面向“新工科”的“大學物理”教學內容改革與實踐

胡益豐　朱小芹　鄒華

摘 ? ?要：針對當前“新工科”背景下專業人才培養方案建設需要，提出對“大學物理”課程的教學內容進行深層次改革。具體措施包括：刪減部分過時的教學內容，新增與當代科技緊密聯系的教學模塊;增加與信息技術、人工智能、智能制造相關的物理應用案例;突出課程考核中的能力考評。通過改革和實踐，全面提升了“大學物理”課程的時代性、針對性和網絡性，使其能夠更好地服務于“新工科”人才培養。

關鍵詞：新工科;大學物理;教學改革;教學內容

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2020）02-0094-06

“大學物理”是高校電信、計算機、機械、材料、化工等傳統工科專業的通識教育基礎課程，該課程與工科專業具有緊密的聯系，在培養學生的科學素質和創新能力上發揮著舉足輕重的作用。[1-2]近年來，“新工科”的概念逐漸受到大家的重視。“新工科”專業是在新的國家戰略規劃發展需求、新的市場競爭模式及新的立德樹人要求基礎上提出的工程項目領域迫切需要的專業。[3-4]由于與現代產業技術緊密聯系，“新工科”更強調專業知識的應用性、與互聯網技術的交叉性以及與傳統制造業技術的結合性。[5-6]它主要涉及的新工科專業有：計算機科學與智能控制、大數據與信息科學技術、機器人工程以及智能數控等[7]，同時，也包括對傳統工科專業的升級改造，其培養的人才是我國未來實現信息化強國所急需的高素質專業人才。為了適應新興產業對新技術的需求，高校原有的人才培養模式必須進行升級和改造，對所涉及的課程加以更新優化，進而制定新的課程規范和標準（如圖1）。

當前，“新工科”建設對人才培養提出了更加明確和更高質量的標準，作為配套課程的“大學物理”理應進行相應的改革，從而突破傳統教學理念、教學方式和評價體系的束縛。在“大學物理”課程改革中，需要根據“新工科”的特點（如圖2），以產業需求為導向，以學科交叉為基礎，面向未來新技術進行主動調整，強調學科的交叉融合，凸顯綜合全面創新理念。在所開展的各類教改中，教學內容的改革是最基礎和最重要的部分，教師教什么直接決定學生學什么，從而導致培養具備何種素質的人才。本課題組圍繞學校“新工科”專業人才培養特點，對 “大學物理”課程的教學內容進行改革，在實踐中取得了良好的效果。

1 ? ?現有“大學物理”教學與“新工科”要求的矛盾

1.1 ?現有教學內容陳舊

現有的“大學物理”課程內容由力學、電磁學、振動與波及波動光學、熱學和近代物理5個模塊組成，涵蓋機械運動，電磁場的規律，光的干涉、衍射和偏振，熱力學統計規律，時空性質、微觀粒子的量子運動特征和規律等內容。[8-9]這些知識點主要屬于經典物理學的范疇，其大部分產生于20世紀之前，主要服務于當時的工業和科技，涉及現代產業的內容不多。隨著計算機和互聯網技術的高速發展，新學科、新知識和新技術不斷涌現，所需要的理論知識也在發生變化，從而給本科教育教學帶來很大的沖擊。為此，物理學工作者絕不能固步自封、停滯不前，而是應該積極了解當代最新的科技成果，發掘現代工業技術背后所需要的物理知識，與時俱進、大膽創新、積極作為，教授專業所需要的物理，采用適合當下的方法，根據學生志趣優化內容、創建模式。要建立適應“新工科”要求的教學新體系，使課程更好地承擔起“現代技術源泉和先導”的職責。

1.2 ?理論和實驗的結合度不高

眾所周知，物理學是一門實驗科學，實驗現象是很多物理規律的最初來源，而每一條物理理論的確立，最終也必須經過實驗的檢驗才能獲得認可。然而，理論雖然十分重要，但是，對于“新工科”專業的學生來講，他們往往更關心的是理論的實踐應用。近年來，隨著本科教育大眾化的發展，大班上課成為一種主流形式，以致許多高校的物理實驗室面臨臺套數嚴重不足、實驗項目過于老舊的窘境，所以只能采用多人共用一組實驗設備的模式，這就嚴重影響到對學生實驗技能的訓練，也給他們造成物理脫離了科技發展的不良印象[10]。此外，一些高校的物理教學部受到經費的限制，尚未建設或者即使已經建設也沒有及時更新演示實驗室;因此，在大學物理的教學過程中，基本是靠教師的口頭講解或者用圖片形式來進行演示實驗，這將會嚴重影響學生的學習興趣和學習效果。

1.3 ?課程評價方式過時

課程的評價方式在很大程度上影響著教師的教和學生的學。目前，“大學物理”考評方式主要是“期中+期末+平時作業”的統計得分，形式還是以試題、卷面的方式呈現，這種方式延續了幾十年甚至上百年時間，具有公平、簡便的優點;但是，也越來越顯示出它的局限性，尤其是在大學工科教育中，僅僅通過卷面的成績，想要準確評價學生掌握和運用知識的能力是不充分的，甚至在一定程度上會給學生帶來不正確的導向。面向“新工科”，很多專業更加強調實踐性，“大學物理”課程需要緊跟時代的變化、結合專業的特點，創新性地實施考核方式的改變，從而更加有效地滿足“新工科”對于實用性、交叉性和綜合性的要求。

2 ? “大學物理”課程教學改革探討

針對“新工科”交叉性、綜合性和網絡性的特點，“大學物理”課程需要進行相應的改革：在課程設計上更加具有實踐性、針對性;在教學內容上注重與現代科技的密切相關性;在教學案例的選擇上增加新一代信息技術、物聯網、人工智能的相關案例;在課程考評上更加注重對知識應用能力的考核。總體來說，提供與“新工科”專業更加匹配、與現代科技結合更為緊密、與應用性更加相關的“大學物理”教學內容是改革的主要環節（如圖3）。

2.1 調整教學內容，主動適應“新工科”專業要求

物理學是現代科學技術發展的源泉，它的每一次突破或重大進展都能引發世界范圍內現代科技的跨越式進步。“大學物理”作為理工科學生的必修課程，在工科人才培養中所起的作用是基礎性的，對培養學生的理性思維和邏輯推理能力發揮著不可替代的作用。然而，不可否認的是，“大學物理”課程正在受到不少工科學生的忽視。究其原因，許多學生認為“大學物理”的教學內容過于陳舊，大部分屬于20世紀之前的知識，沒有涉及近100年來最新的物理學進展;此外，在以培養應用型本科為主的高校中，學生更關心的是知識在工程實踐中的應用以及基礎課對于后續課程體系的作用，而當前的“大學物理”課程對后續專業課程的貢獻還沒有很好地體現出來，往往給人一種可有可無的感覺。

因而，面向“新工科”的“大學物理”課程內容的變革必須緊跟當下科學技術發展的最前沿，充分吸取最新的科技成果，不斷創新，把經典的“大學物理”建設成為有蓬勃生命力、有新鮮血液及充滿無限創新空間的課程[11]。此外，應在充分調研“新工科”后續專業課程和今后就業崗位的基礎上，調整“大學物理”課程的教學側重點，該增加的要增加，該刪除的不能再猶豫。為此，在總課時不增加的情況下，對“大學物理”的教學內容可進行如下調整（如表1）。

考慮到“新工科”專業的學生其中學物理基礎知識相對扎實，自學能力較好，可以調整部分與中學物理跨度較小的大學物理教學內容，改由學生自學。同時，根據學生后續課程和就業需求特點，調整相關的教學內容，如：壓縮部分質點運動學和動力學、機械能守恒、剛體力學、振動和波動的教學內容，改由學生課外自學;增加關于空氣動力學和流體力學的內容介紹，服務于汽車設計和無人機專業的學生;刪減部分電荷和電場的教學內容，增加半導體物理、電磁波和新能源電池相關知識，服務于電子信息、汽車新能源專業;刪減幾何光學的教學課時，增加光電子相關知識，服務于光纖通訊、芯片制造和節能發光產業;刪減部分氣體分子動理論的教學內容，適當擴展新型熱機和致冷機的知識，服務于機械制造的電動機和發動機制造專業;增加相對論和量子力學等近代物理的內容，服務于軍隊院校和武器制造行業。通過對以上教學內容的優化，達到因材施教、按需學習的目的，使得“大學物理”課程更加貼近當代工程實際，從而更好地滿足“新工科”專業對基礎物理理論的需求。

2.2 ?增加應用案例，積極接軌“新工科”實踐應用

在“大學物理”的教學過程中，通過提供生動形象的現實應用案例，可以幫助學生理解抽象、深奧的物理機理，同時激發學生學習和創新的動力。因此，在針對“新工科”開設的“大學物理”課程中，充分結合“新工科”的特點和應用前景，主動提供有針對性的應用案例，可以對教學起到事半功倍的效果（如表2）。[12]例如：在講解機械振動和機械波時，引入海嘯中駐波的分析;講解剛體時，引入三維陀螺儀在飛機導航儀中的應用;介紹電介質的極化時，引入手機電容屏的工作原理，提出帶上手套能否操作觸摸屏的問題;講述電磁波時，介紹冶金中電磁攪拌、電磁凈化、GPS導航、北斗導航系統等;講述磁學時，融入種子磁化技術、電荷防病促生技術、電磁波助長技術和數字化殺蟲技術;等等。總之，物理知識應用案例只有具備時代性、新穎性和實用性，才能吸引學生的興趣，引起學生的共鳴，從而改變學生對“大學物理”課程的偏見，進而提高課程在“新工科”人才培養中的地位。

2.3 ?優化教學模式，構建目標導向的綜合考評機制

隨著中國高等教育的飛速發展，“大學物理”課程的教學模式也在不斷變化，從最初的“粉筆+黑板”模式過渡到“投影+電腦”，再到今天的“網上直播+QQ+微信”等多種手段的綜合應用。這些現代教學技術的應用為學生提供了更多開放學習的教學資源，一方面，滿足了學生個性化學習的需求;另一方面，有利于激發其學習興趣，促進學生開展自主研究。[13]但是，我們必須認識到，這些教學手段只是改變了教學內容的呈現方式，并沒有改變物理學深奧、抽象的本質，對于物理學這種依賴于實驗現象的科學，實驗課的作用不容忽視。為了使“新工科”專業學生充分理解物理概念、掌握物理本質，在加強傳統課堂教學的同時，必須加大物理教學中演示性實驗和創新性實驗的比重。這就要求各高校必須增加對物理教學的投入，配置一定數量可視化程度高、生動形象的現代演示實驗，同時，增加一些綜合性好、設計性強的創新性學生實驗，以鍛煉學生的創新思維和動手能力。顯而易見的是，理工科高校中物理實驗儀器設備落后，將不利于達成“新工科”專業時代性特點的整體目標。為此，筆者所在學校在2012年新建了物理演示實驗室，并先后獲評了常州市和江蘇省科普教育基地。物理演示實驗室展現了很好的后發優勢，配備了大量時代感強、演示性好的實驗項目，在“大學物理”的教學過程中發揮了較好的演示效果。此外，在物理實驗課程中還開設了綜合設計性實驗，通過這個項目選拔了一大批優秀的“新工科”學生參加各類實驗項目的競賽，取得了優異的成績，有力提升了物理教學在“新工科”人才培養中的地位。

實踐證明，針對“新工科”專業學生的“大學物理”課程教學，絕不能以掌握物理知識為最終目標，而是必須著眼于物理應用能力的培養。為此，在課程的考核方式上，不能簡單地以一份筆試卷來衡量水平，而應采取包括筆試在內的多種形式的綜合考核。在“傳統作業+期中+期末”的基礎上，增加一項物理能力加分項，鼓勵學生參加物理能力加分考核;并且規定，凡是有物理能力加分項目的學生，只要期末考試成績達到70分，總成績就直接定為優秀。這種能力加分項包括：學生參加高層次的物理類學習競賽;設計出具有創新性的物理實驗;對物理知識提出具有突破性的質疑;解決一個困擾物理學的難題;對物理學的未來發展提出有意義的看法;將物理知識運用到專業領域;等等。加分項內容并不拘泥于特定范圍，只要是跟“大學物理”有關的具有突出性的貢獻，經教師組評定后都可以作為能力加分項。經過一段時間的實踐，雖然能夠獲得加分項的學生并不是很多，但是每個班總有三四名學生能夠參加這種加分項考核，而且，學生提問質疑的積極性明顯增強了，運用發散性思維解決問題的思路也有了極大的拓寬。通過改革，充分調動了學生的學習和創新動力，從能力角度發現了一批課程學習的優秀群體，為“新工科”的人才培養奠定了基礎。

3 ? 結語

“新工科”人才是當前乃至今后一段時間我國經濟和科技發展急需的專門人才，也是各大高校重點培養的專業人才。 “新工科”背景下的“大學物理”課程應該怎么教？對于這個問題目前尚沒有統一的標準，這就給高校教育教學的創新和發展帶來了很大的提升空間。課程改革的總體目標應該是通過文理交叉、理工結合、文工互補，實現對人才的全方位培養，這就需要對傳統的“大學物理”課程教學內容進行深層次改革，取其精髓部分，去其過時內容。通過改革，將“大學物理”打造成為“新工科”培養方案中的重要基石，使其成為理工科學生最喜愛學習的一門公共基礎課程。

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責任編輯 ?盛 ? ?艷

Reform and Practice of “College Physics” Teaching Content for “Emerging Engineering Education”

HU Yifeng，ZHU Xiaoqin，ZOU Hua

（School of Mathematics and Physics，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

Abstract： In view of professional personnel training program construction under the background of the current“emerging engineering education”，the in-depth reform of “university physics”course teaching content is proposed. The specific measures are as following：delating some outdated teaching content and adding teaching modules closely related to modern science and technology;increasing some physical application cases related to the information technology，artificial intelligence and intelligent manufacturing;In addition，the ability assessment in the course evaluation should be highlighted. Through these reforms，the epochal character，pertinence and network of college physics courses have been comprehensively improved to better serve the training of new engineering talents.

Key words： emerging engineering education;college physics;teaching reform;teaching content

收稿日期：2020-02-20

基金項目：教育部大學物理教學指導委員會課題“線上線下大學物理實驗混合式教學研究”（DJZW201921hd）;2019年 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 江蘇省高等教育教改研究立項課題“實驗課程混合式智慧教學模式研究——以‘大學物理實驗為例”

（2019JSJG227）;江蘇理工學院教學改革與研究項目“面向‘新工科的大學物理教學內容改革研究”（11611211945）

作者簡介：胡益豐，副教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為半導體相變薄膜及器件、大學物理和物理實驗教學。