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职业院校“非线性科学”课程建设探讨

时间:2022-03-05 09:47:25  浏览次数:

摘要:讨论了职业院校“非线性科学”课程教学的现状及存在的问题,对职业院校开设“非线性科学”课程的必要性和现实性进行了分析,提出了建设“非线性科学”课程的建议。

关键词:职业院校;非线性科学;课程建设;课程改革

基金项目:河南省职业教育教学改革研究立项课题“职业学校‘非线性科学’课程教学研究”(项目编号:ZJC14011)

作者简介:吕恩胜,男,河南化工职业学院讲师,硕士,主要研究方向为电路理论与应用。

中图分类号:G712文献标识码:A文章编号:1674-7747(2015)06-0022-03

自上世纪60年代开始,“非线性科学”成为研究非线性现象及其应用的一门基础学科,是继相对论、量子力学之后,被誉为自然科学系统的“第三次革命”,它涉及到了人文、社会和自然科学体系的几乎所有领域,由它所引发的对客观世界的“有序与无序的统一”、“概率性与确定性的统一”等范畴和概念的新认识,加深了人类对客观世界的认识,形成了新的自然观和科学观,对人类的思维方法有很大程度的影响,关系到现代科学逻辑体系的根本性问题。根据时代发展的要求,作为职业院校,承担着人才培养的重任,选择最基本、最重要的现代科学和现代技术——非线性科学内化学生的品质,具有十分重要的意义。

一、开设“非线性科学”课程的重要性和必要性

(一)理论意义

随着职业教育的不断发展,需要有更高质量的职业教育,非线性科学教育深入到的职业教育中是趋势。[1]现行的线性科学是粗略的、简单化的模型,在没有考虑非线性因素的情况下建立的;而非线性科学是更接近实际工程、更科学的数学模型,非线性科学的研究是在线性科学基础上的发展和深入。非线性科学的研究内容涉及各个专业领域、各个工程行业,几乎广泛的应用在所有科学、工程领域。开设“非线性科学“课程,是当前培养宽知识、重品行、厚基础、强技能的高素质技能型人才的迫切需要。

(二)实际意义

“非线性科学”课程教学的主要任务是向学生讲授该它的发展、理论和工程应用等问题。通过该课程的学习,培养学生具有非线性知识的认知能力、思维能力,利用学到的非线性科学思维方法,解决在研究、工程和生活中所遇到的问题,同时也是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》有关深化人才培养改革和课程教学改革、加快促进职业教育发展研究的重要举措。

二、“非线性科学”课程教学的现状

“非线性科学”的学习需要较高的理论深度和复杂的实验,由于现在职业院校的学生基础知识比较差,对这门课程的学习往往是敬而远之。尽管一些职业教育研究人员做了有益的尝试,促进了职业院校“非线性科学”教学的发展,但目前仍然存在一些问题。

(一)重视不够

相比本科高校的学术型教育,职业院校的主要任务是培养高素质技能型人才,注重对职业知识、技能和职业道德方面的课程教学,而对“非线性科学”等前沿课程建设的重视远远不够,课程建设发展缓慢,只有少数职业院校开设了“非线性科学”选修课,缺乏系统的课程建设,多数学校还停留在讲座和教育活动中。[2]职业院校开设的大学物理、电路等课程所涉及非线性科学的内容多,这些理论课学时一减再减,给“非线性科学”教学带来很大的冲击,结果是在教学实践中不讲或少讲与非线性科学相关的前沿技术知识。

(二)教学方法和内容滞后

教师授课基本上是数学公式推导理论过程,由于非线性现象的实验对设备精度要求较高,课堂上很难实验演示,理论知识得不到实验证实,教师也没有通过动画等其它方式演示其原理,学生不能深刻理解其中的意义。这样导致学生只认识表面的现象,对非线性现象缺少深层理解与分析,由于学生的体验不足,以至学生在解决实际非线性应用问题无能为力。在内容讲授上,有关非线性现象的介绍,特别是发现史和理论部分多,介绍非线性现象应用的少。很多非线性应用还处于研制和调试阶段,还都是概念性的产品。此外,非线性科学研究的是复杂的非线性控制系统,表达这种系统的工具是微分方程,必然要涉及到高深的数学公式,这就给讲授“非线性科学”带来诸多不便,往往使教学很难进行下去。

(三)教材和实验设备匮乏

当前职业院校“非线性科学”方面教学专用的教材数量少,且质量差,针对性不强,不能较好的满足职业院校实际教学的需求。对教材的统计分析发现,有些教材如大学物理、电路等把“非线性科学”部分作为其一个章节的内容;有些只是将“非线性科学”内容作为阅读性科普材料放入教材中。从教材的建设看,对“非线性科学”的教学不利。[3]由于“非线性科学”的物理硬件实验对实验系统环境要求苛刻,加之市场上现有的试验仪器也较少,故一些职业院校在物理、电路等课程实验教学中没有相应的实训实验,无法验证非线性科学的存在性。

三、对“非线性科学”课程建设的几点思考

为了培养高素质技能型人才,在大学物理、电路等课程中增加“非线性科学”部分内容,已形成共识,但是,从长远来看,“非线性科学”的教学仍是需要不断完善发展的过程。根据教学实践与研究成果,要改善目前教学中存在的一些问题,要做到以下几个方面。

(一)编写立体化教材

教材作为教学内容和教学方法的载体,是教学最基本的工具,也是人才培养的基础和方向。建立“非线性科学”立体化教材,从职业院校学生实际出发,教材内容编写上应少而精,删减繁杂的理论数学公式推导,适量即可,以职业能力为导向,彰显职业特色,教、学、练一体化,与时俱进,注重非线性科学实际应用内容的安排。教材特色具体应表现在四个方面。

1.书中应融入非线性科学历史与非线性科学文化的教育,学生在学习的过程中,能洞察非线性科学这门学科的成就和发展历史,领略非线性科学文化的丰富多彩。

2.在每个章节的前半部分,应深刻、简明地分析该部分知识产生的历史背景和工程应用的思维思想,然后介绍概念、理论。

3.从教学实际的需要,遵循学生认识发展顺序、循序渐进的原则,以合适的难易梯度编写教学内容和例题;章节最后安排单元任务,布置一定的课外任务。

4.同步教学内容设置相应的实践应用模块,培养学生应用非线性科学解决生活问题的意识。

(二)开发立体化课程包

课程包中包括课程信息、课程导读、电子课件、教学素材库、试验箱及试题库系统等,提高“非线性科学”课程教学质量和教学效果,推动职业教育“非线性科学”课程的改革。

1.课程信息。包括:非线性科学学习导读、教学提示、学习指导等。

2.课程导学。以章为单位进行导学,包括:学习要求、重点知识学习导航图、重点难点剖析、典型例题解析等。

3.电子课件。避免将现有电子教案搬到屏幕上,在教材和教学大纲的基础上,设计新的教学过程,制作大量的教学动画,以直观的方式揭示非线性科学的思想本质,遵循学生的认识发展规律和解决问题的思维过程,设计师生课堂中的互动环节,引导学生对概念、理论和思维方法的理解,增加生活中实际工程案例供老师选讲,补充课堂练习环节。

4.教学素材库。搜集、整理教学素材,供学生浏览和教师选用,更好的理解非线性科学。包括:非线性科学案例、非线性科学实验、非线性科学建模、应用与实践案例库、常用非线性科学公式、中英对照非线性科学词汇、非线性科学简史与非线性科学家小传等。

5.实验箱。经典混沌电路实验验证,在试验箱可自行开发新的混沌电路。

6.试题库。题库总试题量应有千余道,以满足不同专业的学生测试组卷的要求。试题库应包含名词解释、填空、选择、计算、综合分析等试题。教师只需根据不同专业、不同年级、课时等考试要求,通过智能组卷系统选项,几秒钟内即可完成试卷组卷和生成相应的参考答案,对自动生成的试卷还可以进行修改、编辑等操作,试题题库具备开放性。

(三)以计算机模拟仿真为主,硬件实验为辅

在课堂理论教学中引入仿真软件:Matlab和EWB(ELECTRONICS WORKBENCH EDA),对混沌相图、混沌曲线、混沌控制与同步和分形内容进行计算机仿真演示。例如,用Matlab计算机模拟仿真Lorenz系统和logstic映射等经典模型,让学生真正感受到“确定的内在随机性”、“蝴蝶效应”、“有序与无序的统一体”等非线性科学的特征;用EWB电路仿真软件、仿真Chua电路及其同步控制及保密通信实现等,体现非线性科学系统的应用性、可控制性、电路可实现性。利用计算机模拟仿真不受环境、地点、时间限制等特点,学生可以在课外用计算机模拟仿真,学生既掌握了计算机仿真技术,锻炼了学生实际动手能力,又感受了非线性现象是如何产生的过程,充分发挥了学生自主学习的兴趣和效率。非线性科学物理硬件实验本身难度较大,实验的过程中会遇到很多问题,现有实验仪器较少,即使有也只是演示混沌空间曲线相图,关于混沌控制和同步、混沌分岔、分形等方面的实验仪器基本没有,无法满足实验的需要。而利用软件对非线性科学进行模拟仿真研究,可以减少实验仪器少、实验调试困难所带来的压力,没有损坏仪器设备的担忧,而且可以提高实验效率,学习最新成果。因此,在教学中应以模拟仿真为主、物理硬件实验为辅。

(四)以选修课形式独立开设“非线性科学”课程

在学校的教学体系中,营造一种既定的认识:它是一门独立的学科,以独立的形式开课。选修课的学时可以根据不同专业、不同年级,合理安排。河南化工职业学院在全校各个专业开出“非线性科学导论”选修课,共20学时,14个理论学时,6个实验学时,选课的学生较多,收到了很好的教学效果。

(五)开发建设“非线性科学”精品课程网站

建设“非线性科学”精品课程网站,便于师生互动交流,学生自学,提交作业,随时可以完善教学的需要。网站模块主要包含教学动态发布、课程介绍、学习辅导答疑、学习论坛讨论、综合提高训练、非线性史话与背景资源、师生互动、学科发展前沿、最新应用成果、网络课程等栏目。

本文就职业院校的“非线性科学”课程教学存在的一些问题,并结合自身教学实践进行了探讨与分析。“非线性科学”课程建设是一项及其复杂的系统工程,不仅关系到教师队伍建设、教学内容安排、教材的编写、教学方法等,还与学校重视程度、教学资源、学生情况、课时安排、师资水平、学科自身发展与建设一系列实际问题相关联。[4,5]因此,在职业院校“非线性科学”教学中,需要把非线性科学的思维方法、框架传授给学生,启发学生在学习、工作、生活中能够应用非线性科学的思维方法解决所遇到的问题,从而为社会培养合格的高素质技能型的人才。

参考文献:

[1]魏诺.非线性科学基础与应用[M].北京:科学出版社,2004.

[2]张新国,马义德,李守亮.非线性电路——基础分析与设计[M].北京:高等教育出版社,2011.

[3]姜大源.职业教育学研究新论[M].北京:教育科学出版社,2007.

[4]周玉泉.对高职教育立体化教材建设的探索[J].职教论坛,2011(11):6-8.

[5]徐月新.整合理念视阈下校本课程的开发与实施——以江苏省震泽中学“晓庵天文”课程为例[J].江苏教育,2014(5):63-66.

[责任编辑陈国平]

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