新工科背景下大學物理課程教學內容改革和探索

吳 玲，邵春強，石小燕，尤素萍

（杭州電子科技大學理學院 浙江 杭州 310018）

近年來，教育部積極推進新工科建設，培養造就了一大批多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當務之急，也是長遠之策。加快卓越工程師培養，提升國家“硬實力”，解決“卡脖子”問題，是新工科建設的核心。

本文以杭州電子科技大學為例，該校是實施卓越工程師教育培養計劃的高校之一，對本科公共物理基礎課程的教學改革提出了新的更高的要求。在新工科背景下，大學物理的教育功能也從注重學生對基礎知識、基礎理論和基本技能的掌握，擴展為全面提高學生的工程實踐與應用的綜合能力，提升學生的創新意識和能力。為適應新工科建設與發展，充分發揮大學物理課程在新工科中的地位和作用，本文引入成果導向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE，也稱為產出導向教育）理念，研究新工科背景下大學物理課程教學內容的改革與實踐。

1 基于OBE理念開展教學內容改革

OBE理念是一種以學生“學習成果”為導向的教育理念。《華盛頓協議》作為國際上最具影響力的工程教育互認協議，已將OBE理念貫穿于工程教育認證標準的始終。我國始終把握高等教育發展的最先進理念，基于OBE理念樹立了“學生中心、產出導向、持續改進”的本科教育新理念，在本科階段工程教育領域產出了較為豐富的研究成果[1]。這些研究成果多是從專業人才培養方案或課程目標達成評價等方面就某一層面單一闡述OBE理念的實踐研究，而對如何應用OBE理念指導大學課程教學設計的實踐研究則較為薄弱。

大學物理課程是學生學習工程技術知識的基礎，同時也是培養學生科學素養和創新能力的重要途徑。國內高校積極引入OBE理念，開展了大學物理課程的教學改革。相關研究成果主要集中在理論研究、教學模式改革實踐、評價體系等方面[2-4]，基于OBE理念的教學內容改革研究較少。近年來，國內多家高校開展了面向“新工科”的大學物理教學內容改革研究，并取得了良好的教學效果[5-6]。

教材是教學內容的主要載體。不論國內還是國外，都不乏經典、精品，然而教材不等同于教學內容。根據OBE的“反向設計”理念，相應的教學改革需要根據培養目標設計課程的學生學習成果，重新設計考評方法、設計教學內容、設計教學活動等，各個環節相互支撐。

2 大學物理課程教學內容改革的探索

2.1 教學內容的改革需要完成從“教什么”到“學什么”的轉變

傳統的大學物理課程內容主要基于教材，知識更新速度落后于科技發展；追求完整的知識體系，注重知識的傳授，即“教什么”。OBE理念強調的不是老師講了多少，而是學生學會了多少，掌握了多少。基于OBE理念，課程設計是“至上而下”反向設計的，以最終目標（學生學習成果）為起點，反向進行課程設計，教學內容根據培養目標來選擇，注重學生的學習成果，即“學什么”。為此課程內容應反映前沿性和時代性，加強理論與工程應用、科學問題的結合；通過課程內容改革，合理增加課程難度，拓展課程深度，激發學生的興趣和潛能。如何改革課程內容，完成從“教什么”到“學什么”的轉變，支撐基于OBE理念的課程教學目標，讓學習真正激發學生的興趣和潛能，是本課題組開展課程教學內容改革需要解決的主要問題。

2.2 教學內容的優化整合

教育部在《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》中提到“樹立工程教育新理念，……著力提升學生解決復雜工程問題的能力，加大課程整合力度”，據此，我校大學物理課程教學目標確定為知識、能力和素養三個層次。其中，能力目標包括三個內容：具有獨立獲取和應用知識的能力；具備科學觀察和思維的能力，能應用物理學知識解決日常及工程應用中的簡單問題；具備分析問題和解決問題的能力，能利用物理學知識對科學及工程問題進行分析、討論和制訂研究方案。

結合新工科專業人才培養目標和大學物理課程教學目標，本課題組將大學物理課程教學內容優化整合為兩大部分：“物理學原理”和“應用類專題”。“物理學原理”部分由基本的、核心的原理構成；“應用類專題”部分將除核心原理以外的知識點模塊化，并結合實際應用，形成“工程應用和科學問題”專題，構建以科學問題和工程應用實例為大框架、理論知識填充的知識結構。

例如質點力學這章的教學內容，“物理學原理”包括力學的基本概念、牛頓運動定律、動量定理和動量守恒定律、動能定理和機械能守恒定律、能量守恒定律；“應用類專題”為“嫦娥工程”，這一專題應用力學原理，從發射、環繞、變軌、著陸、返回五個方面展開簡要分析。“嫦娥工程”的“發射”部分從兩方面討論了火箭的速度，一是火箭獲得的速度與火箭質量的關系；二是第一、第二、第三宇宙速度的推導。“環繞”部分則由開普勒行星運動三定律引出角動量的定義以及角動量守恒定律。

又如穩恒磁場這章的教學內容，“物理學原理”包括穩恒磁場的高斯定理和安培環路定理；“應用類專題”包括磁約束、霍爾效應、直流電動機和磁性材料及其應用。其中“磁約束”這節內容圍繞“如何利用磁場來約束高溫的等離子體”，描述了磁約束的原理（帶電粒子在電場和磁場中的受力），詳細討論均勻磁場和非均勻磁場中的磁約束，介紹了實現磁約束的裝置以及與磁約束相關的自然現象。

改革后的教學內容具有以下特點：第一，注重知識的區分度。“物理學原理”的內容是依據教學過程的甄選和反復實踐而確定下來的，既突出核心原理，又保證知識體系的完整和內容的基本框架不變。“應用類專題”是依據課程教學目標，將除核心原理以外的大學物理知識點模塊化后，融入工程應用實例和科學問題中而形成。

第二，強調內容的應用性。“工程應用和科學問題”專題選取了利用大學物理知識可以分析的、與技術應用發展和科學前沿相關的內容，旨在拓寬學生視野，培養學生分析問題、解決問題的能力，適用于分層次教學。在注重內容應用性的同時，也具有一定的學習挑戰性。

第三，體現教學內容的可教性。課程教學內容的物理學原理部分選取時充分考慮課時，遴選核心知識點突出重點，精選例題加深原理的理解，設置思考題引導學生深入學習。“工程應用和科學問題”專題部分，選題時立足于引導學生提升學習興趣，注重學生創新能力及綜合能力的培養，內容難度適中，適用于以學生為主的研究性學習。

2.3 拓展加深“應用類專題”，開展研究性教學

傳統的教學強調知識的吸收而未能創造條件讓學生在實踐中去探索、發現。基于OBE理念以學生學習為基本邏輯展開教學，要求教師在充分了解學生特點的基礎上，全面設計教學活動和教學環節，探索新型教學模式。教育部關于加快建設發展新工科的意見中也提出“推廣實施案例教學、項目式教學等研究性教學方法，注重綜合性項目訓練”。如何通過創新教學模式，強化創新能力和實踐能力的培養，是大學物理課程改革中需要解決的又一重要課題。

為滿足實施研究性教學的需求，本課題組將“應用類專題”分為三個層次：通識模塊、專業限選模塊、學生自選模塊。“通識模塊”是由教學大綱要求掌握的知識點設計而成的工程應用實例或科學問題組成，例如質點力學中“嫦娥工程的發射和環繞過程”，穩恒磁場中的“磁約束”。“專業限選模塊”是根據專業特點設計的典型案例，例如靜電學中的“口罩的防護學問”，研究駐極體材料在口罩中的應用，涉及的教學內容為“靜電場中的電介質”。在教學中引入我國在防疫抗疫中科技工作者的貢獻案例并對此進行分析與討論，增強學生的民族自豪感和愛國主義情懷，樹立攀登科學技術高峰的信心，擔負起民族復興的重任。

“學生自選模塊”則由歷屆學生的自主選題組成，每學期會評選優秀研究課題并加入此模塊。自主選題是學生在大學物理課教學內容的范圍內根據自己的興趣、特長等自由選擇的研究課題，例如“EMP（Electromagnetic pulse，電磁脈沖）從原理到防御”屬于電磁學的研究內容，學生由娃娃機的破解和電磁武器引入電磁脈沖的工作原理，制作了一個產生電磁脈沖的簡易裝置，并成功攻擊毀壞了一些小型電子設備（電子手表，電子鬧鐘）。又例如“《流浪地球》的數值模擬”，學生應用力學知識通過Matlab模擬了電影《流浪地球》的多個場景。

“應用類專題”的教學內容以學生自主開展研究性學習為主，教師全程引導。在教學過程中，學生自主組隊選題，先進行調研，收集資料，確定具體的研究內容；然后開展研究工作；取得研究成果以后在課堂上進行展示，成果展示環節中設置提問和回答，對研究內容進行深入的討論。學生在研究性學習中體驗“發現問題-提出問題-分析問題-解決問題”的科學研究過程，提高了學習興趣，初步培養了科學研究能力，能應用物理知識解決問題，增強了學習的信心。

在大學物理教學內容改革的歷程中，本課題組最初是針對專業特點調整教學內容，在理論知識講解中引入工程應用實例，后來通過設置“工程應用和科學問題”專題開展研討式教學，經過多年的教學改革實踐，形成了由“物理學原理”和“應用類專題”組成的教學內容。同時，我校增設了“物理學原理及工程應用”課程，其與大學物理課程平行設置，旨在拓展大學物理課程的深度與廣度，加強學生創新能力的培養，滿足新工科人才培養的需求。

2.4 教學內容、考評方法、教學活動相互支撐

在整個課程教學環節中，教學內容不是孤立的，為實現培養目標，取得理想的學習成果，教學內容、考評方法、教學活動都需要精心設計，相互支撐。在改革實踐中，本課題組為線上線下混合式教學、翻轉課堂等教學模式，整合教學資源，形成集教材、視頻、習題、研究性項目、實驗等多種內容為一體的教學內容體系。

為構建科學有效的考核體系，支撐教學目標的達成，需要以產出為導向，增大學習過程考核成績在課程總成績中的比重；細分形成性評價指標，通過作業、研討式學習、學習活動參與等環節的綜合表現對學生的學習過程進行評價。

3 結語

新工科建設對大學物理課程教學提出了更高的要求，物理學科將更強調應用性和與其他學科的關聯性。基于OBE理念的大學物理課程教學內容的改革，堅持“學生中心、產出導向、持續改進”的教育理念，注重實踐研究，改革后的教學內容突出核心原理、強化理論與工程應用和科學問題案例的結合。大學物理課程教學內容改革的研究成果將有助于優化教學環節，提高教學質量，持續改進，提高高校人才培養的目標達成度，可為創新工程應用型人才的培養提供可借鑒的實踐經驗。