新工科背景下大學物理教學改革探討

何軍 潘長寧 柳聞鵑

【摘要】發揮大學物理課程在培養和提高學生創新能力和科學素質方面的優勢，實現大學物理在跨界復合人才培養上的支撐指導作用，是目前我國高等學校新工科建設面臨的緊迫任務。文章從新工科背景下大學物理“教什么”“怎么教”兩個核心層面，探討了跨界人才培養對大學物理教學提出的要求與改革，以期促進大學物理整體教學水平不斷提高。

【關鍵詞】新工科;大學物理教學;教學改革

一、引言

近年來，國家戰略發展不斷產生新的需求，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。新工科建設在這樣的背景下應運而生。2017年2月18日，教育部在復旦大學召開高等工程教育發展戰略研討會，會上新工科建設“復旦共識”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，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，明確了新工科建設行動路線，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鍵詞。新工科的內涵是以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，以期培養未來多元化、創新型卓越工程人才。這就決定了新工科建設將更加依賴于大學物理等理論基礎課程的教學創新。大學物理是工科學生的重要基礎課程，由于物理學在自然科學和工程技術應用中的先導地位以及它與哲學、社會科學的聯系，使得物理學在培養創新人才方面具有獨特的作用。雖然近些年隨著大學物理教學改革的不斷深入，大學物理教學在教學內容、教學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的需要。在教學內容上，盡管加強了近現代物理內容的教學，但在用現代物理觀點審視和改革經典物理，用普通物理方法闡述近代物理，在經典物理中增加應用技術內容等方面明顯不足，無法真正貫徹和實現“普通物理現代化和現代物理普通化”的思想，更不利于培養學生的工程能力和創新能力。在教學方法和手段上，盡管嘗試采用了參與式、討論式、滲透式等多種先進的教學方法，采用電子教案、錄像和演示實驗等教學手段，但總體上仍以“灌輸式”方法為主，整體教學效果并不理想。針對大學物理教學的現狀，如何在教學內容、教學方法和手段、教師工程素質等方面進行全方位改革，真正發揮大學物理課程在培養和提高學生創新能力和科學素質方面的優勢，實現大學物理在跨界復合人才培養上的支撐指導作用，是目前我國高等學校新工科建設面臨的緊迫任務。因此，本文將以湖南工業大學為例，從大學物理“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對大學物理教學提出的要求及與之相適應的改革，以促進大學物理整體教學水平不斷創新提高。

二、優化調整教學內容以回答新工科背景下大學物理“教什么”的問題

（一）構建大學物理課程體系模塊化

湖南工業大學是以包裝教育為特色的偏工科類綜合性大學，建立了以工為主，工、理、管、文、經、法、教育、藝術等協調發展的學科體系。目前，學校已經試點啟動了工程教育認證，各個專業對大學物理的教學內容具有不同的需求。如何在有限的課時內滿足新工科專業的教學需求是一個急需解決的課題。本著因材施教的原則，我們根據各工科專業對力學、電磁學、熱學以及波動光學等不同知識的依賴程度，將大學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方面的知識，尤其重視量子物理、固體等基礎知識，旨在幫助學生更好地進行知識銜接。當然，針對該類專業的學生，授課的時候會適當減少力學、熱學部分的內容。該模塊一般適應選修的專業有自動化、信息、通信、物理學、電子科學與技術、計算機等對物理知識要求高的電類專業。

2.非電類模塊A。該模塊的教學重點應該放在力學方面的知識尤其是剛體部分，強化振動、波動光學等內容。該模塊一般適應選修的專業有土木工程、生物醫學工程、暖通工程以及數學等多個專業，這些專業對物理知識的要求也比較高，但對電磁學方面的知識要求并不那么突出。

3.非電類模塊B。該模塊的課堂教學中沒有熱學以及近代物理等知識，我們適當地增加了介紹守恒、對稱等物理美學知識，同時刪掉了教授難度較大的物理知識，以減輕學生負擔。該模塊一般適應選修的專業有數字媒體、藝術設計等。

（二）將實驗教學過程有機地融入理論課教學

物理學是一門以實驗為基礎的科學，在大學物理理論課堂中當然要加強實驗教學的比重，要讓學生體會到實驗的思想、思路和過程。據調查統計，目前大多數高校中傳統的大學物理理論課教學與實驗課教學基本是脫節的，無法滿足新工科人才培養的要求。譬如，學生本學期在學習力學或熱學知識，可能做的是電磁學或光學實驗。另外，實驗大多以驗證性實驗為主，明顯缺乏對學生創新能力的培養。因此，為滿足新工科人才培養要求，我們提出“講好科學實驗，做好演示實驗，開發創新實驗”的理念，要求教師將大學物理理論教學和實驗教學有機融合。這有利于培養學生良好的思維習慣和科學精神，而良好的思維習慣和科學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，教學中引入工程實例

單純的理科教育和工科教育都無法培養出多學科交叉的復合型人才。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性的研究工作，提出了一些具體的改革措施。體現物理教學價值的一個重要方面，就是它對工程技術的支撐作用。因此，我們重視“理工融合”的教育理念，既重視傳授理論知識，更注重培養學生的應用能力，在教學中注重將自然科學前沿進展、工程實際和其他相關學科知識等有機聯系在一起，把學生引向未知世界及領域，激發其勇于探索和不斷創新的意識和興趣，加強學生素質和創新意識教育。例如，在講授剛體力學時，引入土木工程的實例;在向印刷工程學生講解靜電場時，介紹靜電除塵、噴墨打印的工作原理;在向電類專業學生講解電磁感應時，簡單介紹銀行磁卡的工作原理等。

三、創新教學模式以回答新工科背景下大學物理“怎么教”的問題

（一）引入深度學習的智慧教學模式

深度學習是指學習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）處理信息并構建長期而深刻的理解。它指導學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聯，然后應用于解決新的情境中的問題。深度學習者是自主的學習者，也是合作型的學習者，具有較高的元認知和學習技能。引入深度學習的智慧教學模式，從以教師為中心的教學方法向以學生為中心并引導其自主學習教學模式的轉變，有利于學生提高理解能力和思維技能。這樣，學生學到的不再是死記硬背的知識，而是能夠應對真實、復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）實施指導性探究式教學模式

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

（三）搭建以課題、項目為核心的學生創新實踐平臺

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

四、結束語

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

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