工程教育認(rèn)證背景下“近代物理學(xué)”課程教學(xué)改革探討

何東旭，許 琪，舒朝著

（成都理工大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059）

引言

2016年，我國(guó)正式加入國(guó)際上最具影響力的工程教育學(xué)位互認(rèn)協(xié)議之一《華盛頓協(xié)議》，通過認(rèn)證協(xié)會(huì)認(rèn)證的工科專業(yè)，畢業(yè)生學(xué)位可以得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認(rèn)可。2020年，中國(guó)工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會(huì)審議的專業(yè)認(rèn)證已超過300個(gè)。可見當(dāng)前社會(huì)及高校對(duì)工程教育認(rèn)證的認(rèn)可，更是對(duì)提高工程教育質(zhì)量、服務(wù)工程教育改革和發(fā)展、適應(yīng)社會(huì)和行業(yè)需求、提升中國(guó)工程教育國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的積極響應(yīng)。以認(rèn)證促進(jìn)學(xué)科發(fā)展，為學(xué)科教育適應(yīng)行業(yè)和社會(huì)需求提供鞭策，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分高校積極推進(jìn)的工作之一。在工程教育專業(yè)認(rèn)證目標(biāo)下，材料科學(xué)與工程相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程設(shè)置有了更鮮明的特征和更豐富的內(nèi)涵。對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)的設(shè)定更加注重符合學(xué)校定位和適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。對(duì)畢業(yè)要求的設(shè)定更注重其對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)達(dá)成的支撐情況，注重全面提升學(xué)生的知識(shí)、技能和素養(yǎng)，以及在此基礎(chǔ)上延伸至學(xué)生畢業(yè)后5年的職業(yè)發(fā)展的總體要求。從生源到畢業(yè)生發(fā)展，對(duì)本科教育的評(píng)價(jià)系統(tǒng)不斷豐富和完善。對(duì)具體課程而言，要求從課程的開設(shè)到培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定、畢業(yè)要求設(shè)定、教學(xué)等多個(gè)方面具有更加合理的規(guī)劃。建立教學(xué)過程的質(zhì)量監(jiān)督機(jī)制，明確各教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求，完善課程體系設(shè)置和課程質(zhì)量評(píng)價(jià)機(jī)制，通過定期評(píng)價(jià)反饋達(dá)到持續(xù)改進(jìn)。

筆者有幸參與了成都理工大學(xué)材料科學(xué)與工程本科的工程教育認(rèn)證相關(guān)工作，我校材料科學(xué)與工程本科專業(yè)已于2019年通過中國(guó)工程教育認(rèn)證，達(dá)到中國(guó)工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求?；谠诒緦I(yè)的新能源材料與器件方向的近代物理學(xué)的教學(xué)經(jīng)歷與工程教育認(rèn)證相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，本文將探討新形勢(shì)下“近代物理學(xué)”課程面臨的問題和改革方向。

一、“近代物理學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀

近代物理主要是指19世紀(jì)末以來形成的相對(duì)論和物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)象與理論，涵蓋量子力學(xué)、固體物理、原子物理等常見課程中的相關(guān)內(nèi)容。毫無疑問，它們一直處于科學(xué)研究的最前沿，課程的理論性強(qiáng)，學(xué)生學(xué)習(xí)難度和教師授課難度較高。這主要是由于近代物理完全獨(dú)立于經(jīng)典物理理論體系，學(xué)生突然進(jìn)入一個(gè)完全不同的甚至有悖于已有經(jīng)典物理認(rèn)知的理論體系時(shí)難以接受，這種沖突使其在學(xué)習(xí)過程中始終會(huì)面臨困擾或者習(xí)慣基于以經(jīng)典物理的視角去理解相應(yīng)的內(nèi)容。例如，很多學(xué)生對(duì)原子的軌道的概念意識(shí)中更傾向于認(rèn)為是真實(shí)存在的、確定的電子圓周運(yùn)動(dòng)的軌道。而且近代物理涵蓋的范圍之廣、內(nèi)容之深，使制定培養(yǎng)方案時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的規(guī)劃上也需要有更多的篩選。當(dāng)前各高校使用的教材各有差異，部分高校開設(shè)有“近代物理學(xué)”課程，也有部分高校分別開設(shè)有量子力學(xué)、原子物理等將近代物理進(jìn)行分解強(qiáng)化，而相當(dāng)部分高校的材料科學(xué)與工程專業(yè)的物理化學(xué)方向以褚圣麟或楊福家版原子物理學(xué)教材為主。

成都理工大學(xué)在材料科學(xué)與工程專業(yè)下的新能源材料與器件方向開設(shè)了“近代物理學(xué)”課程。該課程開設(shè)于第五學(xué)期，先修課程為“大學(xué)物理”?！敖锢韺W(xué)”課程的培養(yǎng)目標(biāo)為：培養(yǎng)能在相關(guān)領(lǐng)域從事新能源材料與器件的資源利用、技術(shù)開發(fā)、科學(xué)研究、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備系統(tǒng)組裝及工程管理等工作的工程技術(shù)人才，主要目標(biāo)為培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)的工程技術(shù)人才。因此，該課程由于較強(qiáng)的理論性，與培養(yǎng)目標(biāo)的契合度低于其他專業(yè)課程，在工程教育認(rèn)證背景和培養(yǎng)新工科人才的人才培養(yǎng)思路下，在培養(yǎng)方案的修訂過程中該課程的學(xué)時(shí)被不斷壓縮，目前僅有48學(xué)時(shí)，這對(duì)于體量大、難度高的該課程而言教學(xué)難度進(jìn)一步增加。而且，該課程作為專業(yè)選修課開設(shè)時(shí)間較晚。一方面，經(jīng)過幾年的大學(xué)學(xué)習(xí)，高年級(jí)學(xué)生已經(jīng)對(duì)未來有了初步規(guī)劃，除有深造需求、學(xué)習(xí)態(tài)度端正的學(xué)生學(xué)習(xí)較為努力以外，部分學(xué)生趨向“六十分萬歲”的半學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)動(dòng)力明顯不足。

以我校2019級(jí)新能源材料與器件專業(yè)教學(xué)為例，期末考試題型主要分為單項(xiàng)選擇題、填空題、簡(jiǎn)答題和計(jì)算題，基礎(chǔ)題占60%、綜合題占25%、提高題占15%，整體難度適中。但從成績(jī)分布來看，不及格率為29.7%，80分以上學(xué)生占26.57%，不及格學(xué)生中50分以下（滿分100分）占比高達(dá)63.2%。而所有題型中填空題得分率最低，僅為45.6%。其次為簡(jiǎn)答題，得分率為58.85%。這些結(jié)果表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)課程內(nèi)容時(shí)對(duì)知識(shí)的理解有限，對(duì)相關(guān)概念和近代物理相關(guān)基本概念的理解有較大困難，以至于難以基于自己的認(rèn)知主觀描述或理解相關(guān)內(nèi)容。這其實(shí)也與教學(xué)過程中的學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)相印證。面對(duì)第二章開始的理論性較強(qiáng)的量子力學(xué)部分內(nèi)容（徐克尊版《近代物理學(xué)》），表現(xiàn)出明顯的畏難情緒，開始不斷有學(xué)生掉隊(duì)。而從半經(jīng)典的玻爾理論到電子的自旋和原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容，學(xué)生的思維從經(jīng)典物理到量子物理的切換也較為困難；再到多電子原子、有外磁場(chǎng)的情況、分子結(jié)構(gòu)和光譜等內(nèi)容時(shí)，則不斷會(huì)有學(xué)生放棄。因此，教師如何在這種不利背景下，通過教學(xué)改革發(fā)揮“近代物理學(xué)”課程應(yīng)有的作用，是當(dāng)前需要思考的重要問題。

二、課程改革

1.首先明確課程定位?！敖锢韺W(xué)”課程在不同高校中的開設(shè)情況存在差異，其本質(zhì)上是不同培養(yǎng)目標(biāo)對(duì)該課程內(nèi)容定位的區(qū)別。培養(yǎng)目標(biāo)的制定是因校制宜、因材施教的結(jié)果。例如，材料科學(xué)與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系下設(shè)的材料物理專業(yè)，于第三學(xué)期開設(shè)了“近代物理學(xué)”課程，計(jì)4學(xué)分，課程定位為培養(yǎng)在相關(guān)領(lǐng)域中從事科研、教學(xué)、科技開發(fā)、工程技術(shù)及相關(guān)管理工作的高級(jí)專門人才。相對(duì)來說，其培養(yǎng)目標(biāo)更注重培養(yǎng)學(xué)生更寬的視野和知識(shí)面，能適應(yīng)更多樣的社會(huì)需求。所以該課程開設(shè)時(shí)間較早，且學(xué)分較高，旨在讓學(xué)生能在專業(yè)課開始之前就從量子物理、原子物理、分子物理的角度對(duì)材料科學(xué)有宏觀把握，從而在后續(xù)的專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)過程中對(duì)相關(guān)原理的理解更有深度。清華大學(xué)和西安交通大學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮引領(lǐng)作用的人才；南京大學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)的重點(diǎn)在于培養(yǎng)相關(guān)方面的高素質(zhì)科學(xué)家和工程師，這三所定位相近的高校都單獨(dú)開設(shè)有量子力學(xué)相關(guān)課程。武漢理工大學(xué)和昆明理工大學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)定位更注重就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，主要開設(shè)固體物理和半導(dǎo)體物理課程。河海大學(xué)、東北大學(xué)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)復(fù)合型高級(jí)人才。貴州大學(xué)定位為高素質(zhì)專門人才。西安科技大學(xué)定位為應(yīng)用型高級(jí)技術(shù)人才，其培養(yǎng)方案無相關(guān)內(nèi)容。石河子大學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)為學(xué)生能在相關(guān)領(lǐng)域從事技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造、科學(xué)研究等方面工作，因此，培養(yǎng)方案也幾乎未納入近代物理學(xué)相關(guān)的課程。顯然，對(duì)普通高校的材料科學(xué)與工程專業(yè)而言，近代物理學(xué)的內(nèi)容正在被分化。

而當(dāng)前工程教育認(rèn)證背景下，課程定位與培養(yǎng)目標(biāo)和課程體系的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性得到進(jìn)一步明晰。工程教育認(rèn)證要求制定符合學(xué)校定位且適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要的培養(yǎng)目標(biāo)。所以，如上述對(duì)培養(yǎng)目標(biāo)定位為“學(xué)生能在相關(guān)領(lǐng)域從事技術(shù)開發(fā)，技術(shù)改造、科學(xué)研究等方面工作”而言，“近代物理學(xué)”課程與培養(yǎng)目標(biāo)契合度較低，綜合學(xué)校定位可以不開設(shè)。對(duì)定位為世界高水平大學(xué)的高校而言，培養(yǎng)目標(biāo)傾向于“科學(xué)家”方向的定位，雖然近代物理相關(guān)內(nèi)容在本科課程中的實(shí)際應(yīng)用偏少，但對(duì)學(xué)生進(jìn)一步深造及今后的科學(xué)研究具有非常重要的作用，所以會(huì)作為基礎(chǔ)課程提早開設(shè)。而對(duì)定位于培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才、高級(jí)技術(shù)人才的普通高校，會(huì)更強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)的傳授，其他課程對(duì)近代物理學(xué)相關(guān)的內(nèi)容依賴性并不強(qiáng)，可以在學(xué)校定位下根據(jù)需求部分開設(shè)。

2.根據(jù)課程定位修訂課程大綱。工程教育認(rèn)證對(duì)課程的持續(xù)改進(jìn)有明確要求，要求建立教學(xué)過程監(jiān)測(cè)機(jī)制，定期開展課程體系設(shè)置和課程質(zhì)量評(píng)價(jià)。建立畢業(yè)要求達(dá)成情況評(píng)價(jià)機(jī)制，定期開展畢業(yè)要求達(dá)成情況評(píng)價(jià)?；诠こ探逃J(rèn)證背景下課程定位與培養(yǎng)目標(biāo)和課程體系的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和邏輯，對(duì)教學(xué)大綱進(jìn)行適應(yīng)性修訂才能最大限度地發(fā)揮課程的作用。以筆者在成都理工大學(xué)相關(guān)課程中的教學(xué)感受為例，隨著工程教育認(rèn)證下培養(yǎng)目標(biāo)的明晰，該課程的課時(shí)不斷被壓縮到48學(xué)時(shí)，教學(xué)任務(wù)幾乎不可完成。因此，筆者認(rèn)為，在此情況下“近代物理學(xué)”課程教學(xué)大綱的修訂可以定位為專業(yè)限選課，將課程開設(shè)在第六學(xué)期，以讓學(xué)生了解量子力學(xué)、原子物理、分子物理等內(nèi)容為目標(biāo)，減小理論深度，注重通過教學(xué)讓學(xué)生建立近代物理學(xué)相關(guān)的理論知識(shí)框架體系，從而在未來的工作或研究中遇到相關(guān)問題時(shí)能知其然，能通過查找資料自學(xué)而達(dá)到知其所以然。此外，可以考慮刪除半經(jīng)典的玻爾理論模型，這部分內(nèi)容雖然具有非常重要的歷史地位，但從科學(xué)性來說并不能很好地融入量子理論，反而有可能會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生疑惑［1］。在普通高校課時(shí)有限的教學(xué)中，可以刪減相對(duì)論、核衰變和核反應(yīng)、粒子物理等部分的內(nèi)容，使課程教學(xué)過程的設(shè)計(jì)、執(zhí)行與評(píng)價(jià)更契合工程教育認(rèn)證的理念和專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。

3.對(duì)“近代物理學(xué)”課程教學(xué)進(jìn)行改革。首先，需要改進(jìn)該課程以往全板書推導(dǎo)計(jì)算的教學(xué)模式?？山Y(jié)合相關(guān)的科技成果、發(fā)展趨勢(shì)，通過多媒體輔助，逆向?qū)С鰧?duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，然后展開具體教學(xué)，從而更好地豐富課程教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量，契合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)。本課程的大量?jī)?nèi)容在講授時(shí)都會(huì)對(duì)學(xué)生已有的經(jīng)典物理知識(shí)形成沖擊，若頻繁地以純理論切入然后推導(dǎo)展開的方式授課，課堂活力將大大降低，極容易導(dǎo)致學(xué)生掉隊(duì)。所以，需要在一些應(yīng)用型較強(qiáng)、和生活聯(lián)系較為緊密的課程內(nèi)容講授時(shí)嘗試通過介紹科技成果逆向?qū)С觥＝榻B當(dāng)前新的科技成果，逐步解析其背后的原理，從而導(dǎo)出整個(gè)教學(xué)內(nèi)容。通過結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用、科技成果導(dǎo)出的教學(xué)方式，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也更能契合工程教育認(rèn)證的內(nèi)涵，讓學(xué)生建立良好的原理與應(yīng)用的對(duì)應(yīng)關(guān)系。工程教育認(rèn)證背景下，尤其對(duì)于以“培養(yǎng)高級(jí)技術(shù)人才”為目標(biāo)的普通高校來說，“近代物理學(xué)”在材料科學(xué)與工程中的地位有相對(duì)弱化的趨勢(shì)。推進(jìn)教學(xué)改革，以緊密結(jié)合與課程內(nèi)容相關(guān)的前沿科學(xué)應(yīng)用的教學(xué)方式替代直接理論介紹的引入，弱化推導(dǎo)和計(jì)算，強(qiáng)化從理論到應(yīng)用的完整知識(shí)框架的搭建和關(guān)聯(lián)，從而使課程教學(xué)更加契合畢業(yè)要求對(duì)學(xué)生能夠?qū)?shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理用于識(shí)別、表達(dá)并通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論的目標(biāo)。同時(shí)，這對(duì)豐富教學(xué)手段，提升課堂多樣性，提升整體課程教學(xué)效果也大有裨益。例如，以量子力學(xué)的薛定諤方程部分的教學(xué)為例，薛定諤方程的引入是直接從波函數(shù)開始推導(dǎo)并得到薛定諤方程，然后再講授一維方勢(shì)阱、一維方勢(shì)壘和隧道效應(yīng)。而實(shí)際上，一方面隨著近年電子科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展，相當(dāng)比例的材料相關(guān)專業(yè)學(xué)生考研會(huì)分流到電子材料、新能源材料與器件等方向，很可能會(huì)在未來涉足半導(dǎo)體器件領(lǐng)域；另一方面，學(xué)生在“固體物理”“半導(dǎo)體物理”等先學(xué)課程中可能也已經(jīng)對(duì)晶體管的原理有了一定的了解。所以，完全可以從隧道二極管的應(yīng)用開始介紹，從而引出它的工作原理，然后從理論上進(jìn)行分析，設(shè)定邊界條件，具體到一維方勢(shì)阱和隧道效應(yīng)。此外，也可參考北京大學(xué)高政祥對(duì)在理論層面如何介紹量子力學(xué)部分所提出的不同處理方法［1-2］。

通過逆向?qū)С龅男问剑紫?，融合課程思政介紹當(dāng)前國(guó)家面臨的“缺芯”問題，引出芯片的基本單元晶體管，不斷發(fā)掘?qū)W生的學(xué)習(xí)興趣。很多學(xué)生對(duì)相關(guān)領(lǐng)域有所關(guān)注，而且在大一“大學(xué)物理”課程學(xué)習(xí)中有所涉獵，所以對(duì)這一問題表現(xiàn)出明顯的興趣，更多學(xué)生能堅(jiān)持聽完后續(xù)的隧道二極管—隧道效應(yīng)—基于薛定諤方程的推導(dǎo)。相比于直接從波函數(shù)出發(fā)的教學(xué)思路，學(xué)生的接受程度明顯更高。其次，從課程內(nèi)容設(shè)計(jì)方面，由于內(nèi)容理論性強(qiáng)，相對(duì)較枯燥，所以可以融合多媒體教學(xué)，通過適當(dāng)插入相關(guān)科技成果的視頻短片引起學(xué)生的興趣。幫助學(xué)生打通知識(shí)學(xué)習(xí)到應(yīng)用之間的聯(lián)系，這也更利于訓(xùn)練他們應(yīng)用數(shù)學(xué)、自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理用于識(shí)別、表達(dá)和通過文獻(xiàn)研究分析復(fù)雜工程問題的能力。從實(shí)際課堂效果來看，教學(xué)成效顯著。

結(jié)語

整體而言，“近代物理學(xué)”由于其內(nèi)容深、覆蓋面廣、理論性強(qiáng)，以及課時(shí)偏少，教學(xué)難度更大。因此在普通高校課程定位趨向培養(yǎng)工程人才與工程教育認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)下，如何根據(jù)課程定位和培養(yǎng)目標(biāo)適當(dāng)精簡(jiǎn)內(nèi)容，同時(shí)緊密結(jié)合科技成果和發(fā)展趨勢(shì)豐富課程內(nèi)容，是當(dāng)下開設(shè)有“近代物理學(xué)”課程的普通高校需要思考的問題。尤其是對(duì)量子力學(xué)和原子物理的軌道理論等部分，對(duì)重要內(nèi)容前沿科技應(yīng)用引出、理論原理剖析與講解、知識(shí)框架建立各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行良好的銜接和塑造，豐富課堂。減弱全新的近代物理理論知識(shí)體系重塑對(duì)學(xué)生固有經(jīng)典物理認(rèn)知的沖擊，提升教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的接受程度。筆者認(rèn)為這是工程教育認(rèn)證背景下，普通高校材料科學(xué)與工程專業(yè)“近代物理學(xué)”課程教學(xué)改革的方向之一。