新工科背景下大學物理課程改革探索

吳海平，錢 彥，闞二軍

（南京理工大學 理學院，江蘇 南京 210014）

大學物理是高等院校理工類專業學生在低年級必修的一門重要基礎課，它是關于物質的基本結構、相互作用、其基本的運動形式及其相互轉化規律的課程，介紹的是“物”之理，也就是物質世界最基本最普遍的運動規律，因此，本身既是科學，同時又是高層次、高內涵的文化。物理學具有徹底的唯物主義精神，堅持“實踐是檢驗真理的唯一標準”的原則，堅持“實事求是”的科學態度。通過學習大學物理課程，同學們更深刻地認識到了物理學是一門不斷發展的實驗科學，不但學到了物理學的基本規律，加深了對物理學知識的理解，更重要的是從課程中得到了教益，開闊了眼界。物理學滲透社會科技的方方面面，并且，隨著科學技術的發展，目前已形成了物理學為中心的各個交叉學科。因此，物理的基本理論支撐著自然科學的各個學科專業領域，其既是工程技術類專業，同時，它又能有效提高人們的科學文化素質，并且能夠很好地培養人們的想象力、創造力和創新力，培養人們用科學知識看世界變化，堅持科學和真理，辨別真偽，破除偽科學，從而提升整個社會的和諧科學發展。

通過學習大學物理課程，一方面可以讓學生系統地學習和掌握物理學的基本理論、研究問題的思路和方法，培養學生建立物理模型、定性定量分析、估算與計算和綜合分析等方面的能力，使學生開闊思路，激發探索和創新精神，提升學生的基本科學技術素養；另一方面，也能使學生學習和運用抽象思維方法，抓住主要矛盾，忽略次要因素，對研究對象做出合理分析、簡化和表達，并使學生能夠結合工程專業的相關背景知識，對復雜工程問題進行綜合分析，提出滿足特定需求的系統、單元部件或工藝流程等方面的解決方案，最終獲得有效合理的結論。通過學習大學物理課程，還可以樹立學生實事求是、求真務實的科學態度和辯證唯物主義的世界觀。使學生能夠正確理解和認識解決復雜工程問題的實踐對環境、社會可持續發展的影響，加強建設新時代社會主義的責任感和主人翁意識。

2020 年，習近平總書記在科學家座談會上高屋建瓴地指出：“我國面臨的很多‘卡脖子’技術問題，根子是基礎理論研究跟不上，源頭和底層的東西沒有搞清楚。”2020 年11 月1 日，著名科學家薛其坤院士在深圳舉辦的全球創新人才論壇上指出，越是基礎的，越具有顛覆性，越具有創新性；同時，還提出了將本科4 年制改成2+2 或3+1，即前2 年或3 年為基礎教育，第3 年或第4年開始采用全新的跨學科教育，培養學生的多學科能力，實現從跨學科本科生到跨學科研究生的無縫銜接。本校研究生導師亦希望招收到具有扎實基礎理論知識的本科生，如本校的重點實驗室、材料學院等多次希望、歡迎理學院應用物理專業的本科生能夠繼續攻讀他們專業的研究生。可見，各層面、各領域對基礎課程的重視和需求。基礎理論課程就如科學技術金字塔的塔基，只有塔基堅實鞏固，塔身才能建的穩，建的高，才能解決“卡脖子”問題，才能創造出新科技，推動人類文明的往前發展。所有科學技術，都不開物理基礎理論，而大學物理作為大學里的基礎課程，在為大學生構筑物理基礎理論知識體系中起著首屈一指、不可替代的作用。2017 年2 月18 日，教育部在復旦大學召開了高等工程教育發展戰略研討會，形成了“‘新工科’建設復旦共識”。隨后，教育部于2017 年2 月20 日發布《教育部高等教育司關于開展新工科研究與實踐的通知》，啟動“新工科研究與實踐”項目。再后，2017 年4 月8 日，教育部在天津大學召開新工科建設研討會，形成新工科建設的愿景與行動路線，即“天大行動”。2017 年6 月9 日新工科研究與實踐專家組成立暨第一次工作會議在京召開，全面啟動、系統部署新工科建設。30 余位來自高校、企業和研究機構的專家深入研討新工業革命帶來的時代新機遇、聚焦國家新需求、謀劃工程教育新發展，審議通過《新工科研究與實踐項目指南》，提出新工科建設指導意見。又稱為“北京指南”。國家如此重視新工科發展，那么，在新工科背景下（尤其是以工科為主的理工科大學），如何建設大學物理這門課程、如何為工科學生強基礎就顯得尤為重要。

為了培養優秀本科生，因此很多學校也啟動了教學改革，大多從基礎課程試點，由此可見各類高等院校對基礎課程教育的重視。那么從學校、學院、系等各層面來講，我們應該避免什么有用教什么的趨向，這是對學生的未來負責，對學生以后的進一步發展負責，對學生往更深層次發展負責；這也有利于未來的杰出校友回饋母校、有利于學校的發展。

為了抓住學校教學改革這個契機，大學物理教學團隊對各類高水平高校（如東南大學、北京理工大學）的大學物理課程教學進行了充分的調研，在學分方面，東南大學、北京航空航天大學、北京理工大學都為4+4，復旦大學為5+5；非雙一流高校山西大學為4+4；然后在基礎學分的基礎上再加上進階部分的學分，如東南大學進階1、進階2、進階3，每個進階課程設置了相應的學分，充分體現了各高校對基礎課程的重視。

我們在調研基礎上，并結合本校實際情況，提出了如下改革方案。

1.有效融入德育：無論何時何地，“立德樹人”始終是社會各層面一致追求的培養人才的目標。在課堂教學中，我們采用多種教學方法相結合的方式，力求從中提煉出可供大家共享的精神財富，從而引導學生樹立社會主義核心價值觀，成為具有創新精神的、堅毅自信的優秀人才。把“立德樹人”放在首位，在課堂中潛移默化地有機增加德育的內容，避免為了德育而德育。這樣，不僅可以幫助學生理解相對繁瑣和枯燥的物理定律，而且可以與歷史資料或者實際生活中的事例相結合，提高學生的學習興趣。同時，我們從中提煉出的精神財富，留給學生去體會和總結應該得到的啟示，在培養學生科學素養的同時，加強思想教育，例如，提高學生為國奉獻的思想意識；增強學生學習的自信心；培養學生敢為人先、不忘初心、堅守正道的理念；培養學生的科研意識和團隊合作精神；充分激發學生對本專業的熱愛，提高積極性和創造性等等。通過課堂教學、輔導答疑、批改作業等教學環節的實施，引導學生樹立社會主義核心價值觀，提高其為國為民的思想素質，培養其實事求是的科學態度，以及自信樂觀，不畏艱難，積極進取，奮發圖強的奉獻精神。

2.豐富教學方式：根據當代大學生特點和現有條件，增加、豐富教學方式。采用以大班上課為主，充分利用“互聯網+”技術，并結合各個老師根據各班情況建立QQ 群等方式。大班上課內容主要為老師講授教學大綱規定的教學內容；“互聯網+”主要利用MOOC 等已有在線資源，同時，建立大學物理專業網站（網站框架已基本建成），搭建全體學生與整個團隊老師之間的交流平臺，同時放置其他供學生課后自主學習的內容，具體如圖1所示，積極引導激發學生的參與主動性。另外，有條件的團隊應該力爭設計一些簡便、有趣、具有學生參與性的課堂演示實驗，物理本來就是一門實驗科學，因此，課堂演示實驗可以說對教學效果來講是極其重要的，其可以激發學生的學習興趣，調動整個課堂的學習氛圍，使學生在實踐中掌握理解物理學原理。

圖1 大學物理網站首頁截圖

3.改進教學內容：強化基礎、重視引導、適用面寬，更好地適應新工科的發展要求。大班課堂講學中根據學時、適量引入相關物理學基礎知識在現代高新科技中的應用，如電磁學部分、5G 技術中的物理學基礎、特斯拉電動車電機中的物理學基礎、北斗導航中的物理學基礎。由于課堂學時有限以及紙質教材內容更新慢的缺陷，我們將建設大學物理專門網站并將部分內容放置于網站，保證知識更新的及時性，同時，也作為紙質教材的有力補充。網站的主要功能和內容如下，科學新聞模塊，讓學生實時了解掌握科學技術的最新發展；物理學史模塊，介紹相關物理知識點的來龍去脈。物理學史研究人類對自然界各種物理現象的認識史，研究物理學發生和發展的基本規律，研究物理學概念和思想發展以及變革的過程，科學家怎樣不斷開拓新領域，怎樣產生新的飛躍，它的各個分支怎樣相互滲透，怎樣綜合，又怎樣分化。只有了解物理學史，才能更深刻認識物理學的宏偉壯觀，從而使學生對知識點的理解更為透徹，而且，物理學史中蘊藏的精神財富值得我們去發掘，從中吸取營養，獲得教益，對我們的教育事業和人才培養都有很大的益處，如果學時允許的話，也可以在課堂教學中適當地以相關領域的物理學史為支點開展一定的德育教育，教學過程中，我們就某一事件，某一項發現或者某一位科學家的成就進行充分的揭示，說明其前因后果、來龍去脈，不僅介紹有什么，還介紹為什么。我們會介紹為什么會出現那樣的事件，為什么會發生新的突破，為什么會造就偉大的人物等等，并從中提煉出其中的精神財富。通過真實的歷史、實際的資料、生動的情景，把學生引入歷史的氛圍，讓他們自己體會，自己去總結應該得到的啟示；物理雜談模塊，介紹物理學知識各種生活領域中的體現，如烹飪技術中的物理等，進一步激發學生對物理學的興趣；答疑解惑模塊，針對各個教學班學生的問題，以文字、甚至錄制視頻等模式的解答，讓所有學生都能了解到大家所理解透的知識點；奇思怪想模塊，讓學生天馬行空地記錄展現自己的想法，可以是科幻型，可以是現實型，充分激發、發揮學生的創造力、創新力、想象力，只怕想不到，沒有做不到，積極參與的學生，可以將其記錄到平時成績中；虛擬項目模塊，由大學物理團隊老師提出一個設想項目，讓全校學生參與到這個項目執行設計中來，當然，首先完成設計，有條件的話后期可以與實驗室合作，完成現實實驗，優秀可行的項目可以進一步參與各類創新創業競賽。仿真演示實驗，由于現實演示實驗的局限性，我們力爭在能力所及范圍內制作一些仿真演示實驗，從而使學生在課堂上能更深層次地理解物理知識點。

4.優化學分設置：目前，縱觀我國高等院校，對于大學物理課程的學分設置為大于等于8 學分，小于8 學分，就其學分設置規律，主要與相應高等學校的水平基本成正比關系，比如東南大學、北京航空航天大學、北京理工大學、復旦大學等985 高校都至少設置了8 學分及以上，甚至包括一些非雙一流學校（山西大學8 學分）。從這里也說明大學物理課程對于大學生以后發展的重要性，而培養學生的水平會在未來影響學校的聲譽，甚至以后學校的可持續發展。我們也發現一些大學物理課程學分小于8 學分的高校，大學物理團隊的教師往往需要在正常學時結束后依舊為學生補課的情況，這樣對學生自己學習時間的安排以及期末考試時間的安排都會帶來一定的影響；甚至有的高校，大學物理的學分只有6 學分，這樣由于學時原因，老師講的就不夠深入，學生學的也很淺，這會影響他們以后的發展，包括對一些問題的理解、分析和解決方案的設計等等。

對于學時不夠的高校，提出基礎+進階的解決方案，即設置“基礎+進階1+進階2”的學分設置模式。基礎+進階1 為總必修學分，進階1 的內容融入到基礎部分，但是為了在規定學時下完成教學任務，將采用調整原先部分純理論案例的措施，替換為適量的相應知識點在目前高新科技中的應用案例。這部分進階1 內容只能適量，但是作為基礎課程，需要夯實所有理工科專業學生物理學基礎知識，不能分專業，這一點也是其他高水平院校統一認可的，同時，這也為我們本科生的進一步深造打好堅實的物理基礎。進階2 部分，為了避免必修學分上的沖突，我們擬采用選修課的形式開設，總共分2 大模塊：進階2 大學物理I（力學+波動學+熱學），進階2 大學物理II（電學磁學+光學+近現代物理），每個模塊分別設立2 個學分的學時。這2 大模塊可供全校所有學生選修，亦不分專業，這樣，既可以滿足各個分院在強基礎要求上進一步強化各自相關領域模塊的要求，也可以滿足不同專業學生自身的興趣和進一步深造/轉專業等的知識需求。

學生修讀大學物理基礎+進階1 課程之前，必須有高等數學基礎知識，基礎+進階1 為必修課程，進階2 為后續高難度的選修課程，選修每個進階2 模塊之前必須修完相應內容基礎+進階1 的必修課程。不限定學生修讀學期，但建議在選修學期內修讀。

教學改革，首先要改包括相應課程的教學團隊老師。大學物理在我國高等院校都是以全校學科基礎課形式開設，因此，教學團隊必須要有足夠數量的老師，年齡梯隊、職稱分布合理，要由教授、副教授和講師合理組成，老、中、青相結合。同時，要定期適時邀請青年教師加入教學團隊，并對其進行崗前培訓，達到課程團隊要求后上崗，使得大學物理團隊形成可持續發展勢頭；此外，定時適時安排教師參與各類教學交流活動，同時，也邀請各類教學名師來學校交流；在條件允許情況下盡量開展演示實驗和仿真演示實驗的制備；建立大學物理網站，以便補充教材內容和增加交流平臺。