大學(xué)物理課程改革如何適應(yīng)“新工科”建設(shè)

李旭光，孫錫良，唐英，鄭小娟，楊開巍

?

大學(xué)物理課程改革如何適應(yīng)“新工科”建設(shè)

李旭光，孫錫良，唐英，鄭小娟，楊開巍

(中南大學(xué)物理與電子學(xué)院，湖南長沙，410083)

“新工科”建設(shè)是中國高等教育頂層設(shè)計者著眼于培養(yǎng)創(chuàng)新人才推出的一項重大改革，高校教學(xué)必須適應(yīng)這個改革。文章主要探討了大學(xué)物理課程傳統(tǒng)教學(xué)模式與“新工科”要求的脫節(jié)問題，提出一些適應(yīng)“新工科”建設(shè)的基礎(chǔ)課改革方法設(shè)計與具體改革措施，以期探索出大學(xué)物理教學(xué)新模式有效服務(wù)于培養(yǎng)復(fù)合型人才的新體系。

新工科；大學(xué)物理；工程教學(xué)；創(chuàng)新型人才

“新工科”是中國教育工作者對于新形勢、新環(huán)境、新需求下如何培養(yǎng)新型工科學(xué)生達成的初步共識，是對于工科學(xué)科建設(shè)的優(yōu)化再造和內(nèi)容升級，以及對于未來工科學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)方式、培養(yǎng)內(nèi)容的探索[1]。“新工科”必須為新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式的新經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)，必須以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向[2]。在工科院校，“大學(xué)物理”作為公共基礎(chǔ)課，是一門不可替代的學(xué)科，在教學(xué)實踐中起到了承上啟下的作用，它對相關(guān)理論學(xué)科的學(xué)習(xí)有促進作用，對后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)以及對近代科學(xué)技術(shù)的了解與掌握具有深遠而持久的意義。但是，隨著高中教學(xué)模式改革的不斷深入及大學(xué)各工程專業(yè)教學(xué)內(nèi)容的快速更新，作為理論基礎(chǔ)課的“大學(xué)物理”也會面臨著諸多與“新工科”要求不相吻合的新問題，為這些即將出現(xiàn)的新問題預(yù)置解決方案已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

一、大學(xué)物理傳統(tǒng)教學(xué)與“新工科”建設(shè)要求的矛盾

大學(xué)物理作為基礎(chǔ)理論課，很少考慮到對工程專業(yè)課的知識滲透及與其結(jié)合問題，在教學(xué)過程中，存在諸多與工程專業(yè)需要脫節(jié)的地方，歸納起來講，主要有以下突出問題：

(一)大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容與“新工科”工程專業(yè)課的脫節(jié)

在傳統(tǒng)的大學(xué)培養(yǎng)模式下，無論是理論課還是工科專業(yè)課，都更側(cè)重于“知識教育”，忽略了“通識教育”，這就造成大學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中“不想吃”(厭學(xué))，而大學(xué)生進入企業(yè)后，企業(yè)又感覺“吃不飽”(學(xué)生知識缺陷嚴重)。“新工科”體系下的理論課不能再專注于為工科生灌輸以考試為主的知識，而是要把側(cè)重點轉(zhuǎn)移到與工程應(yīng)用相結(jié)合的通識教育及應(yīng)用教育。

(二)大學(xué)物理傳統(tǒng)教學(xué)法與工程專業(yè)學(xué)生對理論課的要求存在脫節(jié)

對大學(xué)物理課程過去也進行過很多改革創(chuàng)新，但主要是基于新科技背景下的教學(xué)手段創(chuàng)新和基于學(xué)生課堂興趣的教學(xué)方法創(chuàng)新，極少有基于工科專業(yè)實際需求銜接的理論與工程相結(jié)合的嵌入式創(chuàng)新，這就造成工科專業(yè)學(xué)生產(chǎn)生“物理無用論”的錯誤認識?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)對各門課程教學(xué)方法的要求更側(cè)重于“互動嵌入式教學(xué)”，而不是幾十年不變的“灌輸式教學(xué)”。

(三)大學(xué)物3理作為基礎(chǔ)課，其評價體系的落后與“新工科”的創(chuàng)新要求存在脫節(jié)

近年來，全國各高校都在對大學(xué)生考評體系進行探索，試圖構(gòu)建一個能刺激學(xué)生主動學(xué)習(xí)的良性體系。然而，這些探索始終沒有離開試卷分數(shù)和平時分數(shù)的“分數(shù)評價體系”?！靶鹿た啤睂Υ髮W(xué)生的要求不是分數(shù)目標(biāo)，而是具有“創(chuàng)意－創(chuàng)新－創(chuàng)業(yè)”完整能力鏈條的創(chuàng)新型人才。工程專業(yè)必須服務(wù)于企業(yè)，而理論課必須服務(wù)于專業(yè)課，大學(xué)物理課程應(yīng)該逐步以“分數(shù)+實踐”評價體系取代舊的“分數(shù)評價體系”。

二、大學(xué)物理為適應(yīng)“新工科”建設(shè)而進行的教學(xué)調(diào)整

“新工科”建設(shè)是教育部為適應(yīng)國家發(fā)展的需要而推出的一項重要改革，對各工科院校的基礎(chǔ)課也有相應(yīng)的改革要求，大學(xué)物理理論課教學(xué)與實踐教學(xué)如何適應(yīng)這一要求是我們今后相當(dāng)長時期內(nèi)必須考慮的問題，現(xiàn)階段可以從教學(xué)方法和教學(xué)環(huán)節(jié)上做出一些新調(diào)整。

(一)以物理教材體系的層次性設(shè)計提高本科物理教學(xué)的有效性

為提高本科物理教學(xué)的有效性，可以物理教材體系的層次性設(shè)計開展教學(xué)。第一個層次是開設(shè)大學(xué)物理先修課(選修課)。這門課的主要針對對象是高考未選物理科目的新生，這部分學(xué)生物理基礎(chǔ)相對薄弱，先修課的教學(xué)內(nèi)容是補足高中階段的物理基礎(chǔ)知識，力圖通過這門課使部分新生實現(xiàn)與大學(xué)物理的有效銜接，避免出現(xiàn)大面積本科生“理論無根”的局面。第二個層次是開設(shè)大學(xué)物理必修課，也即過去的工科物理課程。它是為工科專業(yè)服務(wù)的基礎(chǔ)理論課，在所有工科專業(yè)中都能起到橋梁作用，新的大學(xué)物理課程將更加重視與“新工科”專業(yè)改革的同步性。第三個層次是開設(shè)物理與高新技術(shù)課(選修課)?！靶鹿た啤苯逃龑Ω鏖T課程都有新的要求，不再注重課程的獨立性，更關(guān)注課程的交叉、融合、復(fù)合、拓展和實用，物理的通識性教育必須與現(xiàn)代高新技術(shù)的應(yīng)用型教育打通“筋脈”，用課程體系的創(chuàng)新解決學(xué)科之間的壁壘。

(二)以教學(xué)內(nèi)容的時代性實現(xiàn)基礎(chǔ)課對“新工科”專業(yè)課的理論支撐

從工程應(yīng)用的角度看，目前世界上最前沿的3D打印技術(shù)、生物識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能等都屬于工程專業(yè)研究的對象。然而，再從工程的實際支持理論看，它們又可以認為是物理、化學(xué)和生物等基礎(chǔ)理論知識的應(yīng)用。也就是說，未來的科技實踐將會呈現(xiàn)理論與工程完美結(jié)合的趨勢，“混血兒學(xué)科”可能將成為未來的主流課程?；跒椤靶鹿た啤狈?wù)的大學(xué)物理改革，應(yīng)該把教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新作為重點方向，物理課程不但要講“理”，還要講“工”，最后展現(xiàn)給學(xué)生的新體驗就是“合”——理工結(jié)合。教材，在一個較短的時期內(nèi)屬于相對固化的模板，并不能隨時更新。但是，課堂教學(xué)的實際過程則可以做到即時更新，應(yīng)用型工程有更新，理論課教師必須能夠適時解釋這種更新，比如說材料學(xué)專業(yè)，過去不講隱形技術(shù)，現(xiàn)在，隱形技術(shù)取得突破性發(fā)展，材料類專業(yè)學(xué)生必須了解這一新態(tài)勢，而對這一技術(shù)構(gòu)成重大理論支撐的就有物理學(xué)新理論，大學(xué)物理課堂教學(xué)必須體現(xiàn)出這類新工科專業(yè)課的變化，只有這樣，才能讓大學(xué)生體會到理論課的“活”——物理是最有活力的科學(xué)。物理學(xué)既是理論科學(xué)，又是實踐科學(xué)，物理教學(xué)，既要重視理論傳授，也要重視實踐指導(dǎo)，從某種意義上講，物理課程的實踐性改革也許將成為未來的重頭戲。如果從理論上講光壓概念，也許絕大部分學(xué)生無法理解，因為光子的壓力完全無法感覺到。但是，如果把一個小小的光壓熱機帶到課堂，用電燈一照射，所有的學(xué)生都可以看到熱機轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，再把原理對照講解就豁然開朗了。如果利用這個實驗再拓展到太陽能的利用，那又是未來“新工科”專業(yè)的重要研究方向，好的實踐課，可以讓學(xué)生體驗到物理課的“實”—— 能實用的科學(xué)。

(三)以新型互動教學(xué)模式提高大學(xué)生學(xué)習(xí)物理課程的積極主動性

近些年來，大學(xué)物理課程一直在改革，老師們一直在被動接受新的改革模式。但結(jié)果卻是：老師在臺上、臺下都動起來了，學(xué)生始終不想動，互動的氛圍沒有形成。為了徹底改變這一窘境，大學(xué)物理教學(xué)將探索從以下幾個方面創(chuàng)新教學(xué)模式：第一，繼續(xù)堅持推進“示范課堂”，在老師準備上課的同時，也要讓學(xué)生準備上課，學(xué)生不只是聽課者，也是講課者，還是課堂問題的討論者。第二，積極推廣“移動課堂”，常規(guī)教學(xué)內(nèi)容只能放在教室進行，而非常規(guī)教學(xué)內(nèi)容就可以移植到課堂外，比如說拓展講授天體物理，就可以把學(xué)生們帶到天底下上課，望遠鏡中展示的燦爛星空和太陽黑子比課本上的理論就更生動易懂。物理演示實驗室是大學(xué)物理教學(xué)實踐中開展多年的創(chuàng)新型實驗室，它可以承擔(dān)“移動課堂”的主要任務(wù)。第三，努力開展“創(chuàng)客課堂”，“創(chuàng)客”本就源于美國麻省理工學(xué)院微觀裝配實驗室的實驗課題，大學(xué)物理課程完全有條件在每個自然班組建一個“創(chuàng)客小組”，組織部分有創(chuàng)新思想的工科學(xué)生以創(chuàng)新為理念，以客戶為中心，以個人設(shè)計、個人制造為核心內(nèi)容，參與到實驗課題中來，并且對實現(xiàn)的課題成果由學(xué)生享受知識產(chǎn)權(quán)。第四，大力推行“在線微課堂”，在信息傳播手段多樣化的時代，各高校都擁有相當(dāng)多的全國共享資源課，大學(xué)物理和大學(xué)物理實驗也都是在線共享課程，非常遺憾的是，這些共享課的利用率不高，互動性更差，究其原因，還是吸引力不夠，與課堂教學(xué)內(nèi)容的重復(fù)性太強。為了改變這一局面，未來可積極探索“在線微課堂”，這是一種由老師分配任務(wù)、由學(xué)生組織在線直播、供班級集體共享、再由老師在線點評的新型教學(xué)模式探索，在線課堂的重點是培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑慣性和求真精神，討論問題典型，時間比較短，解決問題及時，如果能實現(xiàn)“在線微課堂”與“示范課堂”的有效結(jié)合，物理課的教學(xué)效果必將大大提高。以“四個課堂”為項目創(chuàng)新著力點，爭取讓學(xué)生在大學(xué)物理課堂內(nèi)外都能活躍起來。

(四)以促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)為目標(biāo)的表現(xiàn)型評價創(chuàng)新

深度學(xué)習(xí)是學(xué)生主動型學(xué)習(xí)，也是學(xué)生有目標(biāo)追求的創(chuàng)新型學(xué)習(xí)。以往的分數(shù)評價模式很難激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新，只能激發(fā)學(xué)生迷戀分數(shù)。如果按照“新工科”對學(xué)生的要求，“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”必須成為新工科學(xué)生的評價考核指針，“五新標(biāo)準”應(yīng)當(dāng)成為大學(xué)物理課程新評價標(biāo)準改革的參照物[3]。把這五個標(biāo)準具體落實到大學(xué)物理這門課上面，可以細化為以下幾個操作性較強的評價辦法：課堂表現(xiàn)評價、課外集體協(xié)作評價、理工結(jié)合能力評價、實踐創(chuàng)新能力評價、課程考核分數(shù)評價。用“五個評價”來適應(yīng)新工科人才的“五新標(biāo)準”。

(五)以平臺為依托，不斷增加學(xué)生的實踐機會

“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵在于提高學(xué)生的適應(yīng)變化能力和工程創(chuàng)新能力。所有高校在進行新工科建設(shè)的過程中，都要拓寬大學(xué)生校內(nèi)及校外實踐渠道，與社會、行業(yè)以及企事業(yè)單位共同建設(shè)實習(xí)、實踐教學(xué)基地[4]。

高質(zhì)量的實習(xí)基地是實踐教學(xué)環(huán)節(jié)正常實施的重要保障，是培養(yǎng)工科優(yōu)秀人才實踐能力、科研素養(yǎng)、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的重要平臺。因此，在大學(xué)物理教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)該繼續(xù)提高對演示實驗室及校級科普基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，讓所有學(xué)生在理論學(xué)習(xí)與實踐體驗中實現(xiàn)相互貫通并產(chǎn)生創(chuàng)新靈感。國家有推動實現(xiàn)工科學(xué)生實踐環(huán)節(jié)的“千生計劃”，各大學(xué)應(yīng)該努力實現(xiàn)物理教學(xué)環(huán)節(jié)實踐平臺的“百人計劃”，即至少保證100名本科生同時接受演示及創(chuàng)新實踐教學(xué)。

三、大學(xué)物理為適應(yīng)“新工科”建設(shè)進行教學(xué)改革的具體措施

(一)探索構(gòu)建適應(yīng)“新工科”發(fā)展要求且具有較強示范性的大學(xué)物理新課程體系

大學(xué)物理課程的改革既有“新工科”建設(shè)的要求，也有高考改革觸發(fā)高中生選課多樣化引起的新要求，搞清楚高中階段的課程變化規(guī)律，大學(xué)物理的改革才有針對性和實用性。

大學(xué)物理新培養(yǎng)方案的擬定應(yīng)該以“物理教學(xué)緊跟國際化水平”為標(biāo)準、以“物理教學(xué)服務(wù)于新工科建設(shè)”為要求，著力推進物理學(xué)的創(chuàng)新文化，培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的能力，爭取編出一套具有“物理理論與工程應(yīng)用相互嵌入”特色的新培養(yǎng)方案?；凇靶鹿た啤毙枰拇髮W(xué)物理課程體系建設(shè)將圍繞三個環(huán)節(jié)展開：一是先修課(選修課)，二是工科物理必修課，三是物理理論在工程技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用拓展課。“三課”的特點整體表現(xiàn)為應(yīng)用性、開放性、創(chuàng)新性、交叉性和示范性。

(二)探索適應(yīng)“新工科”建設(shè)的大學(xué)物理教學(xué)新方法

教學(xué)方法必須服務(wù)于教育內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容必須服務(wù)于培養(yǎng)對象，所以，大學(xué)物理教學(xué)新方法的探索將以“突破師生淡漠”為目標(biāo)，通過教學(xué)方法的革新實現(xiàn)大學(xué)物理課堂內(nèi)外的“雙聲道共鳴”。老師和學(xué)生要實現(xiàn)共鳴并不容易，必須在兩者之間找到共通點。一是要有理論認識共通點，二是要有知識傳播方法的共通點，三是要有適應(yīng)新科技傳播手段的共通點。大學(xué)物理老師盡可能選擇自己最為熟悉的工程專業(yè)，學(xué)生學(xué)習(xí)物理課，老師學(xué)習(xí)專業(yè)課，經(jīng)過幾年的磨合，基礎(chǔ)理論課老師就可以相對輕松地做到理論與某類專業(yè)相結(jié)合，教與學(xué)之間的共通性就得以建立。傳播方法的創(chuàng)新，一方面可依賴“四個課堂”的推廣，另一方面還要適時跟進科技發(fā)展的新成就，避免給學(xué)生留下普遍的“老朽形象”。至于傳播手段，最值得關(guān)注的莫過于“物聯(lián)網(wǎng)”在大學(xué)物理教學(xué)過程的應(yīng)用，如果理論教學(xué)能夠物聯(lián)網(wǎng)化，學(xué)生無論是學(xué)習(xí)興趣還是學(xué)習(xí)效率，都必將踏上一個新臺階。

(三)整合資源，構(gòu)建一整套服務(wù)于“新工科”的物理教學(xué)資源庫

大學(xué)物理作為一門基礎(chǔ)課，幾十年來能夠共享的資源除了教材就是教案，這與大學(xué)物理作為純粹理論課的歷史認知是密切相關(guān)的，沒有賦予它更多的培養(yǎng)責(zé)任。如果要適應(yīng)“新工科”建設(shè)的需要，大學(xué)物理教學(xué)資源的建設(shè)與儲備就非常重要了，做好與各工程專業(yè)的嫁接融合是系統(tǒng)工程，需要投入極大的人力和物力。特別要指出的是，不同的大學(xué)，其專業(yè)側(cè)重點不一樣，資源的獨特性還需要在物理教學(xué)中表現(xiàn)出來，這也是與過去大學(xué)物理教學(xué)資源共享性不同的地方。在今后較長時期內(nèi)，大學(xué)物理教學(xué)工作者需要建設(shè)的資源體系主要有：理論課課件、演示實驗課視頻、示范課堂互動視頻、移動課堂視頻及書面總結(jié)、在線微課堂視頻、創(chuàng)新項目設(shè)計及創(chuàng)新成果報告、物理理論與專業(yè)理論相結(jié)合的新物理教材體系。

四、結(jié)語

“新工科”建設(shè)重在一個“新”字，大學(xué)物理教學(xué)改革也必須把工作重點放在創(chuàng)新上面，而創(chuàng)新的重點又要落在與工程專業(yè)交叉融合上面。大學(xué)物理課程首先必須能夠讓本科學(xué)生感受到其“有用性”，大學(xué)物理課堂必須能夠體現(xiàn)師生的互動性，大學(xué)物理必須能夠為最新科技發(fā)展提供理論支撐，如果能夠把物理理論與專業(yè)理論教學(xué)有效融為一體，再輔之以最能調(diào)動學(xué)生積極性的教學(xué)方法，大學(xué)物理課程必將保有持續(xù)的科技生命力。

[1] 胡波,馮輝,韓偉力,等.加快“新工科”建設(shè),推進工程教育改革創(chuàng)新——“綜合性高校工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會”綜述[J].復(fù)旦教育論壇,2017(2):20-27.

[2] 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.

[3] 周開發(fā),曾玉珍.新工科的核心能力與教學(xué)模式探索[J]. 重慶高教研究,2017(3):22-34.

[4] 林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究,2017(2):26-35.

G641

A

1674-893X(2018)03?0129?04

2017-11-25；

2018-06-08

李旭光(1965—)，男，浙江永康人，中南大學(xué)副教授，主要研究方向：理論物理、醫(yī)學(xué)物理；孫錫良(1968—)，男，湖北武穴人，中南大學(xué)副教授，主要研究方向：冶金物理、物理實驗，聯(lián)系郵箱：1113518618@qq.com；唐英(1964—)，女，四川成都人，中南大學(xué)教授，主要研究方向：激光光學(xué)；鄭小娟(1971—)，女，湖南隆回人，博士，中南大學(xué)副教授，主要研究方向：量子物理；楊開巍 (1984—)，女，湖南常德人，博士，中南大學(xué)講師，主要研究方向：理論物理

[編輯：何彩章]