新工科背景下大學(xué)物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

王晶　余花娃　尹紀(jì)欣

摘 要 為了適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的發(fā)展需要，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，對(duì)大學(xué)物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 新工科 大學(xué)物理 教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.050

Abstract Based on the construction of the Emerging Engineering Education， the teaching design of college physics is studied and practiced from the aspects of teaching content， teaching mode and teaching evaluation. This study provides a certain way to improve students' ability to analyze and solve problems and develop students' creativity and innovatory consciousness.

Keywords emerging engineering education; college physics; teaching design

近年來(lái)，隨著新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革不斷深入，新興學(xué)科不斷涌現(xiàn)，學(xué)科之間深層次的融合越來(lái)越突出。在這樣的背景下，新工科建設(shè)應(yīng)運(yùn)而生。新工科的內(nèi)涵是：以立德樹(shù)人為引領(lǐng)，以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)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(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。[1]大學(xué)物理課程是高等院校理工科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課，課程中的基本概念、基本理論和基本方法是一個(gè)科研工作者或工程技術(shù)人員科學(xué)素養(yǎng)中的重要組成部分。因此有必要對(duì)大學(xué)物理課程進(jìn)行改革，以適應(yīng)新工科人才培養(yǎng)的需要。

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)往往存在以下問(wèn)題。第一，物理理論知識(shí)的學(xué)習(xí)較多，與實(shí)際工程應(yīng)用銜接的知識(shí)學(xué)習(xí)較少。這樣大學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中，錯(cuò)誤的認(rèn)為所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程技術(shù)聯(lián)系不緊密，學(xué)習(xí)中缺乏興趣。而物理學(xué)知識(shí)是整個(gè)工程科學(xué)基石，目前科技發(fā)展日新月異，新興學(xué)科或者多學(xué)科交叉的領(lǐng)域?qū)ξ锢韺W(xué)知識(shí)的要求越來(lái)越高。大學(xué)生如果缺乏應(yīng)用物理學(xué)原理分析解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，那么在后續(xù)課程學(xué)習(xí)或工作中，應(yīng)用物理知識(shí)時(shí)會(huì)感覺(jué)十分困難。第二，傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師講授知識(shí)為主，師生交流和教學(xué)互動(dòng)較少。這種教學(xué)模式難以滿足大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和個(gè)性學(xué)習(xí)的需求，因而大學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性不高。同時(shí)，大學(xué)物理課經(jīng)常是多專業(yè)大班教學(xué)，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師想即時(shí)了解大班學(xué)生的學(xué)習(xí)效果也比較困難。第三，傳統(tǒng)大學(xué)物理課程對(duì)大學(xué)生學(xué)習(xí)的考核評(píng)價(jià)主要是通過(guò)考試試卷。這樣學(xué)生往往重視期末考試分?jǐn)?shù)，而忽略了學(xué)習(xí)過(guò)程中的探索和創(chuàng)新。而在科技日新月異的社會(huì)發(fā)展中，大學(xué)生的自主鉆研和創(chuàng)新能力是非常重要的。

針對(duì)以上問(wèn)題，筆者著重從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核評(píng)價(jià)等三方面進(jìn)行探索嘗試，進(jìn)行了大學(xué)物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)當(dāng)前新工科人才培養(yǎng)的發(fā)展需要。

1教學(xué)內(nèi)容與新工科專業(yè)相融合

首先，教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)注重“理工融合”的理念，把物理知識(shí)和專業(yè)內(nèi)容相融合。在大學(xué)物理教學(xué)中，應(yīng)該注重物理知識(shí)對(duì)工程技術(shù)的支撐作用。在“新工科”建設(shè)的背景下，更應(yīng)該重視“理工融合”，因此大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容也要與時(shí)俱進(jìn)，不但要講物理知識(shí)，也要講物理知識(shí)在其他工程技術(shù)上的應(yīng)用。

目前新技術(shù)層出不窮，而這些工程技術(shù)的支撐就是物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科。在教學(xué)中，講述傳統(tǒng)物理學(xué)原理在一些新工程技術(shù)中的應(yīng)用，讓學(xué)生體會(huì)很多新的創(chuàng)新和發(fā)明都是基于經(jīng)典物理學(xué)原理和工程技術(shù)相融合。同時(shí)，在新一輪科技革命中，科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新在很大程度上也是依賴多學(xué)科深層次的滲透和融合，因此分析和解決這些技術(shù)上的難題是需要具有多學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)的。通過(guò)技術(shù)案例的分析和引用，不僅可以引導(dǎo)學(xué)生多學(xué)科交叉創(chuàng)新的意識(shí)，同時(shí)也可以培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣。另外，物理學(xué)科也在不斷發(fā)展中，教學(xué)中及時(shí)把物理學(xué)的最新理論和技術(shù)成果帶入到課堂中，對(duì)豐富大學(xué)生的視野，提高大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)都是有利的。

教學(xué)內(nèi)容中的“理工融合”，不僅包括課堂上所傳授的知識(shí)，還應(yīng)該包括課后的創(chuàng)新培養(yǎng)。引導(dǎo)大學(xué)生對(duì)某物理知識(shí)相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行更深入的探索，從而培養(yǎng)其科學(xué)觀察、分析和解決復(fù)雜問(wèn)題的能力。大學(xué)生只有具有良好的科學(xué)素養(yǎng)，具有分析和解決問(wèn)題的能力，才能以不變應(yīng)萬(wàn)變，適應(yīng)未來(lái)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展。

2采用線上線下混合式教學(xué)模式

混合式教學(xué)模式是利用互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)分析，把線下教學(xué)和線上教學(xué)結(jié)合在一起的教學(xué)模式。[2]利用這種教學(xué)模式，不僅可以有效的實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)、個(gè)性化教學(xué)，也能幫助教師即時(shí)掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況的大數(shù)據(jù)?；旌鲜浇虒W(xué)模式可以實(shí)現(xiàn)以下教學(xué)環(huán)節(jié)。

課前，通過(guò)線上教學(xué)平臺(tái)完成預(yù)習(xí)?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)大學(xué)生都有一部手機(jī)，他們的交流、通訊、事物的分享幾乎都在手機(jī)上完成，手機(jī)已經(jīng)融入了大學(xué)生的校園生活。因此可以充分利用手機(jī)上的教學(xué)平臺(tái)，來(lái)完成線上的預(yù)習(xí)。首先，教師錄制一個(gè)15分鐘左右的說(shuō)課視頻，簡(jiǎn)要說(shuō)明下節(jié)課需要掌握的知識(shí)點(diǎn)以及應(yīng)用的案例。學(xué)生按照說(shuō)課視頻的要求進(jìn)行預(yù)習(xí)，并完成課前測(cè)。這樣，通過(guò)教學(xué)平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析，教師可以迅速了解學(xué)生對(duì)預(yù)習(xí)內(nèi)容的掌握情況。同時(shí)，為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以利用此環(huán)節(jié)設(shè)置一些與課程有關(guān)的問(wèn)題，讓學(xué)生思考并在線分享，以促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和彼此之間相互借鑒。

課堂教學(xué)中，利用線上教學(xué)平臺(tái)的互動(dòng)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)課堂。大學(xué)物理課經(jīng)常采用大班教學(xué)，因此在傳統(tǒng)的課堂上，如果設(shè)計(jì)“答題”“投票”等互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)，需要花費(fèi)大量的教學(xué)時(shí)間。同樣由于時(shí)間限制，傳統(tǒng)課堂上答題的學(xué)生只能是少數(shù)，教師無(wú)法掌握全班學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)情況。而利用線上教學(xué)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)教學(xué)互動(dòng)后，每個(gè)學(xué)生都能快速參與答題等互動(dòng)環(huán)節(jié)等，同時(shí)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，教師也能迅速掌握學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)情況。這樣不僅提高了師生溝通的效率，教師也能設(shè)置更多的互動(dòng)環(huán)節(jié)來(lái)增強(qiáng)課堂的趣味性、調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

課后，利用線上平臺(tái)進(jìn)行知識(shí)拓展和進(jìn)一步的創(chuàng)新培養(yǎng)。教師在線上為大學(xué)生推送多樣化的教學(xué)資源，例如視頻、動(dòng)畫(huà)以及科技前沿等內(nèi)容。學(xué)生可以根據(jù)自己的專業(yè)和學(xué)習(xí)情況，個(gè)性化的選擇內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和積極性，還可以利用線上教學(xué)平臺(tái)的討論區(qū)，鼓勵(lì)大學(xué)生利用所學(xué)的知識(shí)討論、分析實(shí)際問(wèn)題或應(yīng)用案例。這些討論的案例可以由教師推送，也可以由學(xué)生自己選擇，目的在于開(kāi)拓思維，培養(yǎng)理工科學(xué)生科學(xué)觀察、分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。最后，為部分學(xué)有余力的大學(xué)生創(chuàng)造條件，鼓勵(lì)他們進(jìn)行更深一步的創(chuàng)新訓(xùn)練。比如教師可以根據(jù)自己的研究課題，在線上發(fā)布相關(guān)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的，開(kāi)展大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目。

3教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)包括學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力的評(píng)定

教學(xué)評(píng)價(jià)是對(duì)教學(xué)活動(dòng)現(xiàn)實(shí)的或潛在的價(jià)值做出判斷的過(guò)程。在對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果的評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)教學(xué)中主要是通過(guò)期末考試分?jǐn)?shù)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行總評(píng)。這樣的評(píng)價(jià)方式讓學(xué)生過(guò)度重視期末考試分?jǐn)?shù)，而忽略了課程學(xué)習(xí)中對(duì)自己學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的提高。深度學(xué)習(xí)[3-4]是以思維和創(chuàng)新發(fā)展為目的的學(xué)習(xí)，不僅包括自主獲取知識(shí)的能力的提升，還包括高階思維以及解決復(fù)雜問(wèn)題能力的提升。這正是新工科人才所需的科學(xué)素養(yǎng)。因此，對(duì)學(xué)生課程學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)，不僅要包括知識(shí)的掌握情況，還應(yīng)該重視大學(xué)生在學(xué)習(xí)大學(xué)物理過(guò)程中其解決問(wèn)題的能力、創(chuàng)新能力的提升。在大學(xué)物理課程的教學(xué)評(píng)價(jià)上，可以歸納為以下幾個(gè)方面。第一，通過(guò)學(xué)生平時(shí)的互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)、作業(yè)、測(cè)試等進(jìn)行知識(shí)掌握情況的評(píng)價(jià)。第二，根據(jù)學(xué)生平時(shí)主動(dòng)學(xué)習(xí)的表現(xiàn)、分析解決復(fù)雜問(wèn)題的表現(xiàn)等進(jìn)行學(xué)習(xí)能力的評(píng)價(jià)。第三，利用課外創(chuàng)新項(xiàng)目等表現(xiàn)進(jìn)行實(shí)踐創(chuàng)新能力評(píng)價(jià)。第四，對(duì)課程期末考試的分?jǐn)?shù)進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

4以“感生電動(dòng)勢(shì)”為例進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)

這里以大學(xué)物理課程中“感生電動(dòng)勢(shì)”的內(nèi)容為例，進(jìn)行翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，教學(xué)流程如圖1所示。

首先在線上布置預(yù)習(xí)任務(wù)。學(xué)生通過(guò)線上觀看教師錄制的“感生電動(dòng)勢(shì)”說(shuō)課視頻，了解本部分學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容。然后教師選取幾種感生電動(dòng)勢(shì)在工程應(yīng)用中的案例，比如與機(jī)械類專業(yè)有關(guān)的“制動(dòng)能量回收系統(tǒng)”，與測(cè)控技術(shù)相關(guān)的“渦流傳感器”，與生物專業(yè)相關(guān)的“經(jīng)顱磁刺激技術(shù)”等，讓學(xué)生按專業(yè)或興趣選擇案例，分析并在線上分享視頻。由于學(xué)生在中學(xué)已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)感生電動(dòng)勢(shì)的概念，預(yù)習(xí)課程后能夠應(yīng)用感生電動(dòng)勢(shì)的概念對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。通過(guò)線上自主預(yù)習(xí)，一方面學(xué)生體會(huì)到感生電動(dòng)勢(shì)與工程應(yīng)用的密切聯(lián)系，另一方面也能引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理與不同學(xué)科交叉融合的創(chuàng)新，還能通過(guò)不同專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)的分享，引導(dǎo)不同專業(yè)的學(xué)生相互借鑒學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)興趣。

在課堂教學(xué)中，采用線上線下混合式教學(xué)模式，讓學(xué)生全程參與到教學(xué)中來(lái)。首先教師選擇部分學(xué)生的線上分享視頻進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，然后結(jié)合這些應(yīng)用引入課程內(nèi)容。在講解難點(diǎn)內(nèi)容“感生電場(chǎng)的環(huán)路定理”時(shí)，可以把“感生電場(chǎng)的環(huán)路定理”與“磁場(chǎng)的環(huán)路定理”相類比來(lái)加深學(xué)生的理解。類比總結(jié)如表1所示。在這里可以充分利用線上教學(xué)平臺(tái)，逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)運(yùn)用“類比推理”的方法分析和解決問(wèn)題。比如隨著對(duì)“感生電場(chǎng)的環(huán)路定理”循序漸進(jìn)的討論，在線上教學(xué)平臺(tái)發(fā)布互動(dòng)，讓學(xué)生依次思考并回答“哪個(gè)電磁學(xué)定理和感生電場(chǎng)的環(huán)路定理類似？”“兩個(gè)定理的數(shù)學(xué)形式有何類似？”“兩個(gè)定理的物理含義有何類似？”“兩個(gè)定理中磁場(chǎng)強(qiáng)度線或感生電場(chǎng)線的繞行方向有何不同？”“兩個(gè)定理中磁場(chǎng)強(qiáng)度和感生電場(chǎng)強(qiáng)度的求解方法是否類似？”等問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)互動(dòng)的大數(shù)據(jù)，教師即時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)某些疑難問(wèn)題進(jìn)行解答與分析。

課后，在線上為學(xué)生推送多樣化的教學(xué)資源。這些教學(xué)資源主要包括兩方面，一是與課堂知識(shí)點(diǎn)密切相關(guān)的動(dòng)畫(huà)和視頻等，二是感生電動(dòng)勢(shì)在其他科技領(lǐng)域的應(yīng)用以及部分技術(shù)前沿介紹。為了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)觀察、分析和解決問(wèn)題的能力，激發(fā)大學(xué)生創(chuàng)意創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生在線上討論相關(guān)技術(shù)應(yīng)用（例如無(wú)線充電等）還有哪些方面有待提升、有哪些新技術(shù)是運(yùn)用了類比推理的方法等。最后，教師結(jié)合學(xué)生的專業(yè)，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的，幫助部分學(xué)有余力的學(xué)生開(kāi)展大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目。

最后，通過(guò)線上大數(shù)據(jù)結(jié)合線下教學(xué)等對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)教師根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果對(duì)教學(xué)工作進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和反思。

5結(jié)束語(yǔ)

作為高等院校理工科專業(yè)學(xué)生的基礎(chǔ)課，大學(xué)物理課程的重要性不言而喻。為了適應(yīng)當(dāng)前新工科人才培養(yǎng)的發(fā)展需要，嘗試從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和考核評(píng)價(jià)等三方面對(duì)大學(xué)物理課程進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動(dòng)[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[2] 王鑒.論翻轉(zhuǎn)課堂的本質(zhì)[J].高等教育研究，2016，37（08）：53-59.

[3] 郭華.深度學(xué)習(xí)及其意義[J].課程.教材.教法，2016，36（11）：25-32.

[4] 安富海.促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)策略研究[J].課程.教材.教法，2014，34（11）：57-62.