“新工科”背景下“大學(xué)物理”教學(xué)改革的探索與實踐

周 雪，楊 旭

（重慶工商大學(xué) 人工智能學(xué)院，重慶 400067）

2017年以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，先后發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實踐項目的通知》[1-3]。在“新工科”背景下，高等院校要培養(yǎng)具有扎實專業(yè)知識的工程技術(shù)人才，增強(qiáng)人才的創(chuàng)新能力，以滿足各項新技術(shù)、新模式、新產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展對人才的需求[4-5]。當(dāng)前，技術(shù)的發(fā)展日新月異，理工科專業(yè)的劃分也越來越細(xì)致，但普遍存在專業(yè)性更強(qiáng)、應(yīng)用性更強(qiáng)、創(chuàng)新性更強(qiáng)等特點。面對該學(xué)科發(fā)展趨勢，各理工科專業(yè)課程的知識深度、應(yīng)用性、創(chuàng)新性相繼提高，理工科學(xué)生需要扎實的物理知識作為支撐，才能在后續(xù)的專業(yè)知識學(xué)習(xí)中融會貫通。因此，“大學(xué)物理”課程是各學(xué)科學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的基礎(chǔ)，更是新工科人才培養(yǎng)的關(guān)鍵?！靶鹿た啤北尘跋碌摹按髮W(xué)物理”課程，不僅要讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)的物理知識，更要結(jié)合當(dāng)前的科技發(fā)展形勢，讓學(xué)生了解物理學(xué)與各學(xué)科的交叉融合所產(chǎn)生的新技術(shù)、新方法，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，進(jìn)而培養(yǎng)具有新思維模式的應(yīng)用型人才。

目前，“大學(xué)物理”課程通常在本科一年級開設(shè)，分兩學(xué)期進(jìn)行授課，多采用傳統(tǒng)的授課方式，授課過程以老師講述為主。首先，初入大學(xué)校園的學(xué)生剛剛經(jīng)歷完高考，部分學(xué)生心態(tài)放松，加之智能手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、游戲產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，部分學(xué)生很難抵抗眾多娛樂形式的誘惑，導(dǎo)致對課程的重視程度不夠，對學(xué)習(xí)產(chǎn)生懈怠心理，進(jìn)而出現(xiàn)上課注意力不集中、玩手機(jī)等現(xiàn)象。其次，部分學(xué)生習(xí)慣了中學(xué)階段的學(xué)習(xí)方式，喜歡固定的知識點和解題思路，不善于獨立思考，對知識不求甚解，導(dǎo)致學(xué)生在面對復(fù)雜的專業(yè)知識和具有較強(qiáng)應(yīng)用性的實際問題時束手無策，不利于創(chuàng)新型、應(yīng)用型人才的培養(yǎng)。最后，學(xué)生在中學(xué)期間有家長和老師每天督促學(xué)習(xí)，進(jìn)入本科階段，許多學(xué)生沒有養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，而本科一年級、二年級是引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的重要時期。因此，在“大學(xué)物理”課程中開展教學(xué)改革，提升課堂效率與物理知識的學(xué)習(xí)效果，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)獨立思維模式與自主學(xué)習(xí)習(xí)慣是“新工科”建設(shè)的需要。

1 工科“大學(xué)物理”的知識體系和課程屬性

“大學(xué)物理”是所有工科均需開設(shè)的基礎(chǔ)必修課，在本科教學(xué)體系中，“大學(xué)物理”課程通常在本科一年級下學(xué)期開始開設(shè)，分成上、下冊進(jìn)行授課，持續(xù)一學(xué)年。因此，“大學(xué)物理”課程具有開設(shè)時間早、課程周期長、受眾廣的特點?！按髮W(xué)物理”課程包含力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、原子物理及量子力學(xué)基礎(chǔ)等多學(xué)科內(nèi)容，知識范圍廣，涉及大部分自然科學(xué)的基礎(chǔ)知識點，是理工科學(xué)生打基礎(chǔ)的關(guān)鍵課程。理工科學(xué)生學(xué)好“大學(xué)物理”，對后續(xù)專業(yè)課程知識的學(xué)習(xí)和理解有很大的幫助[6-8]。例如機(jī)械類專業(yè)的學(xué)生一般需要學(xué)習(xí)“電工與電子技術(shù)”“機(jī)械原理”“工程力學(xué)”“工程制圖”等專業(yè)課程。這些課程的專業(yè)性強(qiáng)，一般直接進(jìn)入主題，需要學(xué)生有初步的力學(xué)、電學(xué)知識作為基礎(chǔ)；對于通信、測控專業(yè)的學(xué)生，可能會開設(shè)“電工原理”“測控技術(shù)與系統(tǒng)”“數(shù)字圖像處理”“光電檢測技術(shù)”等專業(yè)課程。這些課程以“大學(xué)物理”中的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)知識作為基礎(chǔ)，甚至需要初步的原子、量子知識。因此，“大學(xué)物理”在工科各學(xué)科中起至關(guān)重要的作用，是工科類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的基礎(chǔ)。

2 工科“大學(xué)物理”課程實施改革的必要性

2.1 引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)獨立思考意識和自主學(xué)習(xí)習(xí)慣

“大學(xué)物理”課程的開設(shè)時間通常為本科一年級至二年級，正是學(xué)生學(xué)習(xí)模式和生活模式從中學(xué)向大學(xué)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，是學(xué)生培養(yǎng)獨立思維和自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的關(guān)鍵時期。在中學(xué)的學(xué)習(xí)模式下，學(xué)生通常不用過多思考，知識點由老師反復(fù)總結(jié)和強(qiáng)調(diào)，解題思路比較固定，養(yǎng)成了“按套路做題”的習(xí)慣，缺乏獨立思考的意識，許多學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后產(chǎn)生了懈怠的心理。這些問題的苗頭通常出現(xiàn)在本科一年級至二年級階段，因此，本科初期對學(xué)生思維模式的轉(zhuǎn)變與良好學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成至關(guān)重要。

“大學(xué)物理”課程的開設(shè)時間正好處于這一關(guān)鍵時期，傳統(tǒng)的教學(xué)模式授課形式單一、課堂比較枯燥，學(xué)生很容易被游戲、手機(jī)等娛樂形式吸引。因此，在教學(xué)過程中開展課程改革，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，結(jié)合“對分課堂”“翻轉(zhuǎn)課堂”等創(chuàng)新課程模式，提升課堂的趣味性，引導(dǎo)學(xué)生積極參與課堂、獨立思考、自主學(xué)習(xí)十分必要[9-10]。

2.2 提升課堂效率和專業(yè)知識學(xué)習(xí)效果

“大學(xué)物理”課程的授課內(nèi)容包含各物理學(xué)科的基礎(chǔ)知識，內(nèi)容多、體系比較復(fù)雜。傳統(tǒng)的授課過程通常采用單一的講述式教學(xué)，只關(guān)注知識的講解，比較枯燥，學(xué)生的注意力容易分散，學(xué)習(xí)積極性不高。開展課程改革可以在知識的講授過程中穿插時事熱點、人物事跡、前沿技術(shù)，也可以充分利用新聞、短視頻、網(wǎng)絡(luò)調(diào)研測試等靈活的授課形式，實現(xiàn)“寓教于樂”，充分活躍課堂氣氛，提高學(xué)生的課堂積極性與參與度，對加強(qiáng)知識理解、提升授課效果具有促進(jìn)作用。

3 “大學(xué)物理”課程改革的方案探索

3.1 聯(lián)系時事熱點，學(xué)習(xí)榜樣故事，提升課堂吸引力

“大學(xué)物理”的授課內(nèi)容主要是物理學(xué)的基礎(chǔ)知識，理論性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)，傳統(tǒng)的授課過程只注重知識的講授，很容易使學(xué)生感到枯燥，出現(xiàn)注意力不集中、走神的現(xiàn)象。為改善這一問題、提升課堂的吸引力，教師可以在授課過程中，結(jié)合所講授的內(nèi)容，緊密聯(lián)系當(dāng)前的時事熱點，讓學(xué)生了解最新的科學(xué)技術(shù)與物理知識的聯(lián)系以及物理知識的最新應(yīng)用進(jìn)展。例如在講授力學(xué)部分的質(zhì)點動力學(xué)相關(guān)知識時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析航天器的3種宇宙速度，聯(lián)系我國航天事業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀：2021年6月17日，神舟十二號載人飛船順利發(fā)射，將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空，執(zhí)行飛行任務(wù)的長征二號F遙十二運載火箭在此前基礎(chǔ)上共進(jìn)行了109項技術(shù)狀態(tài)更改，將可靠性從指標(biāo)要求的0.97提升到0.989 4，再次刷新了自身紀(jì)錄。我國航天事業(yè)的發(fā)展離不開扎實的物理知識和精密的工程技術(shù)，教師在授課過程中要引導(dǎo)學(xué)生看到基礎(chǔ)知識的重要性，只有具備扎實的基礎(chǔ)，才能在各自的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

在講授原子與量子物理的相關(guān)知識時，由于此時課程已進(jìn)入尾聲，加之這部分內(nèi)容在考試中所占分值不高，很多學(xué)生會放棄這部分的學(xué)習(xí)。然而，現(xiàn)今的技術(shù)發(fā)展很多都是以原子分子物理、量子物理為基礎(chǔ)的，材料、通信、測控、電子等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生都應(yīng)具備原子、量子物理的相關(guān)知識作為專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。在授課時，為提升課堂的吸引力，教師可以為學(xué)生介紹錢學(xué)森、鄧稼先等“兩彈一星”功勛獎?wù)芦@得者背后的故事，也可以結(jié)合短視頻等形式，在較短的時間內(nèi)讓學(xué)生了解科學(xué)家遇到問題時如何思考、如何解決，引導(dǎo)學(xué)生在求知的路上不怕困難、勇于追求真理。

3.2 結(jié)合前沿技術(shù)，拓寬科學(xué)視野，提升課堂創(chuàng)新性

“大學(xué)物理”課程內(nèi)容相對固定，傳統(tǒng)的教學(xué)模式通常只是照本宣科，知識的更新速度慢，原理和公式的推導(dǎo)較多，理論性、邏輯性強(qiáng)。在授課過程中，如果只注重公式、原理的推導(dǎo)和講解，很容易使學(xué)生感到枯燥，繼而失去學(xué)習(xí)興趣。實際上，很多科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展都是基礎(chǔ)物理原理的應(yīng)用和創(chuàng)新。因此，對課程內(nèi)容進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?，結(jié)合對應(yīng)的物理知識為學(xué)生介紹最新的成果發(fā)展和創(chuàng)新技術(shù)，不但可以活躍課堂氣氛、提升課堂效果，還可以開拓學(xué)生的眼界。例如在講授光學(xué)部分圓孔衍射的相關(guān)知識時，教師可以介紹光學(xué)儀器的分辨率：其與儀器的孔徑成正比，與光波的波長成反比。因此，在進(jìn)行天文觀測時，為提高分辨率，通常會采用孔徑較大的望遠(yuǎn)鏡，這也是我國“天眼”口徑大的原因。中國“天眼”坐落于我國貴州省，于2008年開始建設(shè)，歷時8年，于2016年完工，直徑500 m，是目前世界上最大的單口徑射電天文望遠(yuǎn)鏡，可接收110億光年外的微弱信號。預(yù)計在未來的20～30年內(nèi)，“天眼”將一直保持領(lǐng)先水平，這也是我國在天文、航天領(lǐng)域的重大突破。在講解穩(wěn)恒磁場時，教師可以講解安培力的相關(guān)知識，這里可以引入安培力的典型應(yīng)用—磁懸浮列車，為學(xué)生介紹磁懸浮列車的原理，也可以為學(xué)生介紹我國高鐵技術(shù)的發(fā)展：截至2017年，我國的高鐵里程已達(dá)2.65萬km，占世界高鐵總里程的65.00%。短短20多年的發(fā)展時間，我國高鐵技術(shù)就已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。再比如教授磁介質(zhì)的內(nèi)容時，教師可以介紹磁介質(zhì)火車票：目前，磁介質(zhì)火車票在我國得到廣泛應(yīng)用，人們常見的正面淺藍(lán)色、背面黑色的硬質(zhì)車票即磁介質(zhì)火車票，其內(nèi)部磁條由液體磁性材料涂覆而成，為信息載體，大大提高了檢驗效率。

3.3 利用靈活的手段，豐富授課形式，提升課堂參與度

改變傳統(tǒng)課堂中教師主導(dǎo)的“填鴨式”教學(xué)模式，拓展教學(xué)手段，可以充分利用現(xiàn)今的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段，提升學(xué)生在課堂的參與度。針對學(xué)生逃課、注意力不集中等問題，教師可以通過短視頻、移動客戶端等與學(xué)生互動，利用短視頻在較短時間內(nèi)為學(xué)生展示前沿技術(shù)、榜樣故事、科學(xué)原理等，也可以對較難的知識點進(jìn)行視頻講解、原理剖析。例如在講授波動光學(xué)內(nèi)容時，講完光的干涉、衍射現(xiàn)象的基本原理后，通常還有很多學(xué)生無法理解，這時配合短視頻為學(xué)生展示具體的現(xiàn)象，能讓學(xué)生“眼見為實”，真正理解干涉和衍射的實質(zhì)。同時，對于一些重難點部分，教師可以采取知識競賽、答題問卷等方式，及時了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和相關(guān)知識掌握程度，以便及時調(diào)整授課進(jìn)度和教學(xué)方式。

3.4 重視實驗環(huán)節(jié)，理論與實驗相結(jié)合，提升學(xué)生動手能力

工科類專業(yè)在本科低年級階段，除了開設(shè)“大學(xué)物理”課程以外，也會開設(shè)“大學(xué)物理實驗”課程作為通識類必修課程。然而，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)高?！按髮W(xué)物理”課程與“大學(xué)物理實驗”課程是兩門獨立的課程，實驗課程通常有獨立的授課教師，授課進(jìn)度也與“大學(xué)物理”課程不匹配。例如許多學(xué)校將“大學(xué)物理實驗”分為力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等模塊，但在“大學(xué)物理”中，光學(xué)通常是最后一部分內(nèi)容，很多學(xué)生在應(yīng)用邁克爾遜干涉儀、分光光度計調(diào)節(jié)等開展光學(xué)實驗時，還未學(xué)習(xí)光學(xué)部分知識，并不了解干涉的原理，因此不能很好地理解實驗內(nèi)容，甚至很多學(xué)生不夠重視“大學(xué)物理”實驗課程，覺得實驗課不重要且學(xué)分少，存在僥幸心理，企圖蒙混過關(guān)。針對這一問題，首先需要改變學(xué)生的思維。實際上，本科期間大多數(shù)知識都是書本上的知識，學(xué)生動手操作實踐的機(jī)會并不多，而且大學(xué)物理實驗中的內(nèi)容都是物理學(xué)中非常經(jīng)典和重要的知識，學(xué)生應(yīng)該把握機(jī)會，從實驗中了解原理，加強(qiáng)學(xué)習(xí)，提升操作能力。此外，“大學(xué)物理”課程授課教師在課程內(nèi)容安排過程中，也應(yīng)該注重理論與實驗的結(jié)合和匹配，在講授實驗對應(yīng)的知識時，突出原理，讓學(xué)生充分理解理論內(nèi)容，進(jìn)而在實驗操作過程中加深理解，促進(jìn)對知識的學(xué)習(xí)。

3.5 組織小組討論，開展科學(xué)調(diào)研，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

本科階段的學(xué)習(xí)模式與中學(xué)不同，沒有家長與老師的監(jiān)督，很多學(xué)生會變得懶散?！按髮W(xué)物理”課程內(nèi)容豐富，很多自然現(xiàn)象都包含基本的物理知識。為調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和團(tuán)隊協(xié)作精神，可以將學(xué)生分組，每組選擇一個自然現(xiàn)象或者物理知識作為小課題進(jìn)行拓展研究，讓學(xué)生利用互聯(lián)網(wǎng)、圖書館等資源，查閱該現(xiàn)象的物理原理以及該原理的應(yīng)用或技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，做一個小報告或發(fā)言。這一內(nèi)容可以讓學(xué)生自由發(fā)揮，不設(shè)評價考核、不過多占用課堂時間，不但可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊合作能力，還能提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。比如針對“天空為什么是藍(lán)色的”這一問題，學(xué)生通過光學(xué)部分的學(xué)習(xí)了解到：波長較短的藍(lán)色更容易被大氣中的塵埃、顆粒散射，因此，天空是藍(lán)色的。然后，學(xué)生進(jìn)一步了解到：波長較長的可見光在大氣中的透射性更強(qiáng)，因此，紅綠燈以紅燈為“?！钡臉?biāo)志。再比如針對“極光為什么只在兩極出現(xiàn)而不在赤道出現(xiàn)”這一問題，通過查閱資料，結(jié)合電磁場的相關(guān)知識，學(xué)生可以了解到：極光是太陽噴射的帶電粒子被地球磁場阻止所形成的現(xiàn)象，由于地球的兩個磁極分別對應(yīng)南極和北極，磁場在兩極形成漏斗狀的凹陷，帶電粒子沉入凹陷的兩極地區(qū)、轟擊大氣層，發(fā)出絢麗的光芒形成極光。因為帶電粒子無法到達(dá)赤道，所以赤道地區(qū)沒有極光現(xiàn)象?；谶@些知識，學(xué)生可以進(jìn)一步了解等離子體的相關(guān)知識。在電磁場、光學(xué)相關(guān)知識的授課過程中，教師還可以讓學(xué)生對3D電影成像、遙感技術(shù)等目前已被廣泛應(yīng)用的技術(shù)原理和相關(guān)知識進(jìn)行了解和學(xué)習(xí)。

4 “大學(xué)物理”課程改革的實施效果分析

4.1 課堂更活躍，授課效果更好，期末成績明顯提升

本研究以重慶工商大學(xué)2019級和2020級機(jī)械類“大學(xué)物理”授課為例，對“大學(xué)物理”課程改革的實施效果進(jìn)行了對比分析。2019級機(jī)械專業(yè)的“大學(xué)物理”課程采用的還是傳統(tǒng)的授課模式，而在2020級機(jī)械專業(yè)的授課過程中實施了課程改革。由于物理知識相對復(fù)雜枯燥，2019級學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中注意力不夠集中，課堂活躍度和學(xué)習(xí)積極性較低；實施了課程改革的2020級“大學(xué)物理”課堂更活躍，學(xué)生注意力更集中，學(xué)習(xí)積極性較高。期末成績?nèi)鐖D1所示，實施課程改革的2020級學(xué)生期末及格率較2019級提升約10.00%，平均分也提高了5.7分。從成績分布上看，處于80～100分優(yōu)秀分?jǐn)?shù)段的學(xué)生提升了9.87%，處于70～79分良好分?jǐn)?shù)段的學(xué)生比例也明顯增加。說明實施課程改革能夠較好地提升課堂效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

圖1 實施課程改革前后“大學(xué)物理”課程成績對比

4.2 學(xué)生滿意度較高

本研究對開展課程改革的2020級學(xué)生的課堂滿意度進(jìn)行了線上問卷調(diào)查，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，97.50%的學(xué)生認(rèn)為開展課程改革后課堂效果更好，課堂氛圍更活躍，師生的互動性更強(qiáng)，有助于答疑解惑。教學(xué)改革后的課程信息更豐富多樣，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)更高，對科學(xué)的興趣更強(qiáng)，更有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。此外，通過課程改革，學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力更強(qiáng)，這也是課程通過率明顯提升的原因之一。

圖2 實施課程改革后學(xué)生滿意度調(diào)查