面向新工科的“近代物理專題”課程體系的創(chuàng)新構(gòu)建

摘 要 受總學(xué)時(shí)限制，在目前的大學(xué)物理課程體系中，近代物理部分占比很小;而且，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，目前多數(shù)大學(xué)物理課程教材的知識體系更新速度顯著落后于物理學(xué)的高速發(fā)展。當(dāng)前的大學(xué)物理課程教學(xué)既不能滿足“新工科”對人才培養(yǎng)的新要求，也不利于科教融合和學(xué)科交叉發(fā)展。鑒于此，我們構(gòu)建了面向新工科專業(yè)的近代物理專題課程體系，以有效解決大學(xué)物理課程在近代物理知識教與學(xué)方面的嚴(yán)重不足，提升“新工科”背景下的人才培養(yǎng)質(zhì)量。近代物理專題課程體系著眼于“立根基礎(chǔ)、登高博遠(yuǎn)”的課程理念和目標(biāo)，堅(jiān)持“立根”近代物理基礎(chǔ)理論，講授原子核物理、量子物理、固體物理和激光物理的基礎(chǔ)理論知識，同時(shí)結(jié)合學(xué)科前沿講座，跨越物理學(xué)各分支講授現(xiàn)代物理的高新科技應(yīng)用，提升課程的高階性，使學(xué)生“登高博遠(yuǎn)”。通過自制學(xué)科融合案例，并輔以科學(xué)計(jì)算軟件的上機(jī)實(shí)踐，以定性分析結(jié)合定量計(jì)算的方法，引導(dǎo)學(xué)生解決相關(guān)學(xué)科的科學(xué)問題，增強(qiáng)課程的創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。該課程采用線上平臺，線上線下混合四維時(shí)空拓展授課;經(jīng)過五年的實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了課程理念和目標(biāo)，獲得了良好的學(xué)習(xí)反饋。

關(guān)鍵詞 近代物理;“新工科”;科教融合與學(xué)科交叉;兩性一度;課程體系

引言

2017年教育部發(fā)布了《新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目指南》，對高等學(xué)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)體系等提出了新要求①。推動(dòng)“新工科”建設(shè)是實(shí)現(xiàn)國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略的人才保障，是新時(shí)期我國高校工程教育改革的指導(dǎo)方針，也是今后我國高等教育改革的重要方向[1-2]。因此，構(gòu)建服務(wù)于新工科建設(shè)的課程體系，是培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和跨學(xué)科綜合素養(yǎng)的高素質(zhì)工程技術(shù)人才的重要保障。

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式、相互作用以及轉(zhuǎn)化規(guī)律的自然科學(xué)。物理學(xué)所展現(xiàn)的世界觀、認(rèn)識論和方法論深刻影響著人類的思維方式和對物質(zhì)世界的基本認(rèn)識[3]。新工科建設(shè)對大學(xué)物理課程，特別是對近現(xiàn)代物理部分的教學(xué)提出了新要求。近代物理是指19世紀(jì)末和20世紀(jì)初開始形成的相對論、量子力學(xué)和以原子分子物理、原子核物理、粒子物理、固體物理為內(nèi)容的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)理論，以及以這些理論為基礎(chǔ)發(fā)展的核能、激光、量子和半導(dǎo)體等科學(xué)技術(shù)。然而，受到總學(xué)時(shí)的限制，在目前的大學(xué)物理課程體系中近代物理部分占比很小;而且，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，當(dāng)前多數(shù)大學(xué)物理課程教材的知識體系更新顯著落后于物理學(xué)的高速發(fā)展。因此，目前的大學(xué)物理課程教學(xué)既不能滿足“新工科”對人才培養(yǎng)的新要求，也不利于科教融合和學(xué)科交叉發(fā)展。另外，尋找通識課程大學(xué)物理與其他“新工科”專業(yè)的交叉與生長點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨學(xué)科的教學(xué)融合，是國家高等教育戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃賦予大學(xué)物理課程教學(xué)的時(shí)代要求[4-6]。

作為大學(xué)物理課程的重要組成部分，近代物理是對經(jīng)典物理學(xué)的開拓性發(fā)展，是嫁接物理與現(xiàn)代高新技術(shù)應(yīng)用的重要橋梁。本文以近代物理教學(xué)為例，探討了以科教融合和學(xué)科交叉為導(dǎo)向，以提升大學(xué)物理課程的“兩性一度”為目標(biāo)，基于數(shù)字智慧教學(xué)平臺構(gòu)建合肥工業(yè)大學(xué)大學(xué)物理課程的延續(xù)課程近代物理專題課程體系及其過程，總結(jié)了線上線下混合教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 面向“新工科”近代物理教學(xué)存在的問題

1.1 近代物理教學(xué)“支離破碎”的尷尬處境

由于大學(xué)物理課程包含的寬泛內(nèi)容與緊縮學(xué)時(shí)之間的矛盾，使得近代物理教學(xué)的學(xué)時(shí)不斷縮減。特別是2019年實(shí)施新版教學(xué)計(jì)劃之后，近代物理教學(xué)的專業(yè)范圍越來越受到蠶食，如我校更多的專業(yè)（如土木工程、生物視頻、計(jì)算機(jī)等）選擇了僅包含狹義相對論的C 類（80學(xué)時(shí)）課程。其他B類（2024年已從原112學(xué)時(shí)，縮減為96學(xué)時(shí)）課程也只介紹到早期量子論，并沒有真正觸碰到量子力學(xué)及應(yīng)用的精髓內(nèi)核。這種骨肉分離、支離破碎的內(nèi)容設(shè)置，不僅損害了理論體系的完整性，也很不利于“新工科”建設(shè)。

為順應(yīng)當(dāng)今高新科技發(fā)展的時(shí)代需求，2023年教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)最新發(fā)布的《理工科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》提出，量子物理基礎(chǔ)部分至少要增加到30學(xué)時(shí)（目前為12 學(xué)時(shí)），經(jīng)典物理的學(xué)時(shí)被顯著壓縮，例如經(jīng)典力學(xué)從目前的18學(xué)時(shí)壓縮到14學(xué)時(shí)[7]。這標(biāo)志著我國高校的大學(xué)物理課程教學(xué)正在努力探索走出重經(jīng)典、輕現(xiàn)代，重理論、輕應(yīng)用的狀況。

1.2 物理教學(xué)與高新科技發(fā)展關(guān)聯(lián)不足

與高新科技發(fā)展脫節(jié)是大學(xué)物理課程教學(xué)普遍存在的問題。由于需要講授的內(nèi)容較多，絕大部分課時(shí)都在“追趕”進(jìn)度中度過，很少有時(shí)間展開介紹近、現(xiàn)代新的物理理論與當(dāng)代先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法、科學(xué)技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)。例如，大學(xué)物理課程教學(xué)中近代物理內(nèi)容占比≤20%，僅介紹了狹義相對論、早期量子論等，甚至量子物理的基本方程———薛定諤方程也只是點(diǎn)到為止。有關(guān)當(dāng)代物理發(fā)展的新成就，現(xiàn)代工程技術(shù)及其重大科技成果等新課題、新內(nèi)容更是鮮少提及。然而，現(xiàn)今的科學(xué)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)，例如我校的材料、通信、測控、電子等相關(guān)專業(yè)，都需要具備原子、量子物理的相關(guān)知識作為專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。實(shí)際上常常是深?yuàn)W的物理理論與現(xiàn)代重大科技成果之間的關(guān)聯(lián)，才是激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識、培養(yǎng)創(chuàng)新思維的優(yōu)良素材。

此外，大學(xué)物理作為一門必修考試類課程，對所授理論應(yīng)用的精確計(jì)算也往往提出高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求。這一方面起到了督促學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行扎實(shí)的掌握，但是另一方面也引導(dǎo)或“暗示”了學(xué)生更專注于考還是不考的問題?？嫉膶W(xué)生就認(rèn)真仔細(xì)訓(xùn)練，不考的學(xué)生可能都懶得看了，強(qiáng)化了急功近利的應(yīng)試學(xué)習(xí)思維，妨礙了學(xué)生樹立廣泛了解物理理論與高新科技應(yīng)用的學(xué)習(xí)認(rèn)知與學(xué)習(xí)興趣，非常不利于新時(shí)代大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、開放思維的培養(yǎng)。

1.3 培養(yǎng)目標(biāo)與時(shí)代脫節(jié)

“新工科”建設(shè)對人才培養(yǎng)的目標(biāo)指向更為具體，要求學(xué)生具有應(yīng)用所學(xué)知識的能力和技能，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體學(xué)習(xí)地位。教師除了向?qū)W生傳授基礎(chǔ)與專業(yè)知識，還要注意激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神、培養(yǎng)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)域打下堅(jiān)實(shí)的行業(yè)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程教學(xué)重在知識傳授，內(nèi)容繁多、理論深?yuàn)W，基本采用以講為主、自上而下的傳統(tǒng)教學(xué)方法。教學(xué)模式單一，學(xué)生參與度不高。知識傳授大于知識吸收，學(xué)生主體地位不凸顯，不利于培養(yǎng)學(xué)生的知識遷移能力和綜合應(yīng)用分析能力，忽視創(chuàng)新思維的引導(dǎo)與培養(yǎng)。因此，傳統(tǒng)的近代物理教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念的時(shí)代要求相距較遠(yuǎn)，阻礙了“新工科”培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 近代物理專題課程

作為大學(xué)物理課程的延續(xù)課程，專業(yè)必修課amp;公共選修課近代物理專題為物理專業(yè)的本科生，以及物理基礎(chǔ)好、對物理學(xué)習(xí)有更多期盼的非物理類理工科本科生，提供更多物理新理論的“科普化”窗口，引導(dǎo)學(xué)生探究物理學(xué)更多的近現(xiàn)代發(fā)展分支。每個(gè)專題從介紹物理學(xué)的基本概念和原理出發(fā)，采用科普化的語言和豐富的視頻、圖片、動(dòng)畫，向?qū)W生講解物理學(xué)深?yuàn)W的理論知識。基于混合式教學(xué)方法（問題驅(qū)動(dòng)聽課、雨課堂互動(dòng)問答、課后考查小論文驅(qū)動(dòng)主動(dòng)探究等）與信息化教學(xué)資源（智慧教學(xué)平臺、網(wǎng)絡(luò)課程資源、新聞報(bào)道、經(jīng)典圖片等），深入淺出地向?qū)W生講授物理學(xué)的近現(xiàn)代理論，以及與現(xiàn)代高新科技的關(guān)聯(lián)與應(yīng)用。

2.1 課程模塊設(shè)計(jì)

近代物理專題課程目前的32學(xué)時(shí)11個(gè)專題完全不能涵蓋近代物理的眾多分支。客觀上隨著物理學(xué)各分支方向的不斷細(xì)化與發(fā)展，不在某些方向深入研究的教師很難對此專題講深、講透、講新、講科普化！ 我們課程團(tuán)隊(duì)基于物理學(xué)院物理系近年來不斷引進(jìn)新人才、新方向的良好機(jī)遇，除了目前相對成熟的專題目錄套餐，還儲備了更多的專題資源（如激光、凝聚態(tài)物理、醫(yī)學(xué)物理、生物物理、高能物理等），為根據(jù)專業(yè)不同個(gè)性化開展教學(xué)，儲備了雄厚的教學(xué)團(tuán)隊(duì)資源。

為解決專題內(nèi)容設(shè)置與緊縮學(xué)時(shí)之間的矛盾，課程采用了線上線下相結(jié)合的靈活的模塊化設(shè)計(jì)（如圖1），分為必講專題、選講專題、拓展學(xué)習(xí)三部分。其中必講專題主要圍繞近代物理的三大支柱展開，包括（廣義）相對論、量子力學(xué)及應(yīng)用、原子核物理及應(yīng)用，以及天體物理、固體物理、量子科技等。選講專題介紹近代物理新的發(fā)展分支，如激光物理及應(yīng)用、凝聚態(tài)物理及應(yīng)用、等離子體物理及應(yīng)用、同步輻射裝置及應(yīng)用等。拓展學(xué)習(xí)部分包含兩塊，一塊是鏈接物理專業(yè)研究生必修課程學(xué)科前沿講座，通過聽取專題相關(guān)方向的專家報(bào)告，幫助提升課程的前沿性;另一塊是“自編學(xué)科融合案例”部分，通過自編的學(xué)科融合案例，建立課程理論知識點(diǎn)與具體的高新科技應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)內(nèi)容，并通過定性分析結(jié)合定量計(jì)算的方法，引導(dǎo)學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)與思考。