新工科背景下“數學物理方法”課程改革的幾點思考

劉鴻鵬

摘 要 “新工科”建設是我國針對未來產業發展和人才需求的戰略性布局。面向信息、新能源、新材料產業的物理類工科專業高端人才是為社會所急需的。在此類工程科技人才的知識體系中，“數學物理方法”課程正是連接高等數學、普通物理與專業課程的重要橋梁，可以培養學生對物理或工程問題進行數學建模并求解的能力。它本身的交叉學科屬性，如能引入合理的創新工程教育方式與手段，對“新工科”人才的培養勢必起到重要的推動作用。面對“新工科”的需求，本文對“數學物理方法”課程改革提出了探索性的思考。

關鍵詞 新工科 數學物理方法 人才培養

新一輪科技革命和產業革命即將到來，提升國家競爭力的核心是培養一大批引領未來技術與產業發展的卓越工程科技人才。2017年2月以來，教育部積極推進新工科建設。“新工科”提出產業需求是人才培養的導向。信息、新能源和新材料是我國重點要發展的產業，急需大量物理類工科專業人才。圍繞此類人才培養定位，有與之匹配的課程體系設置。其中，“數學物理方法”課程的作用是深化拓展數理基礎，使學生在面對物理問題或工程問題時，可以將問題轉化為數學語言，建立合適的模型并利用恰當的方式求解。因此，該課程對夯實學生的專業理論基礎起到重要的支撐作用。在“新工科”背景下，“數學物理方法”課程在物理類工科專業人才培養中有著特殊的作用。本文分析了“數學物理方法”課程普遍存在的問題，并結合“新工科”的培養目標，對該課程的改革提出了幾點探索性的思考和建議。

1“數學物理方法”教學普遍存在的問題

1.1經典教材的篇幅與工科教學需要的矛盾

梁昆淼和郭敦仁分別編寫的《數學物理方法》是經典教材的代表，教材主要包含兩大部分內容，其一是單變量的復變函數論及其應用，其二是數學物理方程（包含特殊函數）。之后陸續出版的數學物理方法教材從編排框架上都沿襲了經典教材。經典教材的敘述非常詳盡，邏輯嚴密，也因此具有較大的篇幅。此類教材更加適合于純物理專業的教學。而針對物理類工科專業的少學時數學物理方法教材，特別是能夠符合“新工科”培養目標要求的教材，還急需建設。

1.2教學內容深度和廣度與有限的學時數的矛盾

“數學物理方法”課程，“它既是數學課程，又是物理課程。”它的教學內容從復變函數論部分延伸到數學物理方程。近些年來，隨著專業建設以及課程的整合，基礎課和專業基礎課的學時數通常都是“只減不增”。在教學實踐中，受到學時數和教學進度的限制，教師的教學設計很難做到“以學生為中心”，任課教師大部分時候考慮的是“能不能講完”，而不是“能不能講好”。

1.3知識的傳授方式與能力培養之間的矛盾

在“數學物理方法”課程中，最常見的是傳統的“粉筆+黑板”模式，其原因是和課程本身的特性有關。由于課程涉及到的數學推導繁多，為了幫助學生掌握必要的知識，教師通過黑板板書演繹，牽引學生的注意力，讓所教授的內容更容易被接受。顯然，這種傳統的知識傳授方式是以教師講授為中心的。而學生才是學習的主體。教師要讓學生真正參與到課程中來，讓他們從低階的“知道了”“理解了”過度到高階的“會用了”“會創造了”，才能符合“新工科”對學生能力培養的要求。

1.4考核方式與培養目標達成之間的矛盾

以一次期末考試為主導的考評制度難以促進學生把功夫下在平時，還會讓學生感受到較大的壓力。以我校“數學物理方法”課程為例，總評成績=平時成績*15%+期末考試成績*85%。平時成績由出勤、作業和平時表現構成。由總評成績的構成可以看出，期末考試的結果起到決定性作用。目前的評價方式催生了“輕過程、重結果”和“輕平時、重考試”的學習模式。這顯然與我們的培養目標背道而馳。我們要培養學生的終身學習能力，而不是應試能力。

2關于“數學物理方法”改革的思考和建議

2.1基于課程在“新工科“人才培養體系中的作用，對教材和教學內容進行優化

培養適應社會主義經濟發展的新型人才，就是要培養大學生具備提出問題和處理問題的能力，只有這樣他們才能在新一輪的技術革命中起到作用。學生的基礎寬厚，才能適應實際工作中的多種需要。以我校材料物理專業為例，它是由材料科學與物理學交叉形成的學科，專業課程體系除了交叉融合特性外，還加入了民航特色元素。在“新工科”的背景下，我們建立了民航特色“五維”復合型創新人才培養體系。“數學物理方法”課程屬于專業理論教育子系統中的物理類學科專業課，連接數理化機電基礎課與材料類學科專業課。“理工交叉“正是該專業的優勢。“數學物理方法”課程正處于學科的交叉點上，寬厚的數理基礎是物理和材料學科共同的需要。考慮到專業的特性，“數學物理方法”課程的教材以及內容要在保持傳統內容的總體框架的基礎上進行改革。我們建議的改革方向有如下幾點：要突出重點，把重點的內容講深講透，舍棄部分相對次要的內容;要整合知識單元，縮減知識點;要避繁就簡，強化數學思想和對概念的理解，簡化推導;要精選例題和習題，做到少而精;要加強以實例代替抽象闡述，引導學生入門;要改變課程內容過于傳統的現狀，引入能體現其應用價值的新技術和新知識;要配合開展實驗教學，采用數值計算方法和計算機應用軟件來實現數學建模和求解的全過程。所有的改革都必須要圍繞課程在“新工科”人才培養體系中的作用而展開。

2.2基于課程目標的達成，對教育理念、方式和手段進行創新

“新工科”的“新”具體體現在新理念、新標準、新模式、新方法、新技術、新文化。對于一門課程，“新“不僅僅要體現在內容，也應該體現在教育理念、方式和手段上。

“新工科”的教育必須是“以學生為中心”的。教育的目的是學而不是教。教師要引導學生自主架構知識，培養學生主動學習、自主學習、終身學習的能力。在“數學物理方法”課程中，學生普遍反應“課程內容多，進度快，經常跟不上老師的節奏”“課程中數學推導非常多，內容不易理解”，都從側面反應教師側重于知識的灌輸，而忽視了學生思維模式的轉變和知識構建的過程，而后者才是促進學生發展的根本。因此，結合“數學物理方法”課程的特點，教師首要任務是把基本知識和方法的框架體系幫助學生搭建起來，對重點知識要配合精選實例講深講透，要求學生能夠熟練掌握。并以此為基礎進行知識拓展，對次要知識和前沿知識可以放低對深度和細致度的要求，針對不同層次的學生給予一定的自由度，且不拘泥于課堂教學。

“新工科”的教育必須是“開放式”的。45分鐘的課堂不應該成為教育的唯一“陣地”，教師要改變觀念，把封閉課堂向開放課堂轉變。在信息化教育高速發展的時代，教師要能夠整合優秀資源為我所用，并以“學生發展為中心”提供個性化的學習方案。其中，教學平臺的建設是對課堂有效的拓展與補充。網絡將學生、教師通過課程有機的聯系起來。雖然網上的教學資源非常豐富，但結合學校和專業特點，自建資源更貼合師生需求。在我校，我們嘗試采用自建服務器（http：//10.5.12.30：5000/）搭建了“數學物理方法”課程的在線知識平臺（見圖一），已經初步投入使用。教師將教學資源分類整理并入庫，其中包括自建的習題庫。此外，將學生的課堂作業實現了電子化，能夠實時傳輸到服務器，方便師生間的互動。網絡平臺使學生的課后學習更加豐富化和自主化，也更加符合90后、00后大學生的學習習慣，有利于培養他們的自主學習能力。此外，教師還可以通過教學平臺發布一些與課程相關的信息，如講座、競賽、開放性討論等，而這些可以成為“開放式”學習的方式。

“新工科”的教育必須是“面向產出“的。教師要明確通過課程的學習，學生應該得到什么樣的學習成果，以及為什么要讓學生得到這些學習成果。課程目標的達成是畢業目標達成、培養目標達成的基礎。“數學物理方法”課程是在高等數學的基礎上，培養學生處理復雜物理問題或工程問題時的建模能力和求解能力。可以說它本身就具有高階性和挑戰性。因此，基于問題的教學更加適合本課程。教師在教學設計中應始終圍繞“如何解決問題”而展開，具體的教學方法可以是啟發（提問）式、討論式、應用（案例）式，從而提高學生在課堂上的參與度，開拓他們的思維，培養他們的創新意識和能力，為培養物理類高級工程人才服務。

2.3基于“新工科”人才能力達成，對評價方式進行完善和優化

在“新工科“的背景下，課程的評價方式應該從傳統的“對學習結果的評價”轉變成為“促進學習的評價”，注重過程性評價。數學物理方法課程除期末閉卷考試外，要增加過程性評價方法，及時向學生提供反饋，幫助他們改善學習方法。并通過評價方法引導學生從“追求分數”到“追求自我能力提升”的轉變。過程性評價按時間節點可分為：課前預習、課堂表現、課后作業、階段性測驗、期中測評幾個部分。過程性評價按形式可分為：傳統課后習題、階段性小結、個案研究、分組討論、課程論文等。多節點、多維度的評價方式才能將考、教、學有機的結合起來。此外，考慮到學生的差異性，不可一刀切，保持基本要求有共性的基礎上，鼓勵優秀的學生進行更深入的學習，配合網絡教學平臺，采用自學加討論的方式，并以額外的方式進行考核，給予鼓勵。

3結語

隨著科學技術的飛速發展，產業也隨之迅速升級更新，工程科技人才想要適應社會發展的需要，就必須具備創新能力，前瞻能力和學習能力。而這些能力的達成，一定是建立在寬厚的數理基礎之上的。“數學物理方法”課程在“新工科”背景下需要進行全面、系統、深入的改革來提升教學效果，它對培養能夠引領技術與產業發展的卓越工程科技人才尤為重要。

參考文獻

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