馬春陽(yáng)

（南昌大學(xué) 先進(jìn)制造學(xué)院，江西 南昌 330031）

引言

隨著以大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的數(shù)據(jù)密集型科學(xué)信息時(shí)代的到來(lái)，人類解決了以往無(wú)法解決的計(jì)算密集型復(fù)雜問(wèn)題。與此同時(shí)，人類也遇到了新的挑戰(zhàn)，很多科學(xué)問(wèn)題的解決乃至突破性的成果需要多學(xué)科的交叉融合，這種學(xué)科間的交叉融合有時(shí)又孕育出新的學(xué)科［1-2］。因此，學(xué)科交叉成為現(xiàn)代科學(xué)研究創(chuàng)新的主要方式之一，滲透到了科學(xué)研究、學(xué)科建設(shè)、學(xué)校教學(xué)等各個(gè)方面。很多國(guó)家在政策方面對(duì)學(xué)科交叉融合研究給予了相應(yīng)的支持和資助，以主動(dòng)促進(jìn)學(xué)科的交叉乃至融合。學(xué)科交叉儼然已成為下一個(gè)科技高地的戰(zhàn)略點(diǎn)［1-3］。

談起學(xué)科交叉我們首先要明確什么是學(xué)科、學(xué)科的概念是什么，清楚了學(xué)科的概念方能對(duì)學(xué)科交叉概念理解清晰。學(xué)科一般按照門類進(jìn)行劃分，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)［4］等。學(xué)科交叉由于相對(duì)復(fù)雜，需要多學(xué)科的知識(shí)交融，因此對(duì)學(xué)科交叉的研究非常廣泛。筆者認(rèn)為學(xué)科交叉可分為多個(gè)層級(jí)［5-7］：一是把學(xué)科體系看作三大門類，包括自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)；二是對(duì)自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)進(jìn)一步細(xì)分，如自然科學(xué)可分為物理學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)等；三是從某一類學(xué)科的具體研究層面進(jìn)一步細(xì)分，如物理學(xué)可以分為天體物理、引力物理和統(tǒng)計(jì)物理等；四是從課程的層面劃分，即兩門或多門相互關(guān)聯(lián)又不同的課程，這種情況也稱為學(xué)科內(nèi)部交叉。這四種學(xué)科交叉層面是四種不同的境界，前兩種交叉層面一般只有學(xué)術(shù)造詣很高的大家能進(jìn)行一定的研究，大多數(shù)研究學(xué)者是后兩個(gè)層面上的交叉研究。對(duì)于大學(xué)課堂來(lái)說(shuō)，筆者認(rèn)為第四個(gè)層面是基本的也是相對(duì)容易講解清楚的，對(duì)學(xué)生學(xué)科交叉思維的教學(xué)培養(yǎng)既是基礎(chǔ)的一環(huán)，也是大多數(shù)教師在課堂中可以實(shí)現(xiàn)的。

本文的研究正是基于“課程間的交叉”培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉思維能力。本研究以“傳熱學(xué)”課程為主體，圍繞課程主體進(jìn)行學(xué)科交叉案例分析，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科交叉意識(shí)和交叉思維，讓學(xué)生意識(shí)到課程涉及很多本課程之外的其他課程的知識(shí)，學(xué)生所學(xué)的各門課程之間是普遍聯(lián)系的，而這種聯(lián)系正是學(xué)科之間交叉的體現(xiàn)。

一、課程主體擴(kuò)展交叉測(cè)度方法

目前，學(xué)者提出了多個(gè)側(cè)面衡量學(xué)科的指標(biāo)，如學(xué)科豐富性、學(xué)科平衡性及學(xué)科差異性等指標(biāo)［8-9］，但學(xué)科交叉測(cè)度指標(biāo)計(jì)算方法并不唯一，不同學(xué)者提出的計(jì)算方法存在一定的差異［10］。這種差異性會(huì)在一定程度上影響學(xué)科交叉的定量研究，但并不會(huì)對(duì)定性的結(jié)論產(chǎn)生影響。本文研究基于“課程間的交叉”培養(yǎng)學(xué)生的多學(xué)科交叉思維，以能源與動(dòng)力工程專業(yè)的“傳熱學(xué)”課程為主體進(jìn)行課程間的交叉，提出主體擴(kuò)展交叉概念描述課程的交叉方式，這里主體擴(kuò)展交叉概念定義為：以某一門課程為主體或中心，圍繞此課程進(jìn)行多學(xué)科知識(shí)的擴(kuò)展交叉實(shí)踐或理論教學(xué)。同時(shí)，提出了定量的課程主體擴(kuò)展交叉測(cè)度計(jì)算方法：

這里，Simpson指數(shù)說(shuō)明了課程主體擴(kuò)展交叉的授課知識(shí)量的豐富度，即課程主體擴(kuò)展交叉的學(xué)科交叉程度。本文采用以上計(jì)算方法用于評(píng)估課程或課程案例的擴(kuò)展交叉指數(shù)或交叉度，指數(shù)越大說(shuō)明課程或案例的學(xué)科交叉性質(zhì)越強(qiáng)。學(xué)科交叉測(cè)度的定量衡量方法，豐富了課程主體視角下的學(xué)科交叉教學(xué)研究書稿的完整性，其對(duì)具體的課程或案例交叉測(cè)度的定量分析很重要，但是由于交叉測(cè)度具體計(jì)算的數(shù)值存在一定的主觀依賴性，且文中無(wú)不同課程或案例交叉測(cè)度的對(duì)比，因此后文沒(méi)有給出交叉測(cè)度的具體計(jì)算值。

二、課程主體擴(kuò)展交叉教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思想

在學(xué)科交叉為引導(dǎo)的形勢(shì)和政策下，以及在學(xué)科交叉對(duì)科學(xué)發(fā)展和教育事業(yè)的促進(jìn)作用下，著眼于學(xué)科交叉思維的教學(xué)培養(yǎng)是基礎(chǔ)的一環(huán)。在以課程為主體的擴(kuò)展交叉概念的引導(dǎo)下，本文以課程主體“傳熱學(xué)”為例，圍繞“傳熱學(xué)”課程進(jìn)行了學(xué)科交叉教學(xué)授課，對(duì)學(xué)生的學(xué)科交叉意識(shí)、交叉思維進(jìn)行了培養(yǎng)，讓學(xué)生意識(shí)到課程之間的聯(lián)系。這種聯(lián)系是學(xué)科交叉的表現(xiàn)，可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)全面思考和分析問(wèn)題，讓學(xué)生體驗(yàn)解決交叉科學(xué)問(wèn)題的成就感，使學(xué)生對(duì)所學(xué)習(xí)的課程感興趣并主動(dòng)去學(xué)習(xí)。

（二）課程教學(xué)設(shè)計(jì)

1.課程主體擴(kuò)展交叉課件講解。課程主體擴(kuò)展交叉授課面向新工科建設(shè)，以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，把思想政治教育自然地融入“傳熱學(xué)”課程的交叉教學(xué)內(nèi)容中。主體擴(kuò)展交叉課程教學(xué)區(qū)別于以往的知識(shí)型授課方式，著重讓學(xué)生理解授課內(nèi)容和解決問(wèn)題的方式方法，而不是簡(jiǎn)單地學(xué)習(xí)和記憶知識(shí)。主體擴(kuò)展交叉課程教學(xué)為重要的知識(shí)點(diǎn)提供了豐富的實(shí)際案例，通過(guò)多媒體課件進(jìn)行講解和動(dòng)畫演示，圖文并茂，提高學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣，進(jìn)而主動(dòng)思考問(wèn)題。在授課的同時(shí)提供一些交叉知識(shí)的課外鏈接，有利于學(xué)生進(jìn)一步拓寬學(xué)科交叉的知識(shí)面，進(jìn)而進(jìn)一步探索和分析問(wèn)題。

2.交叉案例啟發(fā)式與討論式教學(xué)。自然科學(xué)、工程問(wèn)題中的傳熱現(xiàn)象無(wú)處不在，傳熱現(xiàn)象與我們的生活息息相關(guān)，即便沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)傳熱學(xué)，但在我們的生活中，很多活動(dòng)都受傳熱規(guī)律的支配。在主體擴(kuò)展交叉理念的引導(dǎo)下，啟發(fā)式、討論式教學(xué)更能激發(fā)學(xué)生發(fā)散思維，多角度地思考問(wèn)題，形成學(xué)科交叉的思維方式。比如在講授邊界層對(duì)流換熱現(xiàn)象時(shí)，結(jié)合在冬天是用冷水還是用溫水洗車的案例，使學(xué)生既學(xué)習(xí)了邊界層對(duì)流換熱方程組的應(yīng)用實(shí)例，又通過(guò)討論用冷水洗車還是用溫水洗車有利的問(wèn)題，引出其中的學(xué)科交叉知識(shí)，給學(xué)生留下深刻的印象，從而使學(xué)生加深對(duì)邊界層對(duì)流換熱方程組的簡(jiǎn)化原理的理解。

3.交叉知識(shí)探索性教學(xué)。很多現(xiàn)象是多學(xué)科作用下的結(jié)果，因此學(xué)科交叉的探索性教學(xué)也是自然而然的。在講授《非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱》時(shí)，讓學(xué)生觀看了“9·11”事件中大樓倒塌的視頻，為什么大樓受到飛機(jī)撞擊后不是橫著倒下，而是以類似爆破的方式自上而下發(fā)生坍塌？科學(xué)方法給出了有力的調(diào)查論證，大樓“奇怪”的倒塌方式正是學(xué)科交叉分析的重點(diǎn)。首先飛機(jī)撞擊大樓起火產(chǎn)生了大量熱量，短時(shí)間內(nèi)釋放出的巨大熱量導(dǎo)致大樓主體鋼架結(jié)構(gòu)發(fā)生了融化，因此，大樓上部做近似自由落體的運(yùn)動(dòng)沖垮了下面的部分，產(chǎn)生了類似爆破的效果。通過(guò)分析可知，逃生時(shí)間即大樓鋼架的升溫融化時(shí)間，可以用集中參數(shù)法進(jìn)行簡(jiǎn)化分析和計(jì)算。通過(guò)這樣的探索式、啟發(fā)式主體擴(kuò)展交叉教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生不只是簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)知識(shí)，還增強(qiáng)了對(duì)知識(shí)的理解，并留下深刻的印象。

（三）考核方法

設(shè)計(jì)一些具有學(xué)科交叉特征的作業(yè)題目，對(duì)學(xué)生進(jìn)行分組（每組約7人），以組為單位進(jìn)行作業(yè)題目的解答，解題的結(jié)果以報(bào)告的形式上交，此作業(yè)報(bào)告作為總成績(jī)的一部分。由于是以分組的方式進(jìn)行，為防止個(gè)別學(xué)生偷懶，采取對(duì)每位組員提問(wèn)的方式，最終確定總成績(jī)，也就是說(shuō)不僅報(bào)告要做好，組員還要深入?yún)⑴c才能得到好的成績(jī)。通過(guò)這樣的考核方式，讓學(xué)生體驗(yàn)到解決問(wèn)題的成就感和集體榮譽(yù)感，從而主動(dòng)參與課程學(xué)習(xí)。

三、工程認(rèn)證思想下的教學(xué)效果達(dá)成度分析

在教改課題實(shí)施過(guò)程中，對(duì)兩個(gè)班級(jí)進(jìn)行主體擴(kuò)展交叉實(shí)驗(yàn)性教學(xué)，采用集體流水批卷的方式批改試卷，通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法給出了期末試卷的綜合性題目的作答情況。圖1給出了主體擴(kuò)展交叉教學(xué)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班級(jí)的目標(biāo)達(dá)成度統(tǒng)計(jì)分布圖。通過(guò)圖1中的使用正態(tài)分布函數(shù)對(duì)頻率分布的擬合曲線可知，盡管目標(biāo)達(dá)成度并不滿足正態(tài)分布，但是可以采用正態(tài)分布的特征參數(shù)進(jìn)行近似分析。圖1（a）和圖1（b）對(duì)應(yīng)的正太分布擬合所得的特征參數(shù)（平均值μ，標(biāo)準(zhǔn)差σ）分別為（μ=0.83，σ=0.13）和（μ=0.89，σ=0.10）。如圖1所示，主體擴(kuò)展交叉教學(xué)實(shí)驗(yàn)班的統(tǒng)計(jì)平均值μ均高于0.8，標(biāo)準(zhǔn)差σ均比較低，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)班的平均目標(biāo)達(dá)成度高，且目標(biāo)達(dá)成度集中，即綜合性題目的整體成績(jī)較好，反映出主體擴(kuò)展交叉教學(xué)實(shí)驗(yàn)取得了一定的成效。在主體擴(kuò)展交叉教學(xué)理念下，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)綜合性題目的理解、分析、作答能力，這說(shuō)明主體擴(kuò)展交叉教學(xué)有利于發(fā)散學(xué)生的思維，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和吸收，同時(shí)獲得了相對(duì)更高的目標(biāo)達(dá)成度。

圖1 主體擴(kuò)展交叉教學(xué)兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班級(jí)的目標(biāo)達(dá)成度統(tǒng)計(jì)分布

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)提出和實(shí)施主體擴(kuò)展交叉課程的教學(xué)方式，增加了學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)的意愿和樂(lè)趣，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，進(jìn)而加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和記憶。綜合性題目目標(biāo)達(dá)成度數(shù)據(jù)表明，主體擴(kuò)展交叉教學(xué)方式有效地提高了學(xué)生對(duì)綜合性題目的理解、分析、作答的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的學(xué)科交叉思維能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題的能力。本文提出的主體擴(kuò)展交叉教學(xué)方法對(duì)“傳熱學(xué)”之外的課程也具有一定的借鑒意義。