“新工科”背景下大學物理教學現(xiàn)狀及改革措施

姜貴文,郭俊萍,劉保華,柳仕飛,吳奇成,何星,毛杰鍵

(1．上饒師范學院 物理與電子信息學院,江西 上饒334001；2．上饒中學,江西 上饒334099)

面對新工業(yè)革命的新機遇,聚焦國家發(fā)展新需求,謀劃工程教育新發(fā)展,2017年2月18日教育部在復旦大學召開了高等工程教育研討會,對新時期工程人才的培養(yǎng)進行了討論,提出了“新工科”建設[1]。接著2月20日發(fā)布《關于開展“新工科”研究與實踐的通知》[2],指出地方高校應對接地方經(jīng)濟社會發(fā)展需要和企業(yè)技術創(chuàng)新要求,培養(yǎng)出創(chuàng)新性和應用型人才,推動傳統(tǒng)工科專業(yè)改造升級?！靶鹿た啤钡奶岢?反映出現(xiàn)有的高等工程教育培養(yǎng)的人才不能滿足新時期經(jīng)濟發(fā)展的需求,需要尋求高等工程教育的創(chuàng)新與變革[3]。高等工程教育的創(chuàng)新與變革離不開課堂教學的創(chuàng)新與改革。大學物理作為“新工科”專業(yè)必修的一門通識性基礎課,主要培養(yǎng)工科學生的科學思維方式和研究問題的方法,使學生具備一定的科學素養(yǎng)、創(chuàng)新能力,為今后專業(yè)領域廣度和深度的發(fā)展打下基礎[4]；同時,大學物理又可為后續(xù)相關專業(yè)課程的學習提供一定的理論基礎。然而,地方高校大學物理的教學現(xiàn)狀與“新工科”的要求不相吻合,大學物理沒有發(fā)揮在“新工科”中應有的地位和作用,對“新工科”背景下大學物理的教學內容和教學手段進行改革迫在眉睫。本文分析了應用型本科院校大學物理教學現(xiàn)狀,指出“新工科”背景下大學物理的教學任務,對“新工科”專業(yè)大學物理教學改革提出了幾點思考。

1 大學物理教學現(xiàn)狀

1．1 內容多、課時少

大學物理內容繁多,分上下兩冊,知識面分布廣,包含力學、機械振動與機械波、電磁學、熱學、光學及近代物理六大部分。教育部高等學校大學物理教學指導委員頒布的《理工科大學物理課程教學基本要求》規(guī)定,建議大學物理的最低教學課時不低于126課時。近年來,地方高校工科專業(yè)培養(yǎng)方案改革,加大了學生的專業(yè)實踐課時,大學物理理論課時嚴重削減,很多學校大學物理只開設一個學期,周學時為2—4節(jié)。

1．2 “理論無用”、興趣缺乏

大學物理是高中物理的拓展和延伸,它們在內容和知識點方面具有很大的相似性。作為一門理論基礎課,大學物理有很多嚴密的理論公式推導,推導過程繁雜,要求較扎實的高等數(shù)學知識,工科學生對這些基礎理論的學習感到枯燥無味,提不起學習興趣,認為學這些理論無用。另外,由于課時少,一般只講授力學、熱學和電磁學部分,這部分內容學生較為熟悉,無新鮮感,也難以激發(fā)他們的學習興趣。在實際授課過程中,老師未考慮不同專業(yè)對大學物理知識的實際需求不同這一特點,使得講授內容與專業(yè)知識嚴重脫節(jié),學生認為學習大學物理對他們的專業(yè)學習沒有幫助,缺乏學習興趣。

1．3 教學模式、考核方式單一

目前,許多教師仍然采用高中物理的授課模式,一支粉筆＋PPT 講授,以講解知識點、公式推導和解題技巧為主。課堂上教師個人單聲道表演,課后對學生的要求還是搞“題海戰(zhàn)術”。對學生的考核一般由平時成績和考試成績兩部分構成,平時成績由考勤和平時作業(yè)組成。無論平時作業(yè)還是期中、期末考試,學生始終離不開解題、知識點的背誦記憶,這種評價方式難以激發(fā)學生的學習興趣和求知欲,對學生的綜合素質和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)沒有提高。

2 “新工科”背景下大學物理的教學任務

筆者認為在“新工科”建設中大學物理具有兩大主要任務：(1)對學生進行通識教育,利用物理學發(fā)展過程中的一系列方法論、科學世界觀,培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和批判性思維,利用物理科學家銳意進取、鍥而不舍的創(chuàng)新精神和獻身科學、不計名利的高尚情操感染學生,培養(yǎng)學生的社會責任感、創(chuàng)新精神和求知欲；(2)物理學中的基本原理和實驗方法是學習其他學科和工程技術的基礎,打破大學物理與其他學科之間的界限,實現(xiàn)與各新工科專業(yè)課程的交叉融合,是大學物理教育工作者面臨的一個重要課題。

3 “新工科”背景下大學物理的教學改革措施

3．1 以“新工科”專業(yè)為導向,構建大學物理課程新體系

大學物理內容體系分為力學、機械振動與機械波、電磁學、熱學、光學及近代物理六大部分,為應對課時少的困難,傳統(tǒng)的教學內容改革都是對每個模塊的內容進行刪減,講授的內容也是點到為止,與專業(yè)知識實際需求嚴重脫節(jié)。“新工科”背景下,以專業(yè)為導向,按照壓縮經(jīng)典、加強現(xiàn)代、拓寬工程應用的原則,對大學物理教學內容進行整合,構建大學物理課程新體系。重構大學物理課程新體系不搞過去的“壓縮式”,而是采用“增刪式”,與專業(yè)相關的模塊,對其內容進行拓展,使得講授內容與專業(yè)基礎課或專業(yè)課接軌。每個專業(yè)修讀1—3個與專業(yè)相關的模塊,被選中的模塊又按照物理基礎理論和物理理論在工程中的應用分為A、B兩個層次。A 層次與高中物理有較多重復的物理基礎理論可進行壓縮,拓寬與專業(yè)相關的內容。以電子信息專業(yè)為例,在學習機械振動及機械波這一模塊時,可引入振蕩電路和電磁波。簡諧振動與簡諧波的運動特征及方程求解可簡單介紹,重點講授與專業(yè)相關的諧振電路、電磁振蕩及電磁波,通過與機械振動和機械波形象類比,可加深學生理解這些電路的物理本質。B層次內容要求把相關的物理基礎理論嵌入到工程應用中,實行理論與工程應用交叉融合,這對大學物理教師提出了較高的要求,大學物理教師不僅要懂物理理論,還要懂專業(yè)知識。以力學模塊為例,可以把質點和剛體的受力平衡知識引申到工程力學中的構件(桿)靜力平衡和工程中實際物體(如橋梁,需考慮形變,不能利用質點和剛體模型)的受力分析,把工程中的實際物體看成有限個“質元”(物理中的質點系模型),引入工程力學“有限元”分析思想,并介紹有限元分析軟件ANSYS在工程結構中的應用,當然這些引申內容只能點到為止,重在講述物理基本理論在工程中的應用,不能取代相關專業(yè)課,否則就越俎代庖了。

對于未被選中的模塊(與專業(yè)相關度不大),以專題講座的形式對學生進行通識教育,通過大量的圖片和資料實現(xiàn)情景教學,再現(xiàn)近100年物理學的發(fā)展情景,激發(fā)學生的學習興趣和求知欲望,讓物理大師求真求實的刻苦鉆研、勇于創(chuàng)新的精神感染學生,激勵學生的愛國熱情和質疑、創(chuàng)新精神。

3．2 “新工科”背景下,探索大學物理教學新模式

“新工科”建設重在培養(yǎng)綜合性的創(chuàng)新人才,這就要求課堂教學要以學生為中心,發(fā)揮學生的主觀能動性。探究式教學被認為是一種能夠調動學生的積極性、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實現(xiàn)多學科交叉融合的教學方式[5]。傳統(tǒng)的探究性教學以物理問題或實驗現(xiàn)象導入教學內容,這種導入方式難以激發(fā)學生的興趣。為了破解這種教與學的僵局,應從以下三方面繼續(xù)改進大學物理探究式教學模式：(1)基于真實物理情景導入研究問題?！盎ヂ?lián)網(wǎng)＋”可使受時間和空間限制的課堂活動延伸到課堂外,借助視頻、動畫和圖片創(chuàng)設物理情景,寓物理問題于真實情境之中,激發(fā)學生的學習興趣和求知欲。比如學習“剛體轉動”這一章,老師可先布置學生觀看電影《冰雪公主》和一些與剛體轉動相關的物理問題,學生課余時間帶著問題觀看電影。(2)課堂上以研究問題為主線,采用交流－辯論－歸納的伙伴式學習方式。教師首先對影片中涉及的物理知識片段進行回放,結合研究問題,引導學生交流、辯論,最后在老師的指導下由學生歸納出結論。例如《冰雪公主》中的主人公肢體收縮與伸展對轉動慣量有什么影響,為什么肢體伸展時轉速下降,收縮時轉速上升。主人公身上發(fā)生的現(xiàn)象是否具有普遍性? 通過學生你一言我一語的討論,掌握轉動慣量、角動量等物理量概念,理解角動量守恒定律并能解釋生活中的現(xiàn)象。(3)采用現(xiàn)代化教學手段。傳統(tǒng)的教學方式老師只能在課堂上對學生進行管理,學生課余時間的學習全憑自覺。使用教學軟件“學習通”APP,教師可以隨時隨地布置在線作業(yè)、發(fā)布通知,學生也可以隨時隨地在線學習,并且老師可以對學生課余在線學習情況進行掌控。比如,老師布置了在線作業(yè)(觀看電影《冰雪公主》),通過設置問題,老師可以掌握每位同學觀看和回答問題的情況,了解學生的預習效果?！皩W習通”APP還可以實現(xiàn)課堂教學簽到、搶答問題、上傳作業(yè),可對每位同學進行精準管理。

3．3 “新工科”背景下,建立多元化的評價方式

傳統(tǒng)的評價方式過于單一,主要以考試分數(shù)和平時分數(shù)為主,這種考核方式難以激發(fā)學生的創(chuàng)新能力,只能提高學生的解題能力,使學生迷戀于分數(shù)。對于“新工科”專業(yè)人才,更為重要的是應用理論知識解決工程實踐問題的能力,這就要求平時加大實踐方面的考核。平時成績可由原來的20%上升到50%,平時成績除了傳統(tǒng)的常規(guī)性考核外(如平時作業(yè)、出勤情況和課堂表現(xiàn)),還可布置一些開放性的題目和撰寫一兩篇與物理相關的工程應用方面的論文(占30%),來加強學習態(tài)度、學習過程和應用知識能力方面的考核。期末試卷除了考核學生必須掌握的知識點外,還要加大學生應用物理知識解決實際問題能力的考核,把知識和能力兩者結合起來考核。

圖1 基于學習通AAP師生討論情況學生得分統(tǒng)計圖

3．4 教學改革成效分析

實施教學改革后,74．4%同學認為大學物理結合專業(yè)分模塊、分層次教學能激發(fā)學生的求知欲；大部分同學認為探究式教學采用視頻、圖片等方式創(chuàng)設真實物理情景能將枯燥難懂的物理知識講得生動、易懂。通過“學習通”APP 在線討論互動,可以推動學生的學習由被動變主動,引導學生自主學習,提高學習效果。例如,老師在“學習通”APP 討論區(qū)發(fā)布了“對比機械振動與振蕩電路”這一問題,引起了學生的激烈討論。從學生討論、互動的過程來看,大部分學生開始并不能準確地回答問題,甚至少部分同學隨意回答問題來應付老師,而老師要善于抓住學生的“只言片語”,抓住問題不放,循循引導。圖1為學生的得分統(tǒng)計圖(6個問題,每個5分)。從圖中可以看出,分數(shù)基本符合正態(tài)分布,22．5%同學得分較低0－6分,其原因是參加討論次數(shù)少,回答問題隨意；得分19分以上的同學為8人,占總人數(shù)的20%。學生整體得分較低的原因是根據(jù)學生首次回答問題給分,有相當部分學生經(jīng)老師引導、自主學習后多次回復問題而未獲得加分,針對這種情況,以后對學生每一次回復都進行加分,以便鼓勵他們查閱資料、自主學習,逐步培養(yǎng)他們自主學習的習慣。

老師與學生多次互動討論,還可增進師生之間的感情,打破傳統(tǒng)教學的“師生感情淡漠”這種局面。從討論互動過程來看,學生開始比較被動,甚至“冷漠”,經(jīng)過與教師的一番互動,最終接納了老師的問題并踴躍發(fā)言。當討論問題完美解決時,部分學生給老師點贊、送紅花,還發(fā)表一些感謝的言語,這種肯定對于老師也是一種莫大的鼓勵。

使用“學習通”APP與學生討論互動過程中需注意以下幾點：(1)發(fā)布的問題要比較寬泛并且富有一定的啟發(fā)性,讓師生有話可說；(2)教師要及時關注學生的發(fā)言,并及時回復加以引導,通過點贊、送小紅花給予學生鼓勵；(3)晚上十點之后,學生討論較為活躍,教師可在這一時間段加強與學生的互動。

4 結語

“新工科”建設的宗旨是培養(yǎng)新時代綜合性的創(chuàng)新工程人才,高等工程教育應順應“新工科”建設做出變革。高等工程教育變革離不開各學科教學改革,探索“新工科”背景下大學物理新的教學方法是一項系統(tǒng)性工程,需要大學物理教師勇于創(chuàng)新和大膽實踐?！靶鹿た啤北尘跋麓髮W物理教學的成功改革必然會推動其他專業(yè)課的教學改革,甚至“新工科”的發(fā)展。