材料類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系構(gòu)建

摘 要 大學(xué)物理作為材料類專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程，在整個(gè)本科階段的培養(yǎng)方案中起承上啟下的作用。目前關(guān)于線上線下結(jié)合方式開展材料類專業(yè)大學(xué)物理課程建設(shè)方面的研究還鮮有報(bào)道，本文通過多年的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了針對材料類專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)改革的教學(xué)內(nèi)容體系、授課模式以及考核方式，教學(xué)效果得到學(xué)生的好評。希望該教學(xué)方法能夠適應(yīng)更多院校材料類專業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理課程教學(xué)，推動(dòng)大學(xué)物理課程在理工科專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中的顯示度。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理;材料類;課程設(shè)計(jì);課程思政

大學(xué)物理課程作為理工類非物理專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課，是專業(yè)課程學(xué)習(xí)前的一門重要課程，不僅擴(kuò)展了高等數(shù)學(xué)的科學(xué)應(yīng)用，而且對涉及力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)的專業(yè)課程起鋪墊作用[1]。材料類專業(yè)作為一門高校廣泛開設(shè)、社會(huì)認(rèn)可度高的專業(yè)門類，其學(xué)生培養(yǎng)過程中均涉及到大學(xué)物理課程。目前，全國開設(shè)材料類專業(yè)的高校多達(dá)200余所。2022年普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄顯示，材料類專業(yè)包括材料科學(xué)與工程、材料物理、材料化學(xué)、冶金工程、金屬材料工程、無機(jī)非金屬材料工程、高分子材料與工程、復(fù)合材料與工程、粉體材料科學(xué)與工程、寶石及材料工藝學(xué)、焊接技術(shù)與工程、功能材料、納米材料與技術(shù)、新能源材料與器件、材料設(shè)計(jì)科學(xué)與工程、復(fù)合材料成型工程、智能材料與結(jié)構(gòu)和光電信息材料與器件等18個(gè)專業(yè)。因此，針對大學(xué)物理課程在材料類專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中的研究對于高校學(xué)生和專業(yè)教師均具有顯著意義。一方面，大學(xué)物理在高中物理體系的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、近代物理領(lǐng)域的適用性;另一方面，大學(xué)物理針對材料類專業(yè)后續(xù)專業(yè)課程如《晶體學(xué)基礎(chǔ)》《材料科學(xué)基礎(chǔ)》等起到了重要的鋪墊作用[2]。同時(shí)，《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求 理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求》2023版中明確增加了“課程思政”等方面的內(nèi)容，對于材料類專業(yè)課程體系的建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義[3]。因此，大學(xué)物理課程在材料類專業(yè)學(xué)生整個(gè)大學(xué)培養(yǎng)階段起到承前啟后的作用。在“新工科”背景下，針對材料類專業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理課程建設(shè)與改革將對于學(xué)生的培養(yǎng)與社會(huì)的接軌起到重要作用。

目前，針對于材料類專業(yè)大學(xué)物理課程的改革研究主要集中在課程內(nèi)容的調(diào)整方面[4-6]。如增加物理學(xué)史部分的內(nèi)容，介紹材料學(xué)前沿知識內(nèi)容[7]，或者針對大學(xué)物理課程內(nèi)容中涉及到材料學(xué)研究部分的內(nèi)容給予專門的介紹和鋪墊[8]。部分專家學(xué)者也根據(jù)本校材料科學(xué)與工程專業(yè)大學(xué)物理課程開展情況總結(jié)了該課程的教學(xué)體系構(gòu)建基本思想[9]。然而，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前針對材料類專業(yè)學(xué)生，開展線上線下結(jié)合的大學(xué)物理課程的研究工作較少[10-11]。本研究團(tuán)隊(duì)在前期的教學(xué)改革過程中重點(diǎn)突出了物理理論與演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合對于學(xué)生培養(yǎng)的重要性。因此，作者結(jié)合本校大學(xué)物理開設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，基于材料類專業(yè)的授課特點(diǎn)，進(jìn)行了針對性的教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系構(gòu)建。主要是為了增強(qiáng)大學(xué)物理課程的趣味性和實(shí)用性，提高材料類專業(yè)學(xué)生對于大學(xué)物理課程的認(rèn)可度，培養(yǎng)大學(xué)生的家國情懷和社會(huì)使命及責(zé)任感，最終達(dá)到為社會(huì)和企業(yè)輸送合格人才的目的。

1 重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容體系

1.1 優(yōu)化物理思維體系，為專業(yè)課夯實(shí)基礎(chǔ)

物理學(xué)作為自然科學(xué)學(xué)科，其各部分研究內(nèi)容間具有嚴(yán)密的邏輯鏈條。大學(xué)物理課程中力、熱、光、電、磁、量子物理和相對論部分的知識不是高中物理的簡單擴(kuò)展，其授課內(nèi)容為材料類專業(yè)學(xué)生的學(xué)術(shù)潛質(zhì)培養(yǎng)、科學(xué)思維體系構(gòu)建均奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。例如，光的衍射是大學(xué)物理中重要的章節(jié)內(nèi)容，其重點(diǎn)介紹了單縫夫瑯禾費(fèi)衍射中利用半波帶法計(jì)算衍射產(chǎn)生的明暗條紋的基本原理，并進(jìn)一步介紹了光柵衍射中明暗條紋的計(jì)算方式。光的衍射在材料學(xué)中的重要應(yīng)用則是利用X射線衍射計(jì)算晶體的面間距結(jié)構(gòu)。其中，明暗條紋的產(chǎn)生原理以及晶面間距與入射光波長間的關(guān)系將兩部分知識聯(lián)系在一起。大學(xué)物理熱學(xué)中的熱力學(xué)三大定律內(nèi)容的學(xué)習(xí)為材料類專業(yè)學(xué)生《物理化學(xué)》課程的學(xué)習(xí)奠定重要基礎(chǔ)。熱學(xué)中涉及到氣體變化過程中體積、壓強(qiáng)、溫度隨著循環(huán)過程的變化關(guān)系等理論，在大學(xué)物理課程中重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生思考物理過程、物理參量的相互影響關(guān)系。這部分內(nèi)容是《物理化學(xué)》課程的基礎(chǔ)，為后續(xù)學(xué)習(xí)焓、吉布斯自由能等知識奠定了基礎(chǔ)。不僅如此，后續(xù)課程中仍有許多大學(xué)物理知識與材料類專業(yè)課間存在承前啟后的關(guān)系?，F(xiàn)針對筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，將大學(xué)物理課程與材料類專業(yè)后續(xù)課程的關(guān)聯(lián)進(jìn)行總結(jié)如表1所示。通過該部分章節(jié)內(nèi)容的總結(jié)，可以在授課過程中為學(xué)生梳理出各個(gè)課程間的關(guān)系，讓學(xué)生感受到各學(xué)期開設(shè)的課程并不僅僅是書面知識，更重要的是讓學(xué)生體會(huì)到在課程銜接中，處處體現(xiàn)了教學(xué)的邏輯性、科學(xué)性和關(guān)聯(lián)性。最終讓學(xué)生理解基礎(chǔ)課不僅可以為專業(yè)課奠定基礎(chǔ)，也能夠?yàn)閷I(yè)的學(xué)習(xí)指明方向。

1.2 引入課程思政，堅(jiān)持三全育人

大學(xué)物理課程思政建設(shè)是新時(shí)代中國高等教育理論創(chuàng)新和實(shí)踐創(chuàng)新的重要表現(xiàn)形式。課程思政是全員、全程、全方位育人目標(biāo)的重要舉措。大學(xué)物理課程作為自然科學(xué)課程，其中包含了諸如科學(xué)創(chuàng)新的探索精神、愛國精神、家國情懷等。通過在大學(xué)物理課程中引入與材料學(xué)相關(guān)的思政元素，將為大學(xué)生的人才培養(yǎng)提供更為全面的引領(lǐng)作用[12]。例如，在剛體的角動(dòng)量定理與角動(dòng)量守恒定律內(nèi)容中可通過介紹力矩陀螺儀利用角動(dòng)量守恒的原理進(jìn)行工作，并進(jìn)一步引出其在神舟飛船與中國空間站的精準(zhǔn)對接中的重要作用，向同學(xué)們展示基礎(chǔ)物理知識在國家重大工程中的重要作用，培養(yǎng)學(xué)生的愛國精神和民族自豪感。表2展示了作者在授課過程中把大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容與課程思政進(jìn)行融合的部分案例。希望通過這些案例的引入為材料類專業(yè)的學(xué)生以及同仁教師以啟迪和展示。

1.3 拓展前沿知識，培養(yǎng)能力遷移思想

大學(xué)物理主要授課內(nèi)容是經(jīng)過近百年科學(xué)研究得出的經(jīng)典理論，對于后續(xù)科學(xué)研究起到鋪墊作用。但是，如何將經(jīng)典的理論與當(dāng)下熱門的前沿知識結(jié)合起來，吸引學(xué)生的關(guān)注度和注意力，將是課程的重要改革方向。本次面向材料類專業(yè)學(xué)生的大學(xué)物理課程體系創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，將大學(xué)物理部分課程內(nèi)容結(jié)合材料學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，在課程內(nèi)容中全方位地融入前沿知識點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生知識能力遷移和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。針對此部分內(nèi)容，開展的案例工作如表3所示。例如：在介紹電容器部分知識的時(shí)候，可以結(jié)合材料類專業(yè)的特點(diǎn)，擴(kuò)展超級電容器的電極材料以及能量存儲(chǔ)方面的最新研究進(jìn)展。這部分內(nèi)容不僅是當(dāng)下的熱點(diǎn)和前沿，同樣也與材料類專業(yè)的學(xué)生發(fā)展方向緊密結(jié)合。希望通過前沿知識的擴(kuò)展，能夠進(jìn)一步增加學(xué)生對于大學(xué)物理以及材料學(xué)專業(yè)的全方位認(rèn)識以及對于新知識的求知欲。

2 轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，革新人才培養(yǎng)模式

針對大學(xué)物理課程中教學(xué)內(nèi)容與材料類專業(yè)的其他課程間存在相輔相成、承前啟后等諸多關(guān)聯(lián)性，適時(shí)適度地開展教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，以適應(yīng)“新工科”背景下材料類專業(yè)的人才培養(yǎng)模式。課程主要采用線上線下結(jié)合的方式開展。線上平臺選用學(xué)習(xí)通平臺，在課程設(shè)置時(shí)，根據(jù)章節(jié)安排在構(gòu)建課程中引入課程背景、知識拓展、知識應(yīng)用、課程思政等相關(guān)鏈接視頻。根據(jù)課程開展情況提前一天對授課學(xué)生進(jìn)行開放。所設(shè)置的線上課程視頻均控制在20分鐘以內(nèi)，避免長時(shí)間的視頻內(nèi)容造成的視覺疲勞和逆反心態(tài)。線下教學(xué)主要梳理重要知識點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注課程內(nèi)容的重點(diǎn)、難點(diǎn)知識，同時(shí)將課前視頻與課程知識點(diǎn)進(jìn)行緊密結(jié)合。課程中在討論區(qū)設(shè)置適當(dāng)?shù)挠懻擃}目，對學(xué)生進(jìn)行分組討論。教師需要適時(shí)地觀察學(xué)生的回答情況，并進(jìn)行總結(jié)。在此教學(xué)過程中，充分發(fā)揮PBL教學(xué)方法在課堂中的重要作用。如在剛體的角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律內(nèi)容講解時(shí)，課前設(shè)置神州系列飛船與空間站的對接視頻，以及空間站外觀結(jié)構(gòu)的講解視頻。本部分重點(diǎn)突出物理知識在科技前沿的應(yīng)用性，并與課程思政結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生民族自豪感和民族自信心。在課堂討論環(huán)節(jié)，重點(diǎn)給學(xué)生展示奧運(yùn)期間雙人花樣滑冰與跳水等比賽項(xiàng)目中運(yùn)動(dòng)員身體調(diào)整與控制轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。一方面引導(dǎo)學(xué)生思考奧運(yùn)賽場上實(shí)例與物理理論知識間的關(guān)系，活躍課堂氣氛，激發(fā)學(xué)生的求知欲和想象能力;另一方面，通過奧運(yùn)賽場的拼搏精神激勵(lì)學(xué)生勇于克服困難、善于打硬仗等思政元素。最后在課程尾聲總結(jié)部分，需要為學(xué)生點(diǎn)出剛體的角動(dòng)量定理和角動(dòng)量守恒定律知識不僅在大學(xué)物理課程中學(xué)習(xí)，也在今后的課程如《理論力學(xué)》等課程中涉及到，建立不同課程間的銜接和過渡。

3 考核模式改變

針對本課程體系下大學(xué)物理課程采用線上線下相結(jié)合的授課方式，其考核模式同樣有別于傳統(tǒng)的以考試為主的授課模式。其主要目的是關(guān)注過程化、增強(qiáng)能力化以及全面培養(yǎng)化的綜合考查模式?；诖?，考核模式主要包括：簽到、課堂互動(dòng)、課程音視頻、章節(jié)檢測、分組任務(wù)、課堂討論、作業(yè)、考試，如圖1所示。其中：簽到5%，課堂互動(dòng)5%，課程音視頻15%，章節(jié)檢測5%，分組任務(wù)10%，課堂討論5%，作業(yè)10%，考試45%。在該考核方式下，學(xué)生能轉(zhuǎn)變初、高中思維中學(xué)習(xí)物理知識與做題的循環(huán)模式，將物理知識與實(shí)際生活中的實(shí)例、專業(yè)課知識緊密地結(jié)合在一起，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了課程思政的育人目標(biāo)。大學(xué)期間的課程學(xué)習(xí)更傾向于傳授知識與知識的靈活運(yùn)用，而不僅僅是通過盲目地做題來決定學(xué)生最終的分?jǐn)?shù)。同時(shí)，結(jié)合大學(xué)期間豐富的學(xué)科競賽資源，我校同樣培養(yǎng)學(xué)生積極參加各類物理學(xué)科競賽，如偏重于大學(xué)物理理論知識的“全國部分地區(qū)大學(xué)生物理競賽”以及偏重于實(shí)驗(yàn)物理的“物理實(shí)驗(yàn)競賽”“物理學(xué)術(shù)競賽”“大學(xué)生光電設(shè)計(jì)競賽”等一系列的競賽內(nèi)容。競賽活動(dòng)的開展是對課堂知識的擴(kuò)展和應(yīng)用，并進(jìn)一步將競賽成績與期末考試之間建立關(guān)系，鼓勵(lì)學(xué)生參與競賽的積極性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我校近三年來獲得國家級競賽獎(jiǎng)項(xiàng)17項(xiàng);華北地區(qū)獎(jiǎng)項(xiàng)56項(xiàng);北京市級獎(jiǎng)項(xiàng)39項(xiàng)。課程結(jié)課后，多位同學(xué)表達(dá)了對于課程模式的肯定，并希望更多課程能夠采用此類授課方式。

4 結(jié)語

鑒于大學(xué)物理課程在材料類專業(yè)課程體系中的重要性，我們有針對性地開展大學(xué)物理課程內(nèi)容的重構(gòu)：通過強(qiáng)化大學(xué)物理課程與專業(yè)課間的內(nèi)在知識和邏輯關(guān)系，突出大學(xué)物理課程的重要根基作用;通過引入大學(xué)物理中蘊(yùn)含的課程思政元素，實(shí)現(xiàn)對學(xué)生潤物無聲的思政引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)三全育人的培養(yǎng)目的;通過科技前沿成果的展示，將大學(xué)物理教學(xué)知識與最新的科研成果緊密結(jié)合，為大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培育奠定基礎(chǔ)?；诮虒W(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系的構(gòu)建，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生對于知識的理解、貫通，培育學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)。最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生對于大學(xué)物理課程的喜愛，樂于學(xué)習(xí)以大學(xué)物理為代表的自然學(xué)科，為學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)、科研、工作助力起航。

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