基于大學生創新能力培養的物理教育教學體系構建與實施

汪靜?胡玉才?遲建衛

摘 要：培養大學生創新能力是提高高等教育質量的核心問題。大連海洋大學物理教學團隊將創新能力培養作為系統工程，對創新能力培養各要素之間的關系進行研究，構建了通專融合、專創融合的分層次、模塊化物理教育教學體系，實現了理論與實踐、必修與選修、課內與課外、專業與素養全方位協同育人。

關鍵詞：創新能力培養;通專融合;專創融合;物理教育教學體系

對于一個國家來說，創新能力是研發原創性和核心知識產權的科技能力，是社會進步、民族發展所賴以不斷開拓進取的民族精神力量。高等學校肩負著培養國家未來建設者和接班人的重要使命，如何有效地提升大學生的創新能力，已成為高等學校極為關注的焦點之一。

一、大學生創新能力的內涵與培養途徑

創新能力由創新意識、創新思維、創新技能構成[1]。大學生創新能力包括發現問題的能力、分析問題的能力、解決問題的能力，在解決問題過程中不斷發現新問題、實現新探索的能力，進而能不斷地推動事物的發展和社會的進步。創新能力主要是教育培養和社會實踐的結果。

近年來，各類高校結合本校的學科專業特色探索創新教育的有效途徑，既有一定成效，又存在不少問題。有的高校開設了諸多創新課程，學分構成中也專門劃分了創新學分，專門成立了創新創業學院，但在實際運行過程中形成了用硬性指標去概念化創新能力培養，忽略了創新能力是學生個體由內而外自發的主動思考和產生創意的過程[2]。有些高校從課堂教學與實踐教學、課程體系與教育體系三個層面入手，開展提升大學生創新能力培養的研究與實踐。例如，李俊卿提出提高課堂教學質量是培養大學生創新能力的關鍵，并從科學安排課堂教學內容、提高教師的教學科研水平、科學運用教學方法和教學手段等方面探討了提高課堂教學質量，培養大學生創新能力的途徑[3]。

李楊帆等提出將科研訓練融入課程教學過程，做到寓教于創新，將教師的科研工作與教學工作充分融合，使大學生在課堂和課程學習過程中得到科研創新能力的訓練[4]。于化東等強調實踐教學對培養學生的實踐能力、創新精神和創新能力有著理論教學不可替代的特殊作用，是培養大學生創新實踐能力的主要途徑。借助校內外創新實踐平臺，實現教學與科研、工程實踐、社會應用實踐，以及與國內外科技發展動態的結合，提升大學生解決實際問題的能力和實踐創新能力[5-7]。根據專業培養目標設置的課程之間存在連續性、延展性、關聯性等內在聯系，曾筱提出建立既要遵循學生的認知規律又要具有科學性和創新性的課程體系是創新能力培養的核心內容[2]。為了實現對大學生創新能力系統持續的培養，嚴薇等構建了由基本培養體系（包括實驗、實習、課程設計、畢業設計的）和個性化培養體系（包括科研訓練計劃、學科與創新競賽等）兩部分構成的大學生實踐創新能力培養體系[8]。

綜合上述，大學生創新能力培養涉及課程體系、學生個體、教學內容、教學方法與手段、教學模式、教師隊伍、教材建設、實驗條件與實踐平臺建設及其管理機制、科研、學術氛圍、課外活動等要素，它們在大學生創新能力培養過程中分別承擔著不同的角色與職能，相互作用、聯系緊密[9]。如何使這些要素多元協同培養大學生創新能力的研究尚未見報道。

二、構建分層次、模塊化的物理專業教育教學體系

物理學是理論與實驗融合一體的科學，經歷了跌宕起伏的創新發展過程，蘊涵了豐富的創新成果，在培養學生創新能力方面具有得天獨厚的優勢。我校物理教學團隊將創新能力培養作為系統工程，從創新能力培養諸多要素之間的多元協同視角，構建了通專融合、專創融合的分層次、模塊化的物理專業教育教學體系。實踐結果表明，通過理論與實踐、必修與選修、課內與課外、專業與素養等多元協同，使大學生創新能力培養績效顯著提高。

1.通專融合：提高大學生創新能力培養的成效

通專融合中的“通”是指通識類課程，包括面向全校理（不含應用物理學專業）、工、農類專業學生開設的大學物理和大學物理實驗公共類學科基礎課、自然科學與文化素養類選修課等。“專”是指面向應用物理專業學生開設的學科基礎與專業核心課。二者同屬物理學科，不僅存在共同的學科性質和重疊的力學、熱學、光學、電磁學、原子物理學等知識體系，而且存在共同的創新型人才培養目標，實施通專一體化課程建設，共同實施內容與資源、方法與手段、理論與實驗等多方面的教學研究與改革，可以提高課程群建設的成效。

教師隊伍是提高基礎課程群建設成效的決定性要素之一。實施通專一體化課程建設，首先需建設通專融合的教學團隊。我們將基礎物理教研室、應用物理學專業教研室、物理實驗教學中心等三個教學基層組織的教師整合起來，形成了一個“大團隊小課組”形式的通專融合教學團隊（見圖1）。將課程性質、內容相關性較強的課程組構成小課組，分別成立了力學與理論力學課組、熱學與熱力學統計課組、光學與光電子課組、電磁學與電動力學課組、原子物理與量子力學課組、物理實驗與技術課組等六個小課組。除物理實驗與技術課組外，課組一般由3～5位教師組成，每個小課組由教授或副教授領銜進行聯合課程建設。為了強化創新能力培養，每位教師均參加物理實驗與技術課組的課程教學與建設工作外，還承擔自然科學素養與創新創業選修課教學、創新實踐課外科技活動的指導工作。團隊教師既有專業課教學，又有通識課教學;既有理論課，又有實驗課;在承擔課程教學同時，指導學生課外科技創新實踐活動。在通專融合基礎上，實現了理論與實驗、第一課堂與第二課堂間的有機銜接，有效集約了教學資源，提高了大學生創新能力培養的績效。

2.專創融合：構建分層次、模塊化的物理教育教學體系

專創融合中的“專”是指以學生自行解決專業問題的物理專業知識和技能為教學的基礎，引領專業知識和基本價值觀融合，培育學生的世界觀、價值觀、專業責任感和批判精神等。“創”是指學生的創新能力。我們根據教育教學規律和學生循序漸進的認知規律，將專創融合的物理教育教學體系設計成三個層次，如圖2所示。

同時，針對不同學科專業人才培養要求和課程的性質與目標，又將各層次的教育教學分成公共類學科基礎課、應用物理專業基礎與核心課、自然科學與文化素養類選修課、創新創業類選修課、應用物理專業特色課、課外創新活動、應用物理專業實踐創新活動等模塊。各模塊既有側重又相互支撐，協同培養學生創新能力。層次性體現了科學的知識體系和循序漸進的認知規律，而模塊化體現了培養不同專業類型人才的需求和目標。

第一層次包括公共類學科基礎課、應用物理專業基礎與核心課模塊。以必修理論與實驗課為基點，將知識的先進性、實用性與交叉性有機融合，著重夯實學生的專業基礎知識與實驗技能，多課程協同培養學生的學習能力、理論聯系實際解決問題能力、創新興趣與創新意識。在教學思想上，從知識傳授向能力培養轉變，在教學過程中既注意加強學生基本知識和實驗能力的培養訓練，也注重引導學生進行探索性和研究性學習。向學生傳授專業知識與技能的同時，對學生進行創新方法與創新思維的啟蒙教育。

在傳統培養環節中，各門專業核心課的教學過程相對獨立，理論和實踐教學環節缺乏有效的聯系和承接，使學生的知識體系不夠完備，理論與實踐脫節。為此，我們進一步優化“大團隊小課組”，構建了通專融合、專創融合的教學團隊。團隊教師既有專業課教學，又有通識課教學;既有必修課，又有選修課;既有理論課，又有實驗課;既承擔課程教學，又指導課外科技創新實踐活動。將先修與后修、必修與選修、理論與實驗、課內與課外有機銜接，實現了相關方向課程教學內容及實踐環節的深層次融合，為將創新能力培養有效貫穿于全過程奠定了堅實基礎。

第二層次包括面向全校學生開設的自然科學與文化素養類選修課、應用物理學專業的創新創業類選修課及特色課程等模塊。在第一層次基礎上，第二層次以選修課為延伸，實施以學科交叉和綜合性為背景的個性化培養方案，將創新性人才培養落實到具體的實踐環節中，進一步提升學生獨立思考的能力、激發學生學習興趣，著重培養大學生科學素養和創新能力。我們將物理發展的社會文化背景、世界觀、方法論等課程文化融入教學體系，開設了“宇宙的奧秘”“納米科學與技術導論”“物理與當代科技”等自然科學與文化素養類選修課，以及“物理實驗研究與創新訓練”“大學生創新發明素質培養課”“現代物理知識與創新應用”等創新創業類選修課，并根據科技發展不斷動態調整，增設課程。在鞏固學科基礎課的創新思想、文化和意識的基礎上，通過介紹物理學發展過程、最前沿物理動態，強化文化育人，培養學生的創新思想、文化和意識;在創新創業類選修課中，分別開設了“物理學與海洋工程與技術”“生物學”“水產養殖”等具有學科交叉特色的實驗項目，使實驗教學內容與科研、工程、社會應用實踐密切聯系，多學科交叉協同培養學生創新能力。我們還通過開發出的研究性、創新性物理實驗項目培養學生的創新能力，為學生課外創新實踐活動的順利開展奠定基礎。

第三層次為面向全校學生開設的課外創新活動及應用物理學專業的畢業論文等實踐活動模塊，重點培養學生獨立解決問題的創新實踐能力、競爭意識和社會責任感。為了搭建協同創新平臺，我們將學校的遼寧省物理實驗教學示范中心、遼寧省海洋生物物理重點實驗室和生物醫學工程重點學科等優質資源進行整合和共享，并建立了科學合理的平臺開放運行模式，使更多的在校學生受益，更好地滿足大學生創新能力培養的需求。我校遼寧省物理實驗教學示范中心承辦了校級物理學術競賽、組織學生參加遼寧省物理學術競賽、遼寧省普通高等學校本科大學生物理實驗競賽等大量課外科技活動。遼寧省海洋生物物理重點實驗室也加強了對本科生的開放力度，為教師指導本科生設立了實驗室開放課題，并將科研成果課題轉化成研究性實驗項目、畢業論文題目，引領本科生參加教師的科研項目、申請專利、發表學術論文等。生物醫學工程重點學科在為大學生營造學術交流氛圍的同時，開展了本碩貫通試點項目，打破高年級本科生與研究生教育之間的隔離，實行本科生與研究生的貫通式培養，把大學生專業知識學習與能力培養結合起來，使課程學習和科學研究全程融合，為優秀本科生較早地參加科學研究創造了條件。

三、大學生創新能力培養研究與實踐成效

“通專融合”“專創融合”的分層次、模塊化物理教育教學體系引導學生打破學科壁壘，擺脫封閉孤立的課程束縛和禁錮，循序漸進地學會運用物理學的原理、觀點和方法，采取交叉思維的方式去探究復雜多樣的未知世界，為各專業學生創新創業奠定基礎。

1.分層次、模塊化物理教育教學體系得到多方認可

我校分層次、 模塊化物理教育教學體系從研究、構建到實施歷時近十年，取得初步成效，其間發表相關教研論文20余篇，并通過了同行專家鑒定。這一新體系符合我校學生的特點和實際情況，并固化在2016版和2019版的人才培養方案中。基于多年的研究與實踐，我校完成的“依托物理教學科研實驗平臺 協同培養大學生創新能力的研究與實踐”“構建三位一體教學團隊 協同創建一流課程群的研究與實踐”分別于2013年和2020年榮獲遼寧省普通高等學校本科教學成果一等獎。

2.“通”“專”協同的課程建設和專業建設效果突出

課程是人才培養的核心要素，課程質量直接決定人才培養質量。實施“通”“專”協同的大學生創新能力培養，提升了相關課程的建設水平，我校通識課大學物理、專業基礎課力學、光學、物理實驗等課程均獲評省級一流本科課程，農科類大學物理課程還獲評首批國家級一流本科課程。此外，物理學導論和宇宙的奧秘兩門課程入選本校首批課程思政試點課;力學和光學兩門課程入選本校首批課程思政示范課。與此同時，以一流課程為支撐的應用物理學專業獲評省級一流本科專業。

3.“專”“創”協同培養大學生創新能力成效顯著

近年來，我校應用物理學專業本科生每年都能有國家級大學生創新創業訓練計劃項目獲批，每年都能獲得20個省級以上創新創業大賽獎項，在校本科生申請專利、發表研究論文已成常態，多名學生以創新創業成果獲得研究生推免資格或研究生入學免復試資格。應用物理學專業畢業生的就業、升學和創業穩中向好，大部分畢業生都能在就業單位獲得較好發展。

參考文獻：

[1] 肖放鳴. 大學生創新能力培養約束因素及國家與社會責任[J]. 求索，2010（7）：171-172.

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[3] 李俊卿. 提高課堂教學質量 培養大學生的創新能力[J]. 中國大學教學，2010（1）：56-58.

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[6] 王永利. 產學研合作教育與大學生實踐創新能力培養[J]. 江蘇高教，2011（2）：137-138.

[7] 李輝. 建設創新實踐平臺 提升大學生創新能力[J]. 中國高等教育，2013（17）：57-59.

[8] 嚴薇，袁云松. 大學生實踐創新能力培養的探索與實踐[J]. 中國大學教學，2012（9）：78-80.

[9] 汪靜，胡玉才，遲建衛.? 協同培養大學生創新實踐能力的研究與實踐[J]. 實驗技術與管理，2013（9）：19-21.

[項目資助： 教育部第二批新工科研究與實踐項目“新工科引領新農科大學物理課程混合式教學方法研究與實踐”，項目編號：E-SXWLHXLX20202609]

[責任編輯：夏魯惠]