適應(yīng)新工科的大學(xué)物理、物理實驗課程改革方向與路徑初探

張映輝

(大連海事大學(xué)理學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引言

1) 新工科建設(shè)勢在必行

人類社會進(jìn)入新一輪科技創(chuàng)新活躍期，互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能與經(jīng)濟(jì)社會活動加速融合。越來越激烈的國際競爭“對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學(xué)知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈”[1]。要求工科院校(專業(yè))教育培養(yǎng)模式加速改革，為新一代信息技術(shù)、數(shù)字創(chuàng)意、高端制造、生物技術(shù)、綠色低碳生產(chǎn)等提供人才支撐。

2) 新工科建設(shè)的方向已經(jīng)明確

2017年以來，教育部主導(dǎo)召開了多次圍繞高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略方面的研討。先后形成和提出的“復(fù)旦共識*復(fù)旦共識：2017年2月，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開了高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，共同探討了新工科的內(nèi)涵特征和路徑選擇，并達(dá)成了若干共識?！薄疤齑笮袆?天大行動：2017年4月，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，共商新工科建設(shè)的愿景與行動?！薄氨本┲改?北京指南：2017年6月，教育部在北京召開新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議，全面啟動、系統(tǒng)部署新工科建設(shè)。審議通過《新工科研究與實踐項目指南》，提出新工科建設(shè)指導(dǎo)意見?！贝_定了新工科建設(shè)的方向、原則和重點，形成了“世界高等工程教育面臨新機遇、新挑戰(zhàn)，我國高等工程教育改革發(fā)展已經(jīng)站在新的歷史起點，要加快建設(shè)和發(fā)展新工科，工科優(yōu)勢高校要對工程科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)揮主體作用”[2]等共識。明確了“三問、三構(gòu)建”(問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)、構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)，問技術(shù)發(fā)展改內(nèi)容、構(gòu)建工程人才知識新體系，問學(xué)生志趣變方法、創(chuàng)新工程教育方式和手段)[3]和“5個更加注重”(更加注重理念引領(lǐng)、更加注重結(jié)構(gòu)優(yōu)化、更加注重模式創(chuàng)新、更加注重質(zhì)量保障、更加注重分類發(fā)展)[4]等教改思路和要求。

3) 物理教學(xué)必須適應(yīng)新工科要求

大學(xué)物理、物理實驗在工程教育中具有不可或缺的基礎(chǔ)性地位。然而，20世紀(jì)八九十年代以來，隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，新學(xué)科、新知識、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，給4年的本科教育教學(xué)帶來越來越多沖擊，原有的基礎(chǔ)課受到“擠壓”，減課時的情況時有發(fā)生。如何解決這一矛盾？在新工科建設(shè)中，物理基礎(chǔ)課既不能被新工具、新學(xué)科所淹沒，也不可能被淡化；對于物理教師來說，既不能放棄陣地，也不能固守以往教學(xué)模式和結(jié)構(gòu)，出路只有一條，就是要積極探索，主動作為，大膽改革，問專業(yè)需求教物理，問技術(shù)發(fā)展教方法，問學(xué)生志趣改內(nèi)容、建模式。建立適應(yīng)新工科要求的教學(xué)新體系，使之更好地承擔(dān)“現(xiàn)代技術(shù)源泉和先導(dǎo)”之責(zé)任。

1 教學(xué)體系建設(shè)(課程改革)的方向

1.1 總體設(shè)計上由重理論輕實驗向?qū)嶒炁c理論并重轉(zhuǎn)變

首先，從理論與實驗的關(guān)系上看，物理學(xué)本質(zhì)上是一門實驗科學(xué)，楊振寧先生指出“物理學(xué)最重要的部分是與現(xiàn)象有關(guān)的，絕大部分物理學(xué)是從現(xiàn)象中來的，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”[5]。物理理論(論斷)必須經(jīng)過實驗驗證。比如愛因斯坦的光電效應(yīng)理論在通過實驗驗證以后才真正被認(rèn)可。并且，很多理論是通過實驗得出和校正的。比如，邁克耳孫干涉實驗證明了以太的不存在。20世紀(jì)以來，諾貝爾物理學(xué)獎2/3以上都是因為實驗方面的貢獻(xiàn)而獲得的。物理離不開實驗，物理學(xué)的重要性也恰恰在于它的實踐性。

其次，從學(xué)生知識結(jié)構(gòu)(專業(yè)需求)上看，工科各專業(yè)學(xué)生將來所從事的工程設(shè)計、研發(fā)、制作等工作都是偏重于實用的。也就是說，工科學(xué)生對物理學(xué)知識的需求主要是圖其“用”，而非究其“理”?！袄怼敝匾恢匾慨?dāng)然重要。基本原理必須熟記、理解，但最關(guān)鍵的是要會用。面對眾多的專業(yè)知識，工科學(xué)生不可能、也沒有必要像物理專業(yè)學(xué)生那樣，把更多的精力放在推導(dǎo)和演算上。并且，國內(nèi)學(xué)生動手能力差是人所共知的短板，必須從課程設(shè)計這一源頭上加以克服和改變。

第三，從學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果上看，實驗更具直觀性、直接性。實實在在的儀器、設(shè)備、實驗過程和物理現(xiàn)象，更能引起學(xué)生的興趣。同時，具有一定挑戰(zhàn)性的實驗過程和數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析更具體驗性，更有利于幫助學(xué)生建立概念、理解原理，建構(gòu)知識體系。

第四，從發(fā)達(dá)國家情況看，國外工科院校物理實驗課程一般為100學(xué)時以上。如美國加州大學(xué)圣迭戈分校(簡稱UCSD)，為工科學(xué)生開設(shè)初級物理實驗60學(xué)時(力學(xué)實驗、電磁學(xué)實驗、光學(xué)和近代物理實驗各20學(xué)時)，高級物理實驗40學(xué)時。就國內(nèi)來看，《理工科類大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求》[6]規(guī)定物理實驗課程“一般不少于54學(xué)時”，從設(shè)計上就明顯少于發(fā)達(dá)國家。而實際上，國內(nèi)高校物理實驗課程最多為56學(xué)時，還有相當(dāng)一部分院校(專業(yè))的物理實驗課時數(shù)為32學(xué)時以下。

第五，從實驗技術(shù)(客觀條件)的發(fā)展上看，過去我們國家窮、經(jīng)費少，實驗資源匱乏。改革開放40年，國家經(jīng)濟(jì)的騰飛為更新充實實驗儀器、設(shè)備，提高實驗教學(xué)保障提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)，實驗課程學(xué)時少的問題理應(yīng)得到解決。

第六，從知識體系建構(gòu)上講，單獨設(shè)課的實踐證明，好多物理理論可以結(jié)合實驗來教授，并且效果更好。

基于上述六個方面的理由，建議從課程的設(shè)計上，大幅度提高實驗課比重。從重理論輕實驗向?qū)嶒炁c理論并重轉(zhuǎn)變?；蛘哒f，對工科學(xué)生要逐漸實現(xiàn)由理論優(yōu)先向?qū)嶒瀮?yōu)先的“逆轉(zhuǎn)”。

1.2 理論課要從重計算推導(dǎo)向更加注重物理思想和物理方法轉(zhuǎn)變

物理難教、難學(xué)，難在哪？就難在眾多的公式推導(dǎo)和運算上。是的，物理學(xué)的理論是由概念、原理和公式構(gòu)成的。很多物理原理，就是由公式推導(dǎo)出來的。并且，數(shù)學(xué)語言(公式)能夠更為精準(zhǔn)地描述物理原理。

但是，公式或者公式所代表的數(shù)學(xué)語言，不是物理原理的唯一解讀，更不是它的應(yīng)用解讀(比如熵增加原理、能量守恒等)。物理學(xué)所揭示的自然法則(物理思想、觀點)和在物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程中所創(chuàng)造的方法(包括法則規(guī)定的禁忌，如永動機不能制成、自然過程不可逆)才是最重要的。正如楊振寧先生所說，演算“是物理學(xué)的一部分，但不是最重要的部分”[5]。

物理即哲學(xué)，物理學(xué)充滿了辯證法，富含科學(xué)的世界觀和方法論，即我們通常所講的物理思想和物理方法。相對于抽象、干巴的概念、公式和原理，很多時候物理思想和物理方法才是更為簡捷管用的，也是我們應(yīng)該重點教給學(xué)生的。

對于理論課教學(xué)來說，我們當(dāng)然要對物理理論進(jìn)行認(rèn)真的推演，講清公式、原理的來源、形成過程，證明其合理性，讓學(xué)生認(rèn)可和接受。但是，我們不能就此止步，每一個公式、原理都蘊含著豐富的物理意義、物理思想，都是對自然規(guī)律的一種揭示，必須從自然規(guī)律的角度去解釋，幫助學(xué)生從應(yīng)用的方面去理解。概念也是一樣，講一遍，學(xué)生未必能夠理解、記住、在頭腦中建立起來。必須從多個角度去解讀，闡明它的設(shè)計思路和意義。并且，概念本身就是對所研究問題的一種界定，概念的設(shè)定就是研究角度的選取。設(shè)定概念本身就蘊含著思路和方法。

忽略物理思想、物理方法的教學(xué)，就丟掉了核心，只是完成了教學(xué)任務(wù)的一半。企圖讓學(xué)生通過大量做題，去理解物理原理的，若非懶惰，就是以其昏昏使人昭昭。必須把物理思想和物理方法的講授放在更加突出的位置，投入更大的精力。為此，要把講清物理思想和物理方法作為教師能力和教學(xué)質(zhì)量考核的重要標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 大綱、教材要由“一本萬能”向多“劇本”(多種模塊組合)轉(zhuǎn)變

這是增強教學(xué)針對性的需要?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很多新學(xué)科、新專業(yè)。作為工科共同基礎(chǔ)的物理教學(xué)，不能千人一面，大幫哄，不能一本教材、一個大綱管全校，必須區(qū)分專業(yè)，有所側(cè)重、有所選擇。按照天大行動“問產(chǎn)業(yè)需求建專業(yè)”和北京指南“更加注重分類發(fā)展”的要求，問專業(yè)需求教物理，力求做到每個不同的專業(yè)都有符合其專業(yè)特點(需求)的大綱和教材。比如，工程設(shè)計類專業(yè)，側(cè)重力學(xué)、熱學(xué)方面的教學(xué)內(nèi)容，增加金屬比熱容、材料物性等方面實驗的比重。

這是滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求的需要。眾所周知，學(xué)生個體存在差異性，有的差異還很大。這種差異性有的是由于學(xué)生的知識基礎(chǔ)、動手能力決定的；有的是由其性格特點、興趣愛好決定的。就實際情況來說，對于同一專業(yè)的學(xué)生再進(jìn)行細(xì)分，滿足其每個學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，并非易事，但也不是完全沒有發(fā)揮作為的空間。比如，對大學(xué)物理實驗而言，我們可以針對不同學(xué)生設(shè)計多個不同難易、不同體量的教學(xué)單元(模塊)供教學(xué)選擇。

客觀條件的變化使之成為可能。實驗技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展，特別是網(wǎng)上選課系統(tǒng)的創(chuàng)立和開放式教學(xué)的實踐，為滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。這種既有客觀需求，又有物質(zhì)條件的事情，值得我們?nèi)嵺`和探索。

2 實現(xiàn)路徑

2.1 關(guān)于實驗與理論并重

提出由重理論輕實驗向?qū)嶒炁c理論并重轉(zhuǎn)變，不是要由實驗課代替理論課(雖然長遠(yuǎn)來看并非沒有可能)，由基礎(chǔ)的力、熱、光、電、原子物理和四大力學(xué)所支撐的理論體系，在我們看來還是非常重要的。雖然對多數(shù)(工科)學(xué)生來說，它依然可能只是一堆零散的、難于理解和掌握的概念、原理和推導(dǎo)運算。我們的觀點有三：

首先，就是增大實驗比重，改變過去重理論、輕實踐的做法。這需要從頂層設(shè)計上進(jìn)行改革。要從思想上去除“理論才是正統(tǒng)”“實驗是理論的附庸”“實驗可以做，也可以省略”等錯誤觀念。

其次，就是要通過一系列課程改革提高實驗教學(xué)質(zhì)量，使實驗教學(xué)在學(xué)生知識、能力、素質(zhì)體系建構(gòu)中的重要地位得到很好體現(xiàn)。

第三，各院校、教學(xué)單位和教師應(yīng)積極探索新課綱、新教材，以及新的教學(xué)模式。從而通過物理實驗和理論教學(xué)幫助學(xué)生更好地理解和掌握物理規(guī)律、掌握物理思想、物理方法(包括實驗方法)。

具體措施：

(1) 逐步提高實驗教學(xué)比重，特別是經(jīng)典實驗要應(yīng)做盡做。

(2) 基礎(chǔ)實驗要先行開課。

(3) 注重綜合性實驗(特別是經(jīng)典實驗)與理論課教學(xué)的協(xié)調(diào)性。把能通過實驗教學(xué)(包括課前預(yù)習(xí)和課上輔導(dǎo)講授)搞清的理論，拿到實驗教學(xué)中來。實驗精做，理論略講，以實代虛，相互照應(yīng)。

(4) 大力開發(fā)與重要物理規(guī)律相關(guān)的設(shè)計性實驗。如開發(fā)運用新儀器、新設(shè)備，創(chuàng)新思路方法“重做經(jīng)典”的設(shè)計性實驗題目[7-8]。

(5) 力求實現(xiàn)實驗與理論課教材與大綱的協(xié)調(diào)性。

(6) 從總體設(shè)計和評價上改變重理論輕實驗的做法。

2.2 關(guān)于突出物理思想與物理方法

突出物理思想和物理方法，就是在教學(xué)中，除了要講清課本和大綱規(guī)定的概念、原理、公式，及其一般應(yīng)用之外，還要把物理規(guī)律及其發(fā)現(xiàn)過程中所展現(xiàn)的“科學(xué)的世界觀和方法論”加以重點闡述，引導(dǎo)學(xué)生提升思維層次，掌握科學(xué)方法。比如結(jié)合靜電場的教學(xué)，介紹“場與物質(zhì)之間相互作用的思想”“平衡態(tài)與平衡的動態(tài)性思想”；結(jié)合電場與磁場的教學(xué)，闡述“類比的思想與方法”；結(jié)合電磁感應(yīng)現(xiàn)象與規(guī)律的教學(xué)，闡述“多元因果邏輯與因果相互轉(zhuǎn)化思想”；結(jié)合卡諾循環(huán)和熱力學(xué)第二定律教學(xué)，闡述“建立理想模型”“分割、分解、疊加、相加”的科學(xué)研究方法，闡述熵所揭示的“在多數(shù)情況下，能量轉(zhuǎn)化只在一個方向上發(fā)生”“能量具有逐漸散逸的普遍傾向”[9]，以及“自然界實際發(fā)生的熱力學(xué)過程都是不可逆”的思想。通過熱力學(xué)定律為代表的“否定性定律”，講清人們不能隨心所欲地“想干什么就干什么”的自然法則，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生牢固樹立尊重自然、敬畏自然，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約和愛護(hù)資源的意識。

2.3 關(guān)于模塊式教學(xué)

所謂模塊，是指將教學(xué)內(nèi)容按不同專業(yè)(培養(yǎng)對象)需求和不同難度、層次劃分為多個教學(xué)單元，供教師有針對性地編寫大綱和學(xué)生根據(jù)基礎(chǔ)條件、能力素質(zhì)，以及興趣目標(biāo)進(jìn)行選擇。

模塊式教學(xué)旨在改變“一個大綱貫到底，一本教材管全?！钡默F(xiàn)狀，針對學(xué)生的專業(yè)方向、基礎(chǔ)等條件，按“需”設(shè)置大綱、分配教學(xué)資源。

模塊式教學(xué)不是另起爐灶、另搞一套，而是適應(yīng)學(xué)生需求的教學(xué)方法和理念的強化。模塊式(或者叫單元式)教學(xué)對我們每個人來說并不生疏。教材的章節(jié)、實驗教學(xué)的4個層次，乃至力、熱、光、電各個分支，都是一種大的模塊。

模塊式教學(xué)更加強調(diào)教學(xué)資源的有效性，提高學(xué)習(xí)效率(教學(xué)效能)。這里講的教學(xué)資源包括現(xiàn)有的理論、教材，包括儀器設(shè)備、電力、能源及軟硬件資源等，也包括教學(xué)的設(shè)置與課時等。

具體措施：

其一，對實驗課來說，在已有教改研究基礎(chǔ)上，設(shè)計、制作針對不同專業(yè)、不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)所需的實驗教學(xué)模塊，設(shè)立(增加)多個可選單元(模塊)，每個單元4～6個實驗題目，供教學(xué)(學(xué)生)選擇。提出不同難易的課綱(模塊)成績評定的一般原則，注重拔尖人才的培養(yǎng)激勵，同時注意多數(shù)同學(xué)成績的均衡性。

其二，對理論課教學(xué)，主要是打破一本教材、一個大綱管全校的做法。針對不同培養(yǎng)目標(biāo)(專業(yè))有所側(cè)重，增大某些相關(guān)內(nèi)容的比重，減少無關(guān)或關(guān)系不是很大內(nèi)容的比重。

其三，也可以采用理論模塊與實驗?zāi)K的混編的做法，使某些理論和實驗相互配合，相互照應(yīng)，相互補充。

2.4 關(guān)于現(xiàn)代化教學(xué)手段的運用

要把教學(xué)模式創(chuàng)新和現(xiàn)代化教學(xué)手段作為新工科建設(shè)的重要內(nèi)容。一是大力推行開放式教學(xué)，滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需求，提高學(xué)習(xí)興趣。二是大力推行開放實驗室和開放式課題研究，引導(dǎo)學(xué)生參與項目研究，或提供條件，鼓勵自主研究。三是大力加強慕課、仿真實驗平臺及其他網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，滿足學(xué)生隨時隨地進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、知識查詢，以及在工作、生活中的其他學(xué)習(xí)要求。四是大力推進(jìn)與物理相關(guān)的通識課、選修課教學(xué)，如物理與現(xiàn)代科技、新能源新材料新工藝簡介、電影中的物理學(xué)等。

3 結(jié)語

國家現(xiàn)代化建設(shè)的人才需求和新工科建設(shè)要求物理基礎(chǔ)教育必須改革。大學(xué)物理、物理實驗教育教學(xué)必須主動適應(yīng)“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”確立的方向、原則和要求。在總體設(shè)計上必須更具針對性、實踐性；在教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方法上，必須更加注重闡述物理思想，教授物理方法；大綱教材必須更具針對性，更加適應(yīng)專業(yè)需求。同時，必須積極采用現(xiàn)代化教學(xué)手段，豐富教學(xué)形式和內(nèi)容，使抽象的物理知識、物理原理、思想和方法，通過網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，得到更好傳播，物理教育教學(xué)更加泛在化、個性化，人文化。