材料類專業大學物理教學創新設計體系構建

摘 要 大學物理作為材料類專業學生的重要基礎課程，在整個本科階段的培養方案中起承上啟下的作用。目前關于線上線下結合方式開展材料類專業大學物理課程建設方面的研究還鮮有報道，本文通過多年的教學實踐，總結了針對材料類專業大學物理課程教學改革的教學內容體系、授課模式以及考核方式，教學效果得到學生的好評。希望該教學方法能夠適應更多院校材料類專業學生的大學物理課程教學，推動大學物理課程在理工科專業學生培養中的顯示度。

關鍵詞 大學物理;材料類;課程設計;課程思政

大學物理課程作為理工類非物理專業的學科基礎課，是專業課程學習前的一門重要課程，不僅擴展了高等數學的科學應用，而且對涉及力學、電磁學、熱學、光學的專業課程起鋪墊作用[1]。材料類專業作為一門高校廣泛開設、社會認可度高的專業門類，其學生培養過程中均涉及到大學物理課程。目前，全國開設材料類專業的高校多達200余所。2022年普通高等學校本科專業目錄顯示，材料類專業包括材料科學與工程、材料物理、材料化學、冶金工程、金屬材料工程、無機非金屬材料工程、高分子材料與工程、復合材料與工程、粉體材料科學與工程、寶石及材料工藝學、焊接技術與工程、功能材料、納米材料與技術、新能源材料與器件、材料設計科學與工程、復合材料成型工程、智能材料與結構和光電信息材料與器件等18個專業。因此，針對大學物理課程在材料類專業學生培養中的研究對于高校學生和專業教師均具有顯著意義。一方面，大學物理在高中物理體系的基礎上，擴展了力學、熱學、光學、電磁學、近代物理領域的適用性;另一方面，大學物理針對材料類專業后續專業課程如《晶體學基礎》《材料科學基礎》等起到了重要的鋪墊作用[2]。同時，《理工科類大學物理課程教學基本要求 理工科類大學物理實驗課程教學基本要求》2023版中明確增加了“課程思政”等方面的內容，對于材料類專業課程體系的建設具有重要指導意義[3]。因此，大學物理課程在材料類專業學生整個大學培養階段起到承前啟后的作用。在“新工科”背景下，針對材料類專業學生的大學物理課程建設與改革將對于學生的培養與社會的接軌起到重要作用。

目前，針對于材料類專業大學物理課程的改革研究主要集中在課程內容的調整方面[4-6]。如增加物理學史部分的內容，介紹材料學前沿知識內容[7]，或者針對大學物理課程內容中涉及到材料學研究部分的內容給予專門的介紹和鋪墊[8]。部分專家學者也根據本校材料科學與工程專業大學物理課程開展情況總結了該課程的教學體系構建基本思想[9]。然而，調研發現，目前針對材料類專業學生，開展線上線下結合的大學物理課程的研究工作較少[10-11]。本研究團隊在前期的教學改革過程中重點突出了物理理論與演示實驗結合對于學生培養的重要性。因此，作者結合本校大學物理開設的經驗，基于材料類專業的授課特點，進行了針對性的教學創新設計體系構建。主要是為了增強大學物理課程的趣味性和實用性，提高材料類專業學生對于大學物理課程的認可度，培養大學生的家國情懷和社會使命及責任感，最終達到為社會和企業輸送合格人才的目的。

1 重構教學內容體系

1.1 優化物理思維體系，為專業課夯實基礎

物理學作為自然科學學科，其各部分研究內容間具有嚴密的邏輯鏈條。大學物理課程中力、熱、光、電、磁、量子物理和相對論部分的知識不是高中物理的簡單擴展，其授課內容為材料類專業學生的學術潛質培養、科學思維體系構建均奠定了堅實的基礎。例如，光的衍射是大學物理中重要的章節內容，其重點介紹了單縫夫瑯禾費衍射中利用半波帶法計算衍射產生的明暗條紋的基本原理，并進一步介紹了光柵衍射中明暗條紋的計算方式。光的衍射在材料學中的重要應用則是利用X射線衍射計算晶體的面間距結構。其中，明暗條紋的產生原理以及晶面間距與入射光波長間的關系將兩部分知識聯系在一起。大學物理熱學中的熱力學三大定律內容的學習為材料類專業學生《物理化學》課程的學習奠定重要基礎。熱學中涉及到氣體變化過程中體積、壓強、溫度隨著循環過程的變化關系等理論，在大學物理課程中重點培養學生思考物理過程、物理參量的相互影響關系。這部分內容是《物理化學》課程的基礎，為后續學習焓、吉布斯自由能等知識奠定了基礎。不僅如此，后續課程中仍有許多大學物理知識與材料類專業課間存在承前啟后的關系?，F針對筆者多年的教學經驗，將大學物理課程與材料類專業后續課程的關聯進行總結如表1所示。通過該部分章節內容的總結，可以在授課過程中為學生梳理出各個課程間的關系，讓學生感受到各學期開設的課程并不僅僅是書面知識，更重要的是讓學生體會到在課程銜接中，處處體現了教學的邏輯性、科學性和關聯性。最終讓學生理解基礎課不僅可以為專業課奠定基礎，也能夠為專業的學習指明方向。

1.2 引入課程思政，堅持三全育人

大學物理課程思政建設是新時代中國高等教育理論創新和實踐創新的重要表現形式。課程思政是全員、全程、全方位育人目標的重要舉措。大學物理課程作為自然科學課程，其中包含了諸如科學創新的探索精神、愛國精神、家國情懷等。通過在大學物理課程中引入與材料學相關的思政元素，將為大學生的人才培養提供更為全面的引領作用[12]。例如，在剛體的角動量定理與角動量守恒定律內容中可通過介紹力矩陀螺儀利用角動量守恒的原理進行工作，并進一步引出其在神舟飛船與中國空間站的精準對接中的重要作用，向同學們展示基礎物理知識在國家重大工程中的重要作用，培養學生的愛國精神和民族自豪感。表2展示了作者在授課過程中把大學物理教學內容與課程思政進行融合的部分案例。希望通過這些案例的引入為材料類專業的學生以及同仁教師以啟迪和展示。

1.3 拓展前沿知識，培養能力遷移思想

大學物理主要授課內容是經過近百年科學研究得出的經典理論，對于后續科學研究起到鋪墊作用。但是，如何將經典的理論與當下熱門的前沿知識結合起來，吸引學生的關注度和注意力，將是課程的重要改革方向。本次面向材料類專業學生的大學物理課程體系創新設計中，將大學物理部分課程內容結合材料學專業的特點，在課程內容中全方位地融入前沿知識點，引導學生知識能力遷移和創新思維的培養。針對此部分內容，開展的案例工作如表3所示。例如：在介紹電容器部分知識的時候，可以結合材料類專業的特點，擴展超級電容器的電極材料以及能量存儲方面的最新研究進展。這部分內容不僅是當下的熱點和前沿，同樣也與材料類專業的學生發展方向緊密結合。希望通過前沿知識的擴展，能夠進一步增加學生對于大學物理以及材料學專業的全方位認識以及對于新知識的求知欲。

2 轉變教學模式，革新人才培養模式

針對大學物理課程中教學內容與材料類專業的其他課程間存在相輔相成、承前啟后等諸多關聯性，適時適度地開展教學模式的轉變，以適應“新工科”背景下材料類專業的人才培養模式。課程主要采用線上線下結合的方式開展。線上平臺選用學習通平臺，在課程設置時，根據章節安排在構建課程中引入課程背景、知識拓展、知識應用、課程思政等相關鏈接視頻。根據課程開展情況提前一天對授課學生進行開放。所設置的線上課程視頻均控制在20分鐘以內，避免長時間的視頻內容造成的視覺疲勞和逆反心態。線下教學主要梳理重要知識點，重點關注課程內容的重點、難點知識，同時將課前視頻與課程知識點進行緊密結合。課程中在討論區設置適當的討論題目，對學生進行分組討論。教師需要適時地觀察學生的回答情況，并進行總結。在此教學過程中，充分發揮PBL教學方法在課堂中的重要作用。如在剛體的角動量定理和角動量守恒定律內容講解時，課前設置神州系列飛船與空間站的對接視頻，以及空間站外觀結構的講解視頻。本部分重點突出物理知識在科技前沿的應用性，并與課程思政結合，培養學生民族自豪感和民族自信心。在課堂討論環節，重點給學生展示奧運期間雙人花樣滑冰與跳水等比賽項目中運動員身體調整與控制轉速間的關系。一方面引導學生思考奧運賽場上實例與物理理論知識間的關系，活躍課堂氣氛，激發學生的求知欲和想象能力;另一方面，通過奧運賽場的拼搏精神激勵學生勇于克服困難、善于打硬仗等思政元素。最后在課程尾聲總結部分，需要為學生點出剛體的角動量定理和角動量守恒定律知識不僅在大學物理課程中學習，也在今后的課程如《理論力學》等課程中涉及到，建立不同課程間的銜接和過渡。

3 考核模式改變

針對本課程體系下大學物理課程采用線上線下相結合的授課方式，其考核模式同樣有別于傳統的以考試為主的授課模式。其主要目的是關注過程化、增強能力化以及全面培養化的綜合考查模式?；诖?，考核模式主要包括：簽到、課堂互動、課程音視頻、章節檢測、分組任務、課堂討論、作業、考試，如圖1所示。其中：簽到5%，課堂互動5%，課程音視頻15%，章節檢測5%，分組任務10%，課堂討論5%，作業10%，考試45%。在該考核方式下，學生能轉變初、高中思維中學習物理知識與做題的循環模式，將物理知識與實際生活中的實例、專業課知識緊密地結合在一起，同時也實現了課程思政的育人目標。大學期間的課程學習更傾向于傳授知識與知識的靈活運用，而不僅僅是通過盲目地做題來決定學生最終的分數。同時，結合大學期間豐富的學科競賽資源，我校同樣培養學生積極參加各類物理學科競賽，如偏重于大學物理理論知識的“全國部分地區大學生物理競賽”以及偏重于實驗物理的“物理實驗競賽”“物理學術競賽”“大學生光電設計競賽”等一系列的競賽內容。競賽活動的開展是對課堂知識的擴展和應用，并進一步將競賽成績與期末考試之間建立關系，鼓勵學生參與競賽的積極性。據統計，我校近三年來獲得國家級競賽獎項17項;華北地區獎項56項;北京市級獎項39項。課程結課后，多位同學表達了對于課程模式的肯定，并希望更多課程能夠采用此類授課方式。

4 結語

鑒于大學物理課程在材料類專業課程體系中的重要性，我們有針對性地開展大學物理課程內容的重構：通過強化大學物理課程與專業課間的內在知識和邏輯關系，突出大學物理課程的重要根基作用;通過引入大學物理中蘊含的課程思政元素，實現對學生潤物無聲的思政引導，實現三全育人的培養目的;通過科技前沿成果的展示，將大學物理教學知識與最新的科研成果緊密結合，為大學生的科學素養培育奠定基礎。基于教學創新設計體系的構建，重點培養學生對于知識的理解、貫通，培育學生的科學素養和人文素養。最終實現學生對于大學物理課程的喜愛，樂于學習以大學物理為代表的自然學科，為學生的后續學習、科研、工作助力起航。

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