面向新工科卓越工程师培养的基础课程跨学科实践

摘  要：新工科建设旨在革新卓越工程师人才的教育培养模式，多学科交叉融合是其重要一步。上海交通大学巴黎卓越工程师学院借鉴法国工程师学校的教育体系，在基础教育阶段积极探索跨学科融合教学，培养学生解决问题的综合能力和实践创新素养。该文将阐述学院如何开展基础课程的多学科交叉实践教学，调研学生的学习体验与学习效果，为面向新工科卓越工程师培养的基础课程实践教学提供借鉴与思路。

关键词：跨学科实践；基础课程；综合工程能力；新工科；法国工程师教育

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）20-0013-04

Abstract： The construction of new engineering aims to innovate education and training mode of outstanding engineering talents， and the interdisciplinary integration is an important step for it. SJTU Paris Elite Institute of Technology （SPEIT） draws inspiration from education system of French engineering schools and actively explores interdisciplinary integration teaching in the basic curriculum stage， cultivates students' comprehensive problem-solving abilities and practical innovation literacy. This article will present how SPEIT conducts interdisciplinary practical teaching of basic courses， investigates learning experience and effect of students， and provides reference and ideas for practical teaching of basic courses aimed at cultivating outstanding engineers in the new engineering field.

Keywords： interdisciplinary practice; basic courses; comprehensive engineering capacity; new engineering; French engineering education

近年来，从“复旦共识”到“天大行动”，再到“北京指南”，新工科建设成为了我国新时期高等工程教育改革的指导方针[1]。钟登华院士强调，新工科是以应对变化、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、创新性卓越工程人才[2]。建设跨学科多学科融合教育是新工科建设人才培养的重要手段，契合了新工科建设要求，是复杂社会发展的内在要求，是时代前行的基本需要[3]。跨学科教育俨然成为国内各大高校关注的热点，院系纷纷积极探索培养跨学科高素质复合型人才的培养模式。

上海交通大学巴黎卓越工程师学院（以下简称“中法学院”）借鉴法国高等工程师学校的教育体系，致力培养新工科背景下，符合现代工程发展要求、具备综合工程技术能力的国际化创新型人才。中法学院人才培养模式、培养方式及培养计划主要借鉴法国工程师的培养理念，同时融合中国高等教育的模式与培养要求，创立了独特的“基础教育阶段+工程师阶段”的人才培养方式与课程体系[4]。学生在最初2.5年的基础教育阶段不分专业，进行工科通识教育：采用“大数学”和“大物理”覆盖数学、物理、化学、计算机科学以及机械、能源、材料和通信等应用学科外沿，辅以人文管理课程、工程实习实践的通识教育，打破传统的专业及学科壁垒，形成多学科交叉综合的课程体系。工程师阶段分为机械工程、信息工程、能源与动力工程进行专业培养。基础教育阶段来源于法国工程师培养体系中的“预科”[4]，侧重强化数、理、化和计算机等基础学科的学习，旨在夯实学生的基础知识储备，构建完整的知识体系，培养跨学科思维及解决问题的综合工程能力。

基于“以学生为中心，以产出为导向和持续改进”的OBE（Outcomes-based Education）教学理念，中法学院自2012年建院伊始，就在基础教育阶段持续开展与摸索具有学院特色的“分层融入式”跨学科教学（此文皆以物理化学教学为例，数学计算机教学类似）：不同层面包括物理学科不同分支之间，物理与化学之间，物理化学与数学计算机之间。并将其融入各个教学环节，包括日常课堂教学及探究性学习的实践项目。笔者曾针对上述教学环节在不同层面实施跨学科教育的开展情况及效果进行过调研，问卷调查对象为学院经过基础教育阶段学习的四届学生。结果显示，学生对于跨学科综合实践项目的体验及评价最高，并表示希望增加类似跨学科交叉实践教学[5]。

实践是科学理论的基础。新工科要求工程人才要有更高水平的实践能力、终身学习能力、创造性思维、文化素质和大视野等[6]。学生只有通过不断地实践才能真正地掌握知识与提高技能，实践教学因而是人才培养过程中的重要环节。源于跨学科综合实践项目的学生满意度高，中法学院近年来一直在实践课堂中进一步探索跨学科融合教学模式。通过强化教学活动中的跨学科实践，全方位提高学生的学科及工程技术能力。学科能力包含理解、建模、分析、运算和验算等，工程技术能力包含应用知识、自主研究、创新、跨学科、团队协作及交流表达等。

一  物理化学相关教学介绍

基础教育阶段的物理化学课程每学期平均112～160学时（每周7～10学时），由中法学院物理与化学教学组采用团队教学完成所有教学任务，汇聚一批高水平的中法基础课程教师，其中，法方教师皆为法国教育部认证委派的预科教师。除传统大班授课的理论课2学时之外，系统还配置多元实践教学，包括小班化教学（人数控制在20人左右）的实验课、习题课及跨学科综合实践项目等。习题课每周2学时，实验课平均每周或每两周2学时。

理论课采用启发讲授法，通过系统严谨的数理论证及跨物理分支、物理化学交叉联系讲解，构建知识框架体系，注重理论联系实际，循循善诱地调动学生积极性，培养学生应用知识、跨学科等能力。习题课实施翻转课堂，邀请学生上黑板边书写求解过程边解释解题思路，教师从旁指导并作进一步讲解。在学生加深理解理论、拓宽知识在实践中应用的同时，也培养其应用知识、交流表达等能力。实验课学生两两分组实验，两名任课教师参与指导。遵循问题导向，通过部分命题自主探究，既强化学生的实际操作技能，也培养其创新、团队协作等能力。将理论与实践联系起来，能让死板的课本知识变得生动直观，让学生乐于接受、易于记忆，更好地理解和掌握理论知识，明白理论对实践起到指导及检验作用。开放式提问的多元实践探究，给予学生更多自主创新的空间，使其由“被动接受”转变为“主动探索”，促进学生高阶思维能力的发展，提高学生解决问题的综合实践能力。

物理化学课程采用促进学生综合工程能力发展的持续性考核制度，激励学生进行有规律的学习。考核方式包括出勤、口试、作业、实验、阶段测试及期末考试等。其中，实验课采用能力培养为导向的考核：教师根据学生的课堂实验表现及课后实验报告给予学生综合评价，考查学生的理解、分析、实现、验证及交流能力。每次实验的评价细则更是针对具体实验内容而制定，做到“因材施考”。口试作为学院工程师教育的一个重要特色，除最终得分，采用综合能力培养为导向的等级量表作为辅助评价，考查学生的读题审题、建模分析、运算求解、检查验算及表达交流能力。“知识+技能+态度”的多元化、过程性考核全面真实地评价学生的综合能力及学习效果，引导学生认知自我，进而反思和调适，实现“以评促学”。

跨学科综合实践项目，学生自由组合3～4人为一组，选定物理、数学、计算机其中的某一命题。运用在课堂上学过的各学科知识，经过分析讨论、理论建模计算、Python等软件编程得出最终结果。最后撰写法语报告，并作法语答辩。项目全程由数学计算机、物理化学及法语教学组教师共同指导。学生在完成实践项目的过程中，不仅要充分理解本学科的基本知识和核心理论，还要综合运用其他学科的方法和技术来解决问题，学生在实践过程中不断学习、主动探索，将理论与实际有机结合，真正实现“做中学”[7]。

二  基础课程跨学科实践教学的发展与实施

面临招生多元化带来的生源多样性，中法学院关注到新生存在个体差异，为满足不同学生的能力发展需求，在零法语基础新生进行密集法语学习的第一学期，开设基础综合数理实践项目。此课程对于免修基础法语课程的学生，即法语水平较高的国际生、语言保送生为必修课，对于学有余力的学生为选修课。由基础教育阶段的数理教师及工程师阶段的专业教师共同参与指导，根据学生现有知识、能力水平确定项目主题及内容供学生选择。实践项目涵盖不同专业领域，涉及数理计算机等多学科知识技能。学生自由组队，完成若干项目实践。物理主题有光的折射实验与模拟、地震波的自动检测等；数学计算机主题有森林火灾的模拟、创建和解决迷宫等；专业主题有天气预测软件的开发、预测核能系统行为的机器学习替代模型等。对于每个项目，学生构建理论模型，动手实验、基于数学解析进行数值模拟，对比实验与模拟结果，分析二者差异原因，并提出改进方法。最后，每组全体学生将做项目答辩，评审小组由三位来自不同专业领域的教师组成，全方位、跨学科地检验项目的完成情况及展示效果。通过多学科交叉融合的自主性研究，将专业教育融入基础教育，让学生在理解掌握数理计算机及相关专业知识的同时，培养其创新、跨学科、团队协作等意识与能力。

鉴于项目教学法的实施效果，数学计算机与物理化学教学组采用团队教学，在基础教育阶段各年级陆续协作开设数理实验课。依据数理课程的教学安排及进度，共同准备实验内容。强化跨学科教学以“问题”为中心，选题上要注重选择现实情境下的真实问题，并基于问题增进学科间的内在联系[8]。每次实验围绕一个物理问题或模型展开，例如大一主题有电子电路基础中网络等效电阻的求解，大二主题有热力学基础中熵的统计意义，大三主题有电磁学基础中的色散关系。针对每个主题，数理教师设计一系列从简入繁、由易到难，层层深入、环环相扣的自主探究步骤。将相关的数学理论及方法有机地融入物理主题的分析与处理，再通过编程实现问题的求解与讨论。举例质点力学中摆的研究，物理模型从单摆到双摆，运动情况从小角度到大角度，情景假设从无阻尼到有阻尼，并将线性代数及微分方程的相关计算融合到物理研究，最后通过数值模拟分析并探讨物理问题。教师通过协作教学，加强不同基础学科之间的交叉融合，拓展教学内容的广度及深度。学生通过深度学习的跨学科实践，一方面实现数学知识与信息技术的内容情景化，提高其学习兴趣及热情，另一方面促进跨学科思维及解决问题能力的提升。

基于数理实验课的教学形式与内容，物理与化学教学团队将适宜的编程实践融入习题课。对于某些问题，数学理论上存在解析解，但计算复杂繁琐，需用数值模拟分析方法，通过编程得到数值解。以往任课教师会将课前得出的数值结果在课上展示给学生。相比“直接知道”的答案，学生更需要经过自主探究得出结果。教师依据学生的编程水平，将部分数值模拟计算给予学生自己实现求解。如波动光学有关干涉的习题课上，要求学生通过Python编程求解双缝及多缝干涉的光强分布，并描述分析其图像。在加深理解物理现象的同时，也提高学生的编程能力。通过加强学生课堂参与度，促使其积极主动地去学习，进而提高课堂教学效率。