“新工科”背景下的大學(xué)物理學(xué)課程思考

馮偉

[摘? ? ? ? ? ?要]? 大學(xué)物理作為高等學(xué)校理工科的公共基礎(chǔ)課， 是培養(yǎng)新工科學(xué)科發(fā)展和建設(shè)所需要的復(fù)合型、綜合性創(chuàng)新人才的重要基礎(chǔ)。對此課程進(jìn)行深入思考和改革，探索新工科學(xué)科發(fā)展中物理學(xué)如何更好地發(fā)揮先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用，以適應(yīng)新時代的需求。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 新工科;大學(xué)物理;教學(xué)改革

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）32-0214-02

一、“新工科”背景下的大學(xué)物理學(xué)

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”，并發(fā)布了《關(guān)于開展新工科研究與實踐的通知》《關(guān)于推進(jìn)新工科研究與實踐項目的通知》，全國各高校都開始重視新工科建設(shè)，逐步開展了“新工科”背景下的相關(guān)教學(xué)改革[1，2]。隨著對“新工科”大致內(nèi)涵達(dá)到基本的共識，形成了新型學(xué)科專業(yè)、新生學(xué)科專業(yè)和新興學(xué)科專業(yè)三類新工科學(xué)科專業(yè)基本結(jié)構(gòu)[3]。

物理學(xué)是自然科學(xué)中最基本、最重要的基礎(chǔ)科學(xué)，是研究物質(zhì)運(yùn)動普遍規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是工程科學(xué)和技術(shù)的基礎(chǔ)。近年來由物理學(xué)孕育的新科技在引領(lǐng)未來技術(shù)、發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)中起到了重要作用。大學(xué)物理學(xué)是物理學(xué)的基礎(chǔ)部分，是工科各專業(yè)學(xué)生的主要基礎(chǔ)課程之一，主旨是培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)研究方法、思維方式和能力，增強(qiáng)學(xué)生的科技創(chuàng)新意識，全面提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。新工科具有現(xiàn)代科學(xué)、技術(shù)和工程相互交叉融合的特性，新工科學(xué)科的發(fā)展和建設(shè)需要有很好理工科基礎(chǔ)的復(fù)合型、綜合性創(chuàng)新人才。在新工科學(xué)科發(fā)展中，物理學(xué)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)作用將更加顯著和重要，大學(xué)物理學(xué)課程改革就具有尤其重要的現(xiàn)實意義。

大學(xué)物理學(xué)課程經(jīng)過多年的教學(xué)實踐，已經(jīng)形成了完備的教學(xué)體系和與各傳統(tǒng)學(xué)科專業(yè)密切相關(guān)的基本架構(gòu)。然而，現(xiàn)有課程內(nèi)容比較傳統(tǒng)和過于經(jīng)典，教學(xué)內(nèi)容涵蓋力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和近代物理基礎(chǔ)，對與新科技相對應(yīng)的基本內(nèi)容涉及較少。為了與新工科的發(fā)展相同步和匹配，大學(xué)物理學(xué)課程內(nèi)容亟待解決的關(guān)鍵問題是如何建立針對新工科專業(yè)的大學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)課程體系，需要引入與之相關(guān)的新概念、新現(xiàn)象和新方法的知識內(nèi)容，例如與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新科技相關(guān)的基本物理概念和內(nèi)涵。大學(xué)物理課程體系還需要融入側(cè)重近代物理和高新技術(shù)物理進(jìn)展的相關(guān)知識。2018年“地平線報告”指出高等教育中技術(shù)的重大發(fā)展將主要體現(xiàn)為：分析技術(shù)、創(chuàng)客空間、自適應(yīng)學(xué)習(xí)技術(shù)、人工智能、混合現(xiàn)實、機(jī)器人等。而新興領(lǐng)域與技術(shù)都強(qiáng)烈地依賴近代物理和高新技術(shù)，通過探索和建立新的課程體系，進(jìn)一步確定與新工科各專業(yè)相匹配的大學(xué)物理學(xué)基礎(chǔ)課程體系的具體內(nèi)容，探索理科在技術(shù)前沿的應(yīng)用，推動理科向工科延伸應(yīng)用，促進(jìn)理、工、醫(yī)等多學(xué)科相互交叉、融合與發(fā)展。

二、大學(xué)物理學(xué)課程建設(shè)思路和舉措

（一）強(qiáng)調(diào)“新工科”學(xué)科體系建設(shè)下物理學(xué)的內(nèi)涵，重視物理學(xué)的理念、思路和作用

“新工科”學(xué)科形成體現(xiàn)了新科技的發(fā)展與其學(xué)科建設(shè)的需求，面對不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)與新科學(xué)，宏觀上我們需要建立系統(tǒng)的學(xué)科體系和完善的人才培養(yǎng)理念與模式，強(qiáng)化交叉學(xué)科、多學(xué)科科學(xué)素質(zhì)和科學(xué)基礎(chǔ)的培養(yǎng)?；A(chǔ)學(xué)科最重要的學(xué)科——物理學(xué)，是現(xiàn)代工程科學(xué)與技術(shù)的重要支撐，學(xué)生通過廣泛和深入的課程學(xué)習(xí)，掌握其中所蘊(yùn)含的科學(xué)原理、邏輯體系和知識內(nèi)涵，從而具備融會貫通的自主學(xué)習(xí)能力、科學(xué)創(chuàng)新的思維邏輯和解決實際問題的能力。

當(dāng)前，物理與工程科學(xué)技術(shù)的交融越來越密切。物理的最新科研成果直接促進(jìn)了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計、新型智能制造、網(wǎng)絡(luò)科技、人工智能等高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展。物理學(xué)的相關(guān)概念、方法和手段在其中發(fā)揮了重要作用。例如，熱門的“物聯(lián)網(wǎng)工程”專業(yè)，主要涉及物品的特征識別、傳感傳入物聯(lián)網(wǎng)、物品的互通對話、人與物、物與物之間的信息溝通和對話，呈現(xiàn)出分布式和智能化等特征，需要通過射頻識別、全球定位、視頻、音頻、激光掃描等各種傳感器技術(shù)來實現(xiàn)，這些內(nèi)容深刻涉及物理學(xué)中典型概念和內(nèi)涵的運(yùn)用，如機(jī)械振動、機(jī)械波、電磁波、激光和量子物理等基本知識。此外，在智能制造、大數(shù)據(jù)處理、人工智能等專業(yè)方向同樣深刻涉及物理學(xué)中的經(jīng)典和量子特性等方面，與物理學(xué)密切相關(guān)。未來科學(xué)和技術(shù)的進(jìn)步，將更極大地依賴物理學(xué)以及與之相關(guān)的交叉學(xué)科的發(fā)展。

（二）增加物理學(xué)史知識介紹，加強(qiáng)科學(xué)思想教育

物理學(xué)史蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思維和科學(xué)精神，增加物理學(xué)史教學(xué)有助于學(xué)生科學(xué)人生觀的樹立，激發(fā)其學(xué)習(xí)主動性和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)[1]。通過了解和學(xué)習(xí)物理學(xué)史，學(xué)生可以加深對物理學(xué)的理解，更重要的是從中得到教益和啟迪。如通過光學(xué)歷史的發(fā)展介紹，把握人們對光的本性認(rèn)識的這根紅線，有助于人們對光學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)有清晰的認(rèn)識，同時對突破與創(chuàng)新會有更深刻的了解：什么樣的背景下，當(dāng)時的理論出現(xiàn)了什么樣的矛盾，遇到了什么樣的困難，這位科學(xué)家為什么能夠提出這樣的新的想法和理論……帶著這些問題去了解物理學(xué)史，把物理基礎(chǔ)知識教學(xué)與物理學(xué)發(fā)展簡史有機(jī)結(jié)合，帶動學(xué)生透過理論看到科學(xué)家的思想發(fā)展基礎(chǔ)和歷程，借鑒物理大師對物理現(xiàn)象和知識獨(dú)特的思維方法，有利于樹立學(xué)生正確的科學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性意識，為促進(jìn)物理學(xué)以及與之相關(guān)的交叉學(xué)科的發(fā)展提供土壤。

（三）傳播和普及近代物理學(xué)和高新技術(shù)新進(jìn)展

新工科所仰賴的各種新興突破性技術(shù)，如“量子計算、新能源、材料科學(xué)、納米技術(shù)……”和未來技術(shù)中的“光子與量子芯片技術(shù)、光物質(zhì)科學(xué)與能源技術(shù)、仿生智能材料科學(xué)與技術(shù)……”都強(qiáng)烈地依賴近代物理和高新技術(shù)物理的新的進(jìn)展。在大學(xué)物理課程體系中，將近代物理和高新技術(shù)物理的進(jìn)展融合包納進(jìn)來，有效地傳遞給各個工科學(xué)科及在校學(xué)生。與工科特別是理科衍生的新工科合作探討如何開展近代物理和高新技術(shù)物理與相關(guān)專業(yè)有機(jī)結(jié)合教學(xué)，形成理工之間的合作與結(jié)合，推動物理與材料、能源、通訊、人工智能、環(huán)境、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域交叉融合，培育新興工科領(lǐng)域及其相關(guān)專業(yè)。

（四）因?qū)I(yè)制宜，分層次開展大學(xué)物理課程教學(xué)

為了緊密結(jié)合新工科各專業(yè)需求，我們走訪了不同的工科學(xué)院，聽取了專業(yè)教師對大學(xué)物理基礎(chǔ)課程的意見和建議，在基礎(chǔ)學(xué)科與工科專業(yè)之間架構(gòu)起了有效溝通的橋梁。根據(jù)各專業(yè)對物理學(xué)中力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和近代物理各部分知識的依賴程度，大學(xué)物理課程教學(xué)可以按照專業(yè)特征進(jìn)行大類劃分，如信息類、材料類、醫(yī)學(xué)類等，分層次開展教學(xué)[4]。

1.對于物聯(lián)網(wǎng)、新能源、網(wǎng)絡(luò)通信等專業(yè)方向，著重加強(qiáng)電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理和核物理等特性方面的內(nèi)容和要求，并同時引入量子力學(xué)、固體物理等知識，為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)起到知識銜接的作用。

2.對于大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、虛擬現(xiàn)實、新材料等專業(yè)方向，強(qiáng)調(diào)力學(xué)部分內(nèi)容，加強(qiáng)熱力學(xué)統(tǒng)計物理和光學(xué)部分。

3.對于醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)藥等對物理知識要求不高的其他專業(yè)，加強(qiáng)相關(guān)生物物理和生物信息學(xué)相關(guān)統(tǒng)計和動力學(xué)方面的選講內(nèi)容。

任課教師可在上述課程體系分類的基礎(chǔ)上，針對不同專業(yè)的特色和各專業(yè)的需求，因需施教。如機(jī)械自動化專業(yè)，可選擇在電磁感應(yīng)這一章與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，融入電感型傳感器、磁電型傳感器、渦流型傳感器等，加深學(xué)生對光、電、熱、力以及機(jī)械物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系的理解。另外，大學(xué)物理課程舉例講授要結(jié)合本專業(yè)特點(diǎn)融入闡述，如對機(jī)電專業(yè)的學(xué)生，可以結(jié)合電容式加速度傳感器講解電容器。

（五）調(diào)整和創(chuàng)新大學(xué)物理課程教學(xué)方式、考核方式

根據(jù)新工科學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)，除了需要調(diào)整大學(xué)物理的課程體系和教學(xué)內(nèi)容外，教學(xué)方式也要力求適應(yīng)新工科專業(yè)的需求，采用多種教學(xué)方式，如啟發(fā)性教學(xué)、激勵性教學(xué)、實踐性教學(xué)等。特別地，對于“新工科”各專業(yè)，加強(qiáng)與之相對應(yīng)的實驗、實習(xí)、課程設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的精神和創(chuàng)新能力，使學(xué)生更好地掌握物理的研究思想和方法，為后續(xù)的“新工科”專業(yè)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)?？己朔绞匠瞬扇鹘y(tǒng)的考試模式外，可以增加開放性課題考核，將物理知識與專業(yè)應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新型思想，增強(qiáng)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和實踐應(yīng)用能力。而對那些大學(xué)物理課程內(nèi)容調(diào)整幅度較大的新型學(xué)科專業(yè)，采取獨(dú)立出卷和考核的方式，給予教師充分的自由度和靈活性，更好地充分考核學(xué)生對科學(xué)原理、邏輯體系和知識內(nèi)涵的掌握和解決實際問題的能力。一年一度開展大學(xué)物理知識與實踐競賽，側(cè)重考核學(xué)生靈活應(yīng)用科學(xué)原理、解決工程問題的思維方式和動手實踐能力。

（六）結(jié)合先進(jìn)教育技術(shù)手段，提高課堂的效率與參與度

隨著網(wǎng)絡(luò)時代的來臨，信息與知識的主要承載形式慢慢由紙質(zhì)媒體轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)。未來的一切教與學(xué)活動都將圍繞互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行，信息在互聯(lián)網(wǎng)上流動，知識在互聯(lián)網(wǎng)上成型。一些企業(yè)已紛紛開發(fā)出各種在線學(xué)習(xí)平臺并陸續(xù)開發(fā)了手機(jī)移動端功能，一批手機(jī)課堂教學(xué)應(yīng)用平臺也脫穎而出，手機(jī)投屏成為最受教師歡迎的功能之一[5]。受限于大學(xué)物理課程有限的課時，我們可以有效結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)，采用先進(jìn)的教育技術(shù)手段，手機(jī)課堂教學(xué)平臺走進(jìn)教室，將線下教學(xué)與線上活動有機(jī)結(jié)合。翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)講課時穿插提問、播放視頻動畫、分組討論、案例分析、活動和練習(xí)等多種手段，讓學(xué)生始終保持高度的注意力。鼓勵學(xué)生在課堂上就某些具體問題通過網(wǎng)絡(luò)查找補(bǔ)充材料。利用微信公眾平臺或者手機(jī)課堂教學(xué)應(yīng)用平臺布置作業(yè)、點(diǎn)名，有效利用課堂時間，減輕一線基礎(chǔ)課教師的負(fù)擔(dān)，更能突破教材大綱、連通課堂網(wǎng)絡(luò)、消弭學(xué)科邊界、培養(yǎng)創(chuàng)新人才，為新工科發(fā)展提供堅實基礎(chǔ)和人才保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]“新工科”建設(shè)復(fù)旦共識[J].高等工程教育研究，2017（1）.

[2]林健.面向未來的中國新工科建設(shè)[J].清華大學(xué)教育研究，2017（2）.

[3]鐘登華.新工科建設(shè)的內(nèi)涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（3）.

[4]李海英，唐笑年，何越，等.新工科背景下“大學(xué)物理”課程建設(shè)的思考[J].物理與工程，2018（S1）.

[5]張玉強(qiáng).新工科視域下大學(xué)物理課程教學(xué)改革思考[J].高師理科學(xué)刊，2019（2）.

◎編輯 馬燕萍