新工科背景下基于大學物理數值仿真的創新型人才培養

摘 要 本文通過在大學物理教學中引入基于數值仿真的科學研究方法，創新大學物理教學內容和教學模式，以深化學生對物理基本概念的理解，培養學生的創新意識和創新思維。在教學過程中，結合大學物理典型知識點設計數值仿真研究案例，并通過實踐教學的方式，引導學生積極參與數值仿真實驗，深入探索物理現象的規律和原理。通過科學、系統地引入基于數值仿真的研究方法，創新了大學物理的教學內容和教學模式，有效提升了學生的科學素養和創新能力，充分發揮了新工科背景下物理基礎課程在創新人才培養中的地位和作用。

關鍵詞 創新人才培養;大學物理;數值仿真;MATLAB

當今，世界新一輪科技革命和產業變革正處于蓄勢待發、快速迭代的關鍵階段。2017年2月以來，教育部積極推進“新工科”建設，“新工科”這一概念的提出獲得了廣泛共識，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”。新工科教育改革中最重要的內涵是“高等教育應注重激發學生的創新意識、創新思維”[1]。大學物理課程作為全國高等學校理工科本科生必修的一門自然科學基礎課程，為學生畢業達成度提供了重要支撐，在培養學生“科學素養”和“創新意識”方面具有不可替代的作用，因此大學物理課程的教學改革是高校對創新人才培養改革的重點環節[2]。

長期以來，大學物理課程教學的課堂講授和考評模式較為單一、固化，特別是缺乏針對性的教學內容、教學方法和實踐環節，同時由于大學物理課程中存在大量的物理公式和物理概念，使得學生感到“物理難懂、學著沒勁”，因此無法調動學生學習的主動性和進行思考的積極性，學生的創新潛質更是難以激發。上述問題是高等學校大學物理教學中的共性問題，因此處在自然科學基礎教育核心地位的大學物理課程教學的改革勢在必行[2]。近年來，如何通過大學物理課程的教學改革培養學生的創新意識一直是我們教學改革實踐的重點目標。

經過近年的大學物理教學改革實踐，我們基于線上線下混合教學模式，在大學物理教學中形成了一種“在線學習+課堂總結討論+課外研究實踐”的完整教學體系[3]，其中“課外研究實踐”環節是該教學體系中的關鍵一環，通過該環節的設計有效彌補了傳統大學物理教學中學生“實踐環節”的缺失。根據大學物理教學內容及教學進度，在教學過程中科學、系統地引入基于數值分析（主要選用Matlab仿真軟件）的研究型學習，在教師的引導下，指導學生開展研究實踐。Matlab是美國MathWorks公司開發的一套數值計算和可視化軟件，具有強大的運算能力和豐富的作圖功能，同時該軟件又易學易懂，已成為了科技人員從事科學研究和工程計算的重要工具，因此大學物理課程作為培養未來基礎拔尖人才和工程技術人員的重要基礎課程有必要結合課程內容讓學生接觸這一工具，這是基于物理基礎課程培養學生創新意識的“突破點”之一[4-7]。

近年來，我們在大學物理普通教學班（大班）和拔尖班（小班）中均成功實踐了基于數值仿真的“課外研究實踐”模式，教學班學生全員參與研究實踐。研究實踐的題目由教師發布或學生自選，教師引導學生通過物理建模，對實際物理問題進行定量描述;通過圖像技術，對物理過程進行直觀表現。教學改革實踐證明，在大學物理課程中引入基于數值仿真的研究型學習是完全可行的，學生的接受程度很高。實踐證明，基于數值仿真的“課外研究實踐”有助于將學生從繁雜的公式和運算中解放出來，而把精力放在對物理概念和問題的思考、研究上，提高了學生的學習興趣以及解決問題的能力，點燃了學生創新意識和創新思維的“星星之火”，為學生后續進一步發展“開窗口、留接口”，為創新人才培養帶來了強大動力和重要技術支撐。

1 教學改革思路及措施

在大學物理教學改革實踐中始終秉承以“學生發展為中心，能力培養為導向”的教育理念，通過在大學物理教學中引入基于數值仿真的研究實踐提升教學內容的高階性和挑戰度，引導學生實踐知識探究、思辨與拓展。通過研究實踐使學生掌握數值模擬的科學研究方法，掌握一種“科研級別”的解決分析問題的工具，拓寬學生視野，提升學生分析問題和解決問題的能力，促進知識、能力、素質三者的有機結合。

在教學實踐中，學期初由任課教師和助教對學生進行Matlab軟件的簡要介紹，通常會指導學生從例如拋物線作圖、指數函數等簡單的問題開始仿真，并在整個教學過程中與學生保持溝通。根據教學內容和進度在超星平臺上向學生發布數值仿真實踐題目。實踐題目可由教師設計發布，也可由學生依據學習內容自行設定。實踐題目涵蓋了大學物理課程中的力學、熱學、電磁學、振動波動、波動光學以及近代物理的重要基本概念和典型物理問題。實踐環節學生全員參與，并計入平時成績。學生在超星平臺上提交實踐作業（含建模、編程及相關分析討論），由教師或助教進行批閱。學期中和學期末教師組織學生進行實踐項目的展示、交流，師生現場點評、討論。