新工科背景下大學物理課程教學改革與實踐

關鍵詞：新工科；大學物理；教學改革；教學模式；評價形式

中圖分類號：G642" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2096-000X（2025）18-0135-05

Abstract： College Physics is a compulsory and fundamental course for engineering majors in colleges and universities， which is very important for cultivating students' innovative thinking， scientific literacy and practical ability. Taking Harbin University of Science and Technology as an example， this paper analyzes the current teaching situation and \"pain points\" of college physics course under the background of new engineering， and puts forward some measures to reform and practice the teaching of college physics course， such as revising the modular teaching syllabus of professional clusters， optimizing the teaching content， online and offline mixed teaching mode and diversifying the evaluation forms， so as to provide support for improving the quality of college physics course and cultivating high-quality compound engineering and technical talents.

Keywords： new engineering; College Physics; teaching reform; teaching mode; evaluation form

近年來，在以新技術、新業態、新模式和新產業為特點的新經濟蓬勃發展形勢下，“中國制造2025”“互聯網+”“網絡強國”等一系列國家重大戰略的實施迫切需要高等院校培養掌握前沿科技的復合型工程技術人才，在新一輪科技革命和產業變革中占據戰略制高點[1]。高等教育要緊跟新經濟發展需求，深化改革，采用物聯網、人工智能、大數據、基因工程和云計算等新技術升級改造傳統工科專業，建設和發展智能制造、集成電路、生物醫藥等與新產業相關的新興工科專業，催生新技術，孕育新興交叉學科專業。工程教育與產業發展緊密聯系、相互支撐，關乎我國經濟的可持續發展。2017年教育部立足于國家戰略發展新需求提出了新工科建設，先后形成“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”，為我國的工科發展和高等教育改革提供了建設思路和重要抓手[2-3]。

新工科的目標是培養科學基礎厚、工程能力強、綜合素質高的卓越工程技術拔尖創新人才，打造具有新理念、新結構、新模式、新質量和新體系特點的工科教育體系，支撐新技術、新產業和新經濟的發展。物理學是自然科學的基礎，也是產生高新技術的源泉。如新興產業人工智能（Artificial Intelligence，AI）主要研究利用計算機模擬和執行人類智能任務，涉及語音處理、計算機視覺、對話管理、機器學習和數據庫管理等，而物理學中的模式識別算法理論和量子計算知識，幫助學生理解并運用AI圖像和語音識別。

大學物理課程旨在培養學生的科學思維和實踐創新能力，物理基礎為后續專業課的學習和開拓奠定堅實基礎，該課程特點是理論嚴謹、實踐應用性強、公式多、內容抽象、知識覆蓋面廣、開設時間早和課程周期長，難于理解[1，3-4]。大學物理課程在本科一年級下學期和二年級上學期進行授課，多采用以老師“灌輸式”為主的“黑板+粉筆”傳統教學模式。近年來，AI、ChatGPT、大數據等高新技術推動著我國高等教育的改革和轉型，基于學習產出的教育理念（Outcomes-based Education，OBE）、混合式教學模式及課程思政的引入，對傳統教育模式掀起了巨大的挑戰。尤其在新冠疫情的沖擊下，網絡教學和線下傳統課堂教學交叉融合，很多高校大學物理課程教學暴露出不足，如網絡教學資源的參差不齊和重復泛濫，難以針對性快速完成工科專業課程資源的篩選。

為了適應新工科建設需求，近年來多所高校嘗試對大學物理課程教學進行模塊化分類改革。如哈爾濱工業大學的大學物理教學團隊用近2年時間進行多層次大學物理課程體系建設、教學內容優化、教學模式及考核方式改革，取得良好效果[1]；2021年，同濟大學物理教研室基于混合教學模式對大學物理課程進行改革[4]；2022年，福建農林大學采用對教學內容進行分類、構建模塊化教學團隊和“自助餐式”選課等措施提升大學物理課程的教學質量[3]；2022年，南京理工大學提出有效融入德育、豐富教學方式、改進教學內容和優化學分設置的方案進行大學物理教學改革和實踐[5]。2023年，西安交通大學的物理教研團隊基于產學協同育人模式整合和延展了大學物理資源庫的建設和推廣[6]。基于“互聯網+教育”、混合式教學模式和OBE理念的教學改革和實踐提供了便捷的自主學習時間、教學互動、翻轉教學和靈活的考核機制等，有利于激發學習興趣，改善教學效果。

筆者以大學物理課程為研究對象，結合哈爾濱理工大學（以下簡稱“我校”）實際情況，剖析新工科背景下大學物理課程的教學現狀和痛點問題，通過以專業需求為導向的模塊化教學大綱修訂、提高教學內容與專業課的銜接度、教學模式多樣化和考核評價形式多元化，提出相應改革思路，以適應新工科建設對高素質復合型工程技術人才的培養需求。

一" 現階段大學物理課程教學現狀和痛點分析

（一）" 教學大綱修訂難以緊跟專業建設和市場需求

鑒于各工科專業的核心專業課程對大學物理學知識的需求不同，而且近年來在“3+1+2”的新高考模式下，大一新生的物理基礎參差不齊，對不同專業的學生而言其大學物理課程的教學計劃、教學內容和評價機制的側重點不同，授課學時也隨之改變[3]。現階段，以哈爾濱理工大學為例，參考國內相關高水平院校的大學物理課程設置，結合我校實際情況，大學物理課程按授課學時不同主要分為四類：A（112學時，面向測控技術與儀器、無機非金屬材料工程等對物理學基礎要求較高的專業）、B（96學時，面向電氣學院、材料學院、機械學院、工程力學、新能源材料與器件等專業集群）、C（80學時，面向高分子材料與工程、材料化學、環境工程、材料成型與控制工程、自動化、化學工程與工藝、信息與計算科學、應用統計學、電子信息工程、集成電路設計與集成系統、電子信息科學與技術、電子科學與技術、安全工程、光電信息科學與工程、車輛工程、通信工程和土木工程等專業）和D（64學時，面向數據科學與大數據技術、物聯網工程、計算機科學與技術和軟件工程等專業），依托于各專業特點和需求調整其課程設置，減少物理和后續專業課的重復。然而，新工科背景下高校工程教育專業認證和學科評估要求知識點及學時分配、教學方法、教學內容、教學大綱、作業和評價機制均要求能夠實現對相應課程教學目標的有效支撐[1]。專業建設需以經濟發展和市場需求為導向，目前大學物理課程教學還難以滿足專業的針對性授課需求，教學大綱需要依據專業特色和需求以專業為單位進行實時修訂和持續改進，培養學生的科學素養、邏輯思維和創新實踐能力。而實際困難是教學大綱的實時修訂需要花費大量時間和精力，難以保證課程教學及時契合專業發展的動態需求，物理教學與專業課脫節，部分學生認為物理不重要而厭學。且公共基礎課教師數量相對較少，教學課時量大，完成教學工作量的同時還要抽時間從事科研，因此，難以實現根據專業需求對教學大綱進行實時修訂。新高考背景下學生的物理基礎參差不齊，如土木工程專業的部分省份考生甚至在高中階段除會考必修的力學、電磁學部分知識點外，熱學和光學部分的物理知識點基本沒學過，在大學物理課程中這部分學生很難適應跨越式的課程學習，聽不懂，跟不上，作業完成質量較低，影響教學效果，部分學者嘗試線上線下混合式教學模式、預修課程模式銜接等改革措施，這些問題有待進一步探索和實踐。

（二）" 教學內容和專業課程體系的銜接度低

大學物理的教學內容主要分為力學、熱學、光學、電磁學、量子論和相對論，經典物理內容占據主要部分，如部分學生仍習慣用中學階段的慣性思維求解質點運動學的勻加速直線運動方程，如何用微積分思想引導學生重構解題思路有利于培養其科學思維能力。盡管在教學內容上增加了近、現代物理知識，但在用普通物理的觀點分析近代物理，在經典物理中增加高新技術等內容方面仍然存在不足，無法實現“普通物理現代化和現代物理普通化”，大學物理教學與專業課脫節，教學內容難以與時俱進，案例陳舊，跟不上現代科技的進步。根據專業需求選擇授課學時，同一授課學時不同專業的教學內容大致相同，不同專業學生合班同時上課，其對物理知識的授課要求不同，老師很難以專業為單位進行側重點知識教學，如我校計算機科學與技術、通信工程、數據科學與大數據技術和物聯網工程等專業選擇大學物理課程內容不包括熱學內容，而熱學中的三種統計分布規律有利于激發學生的統計思維能力，對新興科技領域專業知識的理解和拓展非常重要[1]，部分知識板塊的缺失容易導致學生在后續知識點交叉融合方面遇到困難，限制了其專業領域的拓展和創新能力的開發。

（三）" “灌輸式”傳統教學模式為主

現階段我校大學物理課程教學仍以線下授課/多媒體授課的傳統課堂為主，傳統教學模式主要包括教師“灌輸式”授課—課堂提問—課下作業—習題講解—期中考試—期末綜合考評等環節。以教師為中心的傳統教學模式有利于老師根據學生聽課狀態實時掌控課程節奏。然而，結合我校公共基礎課教師的教學工作任務量較為繁重的實際情況，多采用同一專業或多個專業多班同時授課，傳統教學模式仍以教師“填鴨式”教學為主，學生的課堂教學參與度較低，而通過課后作業批改、習題課講解和答疑等環節很難真正把握各專業學生的階段性學習真實情況和思想動態，傳統教學模式培養的主要是學生的應試能力，偏離了新工科背景下“以學生為中心”的OBE教學理念。

自新冠疫情以來，大學物理課程的教學模式已從傳統的“黑板+粉筆”課堂轉變為課堂教學與網絡授課相結合的隨機切換模式，教師通過電子教案、錄像、在線直播借助于各種新興網絡平臺和軟件如MOOC、微課、SPOC、學習通、騰訊會議、釘釘及QQ在線直播等“灌輸式”進行授課，各類網絡教育資源參差不齊，網課教學質量受到網絡狀況的限制，經常出現卡頓和掉線，影響學習積極性和教學互動，整合優質網絡教育資源，加強學科交叉和融合對大學物理課程教學來說既是機遇又是挑戰。另外，基于專業發展需求，大學物理課程經歷了教學學時縮減，難以保證實現對物理學知識內容體系的融會貫通，學生在各類學術競賽和創新創業項目研究過程中暴露出物理基礎不夠扎實，影響其專業領域拓展。

（四）" “應試”為主的傳統考核評價體系

現階段高校大學物理課程考核仍以“應試教育”的傳統評價機制為主，即平時成績（包括平時表現+過程性考核+作業）+期末考試[7]。以哈爾濱理工大學為例，大學物理課程的考核主要包括形成性評價和終結性評價，形成性評價是教師在授課過程中為了實時掌控學生的學習動態，及時調整講課節奏和內容，提高教學互動效率，根據學習目標和活動設計明確的評價量表[7]。形成性評價方式（占據總成績的30%）主要包括課堂表現（10%）、作業（10%）、過程性考核（10%）等。其中課堂表現體現在學生課堂整理筆記、線上測試、課堂提問環節等情況。形成性評價體現了學生的階段性學習效果，具有靈活性和階段性特點，課堂表現部分具有定性特點，而過程性考核部分則呈現定量考試的特點，盡管這種定性分析+定量考核相結合的方式有利于調動學生的主觀能動性，然而實際情況是授課教師在分散型過程性考核中的評價內容和評價指標存在個體差異，導致其考核成績有失公平性和規范性[7]。終結性評價是指課程教學結束后作為學生學習過程和學習結果的最終評價，給出一個具體的分數并以成果檔案袋的形式呈現，檔案袋中包括以專業班級為單位的成績分析、達成度計算、監考記事、成績單、期末考試試卷、過程性考核試卷、平時表現和作業成績記錄依據等。終結性評價總成績為100%，包括平時成績分數（30%）+期末考試成績（70%）。期末考試是指學期末授課學時完成后針對所有工科專業學生統一組織的全校范圍閉卷考試，通過合理設計卷面考題和分數比例，考察學生對物理概念、研究方法和原理的掌握程度及靈活應用能力，同時考察期綜合運用物理知識解決分析問題的能力，考題一般包括基本概念、原理的理解和運用，綜合分析設計，其形式包括選擇、計算和簡答題，傳統閉卷形式的期末考試成績主要考察學生的應試能力，具有量化、易于監控、相對公平的特點，但這種評價方式沒有起到及時反饋學期授課過程的階段性學習效果，不利于激發學生的后續動手能力和創新實踐能力。

二" 新工科視域下大學物理課程教學改革措施

基于新工科背景下“以學生為中心，以培養學生的綜合創新實踐能力為導向”的OBE教學理念，本課題綜合剖析了現階段大學物理課程教學存在的“痛點”問題，在新形勢下，結合我校實際情況，我們提出如下大學物理課程體系的教學改革方案。

（一）" 專業帶頭人協同完成“模塊化”教學大綱修訂

針對大學物理課程教學大綱難以滿足新工科背景下專業發展（尤其是數據科學與大數據、物聯網工程、人工智能和云計算等新興專業）的要求這種實際困難，導致物理教學與專業課程的知識體系銜接度偏低，其很大原因是課程教學大綱通常是物理教研室單獨編寫，各專業在現有的教學大綱種類中依據自身專業要求進行選擇，物理教研室很難及時把握各專業建設和發展需求的變化，而專業學科帶頭人熟知本專業建設發展需求，可有效根據自身專業的核心課程對物理知識的需求，在保證物理知識體系完整的情況下，在原有教學大綱中增加“專業拓展知識模塊”，將專業知識模塊和物理知識模塊自助組合，減少或棄選重復及不重要的物理知識，這樣既能滿足各專業實際需求，同時還有助于物理教師依據專業集群更新教學內容和方法，使大學物理課程教學真正遵從“以需求為導向，以學生為中心”的OBE理念，為新興專業的發展提供支撐，滿足新工科建設發展新需求。

（二）" 以專業需求為導向的教學內容優化

針對新工科背景下學科和專業之間交叉融合日益加強，以培養高素質復合型工程技術人才目標為導向，針對各專業集群對大學物理課程授課內容的不同定位和具體需求，提高物理課程與專業課的銜接，充分發揮大學物理課程對后續專業知識學習的支撐作用，本課題提出以專業需求為導向進行教學內容的多角度優化，在保證物理完整知識體系的基礎上，針對不同專業后續核心課程對物理知識的授課需求，因材施教，與時俱進，扎實理論基礎，授課過程中引入現代高新科技中應用的相關物理原理和基礎知識，如X射線檢測、核磁共振、電磁屏蔽、人工智能、特斯拉電動車電機及北斗導航等技術，在課堂教學中調動學生的主觀能動性，加強圖書館和網絡資源的利用，作為教材的補充，并通過相關學術競賽、創新創業項目和科技報告驅動教學內容的現代化和實時更新，保證知識更新的及時性，在課堂中引入高新技術的教學案例，引導學生轉變慣有思維方式，激發學生的學習興趣和創新思維。

針對新高考背景下學生的物理基礎參差不齊的情況，教師可借助于微信群或QQ群進行調研，利用線上課堂靈活的授課方式抽取物理基礎薄弱的學生進行分班、分級教學和輔導，對缺失或薄弱的物理知識模塊進行補充教學。針對具體專業需求及時調整教學內容的深入和廣度，課堂教學和課下補充學習相結合，在有限授課學時內加強教學內容組織的科學化和各章節知識點的交叉融合，在強化基礎的同時，為學科交叉做好鋪墊。在課堂答疑解惑環節以學生為中心，引入創新創業訓練項目案例，引導學生參與課堂討論和互動。在教學過程中引入相關大學物理實驗介紹，加強階段性知識點梳理、結合虛擬項目、仿真演示實驗等，培養學生的創新實踐精神和國際視野，充分激發其潛能。作業設計環節中在原有的理論公式和分析計算的基礎上，增加研究性作業，引導學生利用圖書館和網絡資源查閱相關學術論文，運用物理原理和物理思想深入理解現代前沿科技領域的高新技術，培養其獨立思考和創新實踐能力，為后續項目研究和畢業設計打下堅實基礎。

（三）" 線上線下混合式教學模式的探索

目前，在“互聯網+教育”、高新技術革命和產業變革、新工科建設、OBE理念、工程教育專業認證和學科評估等背景下，傳統課程教學模式的改革和轉型迫在眉睫，傳統教學模式導致學生對授課教師過于依賴，授課時間被教師的灌輸式講解占用，學生缺乏獨立思考能力和創新思維，缺乏主觀能動性。“互聯網+教育”、人工智能、大數據等現代教育信息技術的發展，線上線下混合式教學模式成為提升大學物理課程教學品質的必然趨勢和契機。由教師為主的面對面教學模式轉變為課前教師通過網絡平臺如慕課、微信、學習通和智慧樹等發放學習任務、公告、作業、資料和測試等，引導學生自主學習，帶著目標和任務進入課堂，構建開放課，實現實時互動，有效提高教學互動效率，“以教為主”轉變為“以學為主”，利用虛擬實驗設計，調研整合紙質版教材、參考資料和網絡教育資源，自由組成學生團隊，基于本章物理知識，借助于軟件設計并演示相關物理實驗，然后模擬學術會議的形式進行學生答辯、互相提問討論、教師點評和歸納總結的翻轉課堂模式，這種混合教學模式具有靈活性、多樣性、開放性和互動性高的特點，有利于實現教學相長，信息更新及時且互補，網絡教育資源共享，在時間和空間上具有更大的兼容性，線上線下混合教學模式更有利于培養學生的團隊協作精神、邏輯思維和改革創新精神，符合新工科背景下的OBE教學理念[1，7-8]。

（四）" 課程考核評價方式的多樣化

課程教學內容的專業模塊化、教學模式的多樣化必然帶來課程考核評價方式的多元化，傳統的評價方式更側重于期末考試卷面成績，注重培養學生的應試能力，課堂教學中以教師講為中心，學生參與度較低，教學效果有待進一步提高[9]。以專業建設和市場需求為導向的混合式教學模式有利于激發學生的創新能力和參與積極性。多元化評價考核機制從根本上幫助學生擺脫考試壓力，改變以“卷面分數”為主的平時學習松散、期末考試集中應試復習等導致教學效果差的現象[10-11]。新的考核機制總成績（100%）由原來的平時成績（30%）+期末卷面（70%）兩部分調整為七個部分，總成績（100%）包括課前線上自主學習（10%）、虛擬實驗設計和演示（5%）、專題討論（5%）、案例分析（5%）、研究性作業（5%）和筆試成績（70%），其中研究性作業鼓勵學生在相關物理知識點的基礎上自擬虛擬研究項目，通過文獻調研+PPT報告答辯的形式完成作業，培養學生的創新實踐能力。筆試成績包括期中考試（20%）和期末考試（50%）兩部分，筆試考核環節由命題小組成員進行考試題目的設計和改革，在選擇、簡答和計算題基礎上增加基于物理原理的相關實驗設計，如利用光的薄膜等厚干涉原理設計一個實驗檢測物體表面的平整度，并說明其中的物理原理。期中和期末考核部分的試題出題規范，與其教學大綱和課程培養目標相一致，利用現有的網絡資源引入高新技術豐富大學物理課程的考核評價資源數據庫，保證閉卷考試的試題重復率和知識點覆蓋率滿足工程教育專業認證、學科評估和新工科建設要求。這種多元化的評價方式重過程，能夠及時反饋階段性的教學效果，有利于教師在課程教學過程中及時掌握學生的學習動態并根據不同專業特色需求調整教學方法和策略，提升教學品質。

三" 結論

本文剖析了現階段地方高校大學物理課程的教學現狀和“痛點問題”，指出其教學大綱修訂難以緊跟專業需求、教學內容和專業核心課程脫節、過于依賴教師的傳統教學模式及“應試”為主的傳統考核評價體系。在新工科建設背景下基于“以學生為中心”的OBE教學理念，提出采用專業集群“模塊化”教學大綱修訂、教學內容優化、教學模式多樣化和考核評價形式多元化的措施進行大學物理課程教學改革和實踐，為提升大學物理課程品質和培養高素質復合型工程技術人才提供支撐。

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