根據學生學習情況探討新工科背景下大學物理課程改革*

李景娟

(國家開放大學教務部 北京 100039)

鄒 斌

(中央民族大學理學院 北京 100081)

王 霞

(中國人民解放軍陸軍防化學院基礎部 北京 102205)

張榕禎

(國家開放大學工會 北京 100039)

大學物理以中學物理和高等數學為基礎，內容涵蓋力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等，其涉及的概念、規律、原理、定理以及研究方法等是理工科專業后續課程學習的基礎，同時在培養學生觀察問題、分析問題和解決問題等方面也具有其他課程不可替代的作用[1]，大學物理是高等院校工科各專業必修的一門基礎課程.

在我國高等教育積極推進新工科建設的背景下，對于工科專業的學生，大學物理課程的學習在專業課學習、繼續深造或工作就業方面到底有沒有幫助？不同專業的學生對大學物理的認識和學習態度如何，學習難點和解決方法是什么？在線學習大學物理是否可行？為了回答這些問題，全面了解工科專業大學物理學習情況，本文面向全日制高等教育工科相關專業在讀學生，就大學物理學習情況進行了問卷調查，對收集到的數據進行整理分析，并根據調查結果對當前工科專業的大學物理教學進行了思考，提出了提升教學效果和質量，有效開展教學改革的建議.

1 問卷設計與發放及回收情況

1.1 問卷設計與發放

全日制高等教育工科相關專業在讀學生物理學習情況調查，旨在了解普通高校工科學生物理課程的學習情況及大學物理在專業學習以及就業和繼續深造中的作用和地位.針對此目的，問卷題目涉及了中學物理學習情況和自我評價、大學物理課程對專業學習以及就業和繼續深造的幫助、對理工科學生的影響、大學物理學習難點和學習方法，以及在線學習大學物理的可行性和設計方法等內容，共19道題目，除就讀學校、專業和性別以外，均為選擇題題型.

問卷通過微信、QQ等渠道向多所高校在讀生進行了發放，發放主體包括大學物理課程教師和輔導員等學生管理人員，共收回有效問卷1 031份.

1.2 樣本來源

參與調查的1 031名學生來自32個省、市、自治區，覆蓋了全國大部分生源地.其中陜西省生源最多，有128名，占比12%；接下來是河南省和山東省，學生數量分別為92名和84名，占比分別為9%和8%.來源高校主要有中央民族大學、北京化工大學、西北農林科技大學、哈工大威海分校、北京林業大學等，涵蓋了211高校、985高校以及普通高等學校，比較具有代表性.學生就讀專業涉及材料、信息、測控、電氣工程、機械、農業機械、林學、自動化等相關的工科專業.其中機械類專業占比最大，達35%；第二、三大類分別為自動化類和電子信息類，占比分別為14%和13%.涉及專業基本涵蓋了工科的常見專業，能夠代表普通高校工科學生的物理課程學習情況.

2 調查數據分析

根據回收的問卷數據，可以了解普通高等學校工科相關專業學生物理課程的學習情況，以及對大學物理課程的學習態度，經過研究分析可以得到以下結論.

2.1 中學物理學習情況與物理學習興趣相匹配

通過調查發現，有34.14%的學生認為自己的中學物理學習得“很好”，58.29%的學生認為學得“一般”，7.57%的學生認為自己的中學物理學得“較差”.與之相對應的是，有37.63%的學生對物理的態度是十分感興趣，希望多學一點；52.67%的學生對物理的興趣是一般，無所謂；9.7%的學生對物理不感興趣，不想深入了解，調查結果如圖1所示.

(a)中學物理學習情況

比較圖1(a)和圖1(b)可以看出，兩組數據的比例極為相似.可見，學習興趣是學生在學習活動中的心理選擇和傾向，是內在動機在學習時的具體體現，是影響學習效果的重要因素.

2.2 大學物理學習對就讀專業的學習、就業和繼續深造有較大影響

81.96%的受訪學生認為，大學物理對專業課的學習有幫助，有助于對專業知識和技能的理解，提高學習效果.76.92%的學生認為大學物理學習對本專業就業和繼續深造都有很大的影響，有必要進行系統深入的學習，如圖2所示.可見，各全日制高校重視物理教學，將大學物理作為理工科必修的專業基礎課的做法與學生需求完全契合.

圖2 調查學生對大學物理和專業課學習以及就業、深造的關聯性認識

2.3 大學物理課程對理工科專業很重要

除本人就讀的專業以外，認為能否學好大學物理課程對理工類學生有較大影響、理工科專業應該開設大學物理課程的被調查學生占比分別為88.55%和88.46%，兩個數據基本一致(如圖3所示).

(a)大學物理對理工類學生是否有較大影響

從絕對數值上看，僅相差1名受訪者.可見，從學習者的角度來看，物理學在理工科專業的學習中占有重要地位，是后續專業課程學習的基礎.從知識體系來看，物理學是研究物質世界最基本、最普遍規律的學科，也是科技發展的理論源泉，是其他自然科學和應用型學科發展的基礎.大多數應用型的工科專業都需要學生具有一定的物理學知識，且不說對物理知識要求較高的機械類、土木工程類、材料類等傳統專業，即使是計算機類、信息類等專業也需要具備基本的物理學知識.而且大學物理的學習能夠培養學生的邏輯思維以及解決實際問題的能力，因此，是否能學好大學物理課程，對理工類學生來說是有較大影響的.

2.4 大學物理學習的難點來源于3個方面

雖然大多數受訪學生都認識到了物理學習的重要性，認為大學物理對理工科專業很重要，但有超過80%的學生認為大學物理較難學習，其中17.07%的被調查者甚至認為學習難度非常大；只有1.45%的學生感覺很簡單，容易理解；16.49%的受訪學生認為不太難，經過課后自學或復習都能掌握(如圖4所示).

圖4 調查學生對大學物理的難度認識

對調查結果進行仔細研究分析可以發現，認為大學物理的學習難度較大的原因主要集中在3個方面.

一是學習者自身方面.一方面是學習動力不足，導致學習難度較大，受訪者中，真正對物理感興趣的只有37.63%，其他為一般或不感興趣[見圖1(b)].愛因斯坦說過“興趣是最好的老師”，只有對物理產生了興趣，才會不畏困難、主動思考，才有勇于探究、努力學習的積極性.另一方面是基礎知識掌握不牢，導致新內容的學習難度大.大學物理是中學物理的延伸擴展，在中學物理的基礎上加入了更深刻更本質的內容，增加了知識深度，擴大了應用范圍，同時還用到大量高等數學的知識.有59.46%的受訪學生認為大學物理學習困難的原因是“高等數學運算和物理推理過程太難”(見圖5)，中學物理和高等數學基礎薄弱，必將導致在大學物理學習過程中異常吃力.

圖5 大學物理學習難度大的原因分布

二是課程內容和設置方面.除“高等數學運算和物理推理太難”以外，選擇人數排前三的大學物理學習困難的原因分別為：概念、公式等內容多，課時少(63.43%)；物理模型構建困難(49.56%)；脫離生活實際，過于抽象(44.91%)(見圖5).大學物理課程涵蓋了力學、熱學、電磁學、光學、近代物理多個模塊，知識點多，但課時安排往往較少，導致教師將教材內容全部講完都很緊張，因此多數教師都是照本宣科，將必講內容填鴨式灌輸給學生，較少進行深入的原理分析和交流探討，在這種情況下，學生很難進行系統化的深入學習，根本了解不到物理的魅力.

三是講授方法方面.物理學其實是與實際生活聯系比較緊密的一門科學，之所以有44.91%的被調查學生認為其“脫離生活實際，過于抽象”，與教師的講授方法有很大關系.超過60%的被調查學生認為大學物理應側重于“概念的深度講解、疑難點的詳細分析以及理論知識與實際應用的結合案例”(見圖6).可見，知識點講不透、疑難點說不明是目前大學物理教學過程中存在的問題.如果教師能夠將知識點拆分講解，按照相關性將知識專題化進行講解，并將抽象內容具體化、深奧內容生活化、枯燥內容活潑化，必能提高學生的學習興趣，并有助于學生對物理知識的掌握和吸收.

圖6 被調查學生認為大學物理需要側重的內容分布

2.5 大學物理單純線上教學難度較大

隨著信息技術的發展，利用網絡自主學習已經成為當代大學生獲取知識的一個重要途徑，關于網絡自主學習大學物理的實踐與探索也已經有很多報道[2～4].根據本次調查回收的問卷數據，大學物理網絡教學設計和在線課程建設必須注意以下幾點.

一是教學方式必須是線上線下相結合的模式.關于大學物理課程的網絡教學，僅有31.62%的受訪者認為通過網絡在線學習完全可以學好大學物理；58.78%的受訪者認為單純的在線學習有一定難度，輔以線下輔導可以學好；另外還有9.6%的受訪學生認為在線學習大學物理難度很大，必須實地課堂講授(見圖7).

圖7 在線學習大學物理的可行性

二是在線課程建設必須運用多種媒體輔助手段.包括文本、圖片、PPT等教學媒體，視頻動畫，模擬仿真軟件以及虛擬現實技術等(如圖8所示)，在呈現方式上應以圖片、動畫和教師講解視頻為主，少量文本為輔(如圖9所示).

圖8 網絡學習需要提供的輔助工具

圖9 網絡學習課程呈現知識的方式

三是在線教學資源中呈現字幕.有60.23%的受訪學生認為需要全程呈現字幕(見圖10)，但對教師形象的呈現沒有明顯性傾向.

圖10 網絡學習課程視頻資源中需要呈現字幕的占比

3 工科專業大學物理課程教學改革探究

為了更好地發揮大學物理為工科專業建設服務的作用，應打破大學物理課程的內容體系，加強大學物理與專業課程的銜接，改進教學方式，多方位提升學生的學習動力.

3.1 突出知識的更新和知識體系的銜接 改進教學內容

在新工科背景下，大學物理的教學既要強調物理基礎知識、基本概念的講解以及科學素養和邏輯思維的培養，又要注重課程內容和專業知識的銜接，為專業課程的開設提供有力的知識支撐.這就要求根據不同專業的需求，適當調整大學物理課程的教授內容，促進大學物理課程與專業知識的融合，幫助學生建立所在專業需要的知識體系.如機械類專業可以側重講解力學中的質點力學、剛體力學，電磁學中的穩恒電流、電磁場，熱學中的熱力學等內容，適當弱化光學、量子物理學等方面的內容，同時控制好難度和廣度，對于理論性強的內容適當進行變化，重點講解物理思想濃、專業應用廣的內容.在具體授課時引入專業具體情境，如講解電磁學時引入各類型的傳感器，研究其特性；講解剛體轉動時引用齒輪在設備中的運用等.如果能為某專業量身打造適用的大學物理課程內容，勢必能激發學生的學習興趣，同時提升教學效果，從而更加有效地服務于專業建設.關于這方面的研究也已有諸多報道，如大學物理課程模塊化教學改革[5]，結合專業特色的大學物理教學改革研究[6]，“新工科”視域下土木工程專業“大學物理”課程改革等[7].

另外，考慮到工科專業的應用性，應適當刪減經典物理學的內容，添加近代物理學和物理應用知識的內容.尤其是近些年來科技和工業發展迅速，高新技術中往往包含了基礎物理知識，前沿課題中往往蘊含了基礎物理理論.因此，大學物理課程可以根據各專業領域的新技術、新發展，結合教材內容，不斷地將生產生活中發展出的新知識和工程實踐中正在使用的新技術充實到課堂教學中來.

3.2 充分利用現代信息技術 改革教學手段

問卷調查結果顯示，在大學物理學習中遇到困難時，71.87%的學生通過“網絡搜索相關資源”來解決問題，超過了“請教老師或同學”的比例.可見，信息技術的發展已經改變了學生的學習方式，多媒體資源能夠從視覺、聽覺等方面對學生不同感官產生有效刺激，能有效激發學生的學習興趣和學習欲望，而紙質教材加黑板板書的傳統教學形式已經很難抓住學生的興趣點和注意力.因此，要想改善教學效果、提升教學質量，大學物理教學應充分利用現代信息技術改革教學手段，開展網絡輔助教學，將聲像處理技術、視聽技術與課堂教學科學合理地結合，實現課堂教學過程最優化.一方面，網絡輔助教學能打破時間、空間和資源的限制，實現網絡資源共享，不僅能夠形成多元化的教學環境，彌補課堂教學的不足，學生也可以根據自身基礎，選擇所要學習的內容和適合自己的練習形式，滿足不同層次的學生獨立學習和研究的需要.另一方面，網絡輔助教學采用多媒體技術可以更完整、更形象地展示物理模型，甚至是利用動畫技術模擬演示器件的運行、提供靜態圖形缺少的運動景象，從而將晦澀難懂的物理知識、理論、模型直觀地展示出來，更有利于學生從本質上把握物理規律、掌握物理原理.

需要強調的是，網絡教學只能是輔助.由于物理學是一門以實驗和觀察為基礎的自然科學，具有模型化和實踐性的特點，概念理論等理解難度大，因此，課堂教學和實驗教學不能少.正如調查結果顯示的，單純的在線學習大學物理有一定難度，必須線上線下相結合(見圖7).

3.3 強調理論聯系實際 增加實踐環節 激發學習興趣

總之，對于工科大學物理的教學，必須從教學內容、教學手段和教學方式等各方面進行改革，使之符合工科專業的知識體系，符合工科學生的學習特點.尤其是內容體系的設計，要強調理論在實際中的應用，做到理論聯系實際，同時加強與各專業課程的銜接，充分發揮該課程為專業建設服務的作用.