新工科背景下大學(xué)物理課程體系構(gòu)建與改革

魯 芬

（武昌工學(xué)院智能制造學(xué)院 湖北 武漢 430065）

“新工科”是新時代高等學(xué)校全面推行高等工程教育以適應(yīng)新經(jīng)濟(jì)發(fā)展所提出的概念，主要目的是改革傳統(tǒng)的工科建設(shè)，以適應(yīng)新形勢下經(jīng)濟(jì)發(fā)展對人才的需求。在知識經(jīng)濟(jì)時代，新工科概念的出現(xiàn)對高等院校專業(yè)建設(shè)和人才培養(yǎng)提出了新的要求，即素質(zhì)教育的基本要求。物理學(xué)是作為研究現(xiàn)實(shí)物質(zhì)層面最普遍、最基本的自然學(xué)科，是人類探索大自然的重要工具。因此，對于大學(xué)教育，尤其是理工科學(xué)生的教育，“大學(xué)物理”就顯得尤為重要。

為了應(yīng)對工業(yè)4.0 的到來和“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列工程戰(zhàn)略，教育部提出了新工科的概念，這是我國大學(xué)教育應(yīng)當(dāng)進(jìn)行改革的方向，只有做到秉持以下四個理念，才能夠建設(shè)出一支強(qiáng)大的新工科團(tuán)隊(duì)。四個理念分別是服務(wù)國家戰(zhàn)略理念，引領(lǐng)未來發(fā)展理念，對接產(chǎn)業(yè)行業(yè)理念和以學(xué)生為本的教育理念。新工科的教育模式要求學(xué)校要制訂出與現(xiàn)代社會發(fā)展相符的最佳教材，同時經(jīng)過不斷改革與創(chuàng)新為學(xué)生挑選更好的教材內(nèi)容，通過教師的不斷摸索和創(chuàng)造，為學(xué)生制訂出更加專業(yè)的培養(yǎng)方案來適應(yīng)學(xué)生的個性化發(fā)展，滿足每一名學(xué)生的要求。同時新工科建設(shè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容是能夠做到多學(xué)科共同發(fā)展。通過多學(xué)科之間的交叉融合，能夠削弱大學(xué)物理課程的專業(yè)界限，同時也能夠促進(jìn)新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，培養(yǎng)出具有足夠?qū)I(yè)知識，對各個學(xué)科都能融會貫通的新型復(fù)合人才。

大學(xué)物理課程是理工科各專業(yè)學(xué)生的一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課，既為各專業(yè)學(xué)生打好必要的物理基礎(chǔ)，又能夠培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的世界觀、增強(qiáng)其分析問題和解決問題的能力。因此，在大學(xué)物理課程的教學(xué)過程中，我們須將教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的專業(yè)有機(jī)結(jié)合，讓學(xué)生體會到課程與自身專業(yè)之間的依托關(guān)系，真正發(fā)揮大學(xué)物理通識性、基礎(chǔ)性的作用。特別是“新工科”概念提出后，如何更加有效地進(jìn)行大學(xué)物理課程教學(xué)，這對人才培養(yǎng)質(zhì)量的提升顯得尤為重要。

1 大學(xué)物理的地位、存在的問題和解決方案

1.1 物理學(xué)在人才培養(yǎng)過程中的獨(dú)特地位

物理學(xué)由于其歷史悠久，體系完整，研究方法成熟，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，而成為大學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程和文化素質(zhì)教育課程，它在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新能力方面具有獨(dú)特的地位。物理學(xué)具有四個方面的素質(zhì)教育功能，即物理學(xué)的哲學(xué)教育功能，物理學(xué)的方法論教育功能，物理學(xué)的人文精神教育功能，物理學(xué)的美感體驗(yàn)教育功能，充分發(fā)揮物理學(xué)在人才素質(zhì)培養(yǎng)過程中的作用是目前研究的基本點(diǎn)。

1.2 大學(xué)物理教學(xué)中存在的主要問題

大學(xué)物理教學(xué)存在的主要問題表現(xiàn)在四個方面。一是教育思想上的偏差，教師僅把物理學(xué)基礎(chǔ)課程作為一門為專業(yè)服務(wù)的工具性課程，忽視了其素質(zhì)教育的重要作用；二是課程開發(fā)不夠，在理工類專業(yè)中僅開設(shè)大學(xué)物理和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)且其學(xué)時較少，在文管類專業(yè)一般不開設(shè)相關(guān)課程，因此開發(fā)適應(yīng)不同需要的物理類基礎(chǔ)課程成為當(dāng)務(wù)之急；三是教學(xué)內(nèi)容陳舊且趨同，不能適應(yīng)不同起點(diǎn)和不同專業(yè)學(xué)生的需求；四是教學(xué)方法和手段改革力度小，教學(xué)資源和教學(xué)網(wǎng)絡(luò)的利用不夠，學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間小，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不利。

1.3 解決方案及思路

針對以上問題，項(xiàng)目組提出了基于“一線二平臺三融合”的民辦高校物理課程教學(xué)體系，建立教學(xué)和競賽雙平臺，融合學(xué)科、專業(yè)、實(shí)驗(yàn)的大學(xué)物理課程群，與其他學(xué)科做到相互融合、相互補(bǔ)充，進(jìn)而培養(yǎng)出適合現(xiàn)代社會發(fā)展的新型人才。

科學(xué)構(gòu)建課程體系是新工科建設(shè)的要求，是新時代科技高速發(fā)展的要求，也是民辦高校應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需要。在此背景下，進(jìn)行“一線二平臺三融合”的大學(xué)物理課程教學(xué)體系的構(gòu)建與實(shí)施研究，為民辦高校學(xué)科建設(shè)再上新臺階奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“一線”指的是堅(jiān)持以現(xiàn)代教育思想為指導(dǎo)，以充分發(fā)揮物理教學(xué)的素質(zhì)教育功能為目的，以培養(yǎng)具有知識的專業(yè)性與通識性、能力的專業(yè)性與發(fā)展性、素質(zhì)的通用性與鑒別性共融的應(yīng)用型人才為主線，全面提升物理課程在人才培養(yǎng)過程中的重要作用，大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率，提升教學(xué)質(zhì)量和水平，使應(yīng)用型人才的培養(yǎng)落到實(shí)處。

“二平臺”指的是大學(xué)物理教學(xué)平臺和教賽融合的學(xué)科競賽平臺。

“三融合”指的是多學(xué)科融合、多專業(yè)融合和多元化實(shí)驗(yàn)融合的大學(xué)物理課程群。以知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展為原則，建立多學(xué)科融合的大學(xué)物理課程群。以應(yīng)用型人才培養(yǎng)為目標(biāo)，建立多專業(yè)融合的大學(xué)物理課程群。以強(qiáng)化實(shí)踐能力訓(xùn)練為核心，建立多元化實(shí)驗(yàn)融合的大學(xué)物理課程群。

2 大學(xué)物理課程群的整體構(gòu)建

近五年項(xiàng)目組開始構(gòu)建面向全體大學(xué)生的物理系列課程。以現(xiàn)代教育思想為指導(dǎo)，以知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展為原則，以充分發(fā)揮物理教學(xué)的素質(zhì)教育功能為目的，建立面向不同層面大學(xué)生的物理課程體系。通過面向全體大學(xué)生的物理理論、物理實(shí)驗(yàn)和生活與物理公選課系列課程的科學(xué)構(gòu)建，全面發(fā)揮物理課程在人才培養(yǎng)過程中的重要作用。

為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，在繼續(xù)完善面向理工科類大學(xué)生的大學(xué)物理課程基礎(chǔ)上，適當(dāng)拓寬大學(xué)物理課程設(shè)置的平臺和口徑，構(gòu)建起一個多角度、立體化、涵蓋物理理論和物理實(shí)驗(yàn)，由必修課和選修課組成的物理課程體系，該課程體系可滿足不同專業(yè)背景大學(xué)生的個性化需要。

第一，開設(shè)面向文管類、經(jīng)濟(jì)類大學(xué)生的大學(xué)物理理論和實(shí)驗(yàn)選修課程；第二，為理工科類學(xué)生開設(shè)現(xiàn)代工程技術(shù)中的物理基礎(chǔ)、光纖應(yīng)用及發(fā)展前景等提高性課程；第三，開設(shè)近代物理實(shí)驗(yàn)等研究性課程。各門課程的學(xué)時與教學(xué)對象見表1（p116）。

表1 大學(xué)物理系列課程的學(xué)時與教學(xué)對象

3 大學(xué)物理課程教學(xué)改革研究

近年來，各大高校為實(shí)施應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，對相關(guān)基礎(chǔ)課、理論課程的課時設(shè)置進(jìn)行了改革，采取了縮減理論課課時增加實(shí)踐類課程的方法，那么要在有限的課時下講清楚眾多的相關(guān)物理知識點(diǎn)確實(shí)有較大難度，因此現(xiàn)亟須對大學(xué)物理的教學(xué)模式進(jìn)行改革，以拓展學(xué)生自主學(xué)習(xí)空間為出發(fā)點(diǎn)，課題組提出基于“一平三端”的大學(xué)物理優(yōu)課程建設(shè)計劃。利用“超星學(xué)習(xí)通”軟件云平臺（一平），將教師端、教室端、后臺管理端（三端）聯(lián)系起來構(gòu)建大學(xué)物理優(yōu)課程，以全新的教學(xué)模式呈現(xiàn)給學(xué)生。

3.1 以人才培養(yǎng)計劃為依據(jù)，大綱制訂（修訂）和教材建設(shè)為平臺，優(yōu)化大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，加強(qiáng)教材建設(shè)

2018 年“新工科”熱潮開始，項(xiàng)目組成員和全體任課教師圍繞著“新工科”和應(yīng)用型人才培養(yǎng)展開積極討論和調(diào)研，開展了教學(xué)大綱的全面制訂。制訂與修訂教學(xué)大綱的原則：第一，全面分析課程的性質(zhì)、教學(xué)對象、內(nèi)容選擇符合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)定位、專業(yè)教學(xué)需要。第二，注重吸收物理學(xué)最新成果以及實(shí)際應(yīng)用。第三，遵循物理學(xué)的自身規(guī)律，注重提煉物理學(xué)發(fā)展過程中的核心概念作為主要的知識點(diǎn)，幫助學(xué)生建立物理學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的整體圖象。第四，注重挖掘物理學(xué)中的科學(xué)方法論、科學(xué)素質(zhì)和人文精神的教育素材，將培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)良的人品作為物理教學(xué)的重要目標(biāo)加以落實(shí)。

在教學(xué)實(shí)踐中，嚴(yán)格課程管理，所有開設(shè)的課程都選用優(yōu)秀教材。加強(qiáng)教學(xué)研究與改革，將研究成果固化為教材、講義和參考材料。大學(xué)物理教材注意從物理學(xué)史的發(fā)展角度引入物理定律和概念，并適當(dāng)介紹當(dāng)代物理學(xué)的成就以及在工程技術(shù)上的應(yīng)用，突出物理學(xué)知識與實(shí)際相結(jié)合的特色。避免煩瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，突出物理思想，深入淺出，通俗易懂，注重激發(fā)學(xué)生的興趣，增加教材的可讀性和趣味性，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。項(xiàng)目組自編教材《普通物理實(shí)驗(yàn)》，全書由易到難分成四部分：基礎(chǔ)性驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、物理仿真實(shí)驗(yàn)。符合學(xué)生的學(xué)習(xí)規(guī)律和認(rèn)知特點(diǎn)。每個實(shí)驗(yàn)的儀器均與本校實(shí)驗(yàn)室儀器配套，儀器的操作方法和注意事項(xiàng)寫得非常詳細(xì)，實(shí)驗(yàn)步驟結(jié)合有關(guān)儀器撰寫，幫助學(xué)生更好地理解原理、方法，規(guī)范地完成操作、原始數(shù)據(jù)的記錄及實(shí)驗(yàn)報告。設(shè)計性實(shí)驗(yàn)對培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、綜合能力、獨(dú)立的設(shè)計及工作能力有較大幫助，仿真實(shí)驗(yàn)則對于儀器復(fù)雜、昂貴的實(shí)驗(yàn)提供了一個廉價的操作平臺。

3.2 以能力和素質(zhì)培養(yǎng)為重點(diǎn)，改革大學(xué)物理的教學(xué)模式，推進(jìn)大學(xué)物理優(yōu)課程建設(shè)

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，包含大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和自然規(guī)律，抽象的概念、復(fù)雜的現(xiàn)象、三維的模型等用“講授+板書”的教學(xué)方法是無法達(dá)到良好的教學(xué)效果的，而針對這些難點(diǎn)進(jìn)行仿真，建立大學(xué)物理仿真課堂，使物理學(xué)的有關(guān)重點(diǎn)、難點(diǎn)更加生動、形象、有趣，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了教學(xué)效果。

針對前面構(gòu)建的多角度、立體化、涵蓋物理理論和物理實(shí)驗(yàn)，由必修課和選修課組成的物理課程體系，結(jié)合各專業(yè)的大學(xué)物理系列課程教學(xué)大綱，分別針對大學(xué)物理理論和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行仿真，制作仿真課件，再針對相關(guān)知識點(diǎn)進(jìn)行微課的錄制，最后利用“超星學(xué)習(xí)通”軟件上傳視頻資源、課程資料等內(nèi)容，構(gòu)建大學(xué)物理優(yōu)課程。

項(xiàng)目組在設(shè)計各個教學(xué)環(huán)節(jié)時，精心營造學(xué)生積極參與、自覺投入的教學(xué)氛圍。大力推行以“問題教學(xué)法”和“研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)法”為代表的啟發(fā)式教學(xué)模式。引導(dǎo)學(xué)生以研究的思維，帶著“問題”進(jìn)入物理學(xué)習(xí)環(huán)境，給學(xué)生提供思維思考的空間，讓學(xué)生在融洽的、有利于交往的心理氛圍中萌發(fā)求知、解難、創(chuàng)新的動機(jī)。讓學(xué)生由“學(xué)會”逐步過渡到“會學(xué)”，最終實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。利用優(yōu)課程可提前向?qū)W生布置學(xué)習(xí)任務(wù)（課前），（課中）讓學(xué)生帶著問題進(jìn)入課堂分組討論并傾聽教師針對性的講解，課后復(fù)習(xí)并完成指定作業(yè)任務(wù)拿到本次課的通關(guān)分?jǐn)?shù)，進(jìn)入下一課題的學(xué)習(xí)。整個過程中學(xué)生可反復(fù)利用優(yōu)課程資源，隨時隨地學(xué)習(xí)；教師利用優(yōu)課程大大提高了上課效率，并且可對每位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)督、引導(dǎo)，從而達(dá)到教師和學(xué)生雙贏的局面。

大學(xué)物理課程體系仿真課件的制作可利用Mathematica軟件、Flash 軟件和物理實(shí)驗(yàn)仿真軟件來完成。表2（p117）是具體仿真課件的內(nèi)容。根據(jù)實(shí)際教學(xué)情況需要，將仿真課件的內(nèi)容按照一個個知識點(diǎn)展開制作成微課視頻，創(chuàng)建微視頻庫并將其存檔。

表2 大學(xué)物理仿真課件內(nèi)容

項(xiàng)目組建設(shè)的大學(xué)物理優(yōu)課程除涵蓋課程大綱、電子教案、習(xí)題指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目介紹等相關(guān)欄目外，還包含網(wǎng)上“大學(xué)物理”課堂全過程錄像，重、難點(diǎn)微課視頻，網(wǎng)上物理習(xí)題測試、實(shí)驗(yàn)仿真、實(shí)驗(yàn)成績查詢、網(wǎng)上答疑等互動性欄目和物理知識咨詢、物理精品課件展示等。旨在拓寬學(xué)生物理學(xué)習(xí)的空間，使其成為師生教學(xué)互動、學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要平臺。

3.3 遵循物理學(xué)的客觀規(guī)律，注重人文精神的培養(yǎng)，改進(jìn)課程考核方式

教學(xué)內(nèi)容注重物理學(xué)科內(nèi)在的邏輯性與整體性，幫助學(xué)生形成系統(tǒng)的、完整的物理理論框架；注重物理學(xué)科與其他相關(guān)學(xué)科的相互滲透與交融，展示物理學(xué)的基本概念和研究方法在其他學(xué)科中的應(yīng)用，幫助學(xué)生提高物理學(xué)習(xí)的興趣。同時在物理教學(xué)中滲透對學(xué)生科學(xué)品質(zhì)和人文精神的培養(yǎng)，將學(xué)生健全的人格養(yǎng)成納入物理教學(xué)的重要目標(biāo)。理論課程增加考查學(xué)生分析和解決實(shí)際問題能力方面的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用以純實(shí)驗(yàn)儀器操作考核為主的考試方式。推行實(shí)驗(yàn)報告、問題答辯和網(wǎng)上測試等多元化考試形式，促使學(xué)生改變學(xué)習(xí)思路，將主要精力放在對教學(xué)內(nèi)容的深刻理解、系統(tǒng)復(fù)習(xí)、概括總結(jié)和實(shí)際應(yīng)用上，強(qiáng)化“吸收”知識、分析問題的過程。

3.4 以強(qiáng)化實(shí)踐能力訓(xùn)練為核心，搭建多層次的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺

項(xiàng)目組按照“驗(yàn)證型―綜合型―設(shè)計型”三層次主線，搭建必修與選修課程相結(jié)合、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)（科學(xué)研究、工程應(yīng)用、學(xué)科競賽）相結(jié)合的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺。開設(shè)以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主、綜合性實(shí)驗(yàn)和設(shè)計性實(shí)驗(yàn)為輔的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)系列課程。開辟大學(xué)生課外創(chuàng)新活動基地，通過第二課堂的形式，引導(dǎo)學(xué)生積極參與新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)。開放物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，與科研、工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，延伸為大學(xué)生課余科研課題。

4 結(jié)語

在新工科背景下，大學(xué)物理系列課程的設(shè)置，既為文管類學(xué)生開設(shè)了普及性大學(xué)物理課程，又為理工科類學(xué)生增設(shè)了提高性和研究性課程，滿足了不同專業(yè)背景大學(xué)生的成才需要，使全體大學(xué)生都接受物理學(xué)的素質(zhì)教育和物理學(xué)思想方法的訓(xùn)練。另外，項(xiàng)目組建設(shè)的大學(xué)物理優(yōu)課程和搭建的多層次的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，可廣泛應(yīng)用于其他課程，具有很好的推廣價值。