摘 要 新工科建設(shè)需要大量具有創(chuàng)新能力、科技視野的高素質(zhì)復(fù)合型人才。理工科院校作為人才培養(yǎng)的主要陣地,需要積極探索適合新時(shí)代人才培養(yǎng)的教學(xué)模式。以昆明理工大學(xué)為例,本文介紹了在大學(xué)物理教學(xué)中開(kāi)設(shè)物理學(xué)前沿講座的教學(xué)改革實(shí)踐。通過(guò)建設(shè)具有鮮明科技特色的多元課程體系、改進(jìn)教學(xué)模式和教學(xué)方法、加強(qiáng)過(guò)程化考核等多種形式開(kāi)展的物理學(xué)前沿講座,實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理課程教育與科學(xué)素質(zhì)教育、思政教育有效融合,為迅速推進(jìn)新工科背景下的物理課程改革提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞 大學(xué)物理;教學(xué)改革;物理學(xué)前沿講座
1 物理學(xué)前沿講座的開(kāi)設(shè)背景
為適應(yīng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的新趨勢(shì),加快建設(shè)“中國(guó)制造2025”“一帶一路”,教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè),建設(shè)一批新型高水平理工科大學(xué)、多主體共建的產(chǎn)業(yè)學(xué)院和未來(lái)技術(shù)學(xué)院、產(chǎn)業(yè)急需的新興工科專業(yè)、體現(xiàn)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)最新發(fā)展的新課程等[1]。
物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動(dòng)形式和相互作用的自然科學(xué),是其他自然科學(xué)和工程技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ),是人類文明發(fā)展的基石,在人才科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中具有不可替代的作用。在知識(shí)體系上,物理學(xué)是各工科專業(yè)理論的源頭與基礎(chǔ);在研究方法上,物理學(xué)是對(duì)自然科學(xué)主流研究方法的精辟總結(jié);在思維方式上,物理學(xué)是人類智慧最精華部分的凝聚[2]。但是,現(xiàn)在物理學(xué)課程內(nèi)容和教材跟不上科學(xué)和時(shí)代的進(jìn)步,同時(shí)對(duì)前沿進(jìn)展的可能技術(shù)應(yīng)用的研究和推廣投入不足,這導(dǎo)致我們培養(yǎng)出來(lái)的人在探索理科在技術(shù)前沿應(yīng)用的視野和能力明顯不足,無(wú)法借助物理學(xué)的最新進(jìn)展有效地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用理科向工科的延伸和理、工、醫(yī)等學(xué)科的交叉,在孕育產(chǎn)生新興的工科專業(yè)過(guò)程中無(wú)法擔(dān)當(dāng)起重要角色[3],這些已經(jīng)成為新時(shí)期物理教學(xué)中亟待解決的一系列難題。
昆明理工大學(xué)是以工科為主的一所綜合性大學(xué),專業(yè)覆蓋地質(zhì)、冶金、機(jī)械、電氣、土木、航空和材料等近百個(gè)理工科本科專業(yè)。自1954年建校至今,持續(xù)為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)大批優(yōu)秀人才。在科技興國(guó)、工業(yè)強(qiáng)國(guó)的背景下,為加快實(shí)現(xiàn)新工科建設(shè)目標(biāo),強(qiáng)化創(chuàng)新人才培養(yǎng),推進(jìn)素質(zhì)教育進(jìn)程,我校進(jìn)行物理學(xué)課程教學(xué)改革,開(kāi)設(shè)物理學(xué)前沿講座。講座與大學(xué)物理理論教學(xué)同步進(jìn)行,每周1學(xué)時(shí),每學(xué)年共16教學(xué)學(xué)時(shí)。本文主要介紹通過(guò)開(kāi)設(shè)物理學(xué)前沿講座,建設(shè)適應(yīng)新時(shí)代發(fā)展的高素質(zhì)人才培養(yǎng)課程體系和教學(xué)模式,并簡(jiǎn)要闡述教學(xué)效果。
2 物理學(xué)前沿講座構(gòu)建多重育人功能體系
“興趣是最好的老師?!贝髮W(xué)生是社會(huì)中求知欲最強(qiáng)、精力最旺盛的一個(gè)群體,他們普遍對(duì)高新科技知識(shí)抱有強(qiáng)烈的興趣和好奇心。物理學(xué)前沿講座課程緊隨科技發(fā)展步伐,突出物理學(xué)在工業(yè)變革、科技發(fā)展中的重要作用,形成兼顧科學(xué)素質(zhì)教育和立德樹(shù)人教育的多媒體教學(xué)載體。
2.1 打造通往科技世界的窗口
當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展,科技前沿呈現(xiàn)出高度分化又高度綜合的趨勢(shì),新理論、新技術(shù)、新成果、新方法層出不窮。物理學(xué)前沿講座把優(yōu)秀的科教欄目和科學(xué)紀(jì)錄片等視頻媒體引進(jìn)課堂中,為學(xué)生打造一扇通往科技世界的窗口,把前沿科技成果、應(yīng)用意識(shí)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)根植于教學(xué)中。
科 學(xué)合理地選擇視頻媒體內(nèi)容,可實(shí)現(xiàn)與大學(xué)物理理論教學(xué)同步、拓展課堂教學(xué)內(nèi)容的目的。在大學(xué)物理緒論課后,播放楊振寧先生的《美與物理學(xué)》或李政道先生的《物理的挑戰(zhàn)》等講座視頻,幫助學(xué)生跳出思維慣性,從科學(xué)家的視角對(duì)物理學(xué)發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和前沿問(wèn)題進(jìn)行梳理,呈現(xiàn)給學(xué)生清晰的物理學(xué)學(xué)科發(fā)展歷程。近年來(lái),我國(guó)在高新技術(shù)研發(fā)、基礎(chǔ)科學(xué)工程建設(shè)與研究等方面發(fā)展迅速。通過(guò)《科學(xué)重器》《華龍一號(hào)》和《天眼》等系列科教紀(jì)錄片,央視《大家》節(jié)目等科學(xué)視頻,把物理學(xué)和其他學(xué)科的交叉融合、在工程實(shí)踐中的應(yīng)用由淺入深地展開(kāi),拓寬學(xué)生的科技視野,梳理物理學(xué)的應(yīng)用,提升學(xué)生探索興趣。同時(shí),介紹我國(guó)科技發(fā)展的最新成就,將這些成果背后的科學(xué)精神和科學(xué)家故事在課堂上滲透,在實(shí)現(xiàn)學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的橫縱聯(lián)系、筑牢基礎(chǔ)物理理論知識(shí)體系,培養(yǎng)創(chuàng)新能力的同時(shí),增強(qiáng)他們對(duì)我國(guó)科技水平和科研能力的認(rèn)識(shí),提升民族認(rèn)同感,厚植家國(guó)情懷[4]。鑒于課堂時(shí)間有限,為學(xué)生提供文字資料和媒體資料渠道,鼓勵(lì)感興趣的同學(xué)以此為支點(diǎn),探索更廣闊的科技世界。部分物理學(xué)前沿講座課堂教學(xué)內(nèi)容見(jiàn)表1。
2.2 搭建通往專業(yè)建設(shè)的橋梁
物理學(xué)是工程技術(shù)的重大支柱,為工程技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。當(dāng)代大學(xué)物理教材具有覆蓋內(nèi)容廣、經(jīng)典性和系統(tǒng)性等優(yōu)點(diǎn),但是與現(xiàn)代科技發(fā)展中出現(xiàn)新專業(yè)、新方向的結(jié)合點(diǎn)有待進(jìn)一步挖掘。通過(guò)打造物理學(xué)前沿講座平臺(tái),搭建物理學(xué)與專業(yè)建設(shè)的橋梁,重塑適合專業(yè)學(xué)科發(fā)展的知識(shí)體系。
在學(xué)期末,學(xué)生的物理理論知識(shí)積累到一定程度后,開(kāi)展學(xué)生團(tuán)隊(duì)匯報(bào)模式的“翻轉(zhuǎn)講座”。按學(xué)生專業(yè)為標(biāo)準(zhǔn)分組,一個(gè)教學(xué)班可分為3~6個(gè)團(tuán)隊(duì)。在物理教師和專業(yè)教師協(xié)助下,以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)、專業(yè)為導(dǎo)向,團(tuán)隊(duì)內(nèi)學(xué)生圍繞核心問(wèn)題進(jìn)行集體合作,完成報(bào)告選題、主旨內(nèi)容、典型案例制作等任務(wù),形成兼顧專業(yè)特色和物理教育的匯報(bào)形式。
電磁學(xué)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛,也是理工科學(xué)生非常感興趣的課程內(nèi)容。我校冶金工程專業(yè)學(xué)生團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)查,研究電磁學(xué)與專業(yè)結(jié)合點(diǎn)———高頻爐。通過(guò)深入調(diào)研,加深學(xué)生對(duì)電磁學(xué)難點(diǎn)———渦旋電流的概念理解。學(xué)生在查閱資料過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)電磁爐旁手機(jī)爆炸的生活案例,引發(fā)對(duì)渦流損耗的思考,警示電磁場(chǎng)的危害,進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生形成全面的科學(xué)發(fā)展觀。匯報(bào)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示學(xué)院擁有院士、“國(guó)家高層次人才支持計(jì)劃”學(xué)術(shù)帶頭人、教學(xué)名師及國(guó)家級(jí)教學(xué)示范中心、國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心等優(yōu)越的教學(xué)師資條件,還有省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)際科技合作基地等高水平科研創(chuàng)新平臺(tái),優(yōu)越的專業(yè)軟、硬件條件提升學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同感。這種以團(tuán)隊(duì)匯報(bào)形式開(kāi)展的物理學(xué)前沿講座強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)建設(shè)的有機(jī)融合,建設(shè)具有專業(yè)導(dǎo)向的典型物理應(yīng)用范例,拓寬學(xué)生的專業(yè)視野,為學(xué)生后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。同時(shí),團(tuán)隊(duì)匯報(bào)為學(xué)生提供自主、協(xié)作、探究式學(xué)習(xí)氛圍,全面提升學(xué)生個(gè)人綜合素質(zhì)和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力,促進(jìn)院際專業(yè)交流。
2.3 建設(shè)科學(xué)素質(zhì)教育基地
近年來(lái),我國(guó)科技發(fā)展需要顯著增強(qiáng)自主創(chuàng)新能力,科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的能力顯著增強(qiáng),為全面建設(shè)小康社會(huì)提供強(qiáng)有力的支撐;顯著增強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力,取得一批在世界具有重大影響的科技成果,進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家行列,為在21世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國(guó)奠定基礎(chǔ)[5]。科技創(chuàng)新的本質(zhì)是高素質(zhì)科技人才的培養(yǎng),高校作為國(guó)家創(chuàng)新體系的重要基地,要把發(fā)展科技第一生產(chǎn)力、培養(yǎng)人才第一資源、增強(qiáng)創(chuàng)新第一動(dòng)力有效結(jié)合起來(lái),支撐我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。
物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ), 大學(xué)物理課程在理工科各專業(yè)教學(xué)中具有重要的基礎(chǔ)性地位, 并且在科技人才素質(zhì)教育和能力培養(yǎng)方面具有獨(dú)特的作用,我校致力于把物理學(xué)前沿講座打造成培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的第一課堂。在課堂內(nèi),通過(guò)開(kāi)展科教片、講座視頻和科學(xué)紀(jì)錄片等多媒體教學(xué)形式,有意識(shí)地對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理思想與方法的滲透,培養(yǎng)學(xué)生辯證思維能力和批判精神,提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和探究精神,樹(shù)立科學(xué)的世界觀;課后,布置小組匯報(bào)題目、提交科技論文和制作科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多種實(shí)踐形式,指導(dǎo)學(xué)生使用電子數(shù)據(jù)庫(kù)和圖書(shū)館文獻(xiàn)等資源,通過(guò)調(diào)研題目、提煉問(wèn)題、建立模型、設(shè)計(jì)方案和題目總結(jié)等實(shí)踐步驟,最終完成論文撰寫(xiě),突破理論與實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象,構(gòu)建素質(zhì)和技能培養(yǎng)框架[6]。同時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用Matlab、Mathematica和Origin等專業(yè)軟件進(jìn)行建模和編程,將大學(xué)物理課程教學(xué)中抽象、復(fù)雜的物理概念和理論通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬出來(lái),制作成具體可視、生動(dòng)形象的圖形或動(dòng)畫(huà),使學(xué)生邊學(xué)邊做,豐富課堂教學(xué)和實(shí)踐體驗(yàn)。
2.4 建設(shè)課程思政教育陣地
培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人是教育的根本問(wèn)題,立德樹(shù)人成效是檢驗(yàn)高校一切工作的根本標(biāo)準(zhǔn)[7]。踐行立德樹(shù)人根本任務(wù),必須將價(jià)值塑造、知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)三者融為一體、不可割裂。物理學(xué)是建立世界觀的科學(xué)基礎(chǔ),培養(yǎng)科學(xué)思維的主要載體,在課程思政教育方面有濃墨重彩、得天獨(dú)厚的教育資源,里面蘊(yùn)含著深刻的哲學(xué)思想,能夠起到育人育才的效果[8]。物理學(xué)前沿講座是我校開(kāi)展物理課程深化改革的有益嘗試,也是建設(shè)內(nèi)涵式課程思政的教育陣地。科教視頻開(kāi)拓了學(xué)生科技視野,培養(yǎng)學(xué)生建立正確的科學(xué)觀和方法論;科學(xué)家講座分享科學(xué)家們的科學(xué)思想和人生感悟,傳遞給學(xué)生科學(xué)精神和價(jià)值觀;科學(xué)小論文作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)術(shù)精神,強(qiáng)化辯證思維訓(xùn)練;團(tuán)隊(duì)匯報(bào)促進(jìn)師生之間、學(xué)生之間的課后交流,提高學(xué)生綜合科學(xué)素質(zhì),增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。
通 過(guò)對(duì)物理學(xué)前沿講座課程環(huán)節(jié)精心設(shè)計(jì),挖掘出一批具有深刻影響力的優(yōu)秀思政元素案例,實(shí)現(xiàn)把講座內(nèi)容與思政元素有效融合,使講座變得有溫度、有情感,激發(fā)學(xué)生思想的共鳴,實(shí)現(xiàn)思政教育春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲。在思政元素的選取中,注重挖掘中國(guó)元素?!翱茖W(xué)無(wú)國(guó)界,但科學(xué)家有祖國(guó)”,這是世界的著名科學(xué)家錢學(xué)森的深刻體會(huì)。央視科教頻道《大家》欄目中“中國(guó)航天之父”錢學(xué)森的紀(jì)錄片,深度報(bào)道錢老海外求學(xué)、受辱自強(qiáng)、聲名遠(yuǎn)揚(yáng)、戀愛(ài)結(jié)婚、回國(guó)受阻、建立功勛等波瀾起伏的傳奇人生,立體多元地向?qū)W生展示一位鐵骨錚錚又溫情脈脈的科學(xué)家故事?!洞蠹摇贩秸g王選、緬懷程開(kāi)甲、核物理學(xué)家于敏和探秘粒子世界王貽芳等這類紀(jì)錄片是愛(ài)國(guó)主義和民族自信的優(yōu)秀資源,充分展現(xiàn)中華兒女的家國(guó)情懷和自強(qiáng)精神,讓學(xué)生銘記功勛們做出的重要貢獻(xiàn)和優(yōu)秀品質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生的使命感和責(zé)任感。
3 物理學(xué)前沿講座實(shí)施中的教學(xué)設(shè)計(jì)
科學(xué)合理的教學(xué)設(shè)計(jì)、多種教學(xué)方式的有效運(yùn)用可大大提高教學(xué)效果。前沿講座以科教視頻為主,團(tuán)隊(duì)匯報(bào)為輔。主講教師采用具有交互性、動(dòng)態(tài)性和教育性的教學(xué)形式開(kāi)展教學(xué)??偨Y(jié)多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),我們提出“問(wèn)題引入→視頻播放→課程教育→實(shí)踐總結(jié)”的四步教學(xué)設(shè)計(jì)。通過(guò)該教學(xué)形式組織教學(xué),可以較好地活躍課堂氣氛、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生創(chuàng)造性思維能力。
問(wèn)題設(shè)置應(yīng)具有趣味性、開(kāi)闊性、專業(yè)性和啟發(fā)性等特點(diǎn)。例如在播放《大家》欄目中“逐夢(mèng)天眼”南仁東科教片前,提出“為什么人們常說(shuō)鼠目寸光”,然后從這一成語(yǔ)拓展到科學(xué)問(wèn)題“為什么顯微鏡鏡頭小,天文望遠(yuǎn)鏡鏡頭大”,啟發(fā)學(xué)生從自身經(jīng)驗(yàn)、已掌握的科學(xué)知識(shí)進(jìn)行大膽假設(shè)和推斷,并展開(kāi)積極討論。這樣的視頻,用于光學(xué)分辨率的物理課之前,可以引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)預(yù)習(xí),提高學(xué)習(xí)興趣;用于課后,可以強(qiáng)化對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的理解,豐富知識(shí)的應(yīng)用范例。
課中,注重師生交流,采用分層次混合式進(jìn)行教學(xué)??平唐卸紩?huì)涉及一些物理規(guī)律的應(yīng)用,受限于專業(yè)知識(shí)背景或物理基礎(chǔ)薄弱等多因素影響,會(huì)出現(xiàn)一部分學(xué)生看得云里霧里、學(xué)得囫圇吞棗的情況。教師通過(guò)提前備課,在恰當(dāng)時(shí)刻暫??平桃曨l,對(duì)所涉及的物理知識(shí)進(jìn)行提問(wèn),通過(guò)學(xué)生反饋情況進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)回顧和精講,配合板書(shū)和教學(xué)課件效果更佳。這種教學(xué)方式對(duì)團(tuán)隊(duì)匯報(bào)也適用,實(shí)現(xiàn)有效帶動(dòng)各層次學(xué)生共同進(jìn)步的效果。
最后采用總結(jié)回顧法,每次講座都要有總結(jié)。教師對(duì)本次的科教視頻或團(tuán)隊(duì)匯報(bào)內(nèi)容梳理和提煉科學(xué)問(wèn)題,必要時(shí)安排學(xué)生撰寫(xiě)科技論文、制作科學(xué)實(shí)驗(yàn)等多形式加深學(xué)生對(duì)講座內(nèi)容的理解,有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)的興趣。對(duì)學(xué)生提交的階段性作業(yè),及時(shí)批改并給予反饋,記錄到學(xué)生平時(shí)成績(jī)中,達(dá)到既減輕學(xué)生的期末考試壓力,又切實(shí)考核學(xué)生綜合素質(zhì)的要求。
4 物理學(xué)前沿講座的教學(xué)改革效果
物理學(xué)前沿講座教學(xué)改革自1999年9月開(kāi)設(shè)至今,每學(xué)年收集學(xué)生對(duì)講座的反饋意見(jiàn),并有針對(duì)性地調(diào)整和改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過(guò)20多年的不斷探索、實(shí)踐、反饋及持續(xù)改進(jìn),教學(xué)效果明顯提高,實(shí)現(xiàn)了教學(xué)相長(zhǎng)、師生共進(jìn)的良好局面。學(xué)生普遍反映雖然課程學(xué)時(shí)增加了,課后作業(yè)也很多,但是收獲很大,呈現(xiàn)2+1gt;3的正向情況。學(xué)生對(duì)該課程選課率和滿意度都非常高,較好地實(shí)現(xiàn)本課程改革目的。
通過(guò)教學(xué)內(nèi)容改革,豐富了大學(xué)物理教研室活動(dòng)內(nèi)容,為教師共享教學(xué)資源、交流教學(xué)觀念和教學(xué)手段提供了實(shí)踐平臺(tái)。在備課階段,查閱最新科技進(jìn)展拓寬了教師的科學(xué)視野,豐富了教學(xué)素材庫(kù)。教師根據(jù)自己的專業(yè)特點(diǎn)制作多媒體課件,分享備課教案,為其他教師提供觀摩課等多種教研活動(dòng),充分激發(fā)教師把精力投入本科教學(xué)工作中,形成“以教促學(xué)、以教促改”的良好局面。
5 結(jié)語(yǔ)
在昆明理工大學(xué)實(shí)施物理學(xué)前沿講座教學(xué)改革,主要收獲有:(1)在全體教師的積極參與下,建設(shè)深入高新科技、涵蓋科學(xué)素養(yǎng)、體現(xiàn)思政情懷的全方位、多層次的多媒體課件和素材庫(kù)。(2)通過(guò)講座形式,科學(xué)、系統(tǒng)、多角度地普及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與物理學(xué)的緊密聯(lián)系,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、樹(shù)立科學(xué)的世界觀產(chǎn)生積極影響。(3)教師全身心投入,教學(xué)觀念、教學(xué)方式和教學(xué)手段等方面能力得到提升。可見(jiàn),物理學(xué)前沿講座在我校教學(xué)中產(chǎn)生師生雙贏效果,是卓有成效的一項(xiàng)教學(xué)改革嘗試。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 教育部、工業(yè)和信息化部、中國(guó)工程院關(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(jiàn)[EB/OL]. (2018-10-08)[2022-11-20]. http://www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.
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