新工科背景下的大學(xué)物理課程建設(shè)與實(shí)踐

王曉鷗，張伶莉，袁承勛，王先杰，靳辰飛，張 宇

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

2018年10月，教育部與工業(yè)和信息化部及中國(guó)工程院印發(fā)了《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃2.0的意見》[1](以下簡(jiǎn)稱“意見”). “意見”提出要以新工科建設(shè)為重要抓手，持續(xù)深化工程教育改革，加快培養(yǎng)適應(yīng)和引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的卓越工程科技人才，打造世界工程創(chuàng)新中心和人才高地，提升國(guó)家硬實(shí)力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力.“新工科”是相對(duì)于傳統(tǒng)工科而言，以新經(jīng)濟(jì)、新產(chǎn)業(yè)為背景的一個(gè)動(dòng)態(tài)概念. 它主要對(duì)應(yīng)的是新興產(chǎn)業(yè)，如人工智能、智能制造、機(jī)器人、云計(jì)算等，也包括傳統(tǒng)工科專業(yè)的升級(jí)改造.

相對(duì)于傳統(tǒng)的工科人才，“新工科”立足于國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展新需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)新形勢(shì)、立德樹人新要求，對(duì)高等院校專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)提出了教育改革方向，要求培養(yǎng)出實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才. 而作為高等學(xué)校理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程的大學(xué)物理在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、探索精神、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力等方面具有不可替代的作用. 這是因?yàn)樵谖锢韺W(xué)發(fā)展過程中的每一次重大突破不僅帶來物理學(xué)新領(lǐng)域、新方向以及交叉學(xué)科和新技術(shù)學(xué)科的崛起，而且改變了人們的思維方式.

1999年3月，在美國(guó)亞特蘭大市舉辦的第23屆國(guó)際純粹物理和應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)(IUPAP)代表大會(huì)上通過的決議“物理學(xué)對(duì)社會(huì)的重要性”中指出：“物理學(xué)——研究物質(zhì)、能量和它們的相互作用的學(xué)科，是一項(xiàng)國(guó)際事業(yè)，它對(duì)人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵的作用”；“物理學(xué)發(fā)展著未來技術(shù)進(jìn)步所需的基本知識(shí),而技術(shù)進(jìn)步將持續(xù)驅(qū)動(dòng)著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn). 物理學(xué)有助于技術(shù)的基本建設(shè), 它為科學(xué)進(jìn)步和發(fā)明的利用, 提供所需訓(xùn)練有素的人才”[2].

“新工科”的發(fā)展離不開物理學(xué)理論，如熱門的“物聯(lián)網(wǎng)工程”，主要涉及物品的特征識(shí)別與傳入物聯(lián)網(wǎng)，人與物、物與物之間的信息溝通和對(duì)話等，這些都需要通過射頻識(shí)別、全球定位、視頻、音頻、紅外、激光掃描等各種傳感器技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，而這些內(nèi)容依賴物理學(xué)中物理概念和原理的運(yùn)用，如機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械波、電磁波、激光和量子物理等基本知識(shí). 針對(duì)“新工科”建設(shè)對(duì)人才培養(yǎng)提出的新要求，大學(xué)物理課程體系需要做出相應(yīng)的改革以適應(yīng)新形勢(shì).

1 課程建設(shè)與實(shí)踐

哈工大大學(xué)物理教研室于2018年秋季學(xué)期開始按照“雙一流”建設(shè)和“新工科”建設(shè)人才培養(yǎng)工作的新要求，經(jīng)過大量的調(diào)研和研討，認(rèn)真分析了美國(guó)麻省理工學(xué)院的新工程教育轉(zhuǎn)型計(jì)劃和教育部大學(xué)物理教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的相關(guān)項(xiàng)目要求，對(duì)大學(xué)物理課程教學(xué)進(jìn)行了全面深入的改革，經(jīng)過近2年的教學(xué)實(shí)踐取得了良好的效果.

1.1 多層次大學(xué)物理課程體系建設(shè)

深入調(diào)研我校各工科專業(yè)的核心課程對(duì)物理學(xué)知識(shí)的需求，按專業(yè)集群整合、制定教學(xué)計(jì)劃，在保證完整物理學(xué)知識(shí)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加“專業(yè)拓展知識(shí)模塊”的建設(shè)，使大學(xué)物理成為“新工科”新專業(yè)成長(zhǎng)的引擎.

根據(jù)我校各專業(yè)特點(diǎn)以及參照國(guó)內(nèi)外相關(guān)高校的大學(xué)物理課程設(shè)置情況，將大學(xué)物理課程設(shè)置為4個(gè)系列，即大學(xué)物理A(面向英才學(xué)院、數(shù)學(xué)學(xué)院等對(duì)物理學(xué)要求偏高的專業(yè))、大學(xué)物理B(面向工科試驗(yàn)班的智能裝備、建筑學(xué)院、航天與自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)與電子通訊等專業(yè)集群)和全英文授課的大學(xué)物理B(面向留學(xué)生)、大學(xué)物理C(面向資源環(huán)境、交通、生命、土木等學(xué)院)以及文科物理(面向文科試驗(yàn)班專業(yè)集群). 大學(xué)物理課程新體系更好的體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心，教學(xué)成效驅(qū)動(dòng)”的教育教學(xué)理念，更注重培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)能力、實(shí)踐與動(dòng)手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力. 圖1給出了我校按專業(yè)集群(即大類模塊)調(diào)整后的“大學(xué)物理”課程體系.

在“新工科”建設(shè)中，物理學(xué)的基本原理、基本方法是科學(xué)研究的出發(fā)點(diǎn)，是多學(xué)科交叉、轉(zhuǎn)移和滲透的支撐點(diǎn)，在促進(jìn)科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步等方面，物理學(xué)仍發(fā)揮著先導(dǎo)作用. 在大學(xué)物理多層次課程體系建設(shè)中，筆者分析了各專業(yè)集群的培養(yǎng)目標(biāo)，按各課程層次調(diào)整了教學(xué)大綱和教材[3-5]，有針對(duì)性的進(jìn)行因材施教.

圖1 大學(xué)物理多層次課程體

1.2 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

為推進(jìn)“新工科”對(duì)復(fù)合型人才培養(yǎng)的需求，針對(duì)不同層次的課程定位，對(duì)教學(xué)內(nèi)容做了適當(dāng)調(diào)整.

大學(xué)物理A所面向的英才學(xué)院的培養(yǎng)目標(biāo)是：杰出科學(xué)家、學(xué)術(shù)帶頭人. 圍繞這一培養(yǎng)目標(biāo)，本課程定位在“強(qiáng)基礎(chǔ)，強(qiáng)能力，重創(chuàng)新”上，為培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才打好全面、扎實(shí)的物理基礎(chǔ). 所以，在課程內(nèi)容的安排上，增加了熱學(xué)中的三種統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的統(tǒng)計(jì)思維能力，以適應(yīng)當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興科技領(lǐng)域；在量子力學(xué)中增加了態(tài)疊加原理、量子統(tǒng)計(jì)及應(yīng)用、力學(xué)量的算符表示、能帶理論等，使學(xué)生們能夠在學(xué)習(xí)的過程中，感受到物理學(xué)與科技前沿的緊密結(jié)合，提高學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)生視野，提升學(xué)生的科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力，從而創(chuàng)造出新的方向、新的產(chǎn)業(yè).

大學(xué)物理B所面向的各工科實(shí)驗(yàn)班涉及全校絕大多數(shù)專業(yè)，其培養(yǎng)目標(biāo)是：具有創(chuàng)新意識(shí)和初步的科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)能力；具有開闊的國(guó)際視野和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、理工結(jié)合的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才. 基于這一目標(biāo)本課程定位在“厚基礎(chǔ)，強(qiáng)能力，重創(chuàng)造”上，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握全面、扎實(shí)的物理學(xué)知識(shí)， 具備科學(xué)研究能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力、物理思維和科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中具有創(chuàng)造潛質(zhì)的高素質(zhì)人才. 在教學(xué)中強(qiáng)化物理概念、物理理論的訓(xùn)練，強(qiáng)化物理過程以及物理過程變化的研究. 在課程內(nèi)容的安排上，增加了力學(xué)中的科里奧利力及其產(chǎn)生的影響，這部分內(nèi)容蘊(yùn)含物理學(xué)的思維方法及分析問題和解決問題的能力，同時(shí)也是工程設(shè)計(jì)回避不了的實(shí)際問題；增加了流體力學(xué)，這部分內(nèi)容是航空航天領(lǐng)域涉及的理論問題，是飛行器、導(dǎo)彈等在大氣中飛行時(shí)所涉獵的問題，增加了近現(xiàn)代科技前沿相關(guān)的基礎(chǔ)理論(如能帶理論).同時(shí)在課堂講授內(nèi)容和教材中，增加了與專業(yè)和科技前沿相關(guān)的實(shí)例或例題，使課程更加貼近實(shí)際，體現(xiàn)學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力.在“厚基礎(chǔ)”的同時(shí)，為學(xué)科交叉打開窗口.

大學(xué)物理C主要面向環(huán)境資源、交通、生命、土木等學(xué)院，這些學(xué)院的培養(yǎng)目標(biāo)是：具有科學(xué)、工程和人文三方面的綜合素質(zhì)的高層次創(chuàng)新型工程技術(shù)和管理人才. 因此本課程定位在“厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐、嚴(yán)過程”上，培養(yǎng)具有優(yōu)良品德和社會(huì)責(zé)任感、扎實(shí)的物理基礎(chǔ)理論以及分析問題和解決問題能力，具備創(chuàng)新精神和國(guó)際視野，可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)的高層次人才. 為進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使學(xué)生在未來的工作崗位和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中發(fā)揮出全部潛能.

文科物理主要提升文科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)文科學(xué)生的物理學(xué)思維方式、研究方法. 因?yàn)槲锢韺W(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、思維方式以及研究方法已滲透到社會(huì)生活的方方面面,日益成為社會(huì)一般知識(shí)和一般意識(shí)形態(tài)的重要組成部分，成為一種高層次的文化. 通過大學(xué)物理課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生成為既具有知識(shí)、又具有文化的綜合型人才.

通過教學(xué)內(nèi)容的講解過程，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考、創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、邏輯思維能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、工程實(shí)踐能力以及表達(dá)能力. 這些能力都是具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的高素質(zhì)復(fù)合型人才必備的.在教學(xué)過程中結(jié)合“新型的習(xí)題”、“測(cè)驗(yàn)”、“競(jìng)賽”等促進(jìn)學(xué)生能力的培養(yǎng)，增加“研究性作業(yè)”環(huán)節(jié)，讓學(xué)生自主獨(dú)立地把大學(xué)物理課程中所學(xué)的知識(shí)與本專業(yè)或科技前沿領(lǐng)域聯(lián)系起來，培養(yǎng)其獨(dú)立思考能力和創(chuàng)新能力；強(qiáng)調(diào)“物理理論的提出或引入過程”的講授. 針對(duì)某個(gè)理論，過去只講理論內(nèi)容，忽略理論的來歷以及提出過程，學(xué)生的創(chuàng)新思維難以得到鍛煉和開發(fā). 而加入“物理理論的提出或引入”的講授，可以使學(xué)生對(duì)物理理論的來龍去脈更加清楚明晰，使其體會(huì)到創(chuàng)新性物理理論的提出過程，從而使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到提升.

1.3 教學(xué)模式改革

針對(duì)傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式下學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性差的狀況，大學(xué)物理教學(xué)團(tuán)隊(duì)率先在國(guó)內(nèi)高等院校中提出并實(shí)施了實(shí)景體驗(yàn)互動(dòng)式大學(xué)物理“圓桌教學(xué)”全新模式(也稱為“工作室物理”). 這是一種實(shí)驗(yàn)先導(dǎo)、教師引導(dǎo)、師生交流互動(dòng)、學(xué)生主動(dòng)探索物理規(guī)律的體驗(yàn)式課堂教學(xué)新模式[6,7]. 實(shí)現(xiàn)了“以教為主”向“以學(xué)為主”的教學(xué)理念的轉(zhuǎn)換.這種全新教學(xué)模式覆蓋大學(xué)物理A、大學(xué)物理B以及文科物理等12個(gè)教學(xué)班(大學(xué)物理A的6個(gè)大班和文科物理的2個(gè)大班全部采用這種教學(xué)模式；由于條件限制，大學(xué)物理B只有2個(gè)大班采用這種教學(xué)模式)，有600多名本科生受益，獲得了學(xué)生的廣泛認(rèn)可和高度評(píng)價(jià)，如張杰同學(xué)說：“相對(duì)于只是老師演示實(shí)驗(yàn)，這種方式讓人印象更加深刻，不僅看到了現(xiàn)象，而且通過反復(fù)地對(duì)比操作，會(huì)思考這種現(xiàn)象是如何出現(xiàn)的，對(duì)一些物理原理理解得更深了”. 從2017級(jí)學(xué)生開始的“我最喜愛的大學(xué)課堂”優(yōu)秀征文評(píng)選結(jié)果中，連續(xù)2年在獲獎(jiǎng)?wù)魑闹杏?0%的文章將大學(xué)物理圓桌教學(xué)譽(yù)為“我最喜愛的大學(xué)課堂”.

傳統(tǒng)教學(xué)過程與“圓桌教學(xué)”全新教學(xué)過程對(duì)比如圖2和3所示.

圖2 傳統(tǒng)教學(xué)過程

圖3 “圓桌教學(xué)”全新教學(xué)模式

實(shí)景體驗(yàn)互動(dòng)式大學(xué)物理“圓桌教學(xué)”全新教學(xué)模式受到學(xué)生極大喜愛. 課堂氣氛發(fā)生了巨大變化，課堂中學(xué)生老師均站立走動(dòng)、互動(dòng)并聽課，出現(xiàn)了學(xué)生和教師“樂在其中”的課堂氣氛，如圖4所示.

圖4 “樂在其中”的課堂氣氛

基于實(shí)景體驗(yàn)互動(dòng)式大學(xué)物理“圓桌教學(xué)”全新模式，共完成5個(gè)省級(jí)教改項(xiàng)目，發(fā)表教學(xué)研究論文9篇. 2017年度，采用這種教學(xué)模式授課的教師在學(xué)生評(píng)教中全部獲得A+和A. 在2017年秋大學(xué)物理B的考試成績(jī)中，“圓桌教學(xué)”全新教學(xué)模式與普通“大課教學(xué)模式”相比，學(xué)生成績(jī)優(yōu)秀率提高了7.9%. 學(xué)生認(rèn)為“課堂比較活躍，互動(dòng)較多，能啟發(fā)思考”、“課堂效率高，增強(qiáng)了課堂的活躍度和主動(dòng)性”.

1.4 教學(xué)方式改革

大學(xué)物理課程新體系建設(shè)以“厚基礎(chǔ)，強(qiáng)能力，求創(chuàng)新”為宗旨，以“嚴(yán)過程”為實(shí)現(xiàn)手段. 通過改革教學(xué)方式，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中訓(xùn)練“思維”、培養(yǎng)“能力”.

要讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中得到訓(xùn)練，就要讓學(xué)生集中注意力，用心聽講，這需要教師進(jìn)行精心設(shè)計(jì).筆者利用物理現(xiàn)象引入物理問題來引起學(xué)生的興趣，引發(fā)他們的思考以及對(duì)接下來教學(xué)內(nèi)容的期待. 因此，開展了基于物理過程引領(lǐng)的教學(xué)方式的改革[8-10]，即通過演示實(shí)驗(yàn)、視頻等手段展示物理過程，引入物理問題，然后進(jìn)行物理知識(shí)的講解，之后是理論與實(shí)驗(yàn)的對(duì)照，最后介紹物理知識(shí)的應(yīng)用. 在選擇物理現(xiàn)象時(shí)，盡量選擇那些接近生活，并能讓人感到出乎意料的例子，如果例子能讓人感到震撼，那么效果就更好了.

例如，在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地進(jìn)行理論講解，大部分學(xué)生會(huì)覺得不易接受，而且枯燥. 筆者采用了和教學(xué)密切相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)，即讓學(xué)生從反光比較強(qiáng)烈的地方來看黑板上的字跡，他們會(huì)反映看不清. 這時(shí)，教師再遞給他們一片偏振片，調(diào)整好角度，當(dāng)透過偏振片能看清黑板上字跡的時(shí)候，他們都發(fā)出了驚嘆，其內(nèi)心的觸動(dòng)是顯然的[10]. 至此，已經(jīng)把學(xué)生的積極性調(diào)動(dòng)起來了.

接下來做的是相關(guān)知識(shí)的講解. 物理理論的講解要緊密圍繞實(shí)驗(yàn)中看到的現(xiàn)象，始終讓學(xué)生處于同一問題的思路中，注意力也一直處于集中狀態(tài). 講解中使用簡(jiǎn)短的語言和公式，盡量做到通俗易懂. 最后是物理知識(shí)的應(yīng)用這部分對(duì)于啟發(fā)學(xué)生的思考，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神無疑是重要的. 這次改革增加了這部分的比例，以拉近物理知識(shí)和實(shí)際之間的距離. 如可以利用偏振片消光的性質(zhì)，將其安裝在汽車的照明燈和風(fēng)擋玻璃前面，就可以避免晚上汽車遠(yuǎn)光燈炫目的問題. 具體辦法是在汽車的照明燈和風(fēng)擋玻璃前面加裝一個(gè)和地面成45°角的偏振片，當(dāng)對(duì)向來車時(shí)，兩車的透振方向垂直，燈光互不影響. 這些應(yīng)用的原理很簡(jiǎn)單，用到的物理知識(shí)也不復(fù)雜，學(xué)生理解起來并不困難. 但這些內(nèi)容對(duì)開拓學(xué)生視野、知識(shí)的活學(xué)活用會(huì)起到積極的促進(jìn)作用.

1.5 考核方式改革

在大學(xué)物理課程的考核中筆者探索了多元化考核模式，幫助學(xué)生建立“嚴(yán)過程”的學(xué)習(xí)理念，實(shí)現(xiàn)“以考核促發(fā)展”的考試目標(biāo). 學(xué)生成績(jī)由兩部分組成：“平時(shí)成績(jī)+筆試成績(jī)”. 平時(shí)成績(jī)占30%，包括平時(shí)作業(yè)、隨堂測(cè)試、研究性作業(yè)；筆試成績(jī)占70%，包括期中考試、期末考試. 考核內(nèi)容以知識(shí)性考核為主，增加專題討論、實(shí)例分析、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，考查學(xué)生的科學(xué)探索、創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力.

首先，改革考試題目，使之具有一定的設(shè)計(jì)性. 例如，“物體具有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)溫度升高Δt(Δt=t-t0)后,待測(cè)樣品的尺寸可變?yōu)樵谐叽绲?1+αΔt)倍，α稱為該樣品的熱膨脹系數(shù). 利用光的干涉原理設(shè)計(jì)一種方法來測(cè)量物體的熱膨脹系數(shù). 畫出原理圖，并給出相應(yīng)的理論解釋”. 這種類型的考題從“知識(shí)掌握”、“能力培養(yǎng)”、“邏輯思維訓(xùn)練”等多角度全過程考核學(xué)生的學(xué)習(xí)情況.

其次，建立不同課程試題出題小組，對(duì)試題考核的知識(shí)和能力要點(diǎn)進(jìn)行研究，給出出題的策略說明.

第三，采用研究性作業(yè)、項(xiàng)目研究等多種方式進(jìn)行能力的考核，如“結(jié)合課上所學(xué)內(nèi)容，談?wù)剦嚎s式電冰箱的工作原理及如何實(shí)現(xiàn)冰箱節(jié)能”. 形成了“知識(shí)掌握程度考核+應(yīng)用實(shí)踐能力考核+創(chuàng)新研究能力考核”的全新考核模式.

第四，規(guī)范試題出題，要求期末考試題的分布與課程大綱關(guān)于考核的要求一致，形成閉環(huán). 并且要求近三年試題的重復(fù)率要低于10%、客觀題量少于30分，避免出現(xiàn)原題.

2 結(jié)論

大學(xué)物理作為工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在推進(jìn)“新工科”建設(shè)、培養(yǎng)“新工科”所需的具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的復(fù)合型人才方面具有不可替代的作用. 大學(xué)物理課程內(nèi)容是對(duì)自然科學(xué)重要發(fā)展成果的歸納和總結(jié). 在知識(shí)體系上，是各工科專業(yè)理論的源頭與基礎(chǔ)；在研究方法上，是對(duì)自然科學(xué)主流研究方法的精辟總結(jié)；在思維方式上，是人類智慧最精華部分的凝聚. 教學(xué)實(shí)踐表明，對(duì)大學(xué)物理課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式等方面的改革為培養(yǎng)造就多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供智力和人才支撐. 所以，“新工科”背景下大學(xué)物理課程建設(shè)既是當(dāng)務(wù)之急，也是長(zhǎng)遠(yuǎn)之策.