新工科背景及交叉學(xué)科人才培養(yǎng)模式下的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)改革探析

徐銘澤 張挺聳

摘 ?要：新工科以新一代信息技術(shù)為核心，以創(chuàng)新和突破為目標(biāo)，注重學(xué)科交叉融合和跨界整合，旨在解決工程技術(shù)人才培養(yǎng)與生產(chǎn)和創(chuàng)新實(shí)踐相脫節(jié)的問題?！按髮W(xué)物理學(xué)”作為一門通識(shí)教育課程，與各工科專業(yè)有著千絲萬縷的聯(lián)系，對(duì)于工科的發(fā)展起著非常重要的作用。大學(xué)物理學(xué)教學(xué)需要順應(yīng)新工科的發(fā)展形勢(shì)，樹立“以工程能力為核心”的工科大學(xué)物理學(xué)教學(xué)理念，建立學(xué)科交叉融合的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)觀念，打造具有新工科觀念的大學(xué)物理學(xué)教師隊(duì)伍，探索“產(chǎn)學(xué)研”深度結(jié)合的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)模式，為新工科人才的培養(yǎng)做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：新工科;交叉學(xué)科;人才培養(yǎng);教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G420 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1673-7164（2022）02-0129-04

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科技的日新月異，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)形式對(duì)傳統(tǒng)的工科領(lǐng)域產(chǎn)生了較大的沖擊。研究表明，我國(guó)的工程類教育在世界范圍內(nèi)首屈一指，國(guó)內(nèi)高校工科在校學(xué)生占高?？?cè)藬?shù)的30%以上，但實(shí)際上我國(guó)的工科專業(yè)教育仍存在著一些問題亟待解決，如工科教學(xué)和理科教學(xué)之間的界限較為模糊、傳統(tǒng)的工程教育與新興產(chǎn)業(yè)之間存在脫節(jié)。而且資料統(tǒng)計(jì)顯示，到21世紀(jì)20年代，我國(guó)一些信息技術(shù)及電力產(chǎn)業(yè)的人才缺口現(xiàn)象將會(huì)非常嚴(yán)重[1]。為了應(yīng)對(duì)新一輪的科技變革，我國(guó)教育部提出了建設(shè)“新工科”的計(jì)劃，先后召開了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”“北京指南”三次會(huì)議，旨在探索工程教育的中國(guó)模式[2]。

在“新工科”中，“工科”是指工程學(xué)科，“新”包含三方面含義，即新興、新型和新生[3]。新工科以創(chuàng)新和突破為目標(biāo)，以交叉融合為手段來培養(yǎng)“新工科”人才。中科院院士、復(fù)旦大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)包信和指出，新工科背景下所要培育的人才應(yīng)是復(fù)合型、綜合性人才，應(yīng)具有廣泛的學(xué)科交叉背景。學(xué)生要具備整合能力、全球性視野、領(lǐng)導(dǎo)能力、實(shí)踐能力，成為人文科學(xué)和工程領(lǐng)域的領(lǐng)袖人物[4]。培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的各類交叉學(xué)科人才已經(jīng)成為我國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。

高校的人才培養(yǎng)和課程設(shè)置緊密相關(guān)，因此，要培養(yǎng)優(yōu)秀的新工科人才，必然要從提高課程質(zhì)量和優(yōu)化課程內(nèi)容入手。大學(xué)物理學(xué)作為一門通識(shí)教育課程，和工科專業(yè)有著緊密聯(lián)系：18世紀(jì)60年代開始的第一次工業(yè)技術(shù)革命以蒸汽機(jī)應(yīng)用為標(biāo)志，它是牛頓力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展的結(jié)果;19世紀(jì)70年代開始的第二次工業(yè)技術(shù)革命以電力的廣泛應(yīng)用和無線電通信為標(biāo)志，它是電磁學(xué)發(fā)展的結(jié)果;20世紀(jì)40年代興起并一直延續(xù)至今的第三次工業(yè)技術(shù)革命是相對(duì)論和量子論發(fā)展的結(jié)果。由此可見，大學(xué)物理學(xué)對(duì)于工科的發(fā)展起著非常重要的作用，為了適應(yīng)“新工科”的建設(shè)，大學(xué)物理學(xué)教學(xué)改革也勢(shì)在必行。

一、新工科背景下大學(xué)物理學(xué)課程亟待解決的問題

（一）理科和工科的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容

長(zhǎng)期以來，工科與理科的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容差別較小。理科教學(xué)是將力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)及量子力學(xué)分為不同的課程分別教授，而工科教學(xué)只是將這些內(nèi)容合并到一門課程中教授，在內(nèi)容上僅縮減了一部分知識(shí)，并沒有太大的區(qū)別。物理學(xué)教學(xué)普遍存在重理論輕實(shí)踐的現(xiàn)象，對(duì)工程類人才培養(yǎng)目標(biāo)的定位不夠準(zhǔn)確。工科人才的培養(yǎng)目標(biāo)與理科人才不同，需要在實(shí)踐中解決復(fù)雜的工程應(yīng)用問題，而不應(yīng)按照培養(yǎng)科學(xué)家的模式培養(yǎng)工程技術(shù)人才。實(shí)踐教學(xué)的缺失會(huì)影響學(xué)生利用理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，降低了物理學(xué)對(duì)工科專業(yè)的影響，也會(huì)使工科學(xué)生產(chǎn)生不重視實(shí)踐環(huán)節(jié)的想法，從而降低了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

（二）物理學(xué)教學(xué)缺乏與其他學(xué)科之間的交叉融合

當(dāng)今世界的發(fā)展趨勢(shì)以及我國(guó)未來發(fā)展規(guī)劃表明，學(xué)科之間的交叉融合已經(jīng)勢(shì)在必行，但目前我國(guó)學(xué)科交叉融合發(fā)展還處于初級(jí)階段。高校中各個(gè)院系仍采用單一學(xué)科建制，學(xué)科與學(xué)科之間的交叉融合仍然不夠完善，從課程建設(shè)方面有所體現(xiàn)。以“大學(xué)物理學(xué)”課程為例，理工科的各個(gè)專業(yè)都將大學(xué)物理學(xué)課程作為一門公共基礎(chǔ)課，雖然從形式上實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)科和各學(xué)科之間的交叉融合，但是課程內(nèi)容還需進(jìn)一步調(diào)整。盡管大學(xué)物理學(xué)在課程內(nèi)容上較為完整和系統(tǒng)，但沒有從培養(yǎng)交叉學(xué)科人才的角度來通盤考慮，各個(gè)院系的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)大體一致，沒有體現(xiàn)出各個(gè)專業(yè)之間的特色和區(qū)別，所教授的理論內(nèi)容并沒有根基各個(gè)專業(yè)的特點(diǎn)來有所側(cè)重并刪減。使得學(xué)生難以從學(xué)科交叉的角度來掌握與自身專業(yè)密切相關(guān)的物理知識(shí)，不利于將學(xué)科交叉的思想融入學(xué)生的學(xué)習(xí)觀念中。

（三）教師本身缺乏學(xué)科交叉的觀念

教師在整個(gè)教學(xué)體系中依然起著主導(dǎo)的作用，無論是在講解知識(shí)抑或在傳授思維模式上，都起著決定性作用。部分教師自身沒有參加過關(guān)于“新工科”理念的培訓(xùn)，或者本身的科研方向沒有“學(xué)科交叉”的因素，使得其自身不具備學(xué)科交叉的理念，不能很好地把握“新工科”背景下人才培養(yǎng)的模式及授課的思路。此外，企業(yè)所需人才和學(xué)校培養(yǎng)人才之間存在著“不對(duì)接”的現(xiàn)象，這也是“新工科”背景下國(guó)家和社會(huì)暨需解決的問題，需要教師改良教育思路，優(yōu)化陳舊的教育模式。當(dāng)前部分教師對(duì)當(dāng)今企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)以及企業(yè)所需人才的類型缺乏了解，無法根據(jù)實(shí)際情況改革課程，無法解決企業(yè)用人和學(xué)校培育人才之間存在偏差的問題。

（四）“產(chǎn)學(xué)研”模式有待進(jìn)一步強(qiáng)化

科技的進(jìn)步與當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)密不可分，國(guó)家也越來越重視科技成果轉(zhuǎn)化及人才培養(yǎng)模式優(yōu)化的問題。以推動(dòng)科學(xué)研究面向產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新需求，形成科技發(fā)展與產(chǎn)業(yè)發(fā)展共同進(jìn)步局面的“產(chǎn)學(xué)研”模式，在此背景下應(yīng)運(yùn)而生[5]。但就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，科研和教學(xué)之間的結(jié)合有待進(jìn)一步加強(qiáng)，雖然有很多高校已經(jīng)開始讓本科生接觸科研訓(xùn)練，但是訓(xùn)練范圍依然有限。從課程內(nèi)容上看，如何讓更多的學(xué)生在學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，了解和接觸科技前沿以及將理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，這也是當(dāng)前需要解決的問題;從課程設(shè)置上看，如何讓學(xué)生真正將所學(xué)內(nèi)容和相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，也是物理學(xué)教學(xué)需要面臨的挑戰(zhàn)。

二、新工科背景下交叉學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀及其對(duì)物理學(xué)教學(xué)改革的啟示

新工科建設(shè)正在全國(guó)范圍內(nèi)如火如荼地展開，并將引領(lǐng)我國(guó)高等教育的改革和發(fā)展[6]。新工科突出的是“創(chuàng)新”和“改造”，培養(yǎng)新工科人才所采用的方式主要是多學(xué)科的交叉融合，不同學(xué)科之間的交叉融合不是簡(jiǎn)單的疊加與拼湊，而是基于當(dāng)前和未來經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展需要，在各學(xué)科之間產(chǎn)生了前所未有的內(nèi)在的邏輯關(guān)系，促使各學(xué)科在知識(shí)、理論、方法、技術(shù)和手段等方面相互滲透、有機(jī)結(jié)合和相互融合，進(jìn)而形成滿足當(dāng)前和未來需要的新的綜合學(xué)科[7]。

多學(xué)科之間的交叉融合是當(dāng)今世界發(fā)展的趨勢(shì)，國(guó)外的眾多高校都非常注重學(xué)科之間的交叉融合，德國(guó)的博士研究生培養(yǎng)模式進(jìn)行了一系列改革，要求各高校必須以聯(lián)系較為緊密的兩個(gè)或多個(gè)相關(guān)交叉學(xué)科為基本單位，共同組建研究生院，以便培養(yǎng)復(fù)合型交叉學(xué)科人才，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的完善和調(diào)整，效果非常顯著[8]。我國(guó)對(duì)交叉人才培養(yǎng)也極為重視，在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》等重要文件中都強(qiáng)調(diào)了發(fā)展交叉學(xué)科對(duì)國(guó)家科技、科學(xué)發(fā)展的重要性，并做出了相應(yīng)的戰(zhàn)略部署。近年來，國(guó)內(nèi)眾多高校也紛紛響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，成立了一系列的交叉學(xué)科研究機(jī)構(gòu)及學(xué)院，如清華大學(xué)成立的交叉信息研究院、北京大學(xué)成立的“元培”學(xué)院、吉林大學(xué)成立的“唐敖慶班”等。

國(guó)內(nèi)外的著名高校都非常注重交叉學(xué)科的建設(shè)及新型人才的培養(yǎng)，但是如何在基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)學(xué)生的交叉學(xué)科觀念，如何在新工科的背景下優(yōu)化基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，還有進(jìn)一步調(diào)整的空間。本文在新工科及交叉學(xué)科人才培養(yǎng)模式的背景下，旨在以大學(xué)物理學(xué)教育改革為個(gè)案，梳理物理學(xué)和各學(xué)科之間的聯(lián)系，從授課思路的優(yōu)化、課程模式的建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)的改革及產(chǎn)學(xué)研體系的建立等方面入手，融匯國(guó)內(nèi)、外教育模式的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)新形勢(shì)下的知識(shí)，大學(xué)物理學(xué)教學(xué)改革的方向做出了適當(dāng)探索。

三、新工科背景下大學(xué)物理學(xué)的教學(xué)改革策略

（一）樹立以工程能力為核心的工科大學(xué)物理學(xué)教學(xué)理念

新工科背景下，高校最重要的工作就是培養(yǎng)工科學(xué)生工程意識(shí)及工程能力，并使之將其應(yīng)用到具體項(xiàng)目的實(shí)踐中。而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，就需要合理調(diào)整課程內(nèi)容及授課思路。從物理學(xué)發(fā)展進(jìn)程上來看，近代物理學(xué)內(nèi)容與工程技術(shù)之間的聯(lián)系較為緊密，但目前的授課思路更偏重于經(jīng)典物理的內(nèi)容，關(guān)于物理知識(shí)在工程技術(shù)中的應(yīng)用依然較為稀缺，高校應(yīng)調(diào)整授課內(nèi)容的分配比例，尤其在工科的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)近代物理學(xué)教學(xué)內(nèi)容的比重，將工程知識(shí)與物理學(xué)教學(xué)有機(jī)結(jié)合在一起。在具體的物理學(xué)授課中，把實(shí)際的工程問題抽象成可供研究的物理模型，增加實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，減少理論驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，多加入設(shè)計(jì)性的實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（二）建立學(xué)科交叉融合的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)觀念

自然科學(xué)之間的交叉融合已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，科學(xué)上新理論、新發(fā)明的產(chǎn)生往往出現(xiàn)在相關(guān)學(xué)科的交叉點(diǎn)上，學(xué)科交叉為科學(xué)技術(shù)提供了一種產(chǎn)生新知識(shí)的方式，能為新的科研思路帶來靈感，能夠更深刻地理解各種科學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)，近百年來超過半數(shù)的諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)都頒發(fā)給了學(xué)科交叉項(xiàng)目，表明了學(xué)科交叉的價(jià)值。因此，在以創(chuàng)新為目的的新工科背景下，高校要打破傳統(tǒng)的單一學(xué)科制人才培養(yǎng)模式，建立以學(xué)科交叉為主的融合發(fā)展模式。大學(xué)物理學(xué)作為一門通識(shí)教育課程，是學(xué)生步入大學(xué)校園后首先接觸的課程，有利于為學(xué)生打下良好的交叉學(xué)科觀念。在課程設(shè)置上，要根據(jù)不同專業(yè)特色，采用互動(dòng)課堂、案例教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)及專題報(bào)告等多樣化的教學(xué)形式，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)。例如為光電信息系的學(xué)生授課時(shí)，教師應(yīng)緊密結(jié)合光電信息系的特色，著重講解物理學(xué)中的光學(xué)、電學(xué)方面的知識(shí)，并且為光電專業(yè)的學(xué)生講解物理知識(shí)和其專業(yè)前沿科技之間的聯(lián)系，在提高學(xué)習(xí)興趣的又能滲透學(xué)科交叉的理念。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，對(duì)不同專業(yè)的學(xué)生“區(qū)別對(duì)待”，多安排一些和該專業(yè)學(xué)生所學(xué)內(nèi)容相關(guān)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生在實(shí)踐中感受學(xué)科交叉的魅力。

（三）培養(yǎng)具有新工科觀念的大學(xué)物理學(xué)教師隊(duì)伍

百年大計(jì)，教育為本;教育大計(jì)，教師為本。教師對(duì)于文化知識(shí)的傳承起著舉足輕重的作用，我國(guó)自古以來都非常注重對(duì)教師能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。而隨著“金課行動(dòng)”“雙師型教師構(gòu)想”及“新工科計(jì)劃”等一系列舉措的提出，當(dāng)今社會(huì)對(duì)教師的要求越來越高，對(duì)于高校教師來說，國(guó)家需要的不再是能夠單純傳授書本知識(shí)的“教書匠”型教師，而是需要能夠不斷創(chuàng)新和突破，能及時(shí)把握當(dāng)今科技發(fā)展趨勢(shì)，并最終為學(xué)生指明前進(jìn)方向的“靈魂導(dǎo)師”。新工科理念首先要求的是創(chuàng)新和突破，對(duì)于高校教師來說，即將創(chuàng)新性的科研成果融入實(shí)際教學(xué)當(dāng)中，這就要求高校教師必須要有一定的科研能力，而且及時(shí)將自己所掌握的“研”轉(zhuǎn)換成學(xué)生所需要的“學(xué)”，將新理論、新觀念、新方法融入理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。再者，新工科理念注重的是多學(xué)科的交叉融合，這就要求教師需要具備學(xué)科交叉的觀念，甚至擁有交叉學(xué)科的知識(shí)背景。對(duì)于大學(xué)物理學(xué)教師來說，最低要求應(yīng)該是了解自己所教專業(yè)與物理學(xué)之間的聯(lián)系，積極與該專業(yè)的專業(yè)課教師研討科研及教學(xué)問題，及時(shí)調(diào)整授課章節(jié)的比重，在課程內(nèi)容和思維模式上做到學(xué)科交叉。新工科思想的最終目標(biāo)是為新興產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才，而為了解決企業(yè)用人和學(xué)校培育人才之間的差異，需要教師親自去企業(yè)進(jìn)行訪學(xué)和調(diào)研，最終明確企業(yè)所需人才的特質(zhì)，并按照這一思路去優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式。

（四）探索“產(chǎn)學(xué)研”深度結(jié)合的大學(xué)物理學(xué)教學(xué)模式

在新工科背景下，如何將科研和教學(xué)相結(jié)合，以及如何將教學(xué)和生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，引起了人們廣泛的關(guān)注。很多學(xué)者提出將本科生引進(jìn)到科研團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行科研訓(xùn)練，并將科研成果應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，以達(dá)到“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的目的。

這種做法取得了較好的成效，并在很大范圍內(nèi)得到了推廣，但并不是所有的學(xué)生都有加入科研團(tuán)隊(duì)的機(jī)會(huì)，面向?qū)W生的范圍依然有限。為了拓寬產(chǎn)學(xué)研模式的受眾，還應(yīng)將這一模式融入日常的教學(xué)中。在教師層面，不僅要讓教師去企業(yè)中做“訪問學(xué)者”，也要讓企業(yè)專家參與到教學(xué)中，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師和企業(yè)專家共同制訂合理的教學(xué)計(jì)劃，在大學(xué)物理學(xué)教學(xué)中引入大量的生產(chǎn)實(shí)踐案例，并在特定的章節(jié)中，讓企業(yè)專家親自從工程實(shí)踐的角度來為學(xué)生授課，實(shí)現(xiàn)教學(xué)和實(shí)踐之間的無縫銜接，使學(xué)校教師和企業(yè)專家之間達(dá)成“走出去，引進(jìn)來”的效果。在學(xué)生層面，除了繼續(xù)將本科生引入科學(xué)團(tuán)隊(duì)之外，應(yīng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)模式，多增加一些和企業(yè)相關(guān)的設(shè)計(jì)性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以生產(chǎn)實(shí)踐中的儀器和測(cè)試工具為參照物，讓學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的模式，應(yīng)用所學(xué)的相關(guān)物理知識(shí)，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)新型的測(cè)量?jī)x器和工具或開發(fā)新的測(cè)量方法。

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（薦稿人：匡尚奇，長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院副教授）

（責(zé)任編輯：汪旦旦）