基于“新工科”理念的《大學(xué)物理》課程教學(xué)模式創(chuàng)新的研究

劉文華

【摘 要】文章基于“新工科”教育理念，針對大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀，提出三平臺驅(qū)動實(shí)現(xiàn)《大學(xué)物理》課程教學(xué)模式可以拓展知識面、培養(yǎng)創(chuàng)新能力、提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、團(tuán)隊(duì)合作能力，為將來學(xué)習(xí)和研究工作奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理;新工科;應(yīng)用能力;教學(xué)平臺

中圖分類號： G434;O4-4文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）33-0132-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.33.065

Research on the Teaching Mode Innovation of College Physics Based on the Concept of "New engineering"

LIU Wen-hua

（Jiangxi University of Technology，Nanchang Jiangxi 330098，China）

【Abstract】Based on the educational concept of"new engineering"and the current situation of university physics teaching， this paper proposes that the three-platform-driven teaching mode of "university physics"can expand the scope of knowledge，cultivate innovation ability，improve students' independent learning ability and teamwork ability，and lay a foundation for future learning and research.

【Key words】College physics;The new engineering;Application ability;Teaching platform

為應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的挑戰(zhàn)，2017年，國家積極推進(jìn)“新工科”[1]建設(shè)。“新工科”理念要求以交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享、繼承與創(chuàng)新為主要途徑[2]，培養(yǎng)出專業(yè)精深的綜合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新人才。課程教學(xué)是人才培養(yǎng)的載體，《大學(xué)物理》課程是一門探索自然界客觀規(guī)律學(xué)科，它理論嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)踐性、應(yīng)用性強(qiáng)。其教學(xué)現(xiàn)狀有以下不足：（1）物理教學(xué)內(nèi)容與“新工科”工程專業(yè)課內(nèi)容脫節(jié)，課程應(yīng)用、交叉、融合、拓展嚴(yán)重不足，教學(xué)內(nèi)容缺乏時代感。近年來，南京郵電大學(xué) 、長春工程學(xué)院[3]等許多高校嘗試對教學(xué)內(nèi)容按專業(yè)進(jìn)行模塊化分類進(jìn)行改革，以適應(yīng)“新工科”建設(shè)要求，但改革還是剛剛起步，物理課與其他課程間的壁壘仍需打破。（2）教學(xué)形式單一。教師雖然從“黑板+粉筆”的教學(xué)手段中解放出來，卻面臨“MOOC”、“微課”、“SPOC”等新型教學(xué)方式的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)資源種類繁多，但缺乏系統(tǒng)整體性。（3）課時縮減，學(xué)生無緣接觸當(dāng)新科技、新技術(shù)。

為使“新工科”下大學(xué)物理改革的有效推進(jìn)，通過問卷星網(wǎng)絡(luò)設(shè)置問卷，對本校595名工科生學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：（1）教學(xué)內(nèi)容方面：對大學(xué)物理課程喜歡或一般喜歡的人數(shù)占89.24%，喜歡的原因主要有兩種，因?qū)ξ锢韮?nèi)容本身感興趣的占33.28%，而因?yàn)槲锢碇R應(yīng)用廣泛的比例為55.76%;另外不喜歡大學(xué)物理的學(xué)生中有52.27%是因?yàn)槲锢韮?nèi)容抽象;喜歡或一般喜歡演示實(shí)驗(yàn)比例為96.81%;可見提高物理課程的應(yīng)用性，增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)的使用率是廣大學(xué)生的需要。（2）教學(xué)方法、手段方面：贊成教師主講法的比例僅為24.87%，75.13%的同學(xué)渴望課堂參與討論;贊成不使多媒體的比例為6.05%，喜歡或一般喜歡網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的比例為76.64%?？梢?，參與討論及使用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的方式方法被大部分學(xué)生接受。（3）對用MATLAB編程軟件處理物理問題不會的比例高達(dá)71.26%，MATLAB軟件在科學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用，學(xué)生有必要學(xué)習(xí)它。除此以外，不少學(xué)生特別發(fā)生物理課程增加實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和應(yīng)用內(nèi)容的心聲。為滿足“新工科”理念的要求，為滿足學(xué)生的學(xué)生習(xí)興趣和需求，課程內(nèi)容、教學(xué)模式的改革勢在必行。

1 改革思路—豐富教學(xué)內(nèi)容，搭建三個教學(xué)平臺

新的教學(xué)模式需滿足學(xué)習(xí)者對知識應(yīng)用的需求，滿足學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的需求，能適應(yīng)“新工科”理念下綜合型、應(yīng)用型、創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)，充分利用好“互聯(lián)網(wǎng)”時代下的教學(xué)環(huán)境。搭建“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺”和“應(yīng)用教學(xué)平臺”，“網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺”三個教學(xué)平臺。三平臺共同激活主課堂（教室里面對面教學(xué)），以達(dá)到內(nèi)化物理基礎(chǔ)知識、培養(yǎng)創(chuàng)新意識的目的，其關(guān)系見圖1。其中，“應(yīng)用平臺”包括的內(nèi)容主要為物理理論的工程應(yīng)用部分和MATLAB在物理教學(xué)中的應(yīng)用部分;“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺”包括物理演示實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源整合及建設(shè)。這兩個平臺是主課堂的雙翼，也是促使知識內(nèi)化和實(shí)現(xiàn)課程間交叉融合的平臺。而“網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺”為教學(xué)環(huán)境平臺，承載各種教學(xué)資源，為主課堂的有效實(shí)施提供必要條件，也是師生課后交流的主要平臺。

2 精選教學(xué)內(nèi)容，完善平臺

1）實(shí)驗(yàn)資源建設(shè)，形成“物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺”。大學(xué)物理是基于實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，依據(jù)實(shí)驗(yàn)特征可將實(shí)驗(yàn)分為演示性、綜合性實(shí)驗(yàn)，演示性實(shí)驗(yàn)可以輔助物理知識點(diǎn)內(nèi)化，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)保駕護(hù)航。我校25套物理演示儀器可滿足課堂基本需求。也可以引進(jìn)更多的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目-見文獻(xiàn)[4]以提高教學(xué)效果。

2）應(yīng)用資源建設(shè)，形成“應(yīng)用教學(xué)平臺”。應(yīng)用資源包括工程應(yīng)用資源和MATLAB應(yīng)用資源。（1）物理知識滲透在工程技術(shù)各個領(lǐng)域，對工程應(yīng)用的鉆研。促進(jìn)物理理論的深刻理解，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用創(chuàng)新能力。因此首先要梳理各知識點(diǎn)，鉆研專業(yè)知識，提高教學(xué)內(nèi)容挑戰(zhàn)度。例如，運(yùn)動學(xué)中，分析討論球磨機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速問題[5]（涉及點(diǎn)周運(yùn)動知識點(diǎn)），衛(wèi)星定位問題（位矢，速度）;又例如，靜電場中，電容器傳感器工作過程（電容），高壓輸電線的電暈放電問題（電容、電場強(qiáng)度、電勢差），電器接地與危險區(qū)域問題分析（電勢、電勢差），氣體放問題（電離能）等等。這些都是較好的工程應(yīng)用的資源，有進(jìn)一步的研究價值。選好題材后，搜索視頻資源、圖片資源、文字資源，設(shè)計(jì)與物理和專業(yè)知識緊密相關(guān)的問題，為網(wǎng)絡(luò)平臺的順利搭建提供資源保障。（2）MATLAB軟件具備繪圖功能、數(shù)值計(jì)算、動態(tài)過程模擬等功能，在科研中應(yīng)用有廣泛的應(yīng)用，借助該編程軟件解決物理問題，有利于增強(qiáng)學(xué)生的計(jì)算應(yīng)用能力，為日后學(xué)習(xí)專業(yè)課、參加比賽（如全國數(shù)學(xué)建模競賽）、進(jìn)行科學(xué)研究鋪墊。MATLAB編程能使物理問題變得有趣，可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣，也實(shí)現(xiàn)了物理課程與MATLAB編程的交叉融合。例如：牛頓環(huán)干涉反射光的光強(qiáng)計(jì)算結(jié)果為：，結(jié)果較難看出光強(qiáng)分布情況，對光強(qiáng)公式進(jìn)行MATLAB編程，可得到牛頓環(huán)（圖2），程序中設(shè)置改變d值，使用while語句循環(huán)，還可以看到牛頓環(huán)的變化過程。在近100個模擬計(jì)算仿真項(xiàng)目中選擇難易適中的項(xiàng)目，構(gòu)成應(yīng)用教學(xué)平臺的一部分。

3）網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)。依托現(xiàn)在超星網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺，添加創(chuàng)新課堂、物理實(shí)驗(yàn)、模擬計(jì)算模塊，建設(shè)系統(tǒng)、有序的網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)生可以通過手機(jī)下載超星“學(xué)習(xí)通”進(jìn)行學(xué)習(xí)、互動，為主課堂、第二課堂教學(xué)活動開展提供教學(xué)環(huán)境平臺。

3 開展翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

通過以上平臺建設(shè)，借助平臺提供的資源與環(huán)境。進(jìn)一步對課堂教學(xué)模式進(jìn)行研究，精選教學(xué)內(nèi)容，擬建成“問題、研究、拓展、創(chuàng)新”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式。該模式提出對“結(jié)合工程應(yīng)用”和“滲透MATLAB應(yīng)用”的兩類知識模塊實(shí)施“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式。

結(jié)合工程應(yīng)用的教學(xué)資源存儲在“創(chuàng)新課堂”模塊。首先通過網(wǎng)絡(luò)平臺拋出問題，學(xué)生從“創(chuàng)新課堂”獲取問題，研讀背景知識、專業(yè)知識、觀看視頻等，按分配的小組（5人）任務(wù)，通過多種渠道獲得豐富資料，經(jīng)過討論，初步形成研究報告并上傳產(chǎn)生的問題，學(xué)生帶著問題共同進(jìn)入主課堂深入討論后，再在第二課堂（如小組自行安排的教室）總結(jié)、拓展、形成研究報告或小論文。結(jié)合MATLAB應(yīng)用的教學(xué)資源存儲在“模擬計(jì)算”模塊。學(xué)生從“模擬計(jì)算”模塊獲取分組任務(wù)后，觀看應(yīng)用實(shí)例視頻，分組查找MATLAB學(xué)習(xí)資料、討論，編寫程序，再進(jìn)入主課堂深入討論后，然后在第二課堂（如機(jī)房）上機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，形成實(shí)驗(yàn)報告。

最后教師選擇優(yōu)秀成果上傳至網(wǎng)絡(luò)平臺，組織學(xué)生撰寫課程論文。依學(xué)生掌握情況，組建創(chuàng)新小組，在校跟蹤，進(jìn)行科學(xué)研究，實(shí)施科技創(chuàng)新。

4 優(yōu)化課程評價方式

目前綜合成績?yōu)槟┛汲煽儯?0%）加平時成績（30%）。網(wǎng)絡(luò)視頻學(xué)習(xí)占平時成績30%，為了提高學(xué)生參與小組討論、參與第二課堂上機(jī)實(shí)驗(yàn)，平時成績應(yīng)將小論文和上機(jī)實(shí)驗(yàn)報告的成績占一定比例（如20%）。

5 結(jié)語

以翻轉(zhuǎn)課堂為教學(xué)特征，以“問題、研究、拓展、創(chuàng)新”為思維特征的教學(xué)模式符合當(dāng)代學(xué)生學(xué)習(xí)需求及認(rèn)知規(guī)律，可實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源利用最大化。新教學(xué)模式實(shí)施，需要教師熱愛教學(xué)。不辭辛勞地準(zhǔn)備大量適合學(xué)生水平的學(xué)習(xí)資源，精心設(shè)計(jì)問題，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主研究，鼓勵學(xué)生進(jìn)行探索性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新。

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