新工科背景下大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容改革和探索

吳 玲，邵春強(qiáng)，石小燕，尤素萍

（杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院 浙江 杭州 310018）

近年來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，培養(yǎng)造就了一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠(yuǎn)之策。加快卓越工程師培養(yǎng)，提升國家“硬實(shí)力”，解決“卡脖子”問題，是新工科建設(shè)的核心。

本文以杭州電子科技大學(xué)為例，該校是實(shí)施卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃的高校之一，對本科公共物理基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革提出了新的更高的要求。在新工科背景下，大學(xué)物理的教育功能也從注重學(xué)生對基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論和基本技能的掌握，擴(kuò)展為全面提高學(xué)生的工程實(shí)踐與應(yīng)用的綜合能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。為適應(yīng)新工科建設(shè)與發(fā)展，充分發(fā)揮大學(xué)物理課程在新工科中的地位和作用，本文引入成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE，也稱為產(chǎn)出導(dǎo)向教育）理念，研究新工科背景下大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容的改革與實(shí)踐。

1 基于OBE理念開展教學(xué)內(nèi)容改革

OBE理念是一種以學(xué)生“學(xué)習(xí)成果”為導(dǎo)向的教育理念?！度A盛頓協(xié)議》作為國際上最具影響力的工程教育互認(rèn)協(xié)議，已將OBE理念貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終。我國始終把握高等教育發(fā)展的最先進(jìn)理念，基于OBE理念樹立了“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的本科教育新理念，在本科階段工程教育領(lǐng)域產(chǎn)出了較為豐富的研究成果[1]。這些研究成果多是從專業(yè)人才培養(yǎng)方案或課程目標(biāo)達(dá)成評價(jià)等方面就某一層面單一闡述OBE理念的實(shí)踐研究，而對如何應(yīng)用OBE理念指導(dǎo)大學(xué)課程教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究則較為薄弱。

大學(xué)物理課程是學(xué)生學(xué)習(xí)工程技術(shù)知識的基礎(chǔ)，同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要途徑。國內(nèi)高校積極引入OBE理念，開展了大學(xué)物理課程的教學(xué)改革。相關(guān)研究成果主要集中在理論研究、教學(xué)模式改革實(shí)踐、評價(jià)體系等方面[2-4]，基于OBE理念的教學(xué)內(nèi)容改革研究較少。近年來，國內(nèi)多家高校開展了面向“新工科”的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革研究，并取得了良好的教學(xué)效果[5-6]。

教材是教學(xué)內(nèi)容的主要載體。不論國內(nèi)還是國外，都不乏經(jīng)典、精品，然而教材不等同于教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)OBE的“反向設(shè)計(jì)”理念，相應(yīng)的教學(xué)改革需要根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)課程的學(xué)生學(xué)習(xí)成果，重新設(shè)計(jì)考評方法、設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)教學(xué)活動等，各個(gè)環(huán)節(jié)相互支撐。

2 大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容改革的探索

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革需要完成從“教什么”到“學(xué)什么”的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程內(nèi)容主要基于教材，知識更新速度落后于科技發(fā)展；追求完整的知識體系，注重知識的傳授，即“教什么”。OBE理念強(qiáng)調(diào)的不是老師講了多少，而是學(xué)生學(xué)會了多少，掌握了多少?；贠BE理念，課程設(shè)計(jì)是“至上而下”反向設(shè)計(jì)的，以最終目標(biāo)（學(xué)生學(xué)習(xí)成果）為起點(diǎn)，反向進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，教學(xué)內(nèi)容根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)來選擇，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，即“學(xué)什么”。為此課程內(nèi)容應(yīng)反映前沿性和時(shí)代性，加強(qiáng)理論與工程應(yīng)用、科學(xué)問題的結(jié)合；通過課程內(nèi)容改革，合理增加課程難度，拓展課程深度，激發(fā)學(xué)生的興趣和潛能。如何改革課程內(nèi)容，完成從“教什么”到“學(xué)什么”的轉(zhuǎn)變，支撐基于OBE理念的課程教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)習(xí)真正激發(fā)學(xué)生的興趣和潛能，是本課題組開展課程教學(xué)內(nèi)容改革需要解決的主要問題。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合

教育部在《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》中提到“樹立工程教育新理念，……著力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，加大課程整合力度”，據(jù)此，我校大學(xué)物理課程教學(xué)目標(biāo)確定為知識、能力和素養(yǎng)三個(gè)層次。其中，能力目標(biāo)包括三個(gè)內(nèi)容：具有獨(dú)立獲取和應(yīng)用知識的能力；具備科學(xué)觀察和思維的能力，能應(yīng)用物理學(xué)知識解決日常及工程應(yīng)用中的簡單問題；具備分析問題和解決問題的能力，能利用物理學(xué)知識對科學(xué)及工程問題進(jìn)行分析、討論和制訂研究方案。

結(jié)合新工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和大學(xué)物理課程教學(xué)目標(biāo)，本課題組將大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合為兩大部分：“物理學(xué)原理”和“應(yīng)用類專題”。“物理學(xué)原理”部分由基本的、核心的原理構(gòu)成；“應(yīng)用類專題”部分將除核心原理以外的知識點(diǎn)模塊化，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，形成“工程應(yīng)用和科學(xué)問題”專題，構(gòu)建以科學(xué)問題和工程應(yīng)用實(shí)例為大框架、理論知識填充的知識結(jié)構(gòu)。

例如質(zhì)點(diǎn)力學(xué)這章的教學(xué)內(nèi)容，“物理學(xué)原理”包括力學(xué)的基本概念、牛頓運(yùn)動定律、動量定理和動量守恒定律、動能定理和機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律；“應(yīng)用類專題”為“嫦娥工程”，這一專題應(yīng)用力學(xué)原理，從發(fā)射、環(huán)繞、變軌、著陸、返回五個(gè)方面展開簡要分析?！版隙鸸こ獭钡摹鞍l(fā)射”部分從兩方面討論了火箭的速度，一是火箭獲得的速度與火箭質(zhì)量的關(guān)系；二是第一、第二、第三宇宙速度的推導(dǎo)?！碍h(huán)繞”部分則由開普勒行星運(yùn)動三定律引出角動量的定義以及角動量守恒定律。

又如穩(wěn)恒磁場這章的教學(xué)內(nèi)容，“物理學(xué)原理”包括穩(wěn)恒磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理；“應(yīng)用類專題”包括磁約束、霍爾效應(yīng)、直流電動機(jī)和磁性材料及其應(yīng)用。其中“磁約束”這節(jié)內(nèi)容圍繞“如何利用磁場來約束高溫的等離子體”，描述了磁約束的原理（帶電粒子在電場和磁場中的受力），詳細(xì)討論均勻磁場和非均勻磁場中的磁約束，介紹了實(shí)現(xiàn)磁約束的裝置以及與磁約束相關(guān)的自然現(xiàn)象。

改革后的教學(xué)內(nèi)容具有以下特點(diǎn)：第一，注重知識的區(qū)分度。“物理學(xué)原理”的內(nèi)容是依據(jù)教學(xué)過程的甄選和反復(fù)實(shí)踐而確定下來的，既突出核心原理，又保證知識體系的完整和內(nèi)容的基本框架不變?！皯?yīng)用類專題”是依據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，將除核心原理以外的大學(xué)物理知識點(diǎn)模塊化后，融入工程應(yīng)用實(shí)例和科學(xué)問題中而形成。

第二，強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的應(yīng)用性?！肮こ虘?yīng)用和科學(xué)問題”專題選取了利用大學(xué)物理知識可以分析的、與技術(shù)應(yīng)用發(fā)展和科學(xué)前沿相關(guān)的內(nèi)容，旨在拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，適用于分層次教學(xué)。在注重內(nèi)容應(yīng)用性的同時(shí)，也具有一定的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)性。

第三，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的可教性。課程教學(xué)內(nèi)容的物理學(xué)原理部分選取時(shí)充分考慮課時(shí)，遴選核心知識點(diǎn)突出重點(diǎn)，精選例題加深原理的理解，設(shè)置思考題引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)?！肮こ虘?yīng)用和科學(xué)問題”專題部分，選題時(shí)立足于引導(dǎo)學(xué)生提升學(xué)習(xí)興趣，注重學(xué)生創(chuàng)新能力及綜合能力的培養(yǎng)，內(nèi)容難度適中，適用于以學(xué)生為主的研究性學(xué)習(xí)。

2.3 拓展加深“應(yīng)用類專題”，開展研究性教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識的吸收而未能創(chuàng)造條件讓學(xué)生在實(shí)踐中去探索、發(fā)現(xiàn)?；贠BE理念以學(xué)生學(xué)習(xí)為基本邏輯展開教學(xué)，要求教師在充分了解學(xué)生特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全面設(shè)計(jì)教學(xué)活動和教學(xué)環(huán)節(jié)，探索新型教學(xué)模式。教育部關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科的意見中也提出“推廣實(shí)施案例教學(xué)、項(xiàng)目式教學(xué)等研究性教學(xué)方法，注重綜合性項(xiàng)目訓(xùn)練”。如何通過創(chuàng)新教學(xué)模式，強(qiáng)化創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力的培養(yǎng)，是大學(xué)物理課程改革中需要解決的又一重要課題。

為滿足實(shí)施研究性教學(xué)的需求，本課題組將“應(yīng)用類專題”分為三個(gè)層次：通識模塊、專業(yè)限選模塊、學(xué)生自選模塊。“通識模塊”是由教學(xué)大綱要求掌握的知識點(diǎn)設(shè)計(jì)而成的工程應(yīng)用實(shí)例或科學(xué)問題組成，例如質(zhì)點(diǎn)力學(xué)中“嫦娥工程的發(fā)射和環(huán)繞過程”，穩(wěn)恒磁場中的“磁約束”?！皩I(yè)限選模塊”是根據(jù)專業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的典型案例，例如靜電學(xué)中的“口罩的防護(hù)學(xué)問”，研究駐極體材料在口罩中的應(yīng)用，涉及的教學(xué)內(nèi)容為“靜電場中的電介質(zhì)”。在教學(xué)中引入我國在防疫抗疫中科技工作者的貢獻(xiàn)案例并對此進(jìn)行分析與討論，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義情懷，樹立攀登科學(xué)技術(shù)高峰的信心，擔(dān)負(fù)起民族復(fù)興的重任。

“學(xué)生自選模塊”則由歷屆學(xué)生的自主選題組成，每學(xué)期會評選優(yōu)秀研究課題并加入此模塊。自主選題是學(xué)生在大學(xué)物理課教學(xué)內(nèi)容的范圍內(nèi)根據(jù)自己的興趣、特長等自由選擇的研究課題，例如“EMP（Electromagnetic pulse，電磁脈沖）從原理到防御”屬于電磁學(xué)的研究內(nèi)容，學(xué)生由娃娃機(jī)的破解和電磁武器引入電磁脈沖的工作原理，制作了一個(gè)產(chǎn)生電磁脈沖的簡易裝置，并成功攻擊毀壞了一些小型電子設(shè)備（電子手表，電子鬧鐘）。又例如“《流浪地球》的數(shù)值模擬”，學(xué)生應(yīng)用力學(xué)知識通過Matlab模擬了電影《流浪地球》的多個(gè)場景。

“應(yīng)用類專題”的教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生自主開展研究性學(xué)習(xí)為主，教師全程引導(dǎo)。在教學(xué)過程中，學(xué)生自主組隊(duì)選題，先進(jìn)行調(diào)研，收集資料，確定具體的研究內(nèi)容；然后開展研究工作；取得研究成果以后在課堂上進(jìn)行展示，成果展示環(huán)節(jié)中設(shè)置提問和回答，對研究內(nèi)容進(jìn)行深入的討論。學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)中體驗(yàn)“發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-分析問題-解決問題”的科學(xué)研究過程，提高了學(xué)習(xí)興趣，初步培養(yǎng)了科學(xué)研究能力，能應(yīng)用物理知識解決問題，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的信心。

在大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革的歷程中，本課題組最初是針對專業(yè)特點(diǎn)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，在理論知識講解中引入工程應(yīng)用實(shí)例，后來通過設(shè)置“工程應(yīng)用和科學(xué)問題”專題開展研討式教學(xué)，經(jīng)過多年的教學(xué)改革實(shí)踐，形成了由“物理學(xué)原理”和“應(yīng)用類專題”組成的教學(xué)內(nèi)容。同時(shí)，我校增設(shè)了“物理學(xué)原理及工程應(yīng)用”課程，其與大學(xué)物理課程平行設(shè)置，旨在拓展大學(xué)物理課程的深度與廣度，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，滿足新工科人才培養(yǎng)的需求。

2.4 教學(xué)內(nèi)容、考評方法、教學(xué)活動相互支撐

在整個(gè)課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，教學(xué)內(nèi)容不是孤立的，為實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)，取得理想的學(xué)習(xí)成果，教學(xué)內(nèi)容、考評方法、教學(xué)活動都需要精心設(shè)計(jì)，相互支撐。在改革實(shí)踐中，本課題組為線上線下混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，整合教學(xué)資源，形成集教材、視頻、習(xí)題、研究性項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)等多種內(nèi)容為一體的教學(xué)內(nèi)容體系。

為構(gòu)建科學(xué)有效的考核體系，支撐教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，需要以產(chǎn)出為導(dǎo)向，增大學(xué)習(xí)過程考核成績在課程總成績中的比重；細(xì)分形成性評價(jià)指標(biāo)，通過作業(yè)、研討式學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)活動參與等環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價(jià)。

3 結(jié)語

新工科建設(shè)對大學(xué)物理課程教學(xué)提出了更高的要求，物理學(xué)科將更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和與其他學(xué)科的關(guān)聯(lián)性?；贠BE理念的大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容的改革，堅(jiān)持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念，注重實(shí)踐研究，改革后的教學(xué)內(nèi)容突出核心原理、強(qiáng)化理論與工程應(yīng)用和科學(xué)問題案例的結(jié)合。大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容改革的研究成果將有助于優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量，持續(xù)改進(jìn)，提高高校人才培養(yǎng)的目標(biāo)達(dá)成度，可為創(chuàng)新工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供可借鑒的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。