高等數(shù)學(xué)案例教學(xué)與課程思政的融合

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摘要：隨著“新工科”建設(shè)的提出，高等數(shù)學(xué)作為工科專業(yè)的公共基礎(chǔ)課，急需針對“新工科”人才培養(yǎng)目標進行教學(xué)改革。該文提出了融合思政育人元素的案例教學(xué)法，既緊扣專業(yè)需求，體現(xiàn)數(shù)學(xué)方法與專業(yè)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性，同時也著眼于提高學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科；高等數(shù)學(xué)；教學(xué)改革；課程思政

1引言

新工科（EmergingEngineeringEducation：3E）是基于國家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求而提出的我國工程教育改革方向。中國工程院院士、天津大學(xué)校長鐘登華指出，新工科的內(nèi)涵是以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)多元化、創(chuàng)新型的卓越工程人才，為未來提供智力和人才支撐。[1]高等數(shù)學(xué)是大部分工科學(xué)生在高等教育階段接觸到的第一門重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課。丘成桐院士在北大百周年校慶學(xué)術(shù)報告會上指出，高等數(shù)學(xué)課程在培養(yǎng)高素質(zhì)科學(xué)技術(shù)人才方面具有其獨特的、不可替代的重要作用。[2]課題組成員此前已對上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)工科學(xué)生的高等數(shù)學(xué)成績與后續(xù)課程的成績關(guān)聯(lián)性展開調(diào)研，發(fā)現(xiàn)該課程的學(xué)習(xí)情況將直接影響工科學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)效果。[3-4]因此，在當(dāng)前我國積極開展“新工科”建設(shè)的背景下，高等數(shù)學(xué)課程也應(yīng)當(dāng)針對新工科人才培養(yǎng)目標進行教學(xué)改革。在全國高校思想政治工作會議上指出：“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，努力開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面，讓學(xué)生成為德才兼?zhèn)洹⑷姘l(fā)展的人才。”[5]因此，如何在教學(xué)中以“潤物細無聲”的方式融入思政育人元素是課題組此次教學(xué)改革探索的重點。

2高等數(shù)學(xué)思政案例教學(xué)設(shè)計目標

自20世紀80年代我國引入案例教學(xué)法以來，在教學(xué)過程中，教師以具有實際生活范例或鮮明代表性的案例為學(xué)生創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生通過對案例進行分析討論、提出解決實際問題的思路、總結(jié)規(guī)律，在情境中掌握理論知識并創(chuàng)造性地將知識與實踐相結(jié)合。[6]針對高等數(shù)學(xué)課程性質(zhì)以及工科專業(yè)學(xué)生特點，以新工科理念為指導(dǎo)，選取來源于與工科專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用案例，將思政案例教學(xué)法引入高等數(shù)學(xué)的教學(xué)，創(chuàng)造屬于新工科的獨特思考。

2.1學(xué)生家國情懷的培養(yǎng)

圍繞時政性主題，設(shè)置“厲害了我的國”專項主題案例，加強學(xué)生對中國國情與科技立項的認識以及對新時代中國特色社會主義思想的政治認同。例如，在定積分的概念講解中，選取具有代表性的雄安新區(qū)面積測繪問題作為典型案例，進行課程引入，旨在利用時政熱點激發(fā)學(xué)生興趣，同時也普及設(shè)立雄安新區(qū)，是以習(xí)為核心的黨中央深入推進京津冀協(xié)同發(fā)展做出的一項重大決策部署。讓學(xué)生仿佛身臨其境，感受到這具有重大現(xiàn)實意義和深遠歷史意義的時刻。又例如，在反常積分中引入北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的介紹等，讓學(xué)生深切體會中國近幾年的迅速發(fā)展以及了解未來還應(yīng)繼續(xù)努力的方向。在教學(xué)實施過程中，思政案例不僅僅要起到引入作用，還應(yīng)貫穿整個教學(xué)過程，在潛移默化中讓學(xué)生感受到家國情懷，使其之于國、之于家，都懷有一種樸素的情感，增強學(xué)生的民族自豪感和文化自信心。尤其是在案例教學(xué)的討論環(huán)節(jié)中，鼓勵學(xué)生積極發(fā)表見解，加深他們對當(dāng)今時代、對自身發(fā)展、對如何實現(xiàn)民族偉大復(fù)興的思索。青年的國家認同感和政治認同感，是新工科培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和多學(xué)科交叉融合能力復(fù)合型人才需求最重要的底色。

2.2學(xué)生開放創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

著眼于培養(yǎng)社會主義建設(shè)者和接班人，指出教師要具備價值導(dǎo)向能力、理論思維能力、科學(xué)研究能力以及教學(xué)能力，注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、獨立思考能力以及思辨能力。因此，在案例教學(xué)進行中應(yīng)重視學(xué)生開放性思維的培養(yǎng)。例如在極值的應(yīng)用中，引入易拉罐的設(shè)計方案作為案例：首先讓學(xué)生觀察生活中常見的易拉罐形狀，其次讓學(xué)生進行分組討論：為什么其形狀總是圓柱形的？引導(dǎo)學(xué)生解決生產(chǎn)實際中的問題：在相同的制作材料下如何盡可能多地盛裝飲料來降低生產(chǎn)成本，這就自然而然地引出了極值的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，再進行思政元素的拓展，讓學(xué)生思考易拉罐設(shè)計的細節(jié)，為什么底是圓拱形？設(shè)計長寬比例的原因是什么？為什么頂面底面的材料更為堅硬？拉環(huán)的制作有什么特點與優(yōu)勢？介紹易拉罐制作回收中的節(jié)能意識，并讓學(xué)生嘗試自主設(shè)計易拉罐。從而培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、感知的意識和開放性思維，進一步深化學(xué)生對世界的理解，關(guān)注節(jié)能減排，關(guān)注人類共同面對的全球挑戰(zhàn)。

2.3學(xué)生思辨能力的培養(yǎng)

引入現(xiàn)代科學(xué)計算手段，對案例實際問題進行模擬，讓學(xué)生感知數(shù)學(xué)中的離散與連續(xù)，實質(zhì)即是哲學(xué)中的量變與質(zhì)變。例如，在定積分的概念中利用數(shù)學(xué)軟件MATLAB，進行分割、近似、求和的軟件模擬，再通過分割的不斷加細，最終由“無限”加細這一理念，從而產(chǎn)生質(zhì)變：極限。用思辨的觀點看待數(shù)學(xué)知識點的轉(zhuǎn)化與融合，有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也提高了學(xué)生運用數(shù)學(xué)軟件進行計算的基本能力，以及對具體案例進行探索與研究的能力。用數(shù)學(xué)軟件等技術(shù)輔助教學(xué)，是上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)理學(xué)院目前大力推行的教學(xué)改革方向之一，旨在調(diào)動和發(fā)揮學(xué)生的主體性，為學(xué)生提供多樣化的現(xiàn)代學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生理解和實踐如何將創(chuàng)意或方案轉(zhuǎn)化為有形的數(shù)學(xué)模型，如何進行模型的求解以及對于出現(xiàn)的問題如何利用科學(xué)的方式進行改進與優(yōu)化。

2.4學(xué)生國際視野的培養(yǎng)

將科學(xué)前沿知識融入案例教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的國際視野。人工智能是當(dāng)今世界每一個國家都在大力發(fā)展研究的技術(shù)科學(xué)，它作為計算機科學(xué)的一個分支，在過去幾年實現(xiàn)了爆炸式發(fā)展。2016年，GoogleDeepMind的AlphaGo打敗了韓國的圍棋大師李世石九段，讓人工智能贏得了前所未有的關(guān)注。而高等數(shù)學(xué)課程當(dāng)中的微積分、偏導(dǎo)數(shù)、向量函數(shù)、方向梯度、微分方程等內(nèi)容均在人工智能領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。例如，數(shù)值微分方程在指導(dǎo)深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架設(shè)計方面的應(yīng)用、極值在飛行器模擬設(shè)計中的應(yīng)用等。此外，在極限的拓展部分加入分形的介紹，在微分方程中反思混沌非線性微分方程應(yīng)用等各類前沿領(lǐng)域，都將從多維度給學(xué)生展現(xiàn)一個豐富多彩的世界，激發(fā)學(xué)生的求知欲望，讓學(xué)生意識到只有增強知識儲備才能迎接全球化的機遇和挑戰(zhàn)。

2.5工匠精神的培養(yǎng)

適時普及類比國內(nèi)外數(shù)學(xué)發(fā)展史，幫助學(xué)生了解中外數(shù)學(xué)文化并進一步理解數(shù)學(xué)概念。例如，微積分學(xué)是在17世紀下半葉由英國數(shù)學(xué)家牛頓和德國數(shù)學(xué)家萊布尼茲創(chuàng)立的，其中極限是其最基本的概念。而極限的思想在中國古代文化中也早有體現(xiàn)。例如，戰(zhàn)國時期的莊周在《莊子•天下篇》中提到：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭?！本褪枪糯鷺O限思想的體現(xiàn)。然而極限的定義是如何從描述性定義過渡到精確性定義的呢？這就要提到19世紀后半葉實數(shù)理論的建立。實數(shù)理論使得極限理論有了嚴格的理論基礎(chǔ)，從而使微積分的基礎(chǔ)和思想方法日臻完善。這一發(fā)展歷程讓學(xué)生了解了數(shù)學(xué)這一學(xué)科的嚴謹之美，從而也認識到知識的創(chuàng)新完備從來都不是一蹴而就的，而是應(yīng)具有嚴謹認真、精益求精、追求完美、勇于創(chuàng)新的工匠精神。

2.6人文素養(yǎng)的培養(yǎng)

著名文學(xué)家雨果說過：“數(shù)學(xué)到了最后階段就遇到想象，在圓錐曲線、對數(shù)、概率、微積分中，想象成了計算的系數(shù)，于是數(shù)學(xué)也成了詩?！币虼?，在教學(xué)設(shè)計中可適時引入詩詞文化，引導(dǎo)學(xué)生在詩詞中發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)的美。例如，李尚志教授所寫的微積分詩：“一番難遇風(fēng)順，一路高低不平。平平淡淡分秒，編織百味人生?！蓖黄屏嗽卸ǚe分定義所帶來的表層局限性，打破了文學(xué)和數(shù)學(xué)理工科的鴻溝，從星星點點的字逐漸構(gòu)成了一副波瀾壯闊的畫卷，引導(dǎo)學(xué)生去感悟微積分中所蘊含的人生哲理。

3結(jié)語

課程思政與案例教學(xué)法的有機融合，能引導(dǎo)學(xué)生于生活、歷史文化中發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)之美，改變其對數(shù)學(xué)課程枯燥難懂的固有印象，于時政、科學(xué)前沿、專業(yè)應(yīng)用中，體悟數(shù)學(xué)的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的開放創(chuàng)新性思維，幫助學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價值觀，激發(fā)學(xué)生實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的責(zé)任感。以上是筆者關(guān)于新工科背景下高等數(shù)學(xué)教學(xué)改革中進行課程思政案例教學(xué)的一些思考，具體實施過程中，思政案例需要教師與時俱進，不斷總結(jié)、更新和改進，才能真正為培養(yǎng)具有家國情懷的新工科復(fù)合型人才打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究,2017(3):1-6.

[2]教育部非數(shù)學(xué)類專業(yè)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會.工科類本科數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)基本要求[J].大學(xué)數(shù)學(xué),2004(1):1-6.

[3]邱翔,莊海根,龐莉莉,等.工科學(xué)生“高等數(shù)學(xué)”成績的相關(guān)分析研究[J].沈陽師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,32(2):291-295.

[4]郭瓊,徐小明,邱翔,等.關(guān)于工科高等數(shù)學(xué)課程教學(xué)改革的探討[J].教育現(xiàn)代化,2017,4(33):65-68.

[5]在全國高校思想政治工作會議上強調(diào):把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[N].人民日報,2016-12-09(1).

[6]王青梅,趙革.國內(nèi)外案例教學(xué)法研究綜述[J].寧波大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版),2009,31(3):7-11.

作者：郭瓊 張雯瑩 王鳳超 單位：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)理學(xué)院