面向“新工科”的“大學(xué)物理”教學(xué)內(nèi)容改革與實踐

胡益豐　朱小芹　鄒華

摘 ? ?要：針對當(dāng)前“新工科”背景下專業(yè)人才培養(yǎng)方案建設(shè)需要，提出對“大學(xué)物理”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深層次改革。具體措施包括：刪減部分過時的教學(xué)內(nèi)容，新增與當(dāng)代科技緊密聯(lián)系的教學(xué)模塊;增加與信息技術(shù)、人工智能、智能制造相關(guān)的物理應(yīng)用案例;突出課程考核中的能力考評。通過改革和實踐，全面提升了“大學(xué)物理”課程的時代性、針對性和網(wǎng)絡(luò)性，使其能夠更好地服務(wù)于“新工科”人才培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：新工科;大學(xué)物理;教學(xué)改革;教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）02-0094-06

“大學(xué)物理”是高校電信、計算機、機械、材料、化工等傳統(tǒng)工科專業(yè)的通識教育基礎(chǔ)課程，該課程與工科專業(yè)具有緊密的聯(lián)系，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力上發(fā)揮著舉足輕重的作用。[1-2]近年來，“新工科”的概念逐漸受到大家的重視。“新工科”專業(yè)是在新的國家戰(zhàn)略規(guī)劃發(fā)展需求、新的市場競爭模式及新的立德樹人要求基礎(chǔ)上提出的工程項目領(lǐng)域迫切需要的專業(yè)。[3-4]由于與現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)緊密聯(lián)系，“新工科”更強調(diào)專業(yè)知識的應(yīng)用性、與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的交叉性以及與傳統(tǒng)制造業(yè)技術(shù)的結(jié)合性。[5-6]它主要涉及的新工科專業(yè)有：計算機科學(xué)與智能控制、大數(shù)據(jù)與信息科學(xué)技術(shù)、機器人工程以及智能數(shù)控等[7]，同時，也包括對傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級改造，其培養(yǎng)的人才是我國未來實現(xiàn)信息化強國所急需的高素質(zhì)專業(yè)人才。為了適應(yīng)新興產(chǎn)業(yè)對新技術(shù)的需求，高校原有的人才培養(yǎng)模式必須進(jìn)行升級和改造，對所涉及的課程加以更新優(yōu)化，進(jìn)而制定新的課程規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)（如圖1）。

當(dāng)前，“新工科”建設(shè)對人才培養(yǎng)提出了更加明確和更高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，作為配套課程的“大學(xué)物理”理應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的改革，從而突破傳統(tǒng)教學(xué)理念、教學(xué)方式和評價體系的束縛。在“大學(xué)物理”課程改革中，需要根據(jù)“新工科”的特點（如圖2），以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，以學(xué)科交叉為基礎(chǔ)，面向未來新技術(shù)進(jìn)行主動調(diào)整，強調(diào)學(xué)科的交叉融合，凸顯綜合全面創(chuàng)新理念。在所開展的各類教改中，教學(xué)內(nèi)容的改革是最基礎(chǔ)和最重要的部分，教師教什么直接決定學(xué)生學(xué)什么，從而導(dǎo)致培養(yǎng)具備何種素質(zhì)的人才。本課題組圍繞學(xué)?！靶鹿た啤睂I(yè)人才培養(yǎng)特點，對 “大學(xué)物理”課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革，在實踐中取得了良好的效果。

1 ? ?現(xiàn)有“大學(xué)物理”教學(xué)與“新工科”要求的矛盾

1.1 ?現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容陳舊

現(xiàn)有的“大學(xué)物理”課程內(nèi)容由力學(xué)、電磁學(xué)、振動與波及波動光學(xué)、熱學(xué)和近代物理5個模塊組成，涵蓋機械運動，電磁場的規(guī)律，光的干涉、衍射和偏振，熱力學(xué)統(tǒng)計規(guī)律，時空性質(zhì)、微觀粒子的量子運動特征和規(guī)律等內(nèi)容。[8-9]這些知識點主要屬于經(jīng)典物理學(xué)的范疇，其大部分產(chǎn)生于20世紀(jì)之前，主要服務(wù)于當(dāng)時的工業(yè)和科技，涉及現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的內(nèi)容不多。隨著計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，新學(xué)科、新知識和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，所需要的理論知識也在發(fā)生變化，從而給本科教育教學(xué)帶來很大的沖擊。為此，物理學(xué)工作者絕不能固步自封、停滯不前，而是應(yīng)該積極了解當(dāng)代最新的科技成果，發(fā)掘現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)背后所需要的物理知識，與時俱進(jìn)、大膽創(chuàng)新、積極作為，教授專業(yè)所需要的物理，采用適合當(dāng)下的方法，根據(jù)學(xué)生志趣優(yōu)化內(nèi)容、創(chuàng)建模式。要建立適應(yīng)“新工科”要求的教學(xué)新體系，使課程更好地承擔(dān)起“現(xiàn)代技術(shù)源泉和先導(dǎo)”的職責(zé)。

1.2 ?理論和實驗的結(jié)合度不高

眾所周知，物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，實驗現(xiàn)象是很多物理規(guī)律的最初來源，而每一條物理理論的確立，最終也必須經(jīng)過實驗的檢驗才能獲得認(rèn)可。然而，理論雖然十分重要，但是，對于“新工科”專業(yè)的學(xué)生來講，他們往往更關(guān)心的是理論的實踐應(yīng)用。近年來，隨著本科教育大眾化的發(fā)展，大班上課成為一種主流形式，以致許多高校的物理實驗室面臨臺套數(shù)嚴(yán)重不足、實驗項目過于老舊的窘境，所以只能采用多人共用一組實驗設(shè)備的模式，這就嚴(yán)重影響到對學(xué)生實驗技能的訓(xùn)練，也給他們造成物理脫離了科技發(fā)展的不良印象[10]。此外，一些高校的物理教學(xué)部受到經(jīng)費的限制，尚未建設(shè)或者即使已經(jīng)建設(shè)也沒有及時更新演示實驗室;因此，在大學(xué)物理的教學(xué)過程中，基本是靠教師的口頭講解或者用圖片形式來進(jìn)行演示實驗，這將會嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。

1.3 ?課程評價方式過時

課程的評價方式在很大程度上影響著教師的教和學(xué)生的學(xué)。目前，“大學(xué)物理”考評方式主要是“期中+期末+平時作業(yè)”的統(tǒng)計得分，形式還是以試題、卷面的方式呈現(xiàn)，這種方式延續(xù)了幾十年甚至上百年時間，具有公平、簡便的優(yōu)點;但是，也越來越顯示出它的局限性，尤其是在大學(xué)工科教育中，僅僅通過卷面的成績，想要準(zhǔn)確評價學(xué)生掌握和運用知識的能力是不充分的，甚至在一定程度上會給學(xué)生帶來不正確的導(dǎo)向。面向“新工科”，很多專業(yè)更加強調(diào)實踐性，“大學(xué)物理”課程需要緊跟時代的變化、結(jié)合專業(yè)的特點，創(chuàng)新性地實施考核方式的改變，從而更加有效地滿足“新工科”對于實用性、交叉性和綜合性的要求。

2 ? “大學(xué)物理”課程教學(xué)改革探討

針對“新工科”交叉性、綜合性和網(wǎng)絡(luò)性的特點，“大學(xué)物理”課程需要進(jìn)行相應(yīng)的改革：在課程設(shè)計上更加具有實踐性、針對性;在教學(xué)內(nèi)容上注重與現(xiàn)代科技的密切相關(guān)性;在教學(xué)案例的選擇上增加新一代信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的相關(guān)案例;在課程考評上更加注重對知識應(yīng)用能力的考核?？傮w來說，提供與“新工科”專業(yè)更加匹配、與現(xiàn)代科技結(jié)合更為緊密、與應(yīng)用性更加相關(guān)的“大學(xué)物理”教學(xué)內(nèi)容是改革的主要環(huán)節(jié)（如圖3）。

2.1 調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，主動適應(yīng)“新工科”專業(yè)要求

物理學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的源泉，它的每一次突破或重大進(jìn)展都能引發(fā)世界范圍內(nèi)現(xiàn)代科技的跨越式進(jìn)步?！按髮W(xué)物理”作為理工科學(xué)生的必修課程，在工科人才培養(yǎng)中所起的作用是基礎(chǔ)性的，對培養(yǎng)學(xué)生的理性思維和邏輯推理能力發(fā)揮著不可替代的作用。然而，不可否認(rèn)的是，“大學(xué)物理”課程正在受到不少工科學(xué)生的忽視。究其原因，許多學(xué)生認(rèn)為“大學(xué)物理”的教學(xué)內(nèi)容過于陳舊，大部分屬于20世紀(jì)之前的知識，沒有涉及近100年來最新的物理學(xué)進(jìn)展;此外，在以培養(yǎng)應(yīng)用型本科為主的高校中，學(xué)生更關(guān)心的是知識在工程實踐中的應(yīng)用以及基礎(chǔ)課對于后續(xù)課程體系的作用，而當(dāng)前的“大學(xué)物理”課程對后續(xù)專業(yè)課程的貢獻(xiàn)還沒有很好地體現(xiàn)出來，往往給人一種可有可無的感覺。

因而，面向“新工科”的“大學(xué)物理”課程內(nèi)容的變革必須緊跟當(dāng)下科學(xué)技術(shù)發(fā)展的最前沿，充分吸取最新的科技成果，不斷創(chuàng)新，把經(jīng)典的“大學(xué)物理”建設(shè)成為有蓬勃生命力、有新鮮血液及充滿無限創(chuàng)新空間的課程[11]。此外，應(yīng)在充分調(diào)研“新工科”后續(xù)專業(yè)課程和今后就業(yè)崗位的基礎(chǔ)上，調(diào)整“大學(xué)物理”課程的教學(xué)側(cè)重點，該增加的要增加，該刪除的不能再猶豫。為此，在總課時不增加的情況下，對“大學(xué)物理”的教學(xué)內(nèi)容可進(jìn)行如下調(diào)整（如表1）。

考慮到“新工科”專業(yè)的學(xué)生其中學(xué)物理基礎(chǔ)知識相對扎實，自學(xué)能力較好，可以調(diào)整部分與中學(xué)物理跨度較小的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，改由學(xué)生自學(xué)。同時，根據(jù)學(xué)生后續(xù)課程和就業(yè)需求特點，調(diào)整相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，如：壓縮部分質(zhì)點運動學(xué)和動力學(xué)、機械能守恒、剛體力學(xué)、振動和波動的教學(xué)內(nèi)容，改由學(xué)生課外自學(xué);增加關(guān)于空氣動力學(xué)和流體力學(xué)的內(nèi)容介紹，服務(wù)于汽車設(shè)計和無人機專業(yè)的學(xué)生;刪減部分電荷和電場的教學(xué)內(nèi)容，增加半導(dǎo)體物理、電磁波和新能源電池相關(guān)知識，服務(wù)于電子信息、汽車新能源專業(yè);刪減幾何光學(xué)的教學(xué)課時，增加光電子相關(guān)知識，服務(wù)于光纖通訊、芯片制造和節(jié)能發(fā)光產(chǎn)業(yè);刪減部分氣體分子動理論的教學(xué)內(nèi)容，適當(dāng)擴(kuò)展新型熱機和致冷機的知識，服務(wù)于機械制造的電動機和發(fā)動機制造專業(yè);增加相對論和量子力學(xué)等近代物理的內(nèi)容，服務(wù)于軍隊院校和武器制造行業(yè)。通過對以上教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，達(dá)到因材施教、按需學(xué)習(xí)的目的，使得“大學(xué)物理”課程更加貼近當(dāng)代工程實際，從而更好地滿足“新工科”專業(yè)對基礎(chǔ)物理理論的需求。

2.2 ?增加應(yīng)用案例，積極接軌“新工科”實踐應(yīng)用

在“大學(xué)物理”的教學(xué)過程中，通過提供生動形象的現(xiàn)實應(yīng)用案例，可以幫助學(xué)生理解抽象、深奧的物理機理，同時激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的動力。因此，在針對“新工科”開設(shè)的“大學(xué)物理”課程中，充分結(jié)合“新工科”的特點和應(yīng)用前景，主動提供有針對性的應(yīng)用案例，可以對教學(xué)起到事半功倍的效果（如表2）。[12]例如：在講解機械振動和機械波時，引入海嘯中駐波的分析;講解剛體時，引入三維陀螺儀在飛機導(dǎo)航儀中的應(yīng)用;介紹電介質(zhì)的極化時，引入手機電容屏的工作原理，提出帶上手套能否操作觸摸屏的問題;講述電磁波時，介紹冶金中電磁攪拌、電磁凈化、GPS導(dǎo)航、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等;講述磁學(xué)時，融入種子磁化技術(shù)、電荷防病促生技術(shù)、電磁波助長技術(shù)和數(shù)字化殺蟲技術(shù);等等?？傊?，物理知識應(yīng)用案例只有具備時代性、新穎性和實用性，才能吸引學(xué)生的興趣，引起學(xué)生的共鳴，從而改變學(xué)生對“大學(xué)物理”課程的偏見，進(jìn)而提高課程在“新工科”人才培養(yǎng)中的地位。

2.3 ?優(yōu)化教學(xué)模式，構(gòu)建目標(biāo)導(dǎo)向的綜合考評機制

隨著中國高等教育的飛速發(fā)展，“大學(xué)物理”課程的教學(xué)模式也在不斷變化，從最初的“粉筆+黑板”模式過渡到“投影+電腦”，再到今天的“網(wǎng)上直播+QQ+微信”等多種手段的綜合應(yīng)用。這些現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生提供了更多開放學(xué)習(xí)的教學(xué)資源，一方面，滿足了學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的需求;另一方面，有利于激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生開展自主研究。[13]但是，我們必須認(rèn)識到，這些教學(xué)手段只是改變了教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，并沒有改變物理學(xué)深奧、抽象的本質(zhì)，對于物理學(xué)這種依賴于實驗現(xiàn)象的科學(xué)，實驗課的作用不容忽視。為了使“新工科”專業(yè)學(xué)生充分理解物理概念、掌握物理本質(zhì)，在加強傳統(tǒng)課堂教學(xué)的同時，必須加大物理教學(xué)中演示性實驗和創(chuàng)新性實驗的比重。這就要求各高校必須增加對物理教學(xué)的投入，配置一定數(shù)量可視化程度高、生動形象的現(xiàn)代演示實驗，同時，增加一些綜合性好、設(shè)計性強的創(chuàng)新性學(xué)生實驗，以鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手能力。顯而易見的是，理工科高校中物理實驗儀器設(shè)備落后，將不利于達(dá)成“新工科”專業(yè)時代性特點的整體目標(biāo)。為此，筆者所在學(xué)校在2012年新建了物理演示實驗室，并先后獲評了常州市和江蘇省科普教育基地。物理演示實驗室展現(xiàn)了很好的后發(fā)優(yōu)勢，配備了大量時代感強、演示性好的實驗項目，在“大學(xué)物理”的教學(xué)過程中發(fā)揮了較好的演示效果。此外，在物理實驗課程中還開設(shè)了綜合設(shè)計性實驗，通過這個項目選拔了一大批優(yōu)秀的“新工科”學(xué)生參加各類實驗項目的競賽，取得了優(yōu)異的成績，有力提升了物理教學(xué)在“新工科”人才培養(yǎng)中的地位。

實踐證明，針對“新工科”專業(yè)學(xué)生的“大學(xué)物理”課程教學(xué)，絕不能以掌握物理知識為最終目標(biāo)，而是必須著眼于物理應(yīng)用能力的培養(yǎng)。為此，在課程的考核方式上，不能簡單地以一份筆試卷來衡量水平，而應(yīng)采取包括筆試在內(nèi)的多種形式的綜合考核。在“傳統(tǒng)作業(yè)+期中+期末”的基礎(chǔ)上，增加一項物理能力加分項，鼓勵學(xué)生參加物理能力加分考核;并且規(guī)定，凡是有物理能力加分項目的學(xué)生，只要期末考試成績達(dá)到70分，總成績就直接定為優(yōu)秀。這種能力加分項包括：學(xué)生參加高層次的物理類學(xué)習(xí)競賽;設(shè)計出具有創(chuàng)新性的物理實驗;對物理知識提出具有突破性的質(zhì)疑;解決一個困擾物理學(xué)的難題;對物理學(xué)的未來發(fā)展提出有意義的看法;將物理知識運用到專業(yè)領(lǐng)域;等等。加分項內(nèi)容并不拘泥于特定范圍，只要是跟“大學(xué)物理”有關(guān)的具有突出性的貢獻(xiàn)，經(jīng)教師組評定后都可以作為能力加分項。經(jīng)過一段時間的實踐，雖然能夠獲得加分項的學(xué)生并不是很多，但是每個班總有三四名學(xué)生能夠參加這種加分項考核，而且，學(xué)生提問質(zhì)疑的積極性明顯增強了，運用發(fā)散性思維解決問題的思路也有了極大的拓寬。通過改革，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新動力，從能力角度發(fā)現(xiàn)了一批課程學(xué)習(xí)的優(yōu)秀群體，為“新工科”的人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

3 ? 結(jié)語

“新工科”人才是當(dāng)前乃至今后一段時間我國經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展急需的專門人才，也是各大高校重點培養(yǎng)的專業(yè)人才。 “新工科”背景下的“大學(xué)物理”課程應(yīng)該怎么教？對于這個問題目前尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這就給高校教育教學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展帶來了很大的提升空間。課程改革的總體目標(biāo)應(yīng)該是通過文理交叉、理工結(jié)合、文工互補，實現(xiàn)對人才的全方位培養(yǎng)，這就需要對傳統(tǒng)的“大學(xué)物理”課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深層次改革，取其精髓部分，去其過時內(nèi)容。通過改革，將“大學(xué)物理”打造成為“新工科”培養(yǎng)方案中的重要基石，使其成為理工科學(xué)生最喜愛學(xué)習(xí)的一門公共基礎(chǔ)課程。

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責(zé)任編輯 ?盛 ? ?艷

Reform and Practice of “College Physics” Teaching Content for “Emerging Engineering Education”

HU Yifeng，ZHU Xiaoqin，ZOU Hua

（School of Mathematics and Physics，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract： In view of professional personnel training program construction under the background of the current“emerging engineering education”，the in-depth reform of “university physics”course teaching content is proposed. The specific measures are as following：delating some outdated teaching content and adding teaching modules closely related to modern science and technology;increasing some physical application cases related to the information technology，artificial intelligence and intelligent manufacturing;In addition，the ability assessment in the course evaluation should be highlighted. Through these reforms，the epochal character，pertinence and network of college physics courses have been comprehensively improved to better serve the training of new engineering talents.

Key words： emerging engineering education;college physics;teaching reform;teaching content

收稿日期：2020-02-20

基金項目：教育部大學(xué)物理教學(xué)指導(dǎo)委員會課題“線上線下大學(xué)物理實驗混合式教學(xué)研究”（DJZW201921hd）;2019年 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 江蘇省高等教育教改研究立項課題“實驗課程混合式智慧教學(xué)模式研究——以‘大學(xué)物理實驗為例”

（2019JSJG227）;江蘇理工學(xué)院教學(xué)改革與研究項目“面向‘新工科的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革研究”（11611211945）

作者簡介：胡益豐，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為半導(dǎo)體相變薄膜及器件、大學(xué)物理和物理實驗教學(xué)。