新工科背景下大學(xué)物理教學(xué)改革探討

何軍 潘長寧 柳聞鵑

【摘要】發(fā)揮大學(xué)物理課程在培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)大學(xué)物理在跨界復(fù)合人才培養(yǎng)上的支撐指導(dǎo)作用，是目前我國高等學(xué)校新工科建設(shè)面臨的緊迫任務(wù)。文章從新工科背景下大學(xué)物理“教什么”“怎么教”兩個核心層面，探討了跨界人才培養(yǎng)對大學(xué)物理教學(xué)提出的要求與改革，以期促進大學(xué)物理整體教學(xué)水平不斷提高。

【關(guān)鍵詞】新工科;大學(xué)物理教學(xué);教學(xué)改革

一、引言

近年來，國家戰(zhàn)略發(fā)展不斷產(chǎn)生新的需求，國際競爭形勢日新月異，國家對工程人才的要求越來越高，需求越來越大，工程教育改革迫在眉睫。新工科建設(shè)在這樣的背景下應(yīng)運而生。2017年2月18日，教育部在復(fù)旦大學(xué)召開高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會，會上新工科建設(shè)“復(fù)旦共識”的達成標志著我國工程教育改革是一場眾望所歸的集體行動;4月8日，教育部在天津大學(xué)召開新工科建設(shè)研討會，明確了新工科建設(shè)行動路線，即“天大行動”，正式拉開了新階段全國范圍工程教育改革的帷幕。時下，“新工科”已成為改革話語中最為醒目的關(guān)鍵詞。新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，以期培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。這就決定了新工科建設(shè)將更加依賴于大學(xué)物理等理論基礎(chǔ)課程的教學(xué)創(chuàng)新。大學(xué)物理是工科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程，由于物理學(xué)在自然科學(xué)和工程技術(shù)應(yīng)用中的先導(dǎo)地位以及它與哲學(xué)、社會科學(xué)的聯(lián)系，使得物理學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面具有獨特的作用。雖然近些年隨著大學(xué)物理教學(xué)改革的不斷深入，大學(xué)物理教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等方面都有了很大的改進和提高，但是仍存在許多不足，無法滿足新工科背景下人才培養(yǎng)的需要。在教學(xué)內(nèi)容上，盡管加強了近現(xiàn)代物理內(nèi)容的教學(xué)，但在用現(xiàn)代物理觀點審視和改革經(jīng)典物理，用普通物理方法闡述近代物理，在經(jīng)典物理中增加應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容等方面明顯不足，無法真正貫徹和實現(xiàn)“普通物理現(xiàn)代化和現(xiàn)代物理普通化”的思想，更不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)方法和手段上，盡管嘗試采用了參與式、討論式、滲透式等多種先進的教學(xué)方法，采用電子教案、錄像和演示實驗等教學(xué)手段，但總體上仍以“灌輸式”方法為主，整體教學(xué)效果并不理想。針對大學(xué)物理教學(xué)的現(xiàn)狀，如何在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、教師工程素質(zhì)等方面進行全方位改革，真正發(fā)揮大學(xué)物理課程在培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)方面的優(yōu)勢，實現(xiàn)大學(xué)物理在跨界復(fù)合人才培養(yǎng)上的支撐指導(dǎo)作用，是目前我國高等學(xué)校新工科建設(shè)面臨的緊迫任務(wù)。因此，本文將以湖南工業(yè)大學(xué)為例，從大學(xué)物理“教什么”“怎么教”兩個核心層面，探討新工科背景下跨界人才培養(yǎng)對大學(xué)物理教學(xué)提出的要求及與之相適應(yīng)的改革，以促進大學(xué)物理整體教學(xué)水平不斷創(chuàng)新提高。

二、優(yōu)化調(diào)整教學(xué)內(nèi)容以回答新工科背景下大學(xué)物理“教什么”的問題

（一）構(gòu)建大學(xué)物理課程體系模塊化

湖南工業(yè)大學(xué)是以包裝教育為特色的偏工科類綜合性大學(xué)，建立了以工為主，工、理、管、文、經(jīng)、法、教育、藝術(shù)等協(xié)調(diào)發(fā)展的學(xué)科體系。目前，學(xué)校已經(jīng)試點啟動了工程教育認證，各個專業(yè)對大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容具有不同的需求。如何在有限的課時內(nèi)滿足新工科專業(yè)的教學(xué)需求是一個急需解決的課題。本著因材施教的原則，我們根據(jù)各工科專業(yè)對力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)以及波動光學(xué)等不同知識的依賴程度，將大學(xué)物理課程體系劃分成了三大模塊。

1.電類模塊。該模塊重點傳授電磁學(xué)方面的知識，尤其重視量子物理、固體等基礎(chǔ)知識，旨在幫助學(xué)生更好地進行知識銜接。當然，針對該類專業(yè)的學(xué)生，授課的時候會適當減少力學(xué)、熱學(xué)部分的內(nèi)容。該模塊一般適應(yīng)選修的專業(yè)有自動化、信息、通信、物理學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)、計算機等對物理知識要求高的電類專業(yè)。

2.非電類模塊A。該模塊的教學(xué)重點應(yīng)該放在力學(xué)方面的知識尤其是剛體部分，強化振動、波動光學(xué)等內(nèi)容。該模塊一般適應(yīng)選修的專業(yè)有土木工程、生物醫(yī)學(xué)工程、暖通工程以及數(shù)學(xué)等多個專業(yè)，這些專業(yè)對物理知識的要求也比較高，但對電磁學(xué)方面的知識要求并不那么突出。

3.非電類模塊B。該模塊的課堂教學(xué)中沒有熱學(xué)以及近代物理等知識，我們適當?shù)卦黾恿私榻B守恒、對稱等物理美學(xué)知識，同時刪掉了教授難度較大的物理知識，以減輕學(xué)生負擔。該模塊一般適應(yīng)選修的專業(yè)有數(shù)字媒體、藝術(shù)設(shè)計等。

（二）將實驗教學(xué)過程有機地融入理論課教學(xué)

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，在大學(xué)物理理論課堂中當然要加強實驗教學(xué)的比重，要讓學(xué)生體會到實驗的思想、思路和過程。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，目前大多數(shù)高校中傳統(tǒng)的大學(xué)物理理論課教學(xué)與實驗課教學(xué)基本是脫節(jié)的，無法滿足新工科人才培養(yǎng)的要求。譬如，學(xué)生本學(xué)期在學(xué)習(xí)力學(xué)或熱學(xué)知識，可能做的是電磁學(xué)或光學(xué)實驗。另外，實驗大多以驗證性實驗為主，明顯缺乏對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，為滿足新工科人才培養(yǎng)要求，我們提出“講好科學(xué)實驗，做好演示實驗，開發(fā)創(chuàng)新實驗”的理念，要求教師將大學(xué)物理理論教學(xué)和實驗教學(xué)有機融合。這有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣和科學(xué)精神，而良好的思維習(xí)慣和科學(xué)精神正是新工科跨界人才不可或缺的。

（三）重視“理工融合”的教育理念，教學(xué)中引入工程實例

單純的理科教育和工科教育都無法培養(yǎng)出多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才。正因如此，越來越多的教育工作者重視“理工融合”的教育理念。譬如鐘登華院士、楊叔子院士、夏建國教授等對“理工融合”的教育理念進行了許多研究，特別是在新工科背景下做了若干頗富指導(dǎo)性的研究工作，提出了一些具體的改革措施。體現(xiàn)物理教學(xué)價值的一個重要方面，就是它對工程技術(shù)的支撐作用。因此，我們重視“理工融合”的教育理念，既重視傳授理論知識，更注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，在教學(xué)中注重將自然科學(xué)前沿進展、工程實際和其他相關(guān)學(xué)科知識等有機聯(lián)系在一起，把學(xué)生引向未知世界及領(lǐng)域，激發(fā)其勇于探索和不斷創(chuàng)新的意識和興趣，加強學(xué)生素質(zhì)和創(chuàng)新意識教育。例如，在講授剛體力學(xué)時，引入土木工程的實例;在向印刷工程學(xué)生講解靜電場時，介紹靜電除塵、噴墨打印的工作原理;在向電類專業(yè)學(xué)生講解電磁感應(yīng)時，簡單介紹銀行磁卡的工作原理等。

三、創(chuàng)新教學(xué)模式以回答新工科背景下大學(xué)物理“怎么教”的問題

（一）引入深度學(xué)習(xí)的智慧教學(xué)模式

深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者使用高級認知技能（如分析、綜合、解決問題和元認知的能力）處理信息并構(gòu)建長期而深刻的理解。它指導(dǎo)學(xué)生對新思想進行批判性分析，并將新思想與已知的概念和原理相關(guān)聯(lián)，然后應(yīng)用于解決新的情境中的問題。深度學(xué)習(xí)者是自主的學(xué)習(xí)者，也是合作型的學(xué)習(xí)者，具有較高的元認知和學(xué)習(xí)技能。引入深度學(xué)習(xí)的智慧教學(xué)模式，從以教師為中心的教學(xué)方法向以學(xué)生為中心并引導(dǎo)其自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變，有利于學(xué)生提高理解能力和思維技能。這樣，學(xué)生學(xué)到的不再是死記硬背的知識，而是能夠應(yīng)對真實、復(fù)雜和快速變化世界的知識和技能，這正是新工科跨界人才所需的。

（二）實施指導(dǎo)性探究式教學(xué)模式

探究式教學(xué)是當前人們比較認同的一種教學(xué)模式。但在教學(xué)實踐中人們發(fā)現(xiàn)單純的開放探究式教學(xué)往往存在學(xué)生思維過于發(fā)散，耗時太多，效果低等特點，若把它變成指導(dǎo)探究式教學(xué)模式，則可較大程度地避免其不足。指導(dǎo)探究式教學(xué)模式是指教師有意設(shè)置框架，并指導(dǎo)學(xué)生進行探究，以達到教學(xué)目的。我們提出在新工科人才培養(yǎng)過程中建立探究式教學(xué)新秩序，營造融洽的課堂氛圍，讓學(xué)生在輕松、愉快的課堂討論中獨立地探索，大膽自由發(fā)表見解，自主探究和自由創(chuàng)作。在教學(xué)實踐中我們發(fā)現(xiàn)，這樣培養(yǎng)出來的學(xué)生創(chuàng)新能力較強，參加競賽、大學(xué)生創(chuàng)新性訓(xùn)練計劃等創(chuàng)新性活動的積極性更高。眾所周知，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是新工科人才培養(yǎng)的核心。

（三）搭建以課題、項目為核心的學(xué)生創(chuàng)新實踐平臺

在完成教學(xué)任務(wù)后，開放實驗室，為部分學(xué)生創(chuàng)造條件，鼓勵其對某一知識點的相關(guān)問題進行進一步探索。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身興趣和專業(yè)特點自主選題，選題要求盡量貼近工程應(yīng)用實際。同時也鼓勵教師結(jié)合自己的研究課題給出相關(guān)的設(shè)計性實驗題目，面向全體本科學(xué)生，以開拓思維，培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的，開展大學(xué)生科研訓(xùn)練項目。在學(xué)生完成項目的過程中，指導(dǎo)教師只能適度參與，對于項目的合理性及可行性只提供建議和指引，并指導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化設(shè)計方案。每一個項目組建立一個微信群，當學(xué)生在項目執(zhí)行過程中遇到困難時，教師可以及時給予適當?shù)闹笇?dǎo)與幫助，及時解答學(xué)生提出的問題。

四、結(jié)束語

總之，傳統(tǒng)的講授式教學(xué)已不能滿足新工科跨界人才培養(yǎng)的要求。我們在新工科背景下從大學(xué)物理“教什么”“怎么教”兩個核心層面探討了大學(xué)物理教學(xué)改革的一些可行性舉措，以期促進大學(xué)物理整體教學(xué)水平不斷創(chuàng)新提高。

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