基于新工科背景的大學(xué)物理課程建設(shè)與實踐

摘 要 為加快新技術(shù)研發(fā)，加快工業(yè)革命進(jìn)程，培養(yǎng)高素質(zhì)工科人才，2016年我國首次提出新工科概念，指明了后續(xù)工科人才的培養(yǎng)方向。大學(xué)物理作為工科重點(diǎn)基礎(chǔ)學(xué)科之一，對推動新工科發(fā)展，培養(yǎng)新工科所需的具有國際競爭力的復(fù)合型人才具有重要作用。文章基于新工科背景，針對大學(xué)物理課程建設(shè)工作展開詳細(xì)論述，以期為同類院校大學(xué)物理課程改革提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞 新工科；大學(xué)物理；課程建設(shè)

中圖分類號：G642 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.05.013

Construction and Practice of College Physics Curriculum Based on the

Background of New Engineering

SU Caixia， YANG Cuihuan

（Zhengzhou Technology and Business University， Zhengzhou， Henan 451450）

Abstract In order to accelerate the research and development of new technologies， accelerate the process of industrial revolution， and cultivate high-quality engineering talents， China first proposed the concept of new engineering in 2016， which pointed out the direction of cultivating engineering talents in the future. University physics， as one of the key fundamental disciplines in engineering， plays an important role in promoting the development of new engineering disciplines and cultivating internationally competitive composite talents needed for new engineering disciplines. Based on the background of new engineering disciplines， this article provides a detailed discussion on the construction of university physics courses， aiming to provide useful references for the reform of physics courses in similar universities.Keywords emerging engineering education; college physics; curriculum construction

1" 研究背景

新工科旨在培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神、實踐能力和國際視野的高素質(zhì)工程技術(shù)人才，以滿足新經(jīng)濟(jì)、新業(yè)態(tài)對人才的需求[1]。在此背景之下，大學(xué)物理的教育理念和教學(xué)模式也面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。大學(xué)物理是理工科學(xué)生必修的基礎(chǔ)課程之一，它為學(xué)生提供必要的物理基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、邏輯思維能力和解決問題的能力[2]。在新工科體系中，大學(xué)物理課程更是承載著連接基礎(chǔ)理論與工程實踐、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和跨學(xué)科能力的重要使命[3]。加強(qiáng)大學(xué)物理課程的建設(shè)與改革，對于提升新工科教育的整體質(zhì)量和水平具有重要意義。

2" 當(dāng)前大學(xué)物理課程教學(xué)中存在的問題

2.1" 教學(xué)內(nèi)容陳舊

當(dāng)前，大學(xué)物理課程的內(nèi)容仍以經(jīng)典物理學(xué)為主，如力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等，這些內(nèi)容雖基礎(chǔ)且重要，但與現(xiàn)代科技、產(chǎn)業(yè)的需求存在一定脫節(jié)?，F(xiàn)有大學(xué)物理課程通常涵蓋力學(xué)、電磁學(xué)、振動與波及波動光學(xué)、熱學(xué)和近代物理等五個模塊，這些模塊的知識體系大多形成于20世紀(jì)之前，主要服務(wù)于當(dāng)時的工業(yè)和科技需求[4]。然而，隨著科技的飛速發(fā)展，如量子計算、納米技術(shù)、人工智能等新興領(lǐng)域?qū)ξ锢碇R的需求日益增長，傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容已難以滿足新時代工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需求。

2.2" 理論與實踐脫節(jié)

傳統(tǒng)大學(xué)物理課程的重點(diǎn)為理論知識傳授，忽略實踐教學(xué)重要性。學(xué)生雖能掌握一定的物理理論，但在解決實際問題時往往感到力不從心[5]。這種理論與實踐培養(yǎng)的脫節(jié)，導(dǎo)致學(xué)生難以將所學(xué)知識應(yīng)用于實際工程中，從而降低了學(xué)習(xí)的積極性和興趣。學(xué)生缺乏將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐技能的有效途徑，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不高[6]。

2.3" 教學(xué)模式單一

傳統(tǒng)教學(xué)模式以教師講授為主，學(xué)生被動接受知識，缺乏主動思考和互動交流的機(jī)會。在新工科背景下，學(xué)生需要更多的自主學(xué)習(xí)和探究空間，以及更加靈活多樣的教學(xué)方式來滿足其個性化學(xué)習(xí)需求[7]。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)模式往往難以滿足這一需求，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，學(xué)習(xí)效果不佳，影響學(xué)生個性化發(fā)展。

3" 新工科背景下大學(xué)物理課程的建設(shè)策略

3.1" 改革教學(xué)內(nèi)容

為了適應(yīng)新工科背景下工程技術(shù)人才培養(yǎng)的需求，須對大學(xué)物理課程的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。應(yīng)引入現(xiàn)代物理學(xué)和工程物理學(xué)的新知識、新技術(shù)和新方法，打造多層次的課程體系，具體架構(gòu)如圖1所示，旨在使大學(xué)物理課程內(nèi)容更加貼近現(xiàn)代科技和產(chǎn)業(yè)前沿。例如，教師在講解機(jī)械振動和機(jī)械波時，可引入海嘯中駐波分析的內(nèi)容，讓學(xué)生了解波動現(xiàn)象在自然災(zāi)害預(yù)測和防范中的應(yīng)用；在講述電磁波時，可介紹冶金中電磁攪拌、電磁凈化、GPS導(dǎo)航、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等現(xiàn)代科技應(yīng)用，讓學(xué)生感受電磁波在工程技術(shù)中的重要作用[8]。同時，教學(xué)中還應(yīng)增加相關(guān)實際工程應(yīng)用案例，使理論知識與工程實踐相結(jié)合，通過案例分析，學(xué)生能更好地理解物理知識的實際應(yīng)用價值，提高學(xué)習(xí)的興趣和積極性。例如，在教授力學(xué)部分時，教師可結(jié)合土木工程中的結(jié)構(gòu)力學(xué)問題，分析橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的受力情況和穩(wěn)定性；在教授電磁學(xué)部分時，可結(jié)合電力工程中的電磁場問題，探討電磁波在電力傳輸和通信中的應(yīng)用[9]。

3.2" 創(chuàng)新教學(xué)模式

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，教師需對大學(xué)物理課程的教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新。教師可采用線上線下混合式教學(xué)，將線上學(xué)習(xí)與線下實踐相結(jié)合，為學(xué)生提供更加靈活多樣的學(xué)習(xí)方式。線上學(xué)習(xí)包括視頻教學(xué)、在線討論、作業(yè)提交等，讓學(xué)生隨時隨地進(jìn)行自主學(xué)習(xí)；線下實踐則包括實驗操作、項目研究、學(xué)術(shù)講座等，讓學(xué)生有機(jī)會將所學(xué)知識應(yīng)用于實踐，提高實踐能力和創(chuàng)新能力[10]。例如，教師可選取幾種感生電動勢在工程應(yīng)用中的案例，讓學(xué)生按專業(yè)或興趣選擇案例進(jìn)行深入研究。學(xué)生通過線上查找資料、觀看視頻、參與討論等方式進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，然后在線下進(jìn)行實驗操作或項目研究，將所學(xué)知識應(yīng)用于實際問題的解決中[11]。學(xué)生可在線上分享自己的研究成果和心得，與其他同學(xué)進(jìn)行交流和互動，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。

3.3" 改革實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是大學(xué)物理課程的重要組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)往往過于注重實驗操作的規(guī)范性和準(zhǔn)確性，而忽視了實驗的創(chuàng)新性和探究性。為了改變這一狀況，須對實驗教學(xué)進(jìn)行改革。①強(qiáng)調(diào)實驗的創(chuàng)新性，鼓勵學(xué)生自主探究和創(chuàng)新實驗。教師可設(shè)計一些開放性的實驗題目，讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣和專業(yè)知識進(jìn)行選擇和探索。例如，在光學(xué)部分，選擇經(jīng)典內(nèi)容為研究案例，組織者學(xué)生針對貴州平塘設(shè)計的500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡展開研究，使學(xué)生掌握望遠(yuǎn)鏡的分辨率和觀測原理，并進(jìn)行相關(guān)的實驗設(shè)計和操作。這樣的實驗不僅鍛煉了學(xué)生的實驗技能，還可激發(fā)他們的創(chuàng)新思維和探究精神。②提高實驗教學(xué)的實踐性和應(yīng)用性。教師結(jié)合工程實際問題，設(shè)計一些與工程應(yīng)用緊密相關(guān)的實驗項目，讓學(xué)生在實驗中體驗工程實踐的過程和樂趣。例如，在電磁學(xué)部分，設(shè)計一些與電力傳輸和通信相關(guān)的實驗項目，讓學(xué)生了解電磁波在電力工程和通信工程中的應(yīng)用情況，并進(jìn)行相關(guān)的實驗操作和分析。

3.4" 構(gòu)建課程TA制

為了增強(qiáng)師生互動和教學(xué)效果，可構(gòu)建課程TA制（Teaching" Assistant，助教制度）。選拔高年級優(yōu)秀學(xué)生擔(dān)任助教，協(xié)助教師進(jìn)行課程教學(xué)和管理工作，提高學(xué)生的參與度和責(zé)任感，為教師提供有力的支持。助教可協(xié)助教師進(jìn)行課堂管理，如組織課堂討論、收集學(xué)生反饋、解答學(xué)生疑問等；助教可協(xié)助教師進(jìn)行實驗教學(xué)，如準(zhǔn)備實驗器材、指導(dǎo)實驗操作、批改實驗報告等；助教可參與課程內(nèi)容的制定和修改，為教師提供教學(xué)建議和意見。如在力學(xué)部分的陀螺實例教學(xué)中，助教可協(xié)助教師準(zhǔn)備陀螺模型和相關(guān)實驗器材，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗操作和數(shù)據(jù)記錄；助教還可組織學(xué)生進(jìn)行小組討論和分享會，讓學(xué)生交流自己的學(xué)習(xí)心得和體會，形成良好的學(xué)習(xí)氛圍。通過構(gòu)建這樣的TA制，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和實踐能力，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊協(xié)作精神和領(lǐng)導(dǎo)能力。

4" 實踐案例與效果評估

4.1" 實踐案例

為了驗證上述建設(shè)策略的有效性，本文選取了三個實踐案例進(jìn)行說明。

4.1.1" 力學(xué)部分：陀螺實例教學(xué)

以陀螺為實例，了解在重力矩作用下陀螺如何做定點(diǎn)運(yùn)動，并延伸到天文學(xué)知識中。通過陀螺模型的實驗操作和數(shù)據(jù)分析，學(xué)生可深入理解力學(xué)中的剛體轉(zhuǎn)動和角動量守恒等概念，并了解其在天文學(xué)中的應(yīng)用。通過小組討論和分享會，學(xué)生可交流自己的學(xué)習(xí)心得和體會，加深對力學(xué)知識的理解。

4.1.2" 波動部分：二胡發(fā)聲規(guī)律探究

以二胡的發(fā)聲規(guī)律為案例，探討駐波的特點(diǎn)和形成機(jī)制。通過對二胡模型的實驗操作和聲音分析，學(xué)生可以了解波動現(xiàn)象中的駐波和行波等概念，并探索二胡發(fā)聲的物理原理。此類型的實踐案例可以幫助學(xué)生感悟物理的魅力，主動參與學(xué)習(xí)。

4.1.3" 光學(xué)部分：3D眼鏡原理探究

以3D眼鏡為案例，探討光的偏振特性和立體顯示技術(shù)。通過對3D眼鏡的觀察和原理分析，學(xué)生可以了解光的偏振現(xiàn)象和立體顯示技術(shù)的原理，并探索其在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用。這樣的實踐案例不僅可以拓寬學(xué)生的知識視野，還可以培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維和跨學(xué)科能力。

4.2" 效果評估

為了評估上述實踐案例的效果，課程組進(jìn)行了以下兩方面評估。

4.2.1" 學(xué)生對新教學(xué)模式的反饋與滿意度調(diào)查

通過問卷調(diào)查和訪談等方式，課程組收集了學(xué)生對新教學(xué)模式的反饋和滿意度情況。結(jié)果顯示，大部分學(xué)生認(rèn)為新教學(xué)模式更加生動有趣，能夠激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和主動性。同時，憑借實踐案例學(xué)習(xí)和實驗操作，學(xué)生能夠更好地理解和掌握物理知識，并將其應(yīng)用于實際問題的解決中。此外，學(xué)生還對助教制度表示了高度的認(rèn)可和贊賞，認(rèn)為助教為他們提供了更多的學(xué)習(xí)支持和幫助。

4.2.2" 學(xué)生在實驗技能和創(chuàng)新能力方面的提升情況

通過對比學(xué)生在實驗前后的表現(xiàn)和創(chuàng)新成果，課程組評估了學(xué)生在實驗技能和創(chuàng)新能力方面的提升情況。結(jié)果顯示，學(xué)生在經(jīng)過實踐案例的學(xué)習(xí)和實驗操作后，實驗技能得到了顯著的提升。他們能更加熟練地操作實驗器材、記錄實驗數(shù)據(jù)和分析實驗結(jié)果。同時，學(xué)生的創(chuàng)新能力也得到了鍛煉和提升。他們能夠運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行自主探究和創(chuàng)新實驗，提出新的想法和解決方案。這些成果體現(xiàn)了學(xué)生在實驗技能和創(chuàng)新能力方面的進(jìn)步，也驗證了上述建設(shè)策略的有效性。

5" 結(jié)論與展望

在新工科背景下，大學(xué)物理課程的建設(shè)與改革取得了顯著的成效。通過引入現(xiàn)代物理學(xué)和工程物理學(xué)的新知識、新技術(shù)和新方法，以及增加與實際工程應(yīng)用相關(guān)的案例，課程內(nèi)容更加貼近現(xiàn)代科技和產(chǎn)業(yè)前沿。通過創(chuàng)新教學(xué)模式和改革實驗教學(xué)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，提高了其實踐能力和創(chuàng)新能力。通過構(gòu)建課程TA制，增強(qiáng)了師生互動和教學(xué)效果，為學(xué)生提供了更加優(yōu)質(zhì)的教學(xué)服務(wù)。展望未來，大學(xué)物理課程將繼續(xù)朝著更加現(xiàn)代化、實踐化和創(chuàng)新化的方向發(fā)展。

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