基于“新工科”的工科物理作業(yè)模式研究

李海寶 熊紅彥 李海燕 張興華 張 琳 李 娜

(1黑龍江科技大學(xué)理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 2河北工程大學(xué)數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 3黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022； 4黑龍江科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

2018年1月，教育部高等教育司對(duì)部屬高校、各省級(jí)教育行政部門、理工專業(yè)類教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)以及相關(guān)行業(yè)協(xié)(學(xué))會(huì)擇優(yōu)推薦的國(guó)家級(jí)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目，進(jìn)行了公示，公示結(jié)果顯示，認(rèn)定了612個(gè)項(xiàng)目為國(guó)家級(jí)新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目[1]。這標(biāo)志著以“新工科”為核心的教學(xué)改革，已經(jīng)到達(dá)了 “北京指南”的行動(dòng)階段?！靶鹿た啤表攲咏虒W(xué)改革的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)課程的主動(dòng)適應(yīng)性改革的驅(qū)動(dòng)效應(yīng)正在逐步顯現(xiàn)。

中國(guó)工程院院士、天津大學(xué)校長(zhǎng)鐘登華先生對(duì)新工科的內(nèi)涵是：“以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才?！盵2]在此內(nèi)涵背景下，以“新工科”為核心的課程教學(xué)改革，至少應(yīng)該落實(shí)以學(xué)生為中心的理念，知識(shí)體系導(dǎo)向性重構(gòu)、加大學(xué)生選擇空間，增強(qiáng)師生互動(dòng)，改革教學(xué)方法和考核方式，推進(jìn)信息技術(shù)和教育教學(xué)深度融合為切入點(diǎn)。作業(yè)是評(píng)估學(xué)生學(xué)習(xí)效果、鞏固所學(xué)知識(shí)的基本工具和考核方式，因此對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)模式進(jìn)行主動(dòng)適應(yīng)性改革是必要的。

1 改革傳統(tǒng)作業(yè)模式的必要性

根據(jù)“新工科”理念，要求在教學(xué)中要把握新工科人才的核心素養(yǎng)，注重培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維、工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，溝通協(xié)商能力和工程領(lǐng)導(dǎo)能力等[3]。作為教學(xué)中不可或缺的作業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)作業(yè)模式已不能與“新工科”內(nèi)涵要求相適應(yīng)。

首先，從傳統(tǒng)作業(yè)的目的性上看，傳統(tǒng)作業(yè)的基本目的是通過對(duì)某一公理、定理、定律或推論的驗(yàn)證或簡(jiǎn)單應(yīng)用，來完成對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果進(jìn)行鞏固和評(píng)估。當(dāng)然，我們不能否認(rèn)傳統(tǒng)作業(yè)的這一根本目的，但是這個(gè)目的是單一的。根據(jù)新工科人才的核心素養(yǎng)內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維、工程思維、批判性思維，以及數(shù)字化思維也是教學(xué)目的。學(xué)生僅完成傳統(tǒng)作業(yè)，這些能力則不能很好反映，教師也很難通過傳統(tǒng)作業(yè)對(duì)學(xué)生這些能力做出客觀評(píng)估。

其次，從傳統(tǒng)作業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容上看，局限于對(duì)某一公理、定理、定律或推論的驗(yàn)證或簡(jiǎn)單應(yīng)用，這樣的作業(yè)在今天看來其內(nèi)容是不夠豐富的。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，基礎(chǔ)課程、通識(shí)課程中的經(jīng)典作業(yè)題目，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上隨處可見。因此，在作業(yè)安排中，如果僅限于對(duì)經(jīng)典題目的布置，則缺少作業(yè)吸引力，缺少挑戰(zhàn)性，已經(jīng)不能很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，特別是對(duì)于那些自學(xué)能力較強(qiáng)的學(xué)生。千篇一律的作業(yè)內(nèi)容，也不能適應(yīng)學(xué)生碎片化、多元化、個(gè)性化等學(xué)習(xí)行為的轉(zhuǎn)變。

最后，從傳統(tǒng)作業(yè)設(shè)計(jì)的載體上看，一般局限于在紙介上推演，學(xué)生完成作業(yè)的形式是單一的，至少在信息化與傳統(tǒng)教學(xué)深度融合方面，存在提升的空間。受單一完成手段限制，傳統(tǒng)作業(yè)題目的解題過程，存在過度簡(jiǎn)化的情形，表現(xiàn)在經(jīng)常是對(duì)其中的一個(gè)特例進(jìn)行解答。學(xué)生批判性思維和數(shù)字化思維的培養(yǎng)受到限制。

2 基于“新工科”的工科物理課程作業(yè)模式

基于傳統(tǒng)作業(yè)模式改革的必要性，我們提出“新工科”的工科物理課程作業(yè)模式，這一模式以從具體課程角度盡可能地體現(xiàn)新工科人才的核心素養(yǎng)為首要，真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為中心。從作業(yè)的頂層思想、內(nèi)容設(shè)計(jì)、載體形式等方面，完成新模式的構(gòu)建。

2.1 圍繞核心知識(shí)點(diǎn)構(gòu)建作業(yè)綜合體

無論是傳統(tǒng)作業(yè)模式，還是“新工科”的工科物理課程作業(yè)模式，都應(yīng)圍繞核心知識(shí)點(diǎn)來設(shè)計(jì)作業(yè)題目。不同的是“新工科”作業(yè)模式的每一例題目都應(yīng)該設(shè)計(jì)成一個(gè)目的多元的作業(yè)綜合體，使學(xué)生在完成作業(yè)過程中能從多個(gè)方面得到鍛煉或收獲，也可以根據(jù)自身的學(xué)習(xí)興趣關(guān)注題目的不同側(cè)面。

我們這里的“目的多元”指的是教師預(yù)設(shè)的、學(xué)生通過完成一個(gè)或若干個(gè)具體的作業(yè)題目過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)知識(shí)鞏固、靈活運(yùn)用、視野拓展、技能鍛煉、工程意識(shí)培養(yǎng)等多重教學(xué)目標(biāo)的總稱，具體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的數(shù)量是依據(jù)知識(shí)點(diǎn)重要性以及知識(shí)點(diǎn)在課程內(nèi)容體系中的位置來確定。根據(jù)新工科人才核心素養(yǎng)要求，筆者認(rèn)為作業(yè)綜合體應(yīng)包括以下細(xì)分目標(biāo)：

(1) 通過解答題目能夠鞏固知識(shí)技能；

(2) 學(xué)生能了解作業(yè)題目的工程背景；

(3) 學(xué)生能夠受到作業(yè)題目的啟發(fā)；

(4) 可以嘗試?yán)脭?shù)學(xué)仿真軟件建立模型；

(5) 緊密聯(lián)系接續(xù)課程(對(duì)接專業(yè))；

(6) 圍繞題目的探索性認(rèn)知。

以核心知識(shí)點(diǎn)電容器與電容為例，簡(jiǎn)述這一設(shè)計(jì)過程?？梢詮闹悄苁謾C(jī)待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短這一公眾話題導(dǎo)入，為作業(yè)題目預(yù)設(shè)工程背景。作業(yè)題目的選擇可以圍繞計(jì)算電容和討論影響電容值的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)或選取[4]。結(jié)合學(xué)生接續(xù)課程，我們?cè)O(shè)計(jì)了一例關(guān)于在電路中存在多個(gè)電容器、電介質(zhì)插入而計(jì)算等效電容的作業(yè)題目，題目可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算推理，也可以利用數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行仿真推演和圖形化，達(dá)到鞏固知識(shí)技能和滿足部分學(xué)生嘗試?yán)镁幊探鉀Q問題的目的。同時(shí)為學(xué)生布置文獻(xiàn)查閱任務(wù)，以平行板電容器為突破口，討論影響電容的參量，讓學(xué)生了解當(dāng)前科學(xué)研究的切入方向、技術(shù)上的突破、市場(chǎng)價(jià)值的開啟等，就是圍繞選取合適的材料、優(yōu)化參數(shù)展開的，而在3個(gè)影響電容的參量當(dāng)中，增加表面積和減小極板間距是一個(gè)重要切入點(diǎn)。

最后，結(jié)合雙電層型超級(jí)電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)案例，引導(dǎo)學(xué)生討論在科學(xué)研究、技術(shù)發(fā)明、工程實(shí)踐中，“發(fā)現(xiàn)”一些基本物理原理在創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富方面的價(jià)值[5-7]，形成文本報(bào)告。

2.2 基于作業(yè)綜合體構(gòu)建新媒體作業(yè)形式

從傳統(tǒng)作業(yè)設(shè)計(jì)的載體上看，一般局限于在紙介上推演，學(xué)生完成作業(yè)的形式是單一的。紙介版作業(yè)還存在學(xué)生相互抄襲的現(xiàn)象，教師僅憑作業(yè)不能對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。為使學(xué)生在完成作業(yè)綜合體過程中，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，教師需要為學(xué)生設(shè)計(jì)一套多種媒體相融合的新媒體形式。即圍繞核心知識(shí)點(diǎn)和學(xué)生核心素養(yǎng)要求，構(gòu)建起視頻演說、文本報(bào)告、設(shè)計(jì)方案、數(shù)字仿真等形式組合的數(shù)字化作業(yè)體系。

首先，實(shí)施了視頻作業(yè)辦法，即要求學(xué)生將要完成的作業(yè)錄制成一個(gè)獨(dú)立的演說視頻。為了保證實(shí)施效果，我們制定詳細(xì)的實(shí)施辦法。辦法中包括實(shí)施方案的意義、實(shí)施的范圍、錄制要求、激勵(lì)與約束措施等細(xì)則。在實(shí)施過程中，看到學(xué)生獨(dú)立完成一次視頻作業(yè)，需要對(duì)題目所涉及的基礎(chǔ)知識(shí)和技能熟練掌握，同時(shí)也必須具備一定的推演和表達(dá)能力，以及團(tuán)隊(duì)協(xié)作、組織編排等能力。教師通過調(diào)閱學(xué)生遞交的視頻作業(yè)，能夠得到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況的真實(shí)信息。

第二，增加能充分體現(xiàn)主觀性的文本報(bào)告、設(shè)計(jì)方案環(huán)節(jié)。在作業(yè)中，我們給學(xué)生一份指導(dǎo)性提綱。學(xué)生緊密結(jié)合自己的專業(yè)學(xué)習(xí)，尋找物理學(xué)知識(shí)與所學(xué)專業(yè)課程的緊密聯(lián)系[8，9]；或者緊密結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際，尋找物理學(xué)原理在生活與工程實(shí)際中的應(yīng)用，最終形成一份圍繞核心知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)短讀書報(bào)告。此外，很多經(jīng)典的作業(yè)題目其實(shí)來源于工程實(shí)際，或者可以找到工程背景，但幾經(jīng)抽象、演變其工程色彩淡化，以至完全脫離了工程背景。因此，我們?yōu)橐恍┙?jīng)典題目進(jìn)行了工程背景的預(yù)設(shè)或說明；圍繞作業(yè)題目，深入挖掘其思想性、啟發(fā)性，賦予其工程色彩，主動(dòng)適應(yīng)學(xué)生碎片化、多元化、個(gè)性化等學(xué)習(xí)行為的改變，幫助學(xué)生樹立探索意識(shí)。

第三，為學(xué)生設(shè)計(jì)虛擬仿真計(jì)算環(huán)節(jié)。熟練掌握一門數(shù)學(xué)仿真軟件對(duì)理工科學(xué)生來說也是十分必要。然而，工科物理開設(shè)在低年級(jí)，學(xué)生接觸到的數(shù)學(xué)軟件和程序編寫能力十分有限。在作業(yè)布置中，我們選擇一些能夠使用flash，模塊化、Matlab GUI工具箱式的編程的作業(yè)題目[10-12]，鼓勵(lì)學(xué)生制作一些學(xué)生樂見的動(dòng)畫或小仿真程序，融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)或數(shù)學(xué)參數(shù)化分析，利于學(xué)生對(duì)作業(yè)題目的深入理解、所學(xué)知識(shí)的全景透視，實(shí)現(xiàn)討論和結(jié)論的可視化，對(duì)培養(yǎng)數(shù)學(xué)思維、數(shù)字思維有益。

2.3 圍繞學(xué)生志趣制定作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法

學(xué)生的志趣不同，使得他們?cè)谕瓿尚旅襟w作業(yè)過程中，側(cè)重會(huì)有所不同?；竟υ鷮?shí)、語言表達(dá)能力強(qiáng)的學(xué)生，在視頻演說環(huán)節(jié)會(huì)表現(xiàn)良好；計(jì)算機(jī)仿真能力強(qiáng)的學(xué)生，則會(huì)在數(shù)字模擬環(huán)節(jié)表現(xiàn)出色；而文字表達(dá)能力強(qiáng)的學(xué)生則在文本報(bào)告環(huán)節(jié)會(huì)有與眾不同的表現(xiàn)……。因此，建立起體現(xiàn)學(xué)生志趣的作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)辦法是必要的。為此，我們建立起多種媒體作業(yè)形式全面覆蓋、志趣權(quán)重各異的分類評(píng)價(jià)辦法或標(biāo)準(zhǔn)。全面覆蓋是“新工科”人才核心素養(yǎng)的必然要求，而志趣權(quán)重各異則是因材施教、突出學(xué)生志趣的必然選擇。學(xué)生在滿足最基本的學(xué)習(xí)要求基礎(chǔ)上，可以自主選擇評(píng)價(jià)辦法的類別。

2.4 不同評(píng)價(jià)方式的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接

為實(shí)現(xiàn)分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)接，首先，我們?cè)谄綍r(shí)成績(jī)考核這一環(huán)節(jié)制定了若干細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)。這些細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)制定的原則是：

(1) 保持每名同學(xué)平時(shí)考核總分不變；

(2) 每一細(xì)分標(biāo)準(zhǔn)中均包含基礎(chǔ)和自選兩大模塊。

(3) 基礎(chǔ)模塊對(duì)所有學(xué)生是相同的，以保證學(xué)生獲得圍繞核心知識(shí)點(diǎn)的基本知識(shí)、基本思想和方法；自選模塊則由學(xué)生根據(jù)自己的志趣，自由選擇其中如視頻演說、文本報(bào)告、設(shè)計(jì)方案、數(shù)字仿真等細(xì)目，以突出因材施教和促進(jìn)志趣發(fā)展。

(4)平時(shí)成績(jī)由學(xué)生在基礎(chǔ)模塊取得的成績(jī)和自選模塊取得的成績(jī)組成。其中，自選模塊的成績(jī)，根據(jù)學(xué)生選擇的細(xì)目數(shù)量，加權(quán)計(jì)入，即保證每位同學(xué)都能將自己的擅長(zhǎng)作為成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)的一項(xiàng)依據(jù)。

第二，我們?cè)趯W(xué)期末考試試題設(shè)計(jì)方面，進(jìn)行了同步改革，例如，我們?yōu)榭荚囶}目營(yíng)造工程背景，學(xué)生通過閱讀背景材料獲得解答題目所需要的信息，實(shí)現(xiàn)平時(shí)作業(yè)與期末考試有效銜接。

第三，我們積極利用各種學(xué)生能力培養(yǎng)與鍛煉平臺(tái)，如校內(nèi)堅(jiān)持20多年的大學(xué)物理科技創(chuàng)新活動(dòng)、大學(xué)物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、東北地區(qū)大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競(jìng)賽、全國(guó)青年科普創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)暨作品大賽等，鼓勵(lì)學(xué)生參加這些比賽，獲得理論與實(shí)踐結(jié)合、綜合鍛煉的機(jī)會(huì)。

3 基于“新工科”的工科物理課程作業(yè)模式的改革成效

我們進(jìn)行教學(xué)對(duì)比試驗(yàn)，通過對(duì)理工科大學(xué)物理課程作業(yè)模式的改革，在試驗(yàn)班中分別進(jìn)行了橫向和縱向比較。2016級(jí)全校理工科合計(jì)106個(gè)自然班，兩個(gè)學(xué)期教學(xué)任務(wù)，選取不同專業(yè)8個(gè)自然班進(jìn)行了教學(xué)實(shí)驗(yàn)。為了相對(duì)客觀說明問題，我們以卷面成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將實(shí)施作業(yè)模式的改革班級(jí)標(biāo)記為A、B、C、D、E、F、G、H。

其中為了橫向比較，A、B、C、D 4個(gè)自然班兩個(gè)學(xué)期均實(shí)施作業(yè)模式改革。兩個(gè)學(xué)期的期末考試卷面成績(jī)表明，A、B、C 3個(gè)自然班均位列前3名，D自然班第一個(gè)學(xué)期排第6名，第二個(gè)學(xué)期排第5名；兩個(gè)學(xué)期縱向比較，盡管名次基本穩(wěn)定，但第二學(xué)期的平均成績(jī)明顯提高。

為了縱向比較，E、F、G、H這4個(gè)自然班，第一學(xué)期采用傳統(tǒng)的作業(yè)模式，第二學(xué)期采用新模式。統(tǒng)計(jì)兩個(gè)學(xué)期期末卷面成績(jī)發(fā)現(xiàn)，E班從第一學(xué)期的第75名，上升至第17名；F班從第90名上升至第32名；G班從第89名上升至第64名；只有H班排名沒有變化，仍位于第80名。僅從卷面成績(jī)上看，似乎H班沒有取得預(yù)期效果，但事實(shí)上是H班參加物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、設(shè)計(jì)方案等環(huán)節(jié)的獲獎(jiǎng)比例數(shù)是最高的，超過50%(其他班級(jí)10%左右)。

對(duì)8個(gè)自然班第二學(xué)期期末考試卷面成績(jī)超過90分的學(xué)生數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，達(dá)到25人，全校合計(jì)有97人，試驗(yàn)班的優(yōu)秀率顯著高于傳統(tǒng)班；如果將平時(shí)成績(jī)計(jì)入，特別是將參加物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽、設(shè)計(jì)方案等成績(jī)計(jì)入后，試驗(yàn)班總評(píng)優(yōu)秀率更是上升到全校優(yōu)秀率的1/3，且全部位于前列。

通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)新作業(yè)模式非常歡迎，90%以上學(xué)生對(duì)視頻演說形式的作業(yè)印象深刻，完成一道題的講解，除了基本知識(shí)和技能得到鞏固外，還能在語言表達(dá)、縝密思維等方面得到有效鍛煉，這種感受甚至是終身難忘的；70%以上的學(xué)生認(rèn)可設(shè)計(jì)方案和數(shù)字仿真形式的作業(yè)，覺得這一形式新穎，對(duì)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用和編程很有幫助；參加各類競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的學(xué)生認(rèn)為新形式的物理作業(yè)，對(duì)他們的文筆表達(dá)和科學(xué)論述起到非常有效的鍛煉作用，能讓他們對(duì)競(jìng)賽不再陌生和畏懼。

4 結(jié)語

“新工科”對(duì)基礎(chǔ)課程教學(xué)改革影響是全方位的，對(duì)課程教學(xué)的影響剛剛開始顯現(xiàn)，作為評(píng)估反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果的作業(yè)環(huán)節(jié)，為了主動(dòng)適應(yīng)“新工科”人才核心素養(yǎng)內(nèi)涵需求，筆者認(rèn)為應(yīng)該從作業(yè)目的的多元性、內(nèi)容豐富性、完成手段的多樣性等角度切入研究，構(gòu)建新媒體作業(yè)形式。僅以實(shí)施的視頻作業(yè)辦法為例，筆者認(rèn)為視頻作業(yè)是教育信息化背景下，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)、思維、組織、表達(dá)、設(shè)計(jì)、審美，以及團(tuán)隊(duì)合作等綜合能力，進(jìn)行訓(xùn)練和考查的理想載體，是促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、主動(dòng)思考、創(chuàng)意設(shè)計(jì)的重要媒介。一般而言，一名學(xué)生(或幾名學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì))成功完成一份較理想的視頻作業(yè)，前面所述的這些能力所對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)是必須經(jīng)歷的。站在教師角度，教師通過審閱學(xué)生所提交的視頻作業(yè)，能夠?qū)W(xué)生的這些能力進(jìn)行評(píng)估和學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)，從而對(duì)教學(xué)過程做出更加科學(xué)的判斷，而學(xué)生能夠獲得交叉與融合、數(shù)字化思維、溝通協(xié)商、自主學(xué)習(xí)等能力。這些正是“新工科”人才核心素養(yǎng)內(nèi)涵需求的客觀要求。