和巩固，并完成教学工程项目，提升学生在学习过程中的参与度。能够让学生以第一视角进行学习，激发其学习的主动性，增加学习的体验感，提高其“交叉”运用所学解决问题的能力。

［关键词］ 新工科；实践性；交叉融合性；深度引导

［基金项目］ 2022年度西北工业大学教育教学改革研究项目“模块化-深度引导式的工科教学方法探索与研究”（2022JGY14）

［作者简介］ 刘振刚（1981—），男，陕西渭南人，博士，西北工业大学动力与能源学院副教授（通信作者），主要从事多相流动、涡轮叶片表面微颗粒沉积研究；吕亚国（1980—），男，陕西咸阳人，博士，西北工业大学动力与能源学院副教授，主要从事多相流动、航空发动机润滑系统研究。

［中图分类号］ G642.4 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）07-0141-04 ［收稿日期］ 2023-12-14

引言

近些年，由于国际形势的变化，我国在很多高科技领域面临“卡脖子”的难题，如何培养优秀的科技人才更好地解决这些问题，促进产业升级，服务于我国新时代的社会主义建设，加强国家安全，是目前我国工科教育面临的重要问题。

21世纪以来，随着“知识爆炸”时代的来临，国家和社会需求不断改变和增加，新的工程学科不断涌现，高校的学科结构变得越来越复杂，学科边界越来越模糊，学科之间的互融和交叉变得愈来愈频繁、愈来愈紧密，传统工科教学面临诸多挑战，必须对工科教学方法进行必要的改革，以适应当前工科的特点。

2016年，新工科概念被提出，教育部组织高校进行深入研讨，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”［1］。2017年6月，教育部正式发布《新工科研究与实践项目指南》。2020年2月，教育部发布了《第二批新工科研究与实践项目指南》。目前，围绕新工科的教学改革以及探索还在不断进行着。在这些探索和研究中，加强新工科的“实践性”和“交叉融合性”是重要改革方向［2-5］。

本文拟以计算机流体力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）课程为例，针对当前工科的“实践性”和“交叉融合性”，采用一种深度引导式的教学方法，激发学生的学习主动性，增强学生的学习体验感，提高其在实践中解决问题的能力，为其他课程提供实践参考。

一、现状分析及主要问题

近年来，笔者在讲授CFD课程或相关课程时，发现如下问题：第一，由于教学偏理论，学生没有太多机会亲自动手解决一个非确定性答案的问题，对于自己所学的“实用性”存在一定的疑惑；第二，由于学生自主选课，部分先修课程的衔接还不够紧密，或者学生根本没有接触过部分先修内容，例如，在学习流体力学或CFD前，学生对于偏微分方程的分类和性质的了解不够深入，甚至没有了解；第三，虽然学生已经学习过编程语言，对编程有了初步了解，但是大多数学生对“编写”程序有敬畏心理，甚至很排斥，即使处理较多数据，也倾向于使用类似于Excel的软件进行相关操作，完成CFD简单算例存在一定难度，导致CFD课程的“实践性”和“交叉融合性”教学效果大打折扣；第四，当前课堂教学时间较之前有所减少，每节课中，学生接收的信息量较大，给他们理解和掌握课堂教学内容带来了一定的困难，如何让学生高效和主动地在课后复习课堂教学内容以及进一步提升解决问题的实践能力，是当前教学亟须解决的一个重要问题。

近年来，很多学校开始尝试翻转课堂［6-7］或半翻转课堂［8］提高教学效果。翻转课堂改变了传统的以教师为中心的授课方式，采用以学生为中心的学习方式，以提高学生的自学能力和实践能力，然而，其依赖于学生的自觉性［6］。对此，须采用半翻转课堂的形式，驱动学生进行学习［8］。在翻转课堂或半翻转课堂教学中，一般的教学材料不够“生动”，学生处于旁观者的角度，例如，以幻灯片的形式把课件发放给学生，学生在学习过程中难免耐心不足。为了让学生更加积极主动地参与教学活动，一些学校采用“基于项目”或“基于工程”驱动的教学方法［9-12］，该方法有助于学生理解较为抽象的理论［11］。采用该方法时，教学项目或工程的规模是一个非常关键的问题。

二、“深度引导式”的工科教学方法

为解决上述教学中的问题，以及改善翻转课堂或半翻转课堂教学方式的不足，本文提出“深度引导式”的工科教学方法，以提高学生的实践能力。

1.总体方案。“深度引导式”的工科教学方法的核心是要求学生通过在“沉浸式动态学习平台”学习以及完成教学工程来增强学习效果。首先，梳理本课程与先修课程的关系，将先修课程中与本课程较为紧密的内容以及本课程的教学内容进行模块化，并根据这些模块化的教学内容完成教学课件；其次，确定核心教学内容，这些教学内容具有举一反三和以点破面的作用，基于这些教学内容，搭建“沉浸式动态互动学习平台”，以及编写开放式的教学项目，这些项目具有一定的探索性质，但仅限于教学内容，以控制教学项目的规模，增强学生的学习体验感；再次，进行课堂教学，课堂教学应结合学生提出的问题进行，这些问题主要来源于学生通过“沉浸式动态互动学习平台”自学的过程以及完成教学项目的过程；最后，须针对本课程所学重点内容，设计一个具备综合性和开放性的教学项目，进一步提高学生解决综合问题的能力，注意该项目也需要围绕教学内容进行设计，要控制其规模。

“沉浸式动态互动学习平台”不是简单的课件，也不是简单地通过阅读相关资料“静态”地对相关教学内容的强化，它具有如下特点和功能：（1）学生通过在该平台学习，能够加深其对所学内容的理解。（2）该平台是动态互动的，即学生要完成整个过程的学习，必须在平台的引导和提示下，手动完成部分内容。在学生参与前，该平台是“半成品”，在学生参与的情况下，可以使其变成“成品”，因此，学生的参与度得到提升。（3）学生能够看到不同阶段的重要结果，从而进一步理解获得最终结果的重要细节，激发学生的主动性，让学生以第一视角理解“当家之难”，避免以第二视角被动学习，从而提出重要问题。可以看出，如果把“沉浸式动态互动学习平台”看作特殊课件，那么学生要深度参与整个制作过程，在这个过程中，学生会切身体会所学的难点和重点，从而能够在课堂上或者课下与教师和同学进行高效率的讨论。

本文建议教学项目仅针对教学内容，但是要具有开放性，即项目的发展有多种路径，在完成项目的过程中，学生可以自定研究内容和问题。需要注意的是，必须控制教学项目的规模，避免学生在学习过程中耗费过多精力，导致完不成项目，学生获得不好的学习体验感。由于教学项目具有一定的开放性，学生在完成项目的过程中需要运用其他学科的知识，进一步提升其“交叉”运用多学科解决问题的实践能力，这正是新工科所要求的。

2.具体实施。下面以CFD初级课程为例对深度引导式的工科教学方法进行说明。如图1所示，课堂教学内容为扩散问题、对流-扩散问题、压力-速度耦合问题以及非定常问题；针对课堂教学内容，学生须结合一维传热问题自学FDM（有限差分法）、FEM（有限元法）和FVM（有限体积法）的基本思想，在课堂上可以针对学生提出的问题对这三个方法进行对比；在课堂教学内容中，选取对流-扩散问题作为核心内容，针对该问题建立相应的“沉浸式动态互动学习平台”（将在下文中描述该平台的搭建），设计开放式教学项目——不同离散格式对计算的影响，学生须编写计算程序完成该项目，并结合偏微分方程的分类和性质进行讨论。在整个教学内容完成后，学生须通过编写计算程序完成一个综合性开放式项目，该项目仍然需要结合偏微分方程的分类和性质进行相关讨论。

为达到上文中提及的“沉浸式动态互动学习平台”的要求，本文选取基于Python编程语言的Jupyter Notebook开发环境作为搭建工具。Jupyter Notebook是一种基于网页的用于交互计算的应用程序，借助Jupyter Notebook可以在网页上编写和显示文本，还能编写和运行代码，其结果能够直接显示，能够满足“沉浸式动态互动学习平台”的要求。本项目拟利用Python编写相关代码，其在教学上有几点好处：（1）Python简单易学，学生能够快速将其作为高效工具进行学习；（2）Python有丰富的数据结构和数学库，避免学生陷入一些编程技术细节以及不必要的底层数值计算程序的编写；（3）Python有科学绘图库，能够让学生快速显示计算结果，即达到“所算即所示”的效果，加深对自己所学或所算结果的理解，提高学习效率；（4）Python在科学和工程中有着广泛应用，学生通过本课程的学习，能够熟练掌握Python语言，提升解决其他科学和技术问题的综合能力。

图2给出了“沉浸式动态互动学习平台”的部分演示，其主要包括以下内容：（1）主要问题的描述；（2）控制方程和边界条件的展示以及方程离散过程的展示，也可以利用符号计算作为辅助工具，结合课堂教学内容，让学生在平台完成方程离散过程；（3）主要问题的解决，对于重要的阶段结果，学生须通过输出相关数据或者展示图形来完成这一步，对于较难理解的部分，学生也可以自行输出结果。

结语

本文针对新工科的“实践性”和“交叉融合性”这两个重要改革方向，结合当前的教学现状，提出了一种“深度引导式”的工科教学方法，以CFD初级课程为例，采用Jupyter Notebook开发环境搭建了“沉浸式动态互动学习平台”，并设计了教学项目。笔者采用“深度引导式”教学方法，结合小班教学，增强了学生学习的体验感，提高了学生的实践能力以及“交叉”使用所学解决问题的能力。该教学方法弥补了部分翻转课堂或半翻转课堂的不足，对于其他同类课程教学具有参考意义。

参考文献

［1］新工科建设指南（“北京指南”）［J］.高等工程教育研究，2017（4）：20-21.

［2］李周密，付玲，骆清铭，等.新工科工程科学创新人才培养特色及其启示：基于华中科技大学工程科学学院的实践［J］.高等工程教育研究，2021（5）：16-22.

［3］张丽，姜月秋.“新工科”背景下应用型大学建设路径浅析［J］.福建茶叶，2020，42（3）：400-401.

［4］胡德鑫.学科演进视域下新工科建设制度困境与行动路径［J］.高等工程教育研究，2020（3）：49-54.

［5］汤正华，谢金楼.应用型本科院校产教融合的探索与实践［J］.高等工程教育研究，2020（5）：123-128.

［6］周晶平，刘晶，徐科.翻转课堂在软件工程实验教学中的应用研究［J］.现代计算机，2019（25）：65-68.

［7］王波.翻转课堂教学模式浅析［J］.计算机时代，2021（9）：99-102.

［8］李柳元，曹晋滨.新时代一流航天类课程建设实践与思考：以《空间数据分析基础》课程改革为例［J］.北京航空航天大学学报（社会科学版），2022，35（1）：155-162.

［9］郗艳红.本科流体力学课程中引入CFD内容的探索与实践［J］.高等建筑教育，2019，28（4）：85-89.

［10］许万军，梁绍华.CFD在“汽轮机原理”课程教学中的应用［J］.教育教学论坛，2020（19）：301-303.

［11］刘聪，任强，温瑞英，等.基于CFD项目驱动的《空气动力学》课程教学改革探究［J］.科技视界，2020（34）：27-28.

［12］李梦雪.基于工程化教学的C语言实践教学研究［J］.现代商贸工业，2021，42（29）：135-136.

A Deep-Guided Teaching Method for Engineering Courses

LIU Zhen-gang， LYU Ya-guo， ZHU Peng-fei， HU Jian-ping

（School of Power and Energy， Northwestern Polytechnical University， Xi’an， Shaanxi 710129， China）

Abstract： As the demands of our nation and society are increased and changed， the cross-connection of engineering disciplines is being enhanced and the new requirement for the practice engineering disciplines is needed. To meet the requirement of practice and cross-connection in the new engineering education， this paper suggests a called deep-guided teaching method. In this method， students are required to understand the core contents taught in the classroom by learning them again on an immersing-dynamic-interactive platform and finish the projects subjected to the taught contents， accordingly， their participation degree and the teaching effectiveness are enhanced. This method allows students to learn from the first perspective， inspiring their initiative， increasing their experience in the learning， and improving their ability of solving practical problems with their learnt interdisciplinarity knowledges.

Key words： emerging engineering disciplines; practice; cross-connection; deep-guided