新工科背景下的應(yīng)用型高校大學(xué)物理課程改革

沈文舒,邱 丹,李 冰,呂巖松

(長春工程學(xué)院，長春130012)

一、引言

2017年，教育部根據(jù)國家戰(zhàn)略發(fā)展需求、國際競爭局勢、立德樹人新要求，提出了“新工科”這一概念。在新工科建設(shè)體系中，對高校的工程教育理念、學(xué)科專業(yè)結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)模式、教育教學(xué)質(zhì)量和課程教學(xué)體系都提出了新的革新要求。物理是現(xiàn)代工程技術(shù)的堅實基礎(chǔ)，也是土木工程、機械制造、新能源、材料學(xué)、汽車工程等相關(guān)傳統(tǒng)工科的基礎(chǔ)。在“新工科”視域下，尋找大學(xué)物理與其他新工科專業(yè)的交叉點，實現(xiàn)跨專業(yè)、跨學(xué)科的融合，對培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才具有重要意義。大學(xué)物理作為理工類院校必修的通識性基礎(chǔ)課，主要培養(yǎng)理工科學(xué)生的科學(xué)思維方式與解決問題能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，為日后更好地服務(wù)專業(yè)領(lǐng)域打下了堅實的行業(yè)基礎(chǔ)。在新工科的建設(shè)與探索階段，《大學(xué)物理》課程的知識體系更要緊跟新理念、新方向、新路徑，及時地開展大學(xué)物理教學(xué)改革，努力向更加系統(tǒng)化、交叉化、創(chuàng)新化的方向發(fā)展。因此，探究新工科背景下大學(xué)物理教學(xué)存在的問題，破解其癥候難題，探索其相適應(yīng)的教學(xué)模式具有重要意義。

二、大學(xué)物理教學(xué)現(xiàn)狀及存在問題

(一)課程體系落后

高校在“新工科”建設(shè)過程中，人才培養(yǎng)的目標(biāo)指向更為具體，從強調(diào)學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識發(fā)展為應(yīng)用能力和技能的培養(yǎng)。但在課程體系建設(shè)及改革時，較少考慮培養(yǎng)目標(biāo)的變化，仍習(xí)慣性地沿用傳統(tǒng)的課程體系，即按分支學(xué)科設(shè)置教學(xué)內(nèi)容體系,基本上由力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理等模塊式結(jié)構(gòu)組成,不能體現(xiàn)物理世界的統(tǒng)一性以及與其他專業(yè)的需求，其課程體系的構(gòu)建未能突破以往的框架，落后于培養(yǎng)目標(biāo)的變化，阻礙了培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

不僅課程結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)，在課程設(shè)置上也缺乏更新。傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程體系注重教學(xué)內(nèi)容的理論化、系統(tǒng)化和完整化。這種課程結(jié)構(gòu)雖然能夠體現(xiàn)出物理學(xué)科綜合性的特點，但也暴露出一些弊端，不利于學(xué)生創(chuàng)新意識的激發(fā)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。物理信息技術(shù)的發(fā)展，對“新工科”背景下的人才提出了更高的要求，而近代物理內(nèi)容只占據(jù)不足20%,有關(guān)當(dāng)代物理發(fā)展的成就和現(xiàn)代工程技術(shù)及其重大科技成果等新課題、新內(nèi)容很少在課程設(shè)置中得到更新。

(二)教學(xué)內(nèi)容缺乏更新

“新工科”背景下大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)該體現(xiàn)時代性和前沿性，著重培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力與創(chuàng)新意識，鍛煉學(xué)生分析、解決工程應(yīng)用問題的能力。而大學(xué)物理內(nèi)容并未以“新工科”專業(yè)為導(dǎo)向，講授的內(nèi)容也是點到為止，與專業(yè)知識實際需求嚴(yán)重脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生對大學(xué)物理的學(xué)習(xí)感到乏味，學(xué)習(xí)興趣不高，認(rèn)為大學(xué)物理的學(xué)習(xí)對專業(yè)學(xué)習(xí)幫助不大。

大學(xué)物理課程中基礎(chǔ)知識和理論部分內(nèi)容重復(fù)且陳舊，占用課時較多，沒有體現(xiàn)與各學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系、相互交叉、相互滲透。仍存在“重經(jīng)典、輕現(xiàn)代，重理論、輕應(yīng)用”的弊端。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，物理學(xué)在現(xiàn)代社會生活中的成果轉(zhuǎn)化程度也越來越高。物理學(xué)在深度和廣度上也進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的階段，大量新的物理理論不斷被新型物理實驗驗證，新的材料、工藝不斷涌現(xiàn)，物理學(xué)的分支不斷變多。然而，大部分高校的物理教材對于物理學(xué)快速發(fā)展與物理知識更新的程度還不夠。教材中各個部分內(nèi)容設(shè)置相對獨立，不僅銜接性不夠，更缺乏近現(xiàn)代新的物理概念和當(dāng)代物理先進(jìn)的實驗方法和技術(shù)理論等。

(三)教學(xué)方式缺乏創(chuàng)新

在大學(xué)物理授課過程中，很多教師由于其所占學(xué)時較少，且具有通識課程性質(zhì)，仍然采用講授為主的傳統(tǒng)教學(xué)方法，教學(xué)模式較為單一。從而形成了教師講、學(xué)生聽的教學(xué)局面。這種教學(xué)模式，知識傳授大于知識吸收，學(xué)生主體地位沒有凸顯，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，更缺乏創(chuàng)新性思維的引導(dǎo)與培養(yǎng)。教師過于強調(diào)物理理論教學(xué)，淡化了物理模型的構(gòu)建、思維方式的培養(yǎng)以及與其他后續(xù)課程或?qū)I(yè)技術(shù)的銜接，這樣不僅不利于培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力和工程應(yīng)用綜合能力的提升，也導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程或是解決工程中實際問題能力的明顯欠缺。而且，大學(xué)物理有很多嚴(yán)密的理論公式推導(dǎo)，推導(dǎo)過程繁雜，要求具有較扎實的高等數(shù)學(xué)知識。這些因素就導(dǎo)致了大學(xué)物理課堂的趣味性較低，學(xué)生的參與度不夠，師生之間的互動性較低，形成學(xué)生被動接受知識的課堂局面。無法真正貫徹和滿足新工科專業(yè)的綜合性、系統(tǒng)性、科學(xué)性的新要求和大學(xué)物理課程為專業(yè)達(dá)成目標(biāo)服務(wù)的思想。

(四)考核方式相對單一

目前，很多大學(xué)物理課程依然延續(xù)傳統(tǒng)考核形式，分為平時成績與期末考試成績。平時成績又傾向于物理學(xué)中的計算部分，而學(xué)生的課前、課上、課后，作業(yè)、期中、期末始終離不開解題，甚至還有物理公式的簡單記憶與套用，無法客觀真實地反映大學(xué)物理的教學(xué)效果，也無法提高學(xué)生的大學(xué)物理自主學(xué)習(xí)的興趣，以至于不能滿足新工科所提出的創(chuàng)新型卓越工程人才的培養(yǎng)。大學(xué)物理的考核應(yīng)該圍繞創(chuàng)新型思維能力的培養(yǎng)和解決實際問題能力的提高為出發(fā)點，加強混合式教學(xué)模式，對應(yīng)相應(yīng)的考核內(nèi)容，以此豐富考核形式。

三、大學(xué)物理課程改革與實踐

(一)建立多層次的大學(xué)物理課程體系

根據(jù)新工科人才培養(yǎng)需要，大學(xué)物理課程體系應(yīng)具有當(dāng)代化、工程化、科學(xué)化的特點,能夠反映當(dāng)代物理學(xué)的新成就、新進(jìn)展,體現(xiàn)工程教育。因此，在“新工科”背景下，重構(gòu)大學(xué)物理課程新體系應(yīng)以專業(yè)為導(dǎo)向，按照壓縮經(jīng)典、加強現(xiàn)代、拓寬工程應(yīng)用的原則，對大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合。重構(gòu)大學(xué)物理課程新體系不是簡單的壓縮內(nèi)容，而是深入調(diào)研各專業(yè)的核心課程對物理學(xué)知識的需求和側(cè)重不同，按專業(yè)集群整合、制定教學(xué)計劃，在保證完整物理學(xué)知識體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加“專業(yè)拓展知識模塊”的建設(shè)，使得講授內(nèi)容與專業(yè)課接軌。

分析各專業(yè)特點以及國內(nèi)外相關(guān)高校的大學(xué)物理課程設(shè)置案例，我們將大學(xué)物理課程設(shè)置為3個系列，即大學(xué)物理A(面向工科專業(yè))、大學(xué)物理B(面向理科專業(yè))和大學(xué)物理C(面向文科專業(yè))。新的大學(xué)物理課程體系更好地體現(xiàn)了“以學(xué)生為中心，教學(xué)成效驅(qū)動”的教育教學(xué)理念，更注重培養(yǎng)學(xué)生主動獲取知識能力、實踐與動手能力、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。圖1給出了按專業(yè)集群調(diào)整后的大學(xué)物理課程體系。

在“新工科”建設(shè)中，大學(xué)物理課程中的基本原理、方法是科學(xué)研究的出發(fā)點，是多學(xué)科交叉、轉(zhuǎn)移和滲透的支撐點，在促進(jìn)科技創(chuàng)新和技術(shù)進(jìn)步等方面，物理學(xué)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，我們明確了大學(xué)物理課程培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合理科專業(yè)、工科專業(yè)、文科專業(yè)等學(xué)科特點，對應(yīng)學(xué)科主要培養(yǎng)目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)能力、工程能力、科學(xué)素養(yǎng)，從而培養(yǎng)專業(yè)研究型人才、工程技術(shù)型人才、復(fù)合型人才。根據(jù)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，有針對性地進(jìn)行因材施教。

(二)大學(xué)物理課程內(nèi)容的優(yōu)化調(diào)整

在“新工科”背景下，大學(xué)物理課程內(nèi)容應(yīng)更多注重前沿知識和學(xué)科交叉知識體系的建設(shè)及實踐創(chuàng)新。因此，大學(xué)物理課程可以嘗試幾個方面的內(nèi)容優(yōu)化。第一，教材內(nèi)容中要加強對當(dāng)代或近代的物理基礎(chǔ)知識的補充，使教學(xué)內(nèi)容現(xiàn)代化，如納米科技、超導(dǎo)技術(shù)、微波技術(shù)等。第二，用現(xiàn)代化的觀點重新組織傳統(tǒng)物理知識體系，即用當(dāng)下物理學(xué)最新的技術(shù)和進(jìn)展與傳統(tǒng)的物理知識相鏈接。第三，高校應(yīng)開設(shè)一些物理知識普及講座，通過物理學(xué)最前沿的發(fā)展動態(tài)讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)物理的無窮奧妙，激發(fā)學(xué)生對物理多領(lǐng)域的探索發(fā)現(xiàn)。第四，大學(xué)物理應(yīng)注重理論課時與實踐課時的比例調(diào)整，增設(shè)實驗?zāi)K，指導(dǎo)學(xué)生利用軟件(python、ansys有限元)建模、分析和解決物理問題，豐富課堂，提升興趣，發(fā)揮學(xué)生主體性作用。

為推進(jìn)“新工科”對復(fù)合型人才培養(yǎng)的需求，針對不同層次的課程定位，對教學(xué)內(nèi)容做了適當(dāng)調(diào)整。大學(xué)物理A 所面向的是工科類專業(yè)，其培養(yǎng)目標(biāo)是：具有創(chuàng)新意識和初步的科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)能力的學(xué)生。課程基于培養(yǎng)目標(biāo)定位在“夯實基礎(chǔ)，加強能力，重視實踐，注重創(chuàng)造”上。通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握扎實的物理基礎(chǔ)理論以及分析問題和解決問題的能力，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)。在課程內(nèi)容上，要蘊含物理學(xué)的思維方法及工程設(shè)計思想。例如在力學(xué)部分著重強調(diào)剛體、振動、波動等方面的知識，引申講授科里奧利力及其產(chǎn)生的影響，使學(xué)生感受其中蘊含的物理思維，鍛煉自己分析、解決問題的能力。在學(xué)習(xí)電學(xué)部分內(nèi)容時，著重從電場和磁場本身的性質(zhì)來深入講解電磁現(xiàn)象，涉及的高斯定理、環(huán)路定理、電場強度和電勢疊加原理、畢奧—薩伐爾定律等重要知識點，使課程內(nèi)容更加貼近實際，體現(xiàn)學(xué)以致用，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，為學(xué)科交叉打開窗口。適當(dāng)加入量子力學(xué)和固體物理的前沿知識。大學(xué)物理B側(cè)重于公式推導(dǎo)過程，培養(yǎng)學(xué)生邏輯分析與數(shù)學(xué)建模能力偏高的專業(yè)，主要是物理、數(shù)學(xué)、計算機等專業(yè)。在基礎(chǔ)課程內(nèi)容中，增加了理論力學(xué)、電動力學(xué)、熱力學(xué)統(tǒng)計重點內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯分析、統(tǒng)計思維能力，以適應(yīng)當(dāng)前云計算等新興專業(yè)。適當(dāng)降低課程技能訓(xùn)練難度，加入物理學(xué)發(fā)展的前沿知識來拓寬知識的廣度。積極引導(dǎo)學(xué)生利用計算機數(shù)值方法完成物理問題的分析求解，提升學(xué)生科學(xué)研究能力和創(chuàng)新能力。大學(xué)物理C，課時偏少，面向文科專業(yè)。內(nèi)容上著重介紹守恒、對稱等物理美學(xué)知識以及物理學(xué)史等，目的是讓人文、外語、管理類學(xué)生了解物理在自然界各方面的應(yīng)用，培養(yǎng)文科學(xué)生的邏輯思維和科學(xué)思維。

(三)大學(xué)物理課程教學(xué)模式與方法的改進(jìn)

1.單一式教學(xué)模式向混合式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變

“新工科”建設(shè)著力培養(yǎng)綜合性的創(chuàng)新人才，隨著“新工科”概念的普及推廣，大學(xué)物理作為基礎(chǔ)學(xué)科，更應(yīng)適應(yīng)高素質(zhì)工科人才的培養(yǎng)要求，改革大學(xué)物理課程的教學(xué)模式與教學(xué)方法，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，讓學(xué)生成為課堂教學(xué)的中心，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。教師要從課堂主角地位轉(zhuǎn)化成學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者和指導(dǎo)者，學(xué)生也從以前的被動接受轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)，主動去探索、論證新的物理知識，探索新的實驗方法，激活學(xué)生的創(chuàng)新思維。教師應(yīng)該豐富教學(xué)方法，形成講授教學(xué)、案例教學(xué)、分組討論教學(xué)、任務(wù)驅(qū)動教學(xué)等多種教學(xué)方法，構(gòu)建“開放研究型、討論互動式”的教學(xué)模式，從單一式教學(xué)模式向混合式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)多學(xué)科交叉融合的教學(xué)方式，以此調(diào)動學(xué)生積極性、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。教師作為引導(dǎo)者，可以利用科學(xué)設(shè)疑的方式，讓學(xué)生通過實驗?zāi)M驗證觀點；也可以改變大學(xué)物理課堂傳統(tǒng)授課模式，增加線上與線下的研討、練習(xí)、匯報、案例等環(huán)節(jié)，努力銜接課前、課上與課后各個教學(xué)環(huán)節(jié)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生一步步走進(jìn)物理，提升其創(chuàng)新實踐能力。

同時，也可以在大學(xué)物理教學(xué)實踐中，強化分組教學(xué)與互動式教學(xué)模式相結(jié)合的方式。教師通過教學(xué)過程設(shè)計中的多個教學(xué)主題，課前布置學(xué)習(xí)任務(wù)，完成課前任務(wù)準(zhǔn)備，在課上實現(xiàn)分組討論，這樣不僅可以活躍課堂氛圍，更能充分調(diào)動學(xué)生自己動手，化被動接受為主動學(xué)習(xí)，不斷提升科學(xué)思維方式。教師通過課前任務(wù)布置、課堂分組討論、課后考核的方式，不斷提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓物理思維，提升實際工程問題的解決能力。

2.引入現(xiàn)代化教學(xué)手段

在當(dāng)前后疫情時代，教育領(lǐng)域也要思考教學(xué)模式的改革，以更好地完成教師的教學(xué)工作。所以，在線教學(xué)成為教育領(lǐng)域一種新型的教學(xué)模式。這使得教師深刻認(rèn)識到互聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代信息技術(shù)的獨特之處。因此，在大學(xué)物理課程中，如何借助先進(jìn)的信息技術(shù)，將物理模型以圖片或者動畫的形式進(jìn)行展現(xiàn)，還原模型建立的全部過程，培養(yǎng)學(xué)生的模型簡化能力、邏輯推理能力、分析建模能力與數(shù)據(jù)處理能力，也是必須思考的問題。后疫情時代，教師應(yīng)該推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)理念的融合發(fā)展，塑造線上線下相結(jié)合的多元化教學(xué)模式。教師可以引導(dǎo)學(xué)生在校園網(wǎng)站的信息資源里學(xué)習(xí)物理網(wǎng)絡(luò)課程，打造精品在線課程，實施線上與線下良性互動，利用互聯(lián)網(wǎng)最大化地實現(xiàn)教學(xué)資源的資源共享。利用各種線上平臺，對學(xué)生進(jìn)行問題的探討、指導(dǎo)與答疑，突破時間與空間的限制，實現(xiàn)最大化的信息共享與交流。

(四)考核評價方式的改革

課程性質(zhì)、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、考核形式是緊密相關(guān)的。在新工科背景下，圍繞專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建科學(xué)合理的課程體系，明確課程性質(zhì)與課程目標(biāo)，整合優(yōu)化課程內(nèi)容，形成科學(xué)有效的課程考核方案，才能真正將課程改革做到實處。大學(xué)物理課程應(yīng)該增加過程性考核比例，結(jié)合分組教學(xué)與項目驅(qū)動式教學(xué)貫穿整個課程，在階段性考核過程中，細(xì)化考核指標(biāo)點，對應(yīng)學(xué)生各項能力，有效融合知識考核、分析解決問題能力考核、創(chuàng)新能力考核、實踐能力考核、學(xué)科交叉融合考核等考核指標(biāo)，在首次上課就面向?qū)W生發(fā)布考核方案，以考核方式引導(dǎo)學(xué)生真正地融入大學(xué)物理課程中，有目標(biāo)、有方向性地伴隨學(xué)習(xí)過程。

同時，在結(jié)課考核中，可改變試卷考核的單一模式，跳出客觀算法的題海模式，增加探索性設(shè)計題目，結(jié)合全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，或者全國大學(xué)生“互聯(lián)網(wǎng)+”競賽等創(chuàng)新性活動，設(shè)置實例分析、實驗設(shè)計等設(shè)計類考核，考核學(xué)生基于專業(yè)基礎(chǔ)之上的學(xué)科交叉等創(chuàng)新命題的思考，提升學(xué)生知識掌握能力與科學(xué)探索、創(chuàng)新思維能力。以此形成 “基礎(chǔ)知識+應(yīng)用實踐能力+創(chuàng)新研究能力”的全新考核模式。

四、結(jié)論

在“新工科”的推動下培養(yǎng)創(chuàng)新型技術(shù)人才是一項長期工作，大學(xué)物理課程作為理工類高校的一門基礎(chǔ)類課程，授課教師更應(yīng)該加大力度，真正地投身于大學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新教育改革。本文探索構(gòu)建了適應(yīng)專業(yè)需求為導(dǎo)向的多層次大學(xué)物理課程體系，優(yōu)化大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容、實現(xiàn)由傳統(tǒng)單一教學(xué)模式向混合式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變、健全考核評價體系，順應(yīng)時代發(fā)展趨勢，培養(yǎng)出符合社會需要的“新工科”高素質(zhì)應(yīng)用型人才。