“新工科”背景下“大學物理”教學改革的探索與實踐

周 雪，楊 旭

（重慶工商大學 人工智能學院，重慶 400067）

2017年以來，教育部積極推進“新工科”建設，先后發布了《關于開展新工科研究與實踐的通知》《關于推進新工科研究與實踐項目的通知》[1-3]。在“新工科”背景下，高等院校要培養具有扎實專業知識的工程技術人才，增強人才的創新能力，以滿足各項新技術、新模式、新產業飛速發展對人才的需求[4-5]。當前，技術的發展日新月異，理工科專業的劃分也越來越細致，但普遍存在專業性更強、應用性更強、創新性更強等特點。面對該學科發展趨勢，各理工科專業課程的知識深度、應用性、創新性相繼提高，理工科學生需要扎實的物理知識作為支撐，才能在后續的專業知識學習中融會貫通。因此，“大學物理”課程是各學科學生學習專業知識的基礎，更是新工科人才培養的關鍵。“新工科”背景下的“大學物理”課程，不僅要讓學生掌握基礎的物理知識，更要結合當前的科技發展形勢，讓學生了解物理學與各學科的交叉融合所產生的新技術、新方法，培養學生創新思維，進而培養具有新思維模式的應用型人才。

目前，“大學物理”課程通常在本科一年級開設，分兩學期進行授課，多采用傳統的授課方式，授課過程以老師講述為主。首先，初入大學校園的學生剛剛經歷完高考，部分學生心態放松，加之智能手機、互聯網、游戲產業飛速發展，部分學生很難抵抗眾多娛樂形式的誘惑，導致對課程的重視程度不夠，對學習產生懈怠心理，進而出現上課注意力不集中、玩手機等現象。其次，部分學生習慣了中學階段的學習方式，喜歡固定的知識點和解題思路，不善于獨立思考，對知識不求甚解，導致學生在面對復雜的專業知識和具有較強應用性的實際問題時束手無策，不利于創新型、應用型人才的培養。最后，學生在中學期間有家長和老師每天督促學習，進入本科階段，許多學生沒有養成自主學習的習慣，而本科一年級、二年級是引導學生養成良好學習習慣的重要時期。因此，在“大學物理”課程中開展教學改革，提升課堂效率與物理知識的學習效果，引導學生培養獨立思維模式與自主學習習慣是“新工科”建設的需要。

1 工科“大學物理”的知識體系和課程屬性

“大學物理”是所有工科均需開設的基礎必修課，在本科教學體系中，“大學物理”課程通常在本科一年級下學期開始開設，分成上、下冊進行授課，持續一學年。因此，“大學物理”課程具有開設時間早、課程周期長、受眾廣的特點。“大學物理”課程包含力學、熱學、電學、光學、原子物理及量子力學基礎等多學科內容，知識范圍廣，涉及大部分自然科學的基礎知識點，是理工科學生打基礎的關鍵課程。理工科學生學好“大學物理”，對后續專業課程知識的學習和理解有很大的幫助[6-8]。例如機械類專業的學生一般需要學習“電工與電子技術”“機械原理”“工程力學”“工程制圖”等專業課程。這些課程的專業性強，一般直接進入主題，需要學生有初步的力學、電學知識作為基礎；對于通信、測控專業的學生，可能會開設“電工原理”“測控技術與系統”“數字圖像處理”“光電檢測技術”等專業課程。這些課程以“大學物理”中的力學、電磁學、光學知識作為基礎，甚至需要初步的原子、量子知識。因此，“大學物理”在工科各學科中起至關重要的作用，是工科類專業學生學習專業知識的基礎。

2 工科“大學物理”課程實施改革的必要性

2.1 引導學生培養獨立思考意識和自主學習習慣

“大學物理”課程的開設時間通常為本科一年級至二年級，正是學生學習模式和生活模式從中學向大學轉變的關鍵時期，是學生培養獨立思維和自主學習習慣的關鍵時期。在中學的學習模式下，學生通常不用過多思考，知識點由老師反復總結和強調，解題思路比較固定，養成了“按套路做題”的習慣，缺乏獨立思考的意識，許多學生進入大學后產生了懈怠的心理。這些問題的苗頭通常出現在本科一年級至二年級階段，因此，本科初期對學生思維模式的轉變與良好學習習慣的養成至關重要。

“大學物理”課程的開設時間正好處于這一關鍵時期，傳統的教學模式授課形式單一、課堂比較枯燥，學生很容易被游戲、手機等娛樂形式吸引。因此，在教學過程中開展課程改革，改變傳統的教學模式，結合“對分課堂”“翻轉課堂”等創新課程模式，提升課堂的趣味性，引導學生積極參與課堂、獨立思考、自主學習十分必要[9-10]。

2.2 提升課堂效率和專業知識學習效果

“大學物理”課程的授課內容包含各物理學科的基礎知識，內容多、體系比較復雜。傳統的授課過程通常采用單一的講述式教學，只關注知識的講解，比較枯燥，學生的注意力容易分散，學習積極性不高。開展課程改革可以在知識的講授過程中穿插時事熱點、人物事跡、前沿技術，也可以充分利用新聞、短視頻、網絡調研測試等靈活的授課形式，實現“寓教于樂”，充分活躍課堂氣氛，提高學生的課堂積極性與參與度，對加強知識理解、提升授課效果具有促進作用。

3 “大學物理”課程改革的方案探索

3.1 聯系時事熱點，學習榜樣故事，提升課堂吸引力

“大學物理”的授課內容主要是物理學的基礎知識，理論性強、邏輯性強，傳統的授課過程只注重知識的講授，很容易使學生感到枯燥，出現注意力不集中、走神的現象。為改善這一問題、提升課堂的吸引力，教師可以在授課過程中，結合所講授的內容，緊密聯系當前的時事熱點，讓學生了解最新的科學技術與物理知識的聯系以及物理知識的最新應用進展。例如在講授力學部分的質點動力學相關知識時，教師可以引導學生分析航天器的3種宇宙速度，聯系我國航天事業的發展現狀：2021年6月17日，神舟十二號載人飛船順利發射，將聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員送入太空，執行飛行任務的長征二號F遙十二運載火箭在此前基礎上共進行了109項技術狀態更改，將可靠性從指標要求的0.97提升到0.989 4，再次刷新了自身紀錄。我國航天事業的發展離不開扎實的物理知識和精密的工程技術，教師在授課過程中要引導學生看到基礎知識的重要性，只有具備扎實的基礎，才能在各自的專業技術領域實現突破。

在講授原子與量子物理的相關知識時，由于此時課程已進入尾聲，加之這部分內容在考試中所占分值不高，很多學生會放棄這部分的學習。然而，現今的技術發展很多都是以原子分子物理、量子物理為基礎的，材料、通信、測控、電子等相關專業的學生都應具備原子、量子物理的相關知識作為專業學習的基礎。在授課時，為提升課堂的吸引力，教師可以為學生介紹錢學森、鄧稼先等“兩彈一星”功勛獎章獲得者背后的故事，也可以結合短視頻等形式，在較短的時間內讓學生了解科學家遇到問題時如何思考、如何解決，引導學生在求知的路上不怕困難、勇于追求真理。

3.2 結合前沿技術，拓寬科學視野，提升課堂創新性

“大學物理”課程內容相對固定，傳統的教學模式通常只是照本宣科，知識的更新速度慢，原理和公式的推導較多，理論性、邏輯性強。在授課過程中，如果只注重公式、原理的推導和講解，很容易使學生感到枯燥，繼而失去學習興趣。實際上，很多科學技術的最新發展都是基礎物理原理的應用和創新。因此，對課程內容進行適當的引申，結合對應的物理知識為學生介紹最新的成果發展和創新技術，不但可以活躍課堂氣氛、提升課堂效果，還可以開拓學生的眼界。例如在講授光學部分圓孔衍射的相關知識時，教師可以介紹光學儀器的分辨率：其與儀器的孔徑成正比，與光波的波長成反比。因此，在進行天文觀測時，為提高分辨率，通常會采用孔徑較大的望遠鏡，這也是我國“天眼”口徑大的原因。中國“天眼”坐落于我國貴州省，于2008年開始建設，歷時8年，于2016年完工，直徑500 m，是目前世界上最大的單口徑射電天文望遠鏡，可接收110億光年外的微弱信號。預計在未來的20～30年內，“天眼”將一直保持領先水平，這也是我國在天文、航天領域的重大突破。在講解穩恒磁場時，教師可以講解安培力的相關知識，這里可以引入安培力的典型應用—磁懸浮列車，為學生介紹磁懸浮列車的原理，也可以為學生介紹我國高鐵技術的發展：截至2017年，我國的高鐵里程已達2.65萬km，占世界高鐵總里程的65.00%。短短20多年的發展時間，我國高鐵技術就已經達到了世界領先水平。再比如教授磁介質的內容時，教師可以介紹磁介質火車票：目前，磁介質火車票在我國得到廣泛應用，人們常見的正面淺藍色、背面黑色的硬質車票即磁介質火車票，其內部磁條由液體磁性材料涂覆而成，為信息載體，大大提高了檢驗效率。

3.3 利用靈活的手段，豐富授課形式，提升課堂參與度

改變傳統課堂中教師主導的“填鴨式”教學模式，拓展教學手段，可以充分利用現今的網絡技術手段，提升學生在課堂的參與度。針對學生逃課、注意力不集中等問題，教師可以通過短視頻、移動客戶端等與學生互動，利用短視頻在較短時間內為學生展示前沿技術、榜樣故事、科學原理等，也可以對較難的知識點進行視頻講解、原理剖析。例如在講授波動光學內容時，講完光的干涉、衍射現象的基本原理后，通常還有很多學生無法理解，這時配合短視頻為學生展示具體的現象，能讓學生“眼見為實”，真正理解干涉和衍射的實質。同時，對于一些重難點部分，教師可以采取知識競賽、答題問卷等方式，及時了解學生的學習狀態和相關知識掌握程度，以便及時調整授課進度和教學方式。

3.4 重視實驗環節，理論與實驗相結合，提升學生動手能力

工科類專業在本科低年級階段，除了開設“大學物理”課程以外，也會開設“大學物理實驗”課程作為通識類必修課程。然而，調研發現，目前大多數高校“大學物理”課程與“大學物理實驗”課程是兩門獨立的課程，實驗課程通常有獨立的授課教師，授課進度也與“大學物理”課程不匹配。例如許多學校將“大學物理實驗”分為力學、熱學、電學、光學等模塊，但在“大學物理”中，光學通常是最后一部分內容，很多學生在應用邁克爾遜干涉儀、分光光度計調節等開展光學實驗時，還未學習光學部分知識，并不了解干涉的原理，因此不能很好地理解實驗內容，甚至很多學生不夠重視“大學物理”實驗課程，覺得實驗課不重要且學分少，存在僥幸心理，企圖蒙混過關。針對這一問題，首先需要改變學生的思維。實際上，本科期間大多數知識都是書本上的知識，學生動手操作實踐的機會并不多，而且大學物理實驗中的內容都是物理學中非常經典和重要的知識，學生應該把握機會，從實驗中了解原理，加強學習，提升操作能力。此外，“大學物理”課程授課教師在課程內容安排過程中，也應該注重理論與實驗的結合和匹配，在講授實驗對應的知識時，突出原理，讓學生充分理解理論內容，進而在實驗操作過程中加深理解，促進對知識的學習。

3.5 組織小組討論，開展科學調研，引導學生自主學習

本科階段的學習模式與中學不同，沒有家長與老師的監督，很多學生會變得懶散。“大學物理”課程內容豐富，很多自然現象都包含基本的物理知識。為調動學生的學習興趣、培養其自主學習習慣和團隊協作精神，可以將學生分組，每組選擇一個自然現象或者物理知識作為小課題進行拓展研究，讓學生利用互聯網、圖書館等資源，查閱該現象的物理原理以及該原理的應用或技術發展現狀，做一個小報告或發言。這一內容可以讓學生自由發揮，不設評價考核、不過多占用課堂時間，不但可以培養學生的團隊合作能力，還能提高學生的科學素養。比如針對“天空為什么是藍色的”這一問題，學生通過光學部分的學習了解到：波長較短的藍色更容易被大氣中的塵埃、顆粒散射，因此，天空是藍色的。然后，學生進一步了解到：波長較長的可見光在大氣中的透射性更強，因此，紅綠燈以紅燈為“停”的標志。再比如針對“極光為什么只在兩極出現而不在赤道出現”這一問題，通過查閱資料，結合電磁場的相關知識，學生可以了解到：極光是太陽噴射的帶電粒子被地球磁場阻止所形成的現象，由于地球的兩個磁極分別對應南極和北極，磁場在兩極形成漏斗狀的凹陷，帶電粒子沉入凹陷的兩極地區、轟擊大氣層，發出絢麗的光芒形成極光。因為帶電粒子無法到達赤道，所以赤道地區沒有極光現象。基于這些知識，學生可以進一步了解等離子體的相關知識。在電磁場、光學相關知識的授課過程中，教師還可以讓學生對3D電影成像、遙感技術等目前已被廣泛應用的技術原理和相關知識進行了解和學習。

4 “大學物理”課程改革的實施效果分析

4.1 課堂更活躍，授課效果更好，期末成績明顯提升

本研究以重慶工商大學2019級和2020級機械類“大學物理”授課為例，對“大學物理”課程改革的實施效果進行了對比分析。2019級機械專業的“大學物理”課程采用的還是傳統的授課模式，而在2020級機械專業的授課過程中實施了課程改革。由于物理知識相對復雜枯燥，2019級學生在課程學習過程中注意力不夠集中，課堂活躍度和學習積極性較低；實施了課程改革的2020級“大學物理”課堂更活躍，學生注意力更集中，學習積極性較高。期末成績如圖1所示，實施課程改革的2020級學生期末及格率較2019級提升約10.00%，平均分也提高了5.7分。從成績分布上看，處于80～100分優秀分數段的學生提升了9.87%，處于70～79分良好分數段的學生比例也明顯增加。說明實施課程改革能夠較好地提升課堂效率和學生的學習積極性。

圖1 實施課程改革前后“大學物理”課程成績對比

4.2 學生滿意度較高

本研究對開展課程改革的2020級學生的課堂滿意度進行了線上問卷調查，結果如圖2所示。由圖2可知，97.50%的學生認為開展課程改革后課堂效果更好，課堂氛圍更活躍，師生的互動性更強，有助于答疑解惑。教學改革后的課程信息更豐富多樣，學生的科學素養更高，對科學的興趣更強，更有助于激發學生的學習動力。此外，通過課程改革，學生的自主學習能力更強，這也是課程通過率明顯提升的原因之一。

圖2 實施課程改革后學生滿意度調查