面向工程能力培養(yǎng)的大學物理教學模式創(chuàng)新

胡雪蘭，張艷峰，楊新湦，徐 舟

（中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300）

在新經(jīng)濟背景下，我國提出“新工科”建設方案，面向未來科學合理布局“新工科”專業(yè)，以多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才培養(yǎng)模式為主線，通過培養(yǎng)具備創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和跨界整合能力的工程科技人才，實現(xiàn)高等教育強國和中華民族偉大復興的中國夢?！丁笆濉眹覒?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》將“空天”領域列為需要超前布局和建設的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。此外，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020 年）》明確指出要建立高校分類體系。作為具有工科優(yōu)勢的行業(yè)院校，服務于國家戰(zhàn)略，承擔著滿足產(chǎn)業(yè)需求和面向未來發(fā)展，培養(yǎng)具有國際視野、通曉國際規(guī)則的復合型航空精英重任，帶動我國航空產(chǎn)業(yè)技術進步，推動航空業(yè)復興，為建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務，對豐富和推廣中外合作工程技術人才培養(yǎng)體系具有重要意義。

法國作為航空航天強國，在航空設計與制造領域獨樹一幟，形成了后工業(yè)化時代工程教育人才培養(yǎng)模式，其精英人才培養(yǎng)獲得國際社會廣泛認可。法國工程師善于把科學知識、技術能力和對人類現(xiàn)實的關懷結(jié)合起來，能夠革新、創(chuàng)新、掌握、主導很多主要領域的復雜工程項目，這與法國精英工程師教育體系是分不開的[1-7]。預科教學是法國精英工程師教學體系中不可或缺的一部分，為工程人才的培養(yǎng)奠定了基礎。我校中歐航空工程師學院（以下簡稱“中歐學院”）是經(jīng)教育部批準，與法國航空航天大學校集團合作成立的辦學機構(gòu)，旨在系統(tǒng)引進法國精英工程師教育理念和培養(yǎng)模式，培養(yǎng)兼具寬厚數(shù)理基礎、完備工程能力和綜合創(chuàng)新能力，勝任研發(fā)、設計、制造、適航、運行等航空全產(chǎn)業(yè)鏈工作的國際化復合型人才。中歐學院預科物理教學一直采用精英工程師教育體系中預科物理的教學大綱[8-10]，是中歐學院工程師階段推進系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與材料以及航空電子的基礎。在10 年的發(fā)展歷程中，不斷探索，初步形成了具有自身特色的工科基礎物理教學模式，并取得了一定的成效。

在我國，大學物理屬于高等教育中工科專業(yè)的公共基礎課。大學物理的設置是從專業(yè)需求出發(fā)，依據(jù)專業(yè)的不同其教學內(nèi)容不同。如物理學專業(yè)的大學物理涉及內(nèi)容比較廣，且程度比較深，課時安排較多。而工科如機電、航空宇航等專業(yè)的大學物理內(nèi)容則較淺，旨在培養(yǎng)學生對物理學的基本概念、基本理論、基本方法具有比較全面的認識和正確的理解，并具備初步的應用能力，使學生能夠較系統(tǒng)地打好必要的物理基礎，初步掌握科學的思維方式和研究問題的方法。

中歐學院所采用的法國預科物理教學體系在法國工程師教育和培養(yǎng)過程中有著與工科大學物理不同的教學目標和定位。法國預科教育屬于精英教育的一部分，受教育對象是高中畢業(yè)以后成績在前10%的學生。預科物理教學內(nèi)容包括力學、電子學（含數(shù)字電路）、電磁學、熱學、光學（幾何光學與波動光學）、流體力學和擴散理論等。通過預科物理的學習，學生能夠全面掌握物理學中的基本概念、基本理論和基本方法，準確地描述物理定律的推理過程，且熟練應用所學物理定律解決新的物理問題。開設本課程的作用和任務還在于使學生對今后理解工程師階段的課程，解決學生未來職業(yè)活動中的技術問題打下堅實的理論基礎，培養(yǎng)學生掌握科學有效的學習方法和解決新問題的能力，成為現(xiàn)代尖端技術領域有競爭力的工程師。

本文從教學內(nèi)容、教學方式方法以及考核方式這三個方面對國內(nèi)本科院校工科大學物理教學與中歐學院預科物理教學模式進行對比。通過分析總結(jié)希望能夠?qū)ξ覈こ虘眯腿瞬排囵B(yǎng)的大學物理教學有一定的啟發(fā)。

1 設置廣而深的教學內(nèi)容且課程難度逐年遞進

我國大部分高校的工科大學物理授課時間短且內(nèi)容廣而淺，教材選用的是力學、熱學、光學（不含幾何光學）、電學和原子物理5 部分融合在一起的大學物理教材。對于不同的專業(yè)設置不同的學習內(nèi)容，如電信專業(yè)對模擬電路、數(shù)字電路和高頻電路等課程進行學習，而發(fā)動機專業(yè)則對工程熱力學和流體力學進行深入學習。預科物理教學是法國工程師培養(yǎng)體系中一個重要的環(huán)節(jié)。預科第一年教學大綱分為 MPSI、PCSI、PTSI[7]，預科第二年分為MP/MP*、PSI/PSI*、PC/PC*和PT/PT*。其中M 是指數(shù)學，P 是指物理，C是指化學，T 是指技術，SI 是指工程科學。中歐學院引進了法國精英預科教育模式，并按法國教育部頒布的預科物理統(tǒng)一教學大綱實施教學。大一和大二物理采用的是PCSI 教學大綱，大三物理選用PSI 教學大綱，這兩個教學大綱較為偏重物理和化學知識的學習，即物理化學所占課時較多。為培養(yǎng)學生具有系統(tǒng)的、堅實的物理基礎，系統(tǒng)的思維能力和有效的處理問題能力奠定了基礎。表1 展示了中歐學院預科與中國民航大學和北京航空航天大學工科物理教學內(nèi)容及課時對比。

表1 工科專業(yè)大學物理教學內(nèi)容及課時對比匯總表 學時

由表1 可以看出，我校飛動專業(yè)的基礎物理教學為120 學時，北京航空航天大學飛動專業(yè)基礎物理教學為141 學時，而中歐學院預科物理理論課教學為456學時，另外還有208 學時的習題指導課。課時上的巨大差距反映了教學內(nèi)容和教學深度的差距。此外，中歐學院預科物理教學內(nèi)容安排范圍廣且程度深，理論課的課時數(shù)遠超過工科大學物理的課時數(shù)，學生需要在短時間內(nèi)掌握大量的知識，這樣高強度的學習也迫使學生養(yǎng)成高效的學習習慣。

預科物理教學分布在三個學年中，圖1 為具體的教學內(nèi)容。以力學為例，大一涉及質(zhì)點運動學、動力學基本原理、功和能的關系以及自由諧振子與相圖等，共28 學時。大二則為動量矩定理、受迫諧振子與相圖、非慣性系力學等，共48 學時。大三則為流體運動學、流體動力學及守恒定律的應用等，共40 學時。每年都會涉及力學模塊的內(nèi)容，并且講授深度是逐年增加的。這是預科物理教學的另一個特點，有利于學生對于新知識的接受以及對已學知識的鞏固。

教學目的不同，決定了講授深度及對學生學習要求的不同。在教學目的上，工科大學物理在教學過程中注重基本原理及其在簡單的模型化問題中的應用，對不同專業(yè)再進行深入的學習。中歐學院預科物理重在培養(yǎng)學生對物理問題模型建立、定律/定理的得出和推導方法的掌握。一些模塊的教學內(nèi)容安排和教學深度與我國高校物理專業(yè)普通物理相近，而一些模塊如力學、熱學、電子學等甚至高于物理專業(yè)的普通物理。例如在預科物理的力學模塊教學中涉及的非慣性參考系中運動的研究屬于我國理論力學的課程內(nèi)容，流體力學則屬于一些專業(yè)的專業(yè)基礎課教學內(nèi)容；熱學模塊中的非平衡態(tài)、開放系統(tǒng)則屬于工程力學的教學內(nèi)容；電子學基礎和幾何光學在大學物理中并沒有涉及，而僅僅在相關專業(yè)如電子學專業(yè)和光學專業(yè)中通過專業(yè)基礎課完成相關知識的學習。此外，中歐學院預科物理在習題指導課、課外作業(yè)和考試的選題上大多源于較復雜的實際問題的模型，在難度上也高于普通物理。學生通過學習必須能夠準確地推導基本的物理定律，在使學生具備深厚的物理基礎的同時，也初步培養(yǎng)了學生在未來專業(yè)領域內(nèi)所應具備的科學、嚴謹?shù)膽B(tài)度。

2 建立傳統(tǒng)與現(xiàn)代相結(jié)合的教學模式，注重工程能力培養(yǎng)的多樣化教學環(huán)節(jié)

中歐學院預科物理的教學內(nèi)容及要求更接近物理專業(yè)的基礎課要求，更強調(diào)物理思維的培養(yǎng)。教學要求不同，所需的教學方式和教學安排不同。

近年來，由于大學物理課時的減少，國內(nèi)工科大學物理只能采用多媒體教學（如PPT）為主、板書為輔的教學方式。借助PPT 講授大部分的理論知識，僅在涉及必要的推導時采用板書。實際上，對于物理課而言，PPT 教學不利于學生對知識的接收和掌握。中歐學院預科物理大課教學則始終保持板書為主、多媒體為輔的教學方式。在預科物理的教學課堂上，概念的引入、定理的推導和具體應用，這些內(nèi)容都是通過板書的形式完成的。受條件所限，在課堂上無法進行一些必要的演示實驗，我們則利用多媒體演示，幫助學生對于一些抽象概念的理解，激發(fā)學生的好奇心和求知欲。

在教學組織上，國內(nèi)普通工科大學物理教學多采用大班上課。以我校為例，大學物理的教學在120 人以上，教師一般采用理論課穿插講解例題和習題指導的方式。中歐學院預科物理的教學除了理論課之外，還有與理論課約為1∶2（不同年級略有差異）配套的習題指導課，習題指導課采用小班教學，每班通常25人。習題指導課時相比于國內(nèi)大學物理所占比例要多，小班授課可以讓教師更好地與學生互動，從而調(diào)動學生參與教學活動的積極性和主動性，使得授課教師能夠更好地掌握學生的學習狀態(tài)，提升教學效果，這一點與美國伊利諾伊大學香檳分校的大學物理課堂有著相同之處[11]。

中歐學院預科物理在習題的選題上與國內(nèi)工科大學物理的課后習題有很大不同。習題課作為大課的補充，一方面幫助學生鞏固課堂知識，考查學生對課堂知識的掌握，另一方面也是為了培養(yǎng)學生利用所學知識解決實際問題的能力。習題課題目都是主講教師精心設計的，在選題時教師要考慮很多因素，比如課堂的重要知識點都要有相應的題目；習題的順序安排要與課堂知識的講解同步；所出題目要有層次感，既要有考查學生對課堂知識的了解情況的基礎題，也要有能體現(xiàn)學生運用課堂知識解決物理問題的中等難度的題目，還要有培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的高難度題目。此外，考慮到具體工程應用與物理模型和數(shù)學模型之間的差異，需讓學生接受和理解物理中合理的假定，習題課題目中還會對大課中一些假定近似進行補充，以下是習題課案例展示。

在大課上所講的繩子振動模型有許多假定，其中一個假定是忽略繩子的重力。在這道題中我們要驗證在僅考慮繩子豎直方向的運動時是合理的。繩子的線質(zhì)量密度為lμ ，繩子有拉力T 使其張緊。

（1）首先，這里認為重力不是所有的情況下都是可以忽略的。在考慮重力影響的情況下，對繩子中的一小段長度微元dx 進行受力分析，列出運動方程；

（2）在什么情況下重力是可以忽略的？

（3）我們考慮下面兩種情況：

a.繩子的線密度大小為μl=2.0×10-4kg?m-1，一段系有100g 的砝碼。

b.金屬繩的體積質(zhì)量為μl=7.2×103kg?m-3，截面為直徑是1mm 的圓，T 為3 000 N。

繩子一端振動頻率為100 Hz，確定這兩種情況下重力可以忽略時振動振幅所需滿足的條件。

通過這道題的第一問，讓學生對繩子的微元進行受力分析，我們可以對課堂內(nèi)容進行回顧。由動力學基本原理列出運動方程后可以得到不是所有的情況下重力都可以被忽略，而是滿足也只有忽略重力的影響時，我們才能得到達朗貝爾方程。通過第三問，我們進一步推導，當簡諧行波頻率一定時，振幅需要大于一定的值才能忽略重力的影響。也就是對于水平方向靜止的繩子，重力能否被忽略取決于振動頻率和振動的振幅，與其他物理量無關。通過這道題，不僅復習了課堂內(nèi)容，又補充了堂中在推導達朗貝爾方程時所作的假定條件，幫助學生更深刻地理解課堂內(nèi)容。

除了習題課輔助課堂內(nèi)容之外，還會按照模塊定期給學生布置家庭作業(yè)。而作業(yè)的題目也不是傳統(tǒng)教學中的課后習題，而是主講教師根據(jù)課堂內(nèi)容，選用綜合的案例在習題課教學基礎上，設計難度更高、范圍更廣、趣味性更強的家庭作業(yè)題目，對培養(yǎng)學生物理知識的綜合運用能力和創(chuàng)新思維能力更有幫助。例如，將力學中的經(jīng)典實驗傅科擺的研究設計為課外作業(yè)。所出一道題目中多個設問的難易程度具有階梯性，一般包含對課程內(nèi)容的回顧，課程中基本原理的應用，對定律、定理的深入研究。教師布置家庭作業(yè)的目的不僅是對課上知識點的練習，更可提高學生的理解力、邏輯思維能力以及獨立解決綜合性問題的能力。另外，我們還希望通過家庭作業(yè)激發(fā)學生對物理的興趣，拓展知識面、開闊視野?；谶@個初衷，我們從法國工程師學校入學考試題目中選擇與課堂內(nèi)容和實際應用相關聯(lián)的綜合類題目，通過所學知識建立模型，然后逐步考慮實際因素的影響，促使學生運用自己所學知識解決復雜的實際問題。此外，家庭作業(yè)可要求學生以小組方式完成（2～3 人/組），學生也可自由選擇自己的合作伙伴，以便互相討論和研究，這樣做可以有效訓練學生的團隊協(xié)作精神?？己藰藴什粌H是檢查學生是否完成了題目，還要求家庭作業(yè)具有可閱讀性，即要求書寫整齊、表述清晰、推導的每一步理由明確、邏輯性強。這樣經(jīng)過三年的鍛煉，學生的書面表達能力也得到很好的提高。

借鑒法國預科物理教育模式，預科物理教學引入了物理口試環(huán)節(jié)。這是通過具有一定難度的題目對學生的學習效果進行測試，其形式與傳統(tǒng)意義的口試不同?？谠囈髮W生分成2～3 人一組，每組學生每兩周參加1 h 的物理口試，學生需要向教師講解解題思路、方法等。教師則根據(jù)學生在講解過程中涉及的知識點進行提問，通過對問題的提問，判斷學生對知識點掌握的正確性及深度。這一教學環(huán)節(jié)不僅能考查學生對近期所學知識的掌握程度，而且能夠使教師及時了解課堂采用的教學方法及教學內(nèi)容是否適宜。因此，口試的反饋信息對課堂教學效果的改善能夠起到積極的推動作用。

大班理論課、習題指導課、課后綜合作業(yè)、定期口試構(gòu)成了中歐學院預科物理教學全方位、立體化的教學組織體系（見圖2），保證了培養(yǎng)學生具備深厚的物理基礎、系統(tǒng)思維和解決復雜工程問題的能力。

圖2 中歐學院預科物理教學組織體系

3 采用多形式的考核方式及全面、客觀的學業(yè)評審制度

為了保證學生學習的規(guī)律性，中歐學院預科物理教學采用的是進程式考核方式，包括定期口試、家庭作業(yè)、期中考試和期末考試。每學期三次考試加權平均綜合口試成績?yōu)槠谀┛偝煽儭?/p>

進程式考核方式可以及時對學生學習效果及對教師的授課接受度進行反饋。每學期三次考試對學生平時的學習是一種有效的督促，考試前沒有固定的考前復習時間，這就要求學生緊跟課程進度，有利于培養(yǎng)學生養(yǎng)成持之以恒的學習習慣，而不是期末考試前“臨陣磨刀”。另外，期末總成績除了三次考試的卷面成績外，還包括口試的成績。口試不只要求學生解題，還要求學生能夠把自己的思路清晰地表達出來。這樣，既提高了學生系統(tǒng)掌握所學知識的能力，又鍛煉了學生規(guī)范、準確的表達能力。

除考試之外，每學期末學院組織學業(yè)評審委員會會議對學生的學業(yè)進行評審，所有任課教師和學生代表參加此項會議。會議主要討論學生在本學期學習中存在的問題，就學生的各科學習成績、學習態(tài)度、學習能力及潛力進行全面分析。對在學習中存在嚴重問題的學生進行警告，或者建議轉(zhuǎn)專業(yè)。這種學業(yè)評審制度對于端正學生的學習態(tài)度，保持持之以恒的學習狀態(tài)能起到很好的鞭策作用。

4 結(jié)語

圍繞國家急需的航空工程領域人才需求，中歐學院貫徹“融合中法教育理念，創(chuàng)新本土化工程教育模式，持續(xù)提高培養(yǎng)質(zhì)量”的指導思想，以“培養(yǎng)具有深厚數(shù)理基礎、系統(tǒng)思維、寬廣專業(yè)領域知識，并具有卓越工程實踐與創(chuàng)新能力、跨文化交流與溝通能力的復合型航空工程技術與管理人才”為培養(yǎng)目標，為民用航空運行維護、技術研發(fā)以及國家航空裝備設計與制造輸送人才。工程教育對物理的要求是強調(diào)物理知識的牢固性和對物理思維的培養(yǎng)。物理是一門解析物質(zhì)運動一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的課程。因此，在教學內(nèi)容的安排、教學方式的組織上都應遵循物理課程本身的固有特點。在授課過程中，中歐學院預科物理注重對物理現(xiàn)象的總結(jié)、物理原理的引入及推導、模型的建立，重在讓學生理解定理的由來和應用。在為學生工程師階段的學習打下堅實的物理基礎的同時，培養(yǎng)學生高效的學習能力，為工科人才所需要的持續(xù)發(fā)展能力的培養(yǎng)奠定基礎。

經(jīng)過10 年的教學實踐、不斷探索，教學效果顯著，培養(yǎng)了一批具有扎實物理基礎的學生。在中歐學院預科階段結(jié)束后，學生在參加法國工程師學校外籍學生招生考試中取得了很好的成績，連續(xù)幾年均有學生被法國巴黎綜合理工學校錄取。畢業(yè)生就業(yè)情況良好，受到用人單位“基礎扎實、上手快、學習能力強、善于解決實際問題”的好評。