新工科背景下應用物理學專業建設探索與實踐

關麗，劉振洋，李盼來

摘? ? 要：新一輪科技與產業變革推動新工科建設，也為應用物理學專業帶來發展契機。應用物理學專業具有物理學科基礎，同時具備面向應用的特征。在新工科建設背景下，高校應依托辦學條件和學科優勢，打破學科壁壘，強化理工交叉融合，發展特色專業方向。在夯實物理和數學基礎的同時，面向新技術和產業發展需求，建設特色課程體系，強化創新和實踐能力的培養。

關鍵詞：新工科建設；應用物理學專業；學科交叉融合；課程體系

中圖分類號：G640? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）06-0059-03

創新驅動發展，“中國制造2025”“一帶一路”等國家重大發展戰略的實施，迫切需要高等教育的改革與發展。2017年教育部推進“新工科”建設，發布《新工科研究與實踐項目指南》（簡稱“北京指南”）[1]，鼓勵高等院校積極探索建設“新工科”的發展路徑，以適應新技術、新產業、新經濟發展。在當前高等教育“新工科”建設的討論中，從應用理科延伸出新工科被認為是一種可行的方案[2]。工科院校理科專業建設不僅能提升工科的師資水平，同時也會促進新工科專業的派生[3]。應用理科是新工科和理科之間的橋梁，新興產業如人工智能、新能源、新材料等都是從物理、化學等理科專業發展出來的。應用物理學專業屬于物理學科，是應用理科的代表，可以與工科、農科、醫科、文科等多個學科交叉融合，謀求新形勢下的新發展。

一、專業發展現狀及面臨的問題

在我國高等院校中，應用物理學專業和物理學專業同屬物理學類專業，授理學學位。一般情況下，物理學類學生施行大類招生入學，待學完學科基礎課后進行物理學和應用物理學專業分流。應用物理學專業具有物理學科基礎，同時具備面向應用的特征，可涵蓋較廣泛的專業方向，尤其是偏工科的方向。這是因為應用理科具有工程“創造人所需的有用物”的基因，可以與工科產生交集[2]。應用物理學作為物理學與相關工科學科結合的橋梁，在新工科建設中發揮著重要作用。

（一）專業現狀分析

本文以首批9個國家級一流本科應用物理學專業建設點院校為代表，依據學院官網以及文獻提供的信息，分析我國應用物理學專業強化多學科交叉融合發展的現狀。北京航空航天大學突出物理與航空航天、信息領域交叉融合的專業特色；大連理工大學的專業方向包括等離子體物理、理論物理、信息光電子學等；同濟大學設有凝聚態物理學和聲學兩個專業方向；華南理工大學結合粵港澳大灣區的地緣優勢及大科學裝置群集優勢，在堅實的數理基礎上兼顧電子技術或現代光學與光電子技術[4]；西安交通大學設有凝聚態物理、量子信息與量子光學、原子分子物理等專業方向；西北大學在光電子技術、光電工程方向發展專業特色；安徽大學在材料物理、物質科學方向發展特色；青島大學的應用物理學專業設有理論物理、光電材料、陶瓷新材料專業方向；福州大學突出物理與光電信息技術、固體微電子技術結合的專業特色。9所大學全部擁有物理學一級學科博士點，其中6個物理學科在全國第四輪學科評估中進入C+以上。

從首批國家級一流應用物理學專業的現狀分析可以看出，學科是專業發展的基礎，支撐師資隊伍、科教平臺和專業建設。國外頂尖高校也致力于探索應用物理學與工科融合的發展新途徑。如哈佛大學的工程與應用科學學院與應用物理學深度交叉融合，以解決人類面臨的重大挑戰為目標，聚焦生物物理學和自組裝、電磁學和納電子學等研究方向[5]。加州理工學院的支柱學科——機械工程學科設置機械工程與應用物理學交叉產生的“結構和固體力學”課程等[6]。

（二）如何向工科延伸特色方向

應用物理學專業與許多相近工科學科之間具備交叉知識。應用理科向工科延伸是實現理科與工科深度交叉的重要基礎，特別是在新工科發展起步階段尤其重要。

據不完全統計，在目前全國建有應用物理學專業的高校中，“985”和“211”院校占比約為30%，地方高校約占70%。地方高校中綜合性院校和理工科院校居多。與雙一流高校相比，地方高校大多學科基礎相對薄弱，科研經費投入較少，國家級的重大科技基礎設施較少。因此，院校如何依托自身辦學條件和學科優勢，進一步打破學科壁壘，服務區域經濟社會發展和新產業需求，走特色發展之路，是新工科背景下應用物理學專業發展必須思考的根本問題。

（三）如何強化應用理科生的實踐能力

基礎理科和應用理科的分工各有側重，前者偏重于認識世界，后者偏重于改造世界。這種分工的差別對相應理科人才的知識、能力和素養結構等培養規格提出了不同的要求[7]。在新工科背景下，既要面向區域發展需求培養應用性強的人才，又要為基礎學科研究儲備人才。強化課程體系建設，落實育人根本任務。如何保證課程體系在夯實物理和數學基礎的同時，提升強化學生的社會適應性，以產出為導向，強化實踐創新能力培養，是在新工科建設背景下應用物理學專業發展面臨的關鍵問題。

二、打破學科壁壘，多學科交叉融合

河北大學是教育部與河北省人民政府“部省合建”高校，是河北省重點支持的國家一流大學建設一層次高校，地處京津冀腹地，毗鄰雄安新區。河北大學物理科學與技術學院擁有光學工程和物理學2個一級學科博士點，其中光學工程是河北省“世界一流”學科建設點。學科建有新能源光電器件國地聯合工程實驗室和省部共建光伏技術協同創新中心等7個省部級以上科研平臺。物理學科現設有理論物理、等離子體物理、凝聚態物理和光學4個研究方向且發展均衡。其中量子場論圈圖標量積分、等離子體斑圖動力學與塵埃等離子體、精細光譜計算等領域的研究具有較高的學術影響力。光學工程優勢學科方向為光電材料與器件、光伏科學與工程、光學診斷與光信息技術、發光材料與顯示技術等。

河北大學應用物理學專業于1988年成立，2010年入選國家級特色專業，2021年度獲批國家級一流本科專業建設點。專業堅持扎根河北、服務京津冀協同發展和雄安新區建設的戰略定位，秉持“物理為基、應用為向、實踐為強、科教融合”的培養理念，致力于培養物理基礎扎實、實踐能力突出，具備創新精神和國際視野的高素質復合型應用物理學專業人才。依托物理學和光學工程兩大學科開展專業建設，其中物理學科為專業提供雄厚的師資力量、完善的課程體系和先進的教研平臺；光學工程學科，踐行理工融合，支撐專業走出面向產業的特色發展之路。

充分發揮“一理一工”兩大學科優勢，合力實施“本科生科研創新能力”提升計劃，科研平臺100%對本科生開放，遴選低年級優秀本科生進行“一對一”導師制培養；建立“本碩博”一體化培養模式。專業與保定國家大學科技園、樂凱集團、利福光電等地方科技企業合作，發展了發光與顯示、紅外物理與技術、傳感技術等專業特色方向。與國內光伏龍頭企業英利集團聯合開發課程、編寫教材，為企業定制培養專業人才。與保定市政府、英利、樂凱等單位合建光伏技術協同創新中心，開設“雙創鯤鵬班”，政產學研協同育人。建設省級“河北大學——保定金迪科學儀器有限公司實踐教育基地”為代表的校外實踐基地和“創新實驗室”“赫達實訓”等校內實踐基地，同時加強“雙師型”教師隊伍建設，聘請企業首席技術官來校兼職任教。“理工融合、科教融合、產教融合”的專業育人模式，為雄安新區和京津冀區域輸送富有創新精神和實踐能力的高素質專業人才。

三、特色課程體系，夯實基礎面向應用

應用物理學專業的基礎是物理，應用是專業發展方向。課程是實現培養目標和育人功能的基本要素，因此，夯實數理基礎，強化創新實踐，重點在課程體系建設。

應用物理學專業的核心課程體系包含理論課程和實驗（踐）課程兩大部分。理論課程包括學科基礎課和專業課兩個層次。夯實物理學科基礎需要保證理論課程包含機械運動、熱、電磁和光、物理微觀結構和量子等領域的現象和規律，凝聚態物理以及物理數學方法等知識領域[8]。

以5個首批國家級一流本科應用物理學專業為例，從文獻或學院官網提供的培養方案分析該專業課程體系和培養方案特色。華南理工大學應用物理學專業立足粵港澳大灣區，在課程建設方面采取夯實學科基礎課、專業方向模塊化、實驗課程貫通大學階段、加強國際化培養等主要舉措[4]。北京航空航天大學應用物理學專業堅持國際接軌、體現理工融合、重視實驗實踐以及本研一體化統籌設計等特色培養方案。青島大學應物專業的專業基礎及核心必修課分別占總學分的34%。同濟大學應物專業的專業基礎必修課和專業必修課共占總學分的40%。地方院校如桂林理工大學應用物理學專業的必修課中學科基礎課和專業核心課分別占總必修課學分的37%和31%，實驗課和實踐課占總學分28%[9]。

河北大學應用物理學專業課程體系共計165學分，其中通識教育課程共58學分，占總學分35%；學科基礎課程包括學科核心課和學科拓展課共58學分，占總學分的35%；專業發展課包括專業核心課和專業拓展課共計49學分，占總學分的30%。培養方案堅持“產出導向，理工融合，強化實踐”的特色，從理論實踐一體化能力培養以及信息化建設等方面開展工作。

（一）“理論和實踐一體化”特色課程體系

普通高等學校本科專業類教學質量國家標準要求物理學類實驗實踐類學分（學時）占總學分（學時）的比例不低于25%[10]。河北大學應用物理學專業在保持普通物理實驗、近代物理實驗的學分課時不變的基礎上，通過重構專業課、增設專業實踐課，實現“實踐+”應用物理學課程體系，在新版培養方案中實驗實踐類學分（學時）占總學分（學時）的比例為26.4%。重構專業課主要舉措是將專業核心課重構為理論課與跟課實驗相結合的模式，專業實驗課增設專業基礎實驗，調整為專業基礎實驗和專業實驗兩個層次，幫助學生逐階發展。在新工科背景下，基于專業人才培養目標，須強化學生實踐能力培養。

設置實驗課包括普通物理實驗、近代物理實驗、專業實驗課；實踐課包括物理學類專業學習概論、物理學史、初/高階科研訓練、初/高階創新創業訓練、LED照明設計與實踐以及智能儀器設計與企業項目開發等；以理論加實驗（踐）模式開設的專業課共12門，占實驗（踐）類課程的46%，且覆蓋所有層次的課程。面向低年級學生開設的學科核心課的實驗（踐）學分占該層次課程總學分的15%，面向高年級學生開設的專業核心課中的實驗（踐）學分增加為該層次總學分的43%。理論與實踐一體化設計的課程體系幫助學生逐階發展實踐和創新能力。

（二）實驗課程信息化建設

信息技術與教育教學深度融合，為實驗實踐教學帶來了前所未有的生機。據統計，首批國家級虛擬仿真實驗教學一流課程728門，其中物理學類15門。本專業利用“互聯網+”信息技術建設虛擬實驗和實踐軟/硬件平臺，更新普通物理實驗、近代物理實驗、專業實驗等實驗內容，依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通訊等現代信息技術，實現立體化教學，激發學生學習興趣與自主能力。

以專業實驗課中的“LED植物熒光粉制備虛擬仿真實驗”為例。該項目基于LED產業鏈的關鍵技術提出，將6項國家級和省部級科研項目的手段、方法和成果進行了多維轉化，獲首批省級虛擬仿真實驗教學一流課程。該虛擬仿真實驗以Unity3D為開發平臺，仿真模擬了高溫固相反應法制備LED熒光粉的整個工藝流程，幫助學生熟練掌握熒光分光光度計和XRD衍射儀的使用方法，學會進行熒光粉發光性能和晶體結構測試。采用沉浸式教學，讓學生仿真實操LED熒光粉的制備過程，在此過程中將操作規范、安全規范、大型儀器的使用等內容方法融入，進而加深對LED產業鏈關鍵技術的理解。

四、總結及展望

應用物理學專業的學科基礎為物理學，物理為基礎，應用則為特色。在新工科建設背景下，各個院校的應用物理學專業應依托自身辦學條件和學科優勢，找準定位，凝練特色，實現分類發展、特色發展。

未來面臨的問題在于，在發展過程中需要夯實物理和數學基礎，才能有力的向工科方向延伸，發展理工融合的新技術和新產業。如果舍棄了物理基礎，一味追求向工科靠攏，則根基不穩、發展受限。因此，對專業課程體系和培養方案建設提出了更高的要求。

（1）學科基礎課的學分和學時需滿足學科知識和能力要求，以保證學生具備扎實的物理基礎。（2）專業核心課的教學模式、課程結構、教學內容等均需要支撐和體現專業特色發展方向，專業核心課與學科基礎課的學時學分比例須科學合理。（3）專業實踐課需建立在學科優勢的基礎上，與人才培養目標同向同行，因地制宜，建設特色實踐課，真正將學生實踐和創新能力的培養落到實處。

在新工科背景下，以產出為導向的課程體系，探索信息化實驗實踐教學新生態，打造特色實踐基地育人平臺，以培養新工科背景下適應新產業、新技術和新經濟發展的復合型高素質應用物理學專業人才。

參考文獻：

[1]教育部.教育部辦公廳關于推薦新工科研究與實踐項目的通知[EB/OL].（2017-06-21）[2022-09-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[2]王義遒.從應用理科到“新工科”[J].高等工程教育研究，2018（2）.

[3]張志慶，閆統江.工科院校建設新動能特色理科專業群的探索與實踐[J].高等工程教育研究，2019（6）.

[4]文德華，鄧文基，楊中民.理工融合協同育人建設一流應用物理學本科專業[J].物理與工程，2021（3）.

[5]原帥，賀飛.哈佛大學工學院發展戰略及其對新工科建設的啟示[J].高等工程教育研究，2018（2）.

[6]王紅雨，馬夢迪，閆廣芬.世界一流工程學科研究生課程體系的生態布局與衍生邏輯——以加州理工學院機械工程學科為例[J].研究生教育研究，2020（4）.

[7]楊素紅，朱紅.高等理科人才分層分類培養的現狀與策略[J].中國大學教學，2015（8）.

[8]教育部.普通高等學校本科專業類教學質量國家標準[S].2018：113.

[9]唐濤，李明，肖劍榮，等.新工科背景下地方高校應用物理學專業的課程體系[J].教育觀察，2020（17）.

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