大學物理課程改革如何適應“新工科”建設(shè)

李旭光，孫錫良，唐英，鄭小娟，楊開巍

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大學物理課程改革如何適應“新工科”建設(shè)

李旭光，孫錫良，唐英，鄭小娟，楊開巍

(中南大學物理與電子學院，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，高校教學必須適應這個改革。文章主要探討了大學物理課程傳統(tǒng)教學模式與“新工科”要求的脫節(jié)問題，提出一些適應“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，以期探索出大學物理教學新模式有效服務(wù)于培養(yǎng)復合型人才的新體系。

新工科；大學物理；工程教學；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)新型工科學生達成的初步共識，是對于工科學科建設(shè)的優(yōu)化再造和內(nèi)容升級，以及對于未來工科學生培養(yǎng)目標、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)需求為導向[2]。在工科院校，“大學物理”作為公共基礎(chǔ)課，是一門不可替代的學科，在教學實踐中起到了承上啟下的作用，它對相關(guān)理論學科的學習有促進作用，對后續(xù)專業(yè)課程的學習以及對近代科學技術(shù)的了解與掌握具有深遠而持久的意義。但是，隨著高中教學模式改革的不斷深入及大學各工程專業(yè)教學內(nèi)容的快速更新，作為理論基礎(chǔ)課的“大學物理”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)的新問題預置解決方案已經(jīng)成為當務(wù)之急。

一、大學物理傳統(tǒng)教學與“新工科”建設(shè)要求的矛盾

大學物理作為基礎(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)大學物理課程教學內(nèi)容與“新工科”工程專業(yè)課的脫節(jié)

在傳統(tǒng)的大學培養(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”，這就造成大學生在學習過程中“不想吃”(厭學)，而大學生進入企業(yè)后，企業(yè)又感覺“吃不飽”(學生知識缺陷嚴重)。“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)移到與工程應用相結(jié)合的通識教育及應用教育。

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

對大學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手段創(chuàng)新和基于學生課堂興趣的教學方法創(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)對各門課程教學方法的要求更側(cè)重于“互動嵌入式教學”，而不是幾十年不變的“灌輸式教學”。

(三)大學物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生考評體系進行探索，試圖構(gòu)建一個能刺激學生主動學習的良性體系。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生的要求不是分數(shù)目標，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，大學物理課程應該逐步以“分數(shù)+實踐”評價體系取代舊的“分數(shù)評價體系”。

二、大學物理為適應“新工科”建設(shè)而進行的教學調(diào)整

“新工科”建設(shè)是教育部為適應國家發(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)課也有相應的改革要求，大學物理理論課教學與實踐教學如何適應這一要求是我們今后相當長時期內(nèi)必須考慮的問題，現(xiàn)階段可以從教學方法和教學環(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的有效性

為提高本科物理教學的有效性，可以物理教材體系的層次性設(shè)計開展教學。第一個層次是開設(shè)大學物理先修課(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，這部分學生物理基礎(chǔ)相對薄弱，先修課的教學內(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)的應用型教育打通“筋脈”，用課程體系的創(chuàng)新解決學科之間的壁壘。

(二)以教學內(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、化學和生物等基礎(chǔ)理論知識的應用。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，“混血兒學科”可能將成為未來的主流課程。基于為“新工科”服務(wù)的大學物理改革，應該把教學內(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，課堂教學的實際過程則可以做到即時更新，應用型工程有更新，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新理論，大學物理課堂教學必須體現(xiàn)出這類新工科專業(yè)課的變化，只有這樣，才能讓大學生體會到理論課的“活”——物理是最有活力的科學。物理學既是理論科學，又是實踐科學，物理教學，既要重視理論傳授，也要重視實踐指導，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，可以讓學生體驗到物理課的“實”—— 能實用的科學。

(三)以新型互動教學模式提高大學生學習物理課程的積極主動性

近些年來，大學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，大學物理教學將探索從以下幾個方面創(chuàng)新教學模式：第一，繼續(xù)堅持推進“示范課堂”，在老師準備上課的同時，也要讓學生準備上課，學生不只是聽課者，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)教學內(nèi)容只能放在教室進行，而非常規(guī)教學內(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物理教學實踐中開展多年的創(chuàng)新型實驗室，它可以承擔“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院微觀裝配實驗室的實驗課題，大學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，各高校都擁有相當多的全國共享資源課，大學物理和大學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，與課堂教學內(nèi)容的重復性太強。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模式探索，在線課堂的重點是培養(yǎng)學生的質(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，爭取讓學生在大學物理課堂內(nèi)外都能活躍起來。

(四)以促進學生深度學習為目標的表現(xiàn)型評價創(chuàng)新

深度學習是學生主動型學習，也是學生有目標追求的創(chuàng)新型學習。以往的分數(shù)評價模式很難激發(fā)學生創(chuàng)新，只能激發(fā)學生迷戀分數(shù)。如果按照“新工科”對學生的要求，“新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量、新體系”必須成為新工科學生的評價考核指針，“五新標準”應當成為大學物理課程新評價標準改革的參照物[3]。把這五個標準具體落實到大學物理這門課上面，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”來適應新工科人才的“五新標準”。

(五)以平臺為依托，不斷增加學生的實踐機會

“新工科”建設(shè)的內(nèi)涵在于提高學生的適應變化能力和工程創(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、實踐教學基地[4]。

高質(zhì)量的實習基地是實踐教學環(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，在大學物理教學環(huán)節(jié)中應該繼續(xù)提高對演示實驗室及校級科普基礎(chǔ)設(shè)施的利用率，讓所有學生在理論學習與實踐體驗中實現(xiàn)相互貫通并產(chǎn)生創(chuàng)新靈感。國家有推動實現(xiàn)工科學生實踐環(huán)節(jié)的“千生計劃”，各大學應該努力實現(xiàn)物理教學環(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。

三、大學物理為適應“新工科”建設(shè)進行教學改革的具體措施

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

大學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，大學物理的改革才有針對性和實用性。

大學物理新培養(yǎng)方案的擬定應該以“物理教學緊跟國際化水平”為標準、以“物理教學服務(wù)于新工科建設(shè)”為要求，著力推進物理學的創(chuàng)新文化，培養(yǎng)學生深度學習的能力，爭取編出一套具有“物理理論與工程應用相互嵌入”特色的新培養(yǎng)方案?；凇靶鹿た啤毙枰拇髮W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)域應用拓展課?！叭n”的特點整體表現(xiàn)為應用性、開放性、創(chuàng)新性、交叉性和示范性。

(二)探索適應“新工科”建設(shè)的大學物理教學新方法

教學方法必須服務(wù)于教育內(nèi)容，教學內(nèi)容必須服務(wù)于培養(yǎng)對象，所以，大學物理教學新方法的探索將以“突破師生淡漠”為目標，通過教學方法的革新實現(xiàn)大學物理課堂內(nèi)外的“雙聲道共鳴”。老師和學生要實現(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，三是要有適應新科技傳播手段的共通點。大學物理老師盡可能選擇自己最為熟悉的工程專業(yè)，學生學習物理課，老師學習專業(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)”在大學物理教學過程的應用，如果理論教學能夠物聯(lián)網(wǎng)化，學生無論是學習興趣還是學習效率，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”的物理教學資源庫

大學物理作為一門基礎(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)責任。如果要適應“新工科”建設(shè)的需要，大學物理教學資源的建設(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，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中表現(xiàn)出來，這也是與過去大學物理教學資源共享性不同的地方。在今后較長時期內(nèi)，大學物理教學工作者需要建設(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，大學物理教學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。大學物理課程首先必須能夠讓本科學生感受到其“有用性”，大學物理課堂必須能夠體現(xiàn)師生的互動性，大學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)理論教學有效融為一體，再輔之以最能調(diào)動學生積極性的教學方法，大學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，中南大學副教授，主要研究方向：理論物理、醫(yī)學物理；孫錫良(1968—)，男，湖北武穴人，中南大學副教授，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，中南大學教授，主要研究方向：激光光學；鄭小娟(1971—)，女，湖南隆回人，博士，中南大學副教授，主要研究方向：量子物理；楊開巍 (1984—)，女，湖南常德人，博士，中南大學講師，主要研究方向：理論物理

[編輯：何彩章]