基于工程应用的大学物理教学改革研究

董 瑾 黄 霞

华北电力大学数理学院 北京 102206

基于工程应用的大学物理教学改革研究

董 瑾 黄 霞

华北电力大学数理学院 北京 102206

大学物理是高校工科专业开设的必修基础课程。通过对当前大学物理教学现状的分析，提出了基于工程应用的大学物理教学改革思路，从培养学生的工程应用能力和终身发展的角度，分析了大学物理的地位和作用，阐述了与专业应用相结合，科学设计课程教学目标，改革教学内容和考核方法，创新教学方式，突出物理学研究方法的培养，最后对改革实施的建设保证进行了探讨。旨在激发学生学习兴趣和热情，理论联系专业实际，实现大学物理课程的开设目标。

大学物理；工程应用；教学改革

著名物理学家杨振宁先生曾对中美教育做过比较：两国体制各有各的好，中国教育严谨认真，注重演绎、理论和逻辑推理，学生谦虚谨慎；美国教育强调归纳、动手能力和工程应用及创新精神的培养，鼓励学生向权威挑战。部分大学毕业生对基础课程的评价：基础课程无用论，当年虽然没有学习兴趣，但学的非常辛苦，记了很多的定理、定律和公式，可在实际工作中又还给了教师。上述种种，针对建设创新型国家，迫切需要培养数以千万计的专门人才和大批拔尖创新人才，就对高等学校教育教学改革提出了新的更高的要求［1，2］。动手和实践能力不强，创新能力不足，很大程度上是学生不知如何把理论与实际应用联系起来，反映在教学上，教师的理论联系实际不够，只是把书本上的知识进行传授，对学生缺乏进行足够的训练和培养。

大学物理是理工科大学生的基础课之一，也不同程度的存在上述问题。目前关于物理教学中培育工程实践意识的研究较多［3-5］，但大多集中在一般的培养学生的工程意识、科学思维能力和创新方面，但整体内容还是局限在物理体系框架之内。但是，对于工科高校来说，物理课堂教学如何结合学生所学工科专业，融入专业，增强专业的应用性，有的放矢地培养学生的工程意识与创新能力，从而避免进行空洞的说教，这应是物理教师所关注和研究的问题。笔者就大学物理课程教学改革，物理教学如何与专业结合，理论联系专业实际，激发学生的兴趣与学习热情，同时又为后续专业课学习奠定良好基础，培养学生的工程应用能力进行了全面的分析和探讨。

1 大学物理教学的现状分析

物理是探讨物质结构和运动基本规律的学科，它是自然科学的基础，物理学领域的每一次突破，都极大地推动了社会的进步。物理学与工程技术科学息息相关，作为理工科大学生的基础课，理应成为培养和提高学生的工程意识、创新精神的重要课程。然而，目前传统的大学物理教育模式，尚没有达到开设物理课程的目的，主要存在以下几个问题。

1.1 应试的教学模式

教师及学生多年来均习惯于应试教育，已经形成了一种教育模式：即教师讲定理，学生背公式，只要会做题，考试肯定没问题。教学中以教师为主导、以学生为主体未得到充分体现，课程教学沿用传统方法，教师照本宣科，学生死记硬背，生搬硬套，片面追求分数，学习成绩是评判物理学的好差的重要依据，仍然对全班学生成绩进行排名，其综合评定影响学生各方面的评优。至于有无兴趣，学的知识是否用得上，则考虑不多。这种落后的模式性、教条性、体制性教育，实际上在中学应试教育、以高考为指挥棒的模式下就已形成，严重制约了学生能力的培养和发展。

1.2 教学内容陈旧 考核评价方式单一

据调查数据显示［6］，65%的学生认为大学物理并不重要，60%的学生觉得大学物理枯燥难懂，90%的学生认为学习方法与中学一样。教学思想停留在学科知识本位的传统观念上，体现在教学内容上，主要是讲授概念公式、定理定律，特别是相当的时间花在解题技巧、策略上，使学生陷入了题海当中，至于工程应用，往往一笔带过，最关键的两者之间的关系以及如何建立，则描述不多。考试是指挥棒，一般是围绕物理试题库，考题纯粹是从理论到理论，题型一般是填空题、选择题、判断题、计算题，由此把学生导向了用死记硬背概念公式、定理定律的学习方式学大学物理。最后造成课程结束了，该课程的使命也终结了。

1.3 与学生专业脱节严重

大学物理教学过于注重物理学学科体系的完整性，突出体现物理学的特色，与专业的结合不多。与中学物理相比，知识内容的广度和深度虽有极大的提升，但整个体系和语境还是局限在物理学这个体系内，学生的思维意识没有延伸到这个体系外，这种惯性思维造成理论与实践应用相脱离，体现在后续专业课程的学习和实际工作中，不知如何应用，导致了无用论。

2 突出专业的应用性 大学物理教学的改革探究

大学物理作为工科高校的重要基础课程，是学习其他自然科学和工程技术的知识基础，它对工科各专业的教育基础作用已毋庸置疑。但如何使学生把所学的理论应用到实践中去，树立工程意识和开拓创新精神，是我们物理教师应该着力探讨的问题［7］。

2.1 重新审视大学物理的地位和作用

以往把大学物理仅仅认为是基础知识，实际上忽略了大学物理课程的另一重要作用，那就是它面向工程实践的直接应用性。现代工程技术和新兴高精尖产业的发展证明，大学物理对培养学生的理论联系实际能力、工程实践能力、创新能力以及培养学生科学严谨的思维方法等方面有着不可替代的作用。因此大学物理既然是基础课，培养的不是物理学家，应该为专业学习服务，为不同专业的后续课程的学习而发挥作用，应把改革的重点放在应用上。大学物理课程建设与改革的理念应是：夯实基础、融合专业、终身发展。

当然专业应用也不能泛泛地笼而统之，要根据各自学校的人才培养目标定位，学生的就业服务面向，所授学生班级专业的特色进行综合确定。如一般院校和211院校的培养目标有所差异，它面对的中小企业居多，主要技术工作是产品选型、技术改造以及较多的工艺设计任务。因此教学改革的基点，是针对不同类型的专业口径，对大学物理在整个专业人才培养方案课程体系的地位和作用进行综合性的评定。

2.2 学情分析

一般大学物理课程在大学一、二年级开设。现阶段，学生按照自己选择的专业志向开始了大学学习，完成了入学专业教育和专业概论课程，对学校办学特色有了一定了解，对相关专业实验室进行了参观考察，可说对自己向往的专业有了一定的认识。而在此阶段，学校开设公共基础课程较多，如思想政治课、外语、数学、物理、体育等，这些课程相对于联系专业较少，沿用的教学方法与传统的中学非常近似，从某种程度上，学生刚刚燃起的对专业的热情和向往受到了削弱，使学习积极性不高。相对于其他课程来说，由于物理课程的特殊性，它在整个自然科学和工程应用领域中具有基础性和战略性地位，因此在物理教学中对学生进行早期的工程及创新意识的培养显得格外重要。

2.3 科学设计大学物理课程的教学目标

目前大多数工科院校的人才培养定位是培养具有扎实的理论知识和很强的专业技术技能的工程师型人才，整个课程设置、教学内容和教学方法也要围绕这一目标展开。大学物理在夯实基础物理理论知识的基础上，应针对工科专业的特点，重点加强与专业的结合，突出专业的应用性，由此不同的专业可能就有不同的教学大纲。学校类型不同，专业口径不同，生源层次不同，就要制定不同的教改方案，如此才能增强大学物理课程的针对性、实用性、有效性。但其共同点就是：结合专业领域的工程实际，研究典型的生产案例，强调理论与实际的联系，特别是如何建立这种联系，基于物理规律如何详细解释和说明工程实际现象。在教学内容安排上，应突出概念的物理意义，弱化公式的推导和计算，严格避免使学生陷入题海之中，陷入解题的技巧和策略之中，以此达到在传授知识的同时，结合专业，重点培养学生应用物理知识、科学思维方法来分析工程实际问题和解决问题的能力。这样的大学物理教学，会使教学内容更加丰富，具有新鲜感和落地感，而不是从理论到理论，雾里看花，从而提高学生的学习兴趣，更加体会到物理学的重要性和普适性。

2.4 研究教学案例 创新教学方式

教学中坚持以教师为主导，以学生为主体。而要做到以学生为主体，调动学生积极性，增强师生互动，就要以问题为导向，有实际任务或问题的载体，这里推荐“案例教学法”。要把生产实际案例转化为教学案例，就需要教师认真研究分析，精心设计。

例如，对热能工程专业讲授《热力学卡诺定理》一节，以电厂三大主机之一汽轮机为研究对象，对汽轮机进行合理的抽象和简化，抓住主要因素，建立教学理论模型，讲解如何进行热力循环，怎样提高热机效率，避免设计低劣的设备带来的“损失”和“浪费”。随之可扩展到蒸汽机、内燃机、燃气涡轮机的效率。内容上还可以回顾以动力机械为主导的第一次工业革命，瓦特曾两次改进蒸汽机的设计，使蒸汽机的应用有了很大进展，但仍存在效率不高问题，而1824年卡诺定理的提出，为提高热机效率提供了理论依据。

再如，对电气工程及其自动化专业讲授《电磁学法拉第电磁感应定律》一节，可以电厂三大主机之一发电机为研究对象，简化发电机的设备结构，用法拉第定律说明发电机的工作原理：转子转动带着磁场转动，发电机定子内部周边的铜线来切割转子旋转的磁场，然后在定子的铜线上产生电动势就会有感应电流产生。正是依据电磁感应的原理，才制造出了发电机，同时电磁感应现象在电工技术、电子技术以及电磁测量等方面都有广泛的应用，如变压器、电磁流量计等，从此人类社会迈进了电气化时代。如此讲授会使学生真切感受到了理论和所学专业应用之间的联系，加深了对物理知识的掌握和对工程问题的认识。如果按原教材内容，提不起学生的兴趣，教学效果也差强人意。

2.5 突出物理学研究方法 培养学生的工程应用能力

物理学是一门实验科学，本身就是从实践中来，物理学研究多种运动形态和多种相互作用，在研究分析物理问题、物理概念、物理定律时，总是同时贯穿着一种或几种具体的思维方法。在物理学中，具有许多有特色的研究方法，如分析法、归纳法、叠加法、比较法、类比法、统计法、模型法、量纲分析法、科学推理法等。在开展教学中，应积极鼓励学生大胆联想和猜测，联想、猜测、想象也是重要的创新思维方法。假设、实验、理论是研究物理问题的基本方法，要充分利用学生好奇、追猎、求知心强的心理特点，努力创造条件激励学生发散性思维，大胆创意，勇于实践，积极去探索寻求解决问题的方法和路径。

具有鲜明物理特色的方法论的教育，也应是大学物理教学中的重要内容。突出物理方法就是努力使学生达到运用所学的物理知识、物理规律，对工程实际问题做深入的研究，从不同角度，找到解决问题的基本思路与方法。知识只是智力的基础，创造才是最伟大的力量。如何变授人以“鱼”为授人以“渔”，在基础物理的教学中结合物理内容讲解和训练这些方法，对于学生的知识再开发，将自己的知识进行迁移、转化、重构和再生，以及对学生创新能力的培养、工程意识的提高和长远的发展无疑会起着重要的积极作用。

2.6 考核评价方式多元化

无论进行何种教学改革，考核评价方式始终是指挥棒。大学物理考核的改革重点是围绕应用方面的教学内容，突出评价学生应用物理知识分析问题、解决问题的能力。改变完全由题库中抽取，采用闭卷考试的做法。试题不应以做题为目的，弱化计算，要真实化和工程化，避免臆想的、毫无实际意义的问题。另一方面，考核评价不能“一考定终身”，应突出过程性评价，体现在教学全过程，实际上在力学、热力学、电磁学等教学内容中，有很多的物理定律和研究方法可以充分利用，采取分阶段设计专题，以小组式学习讨论、论坛、撰写小论文等方式进行考核。

3 物理教学改革的建设保证

3.1 加强工程化的物理教学师资队伍建设

大学物理教师基本都是毕业于综合性大学的物理系，接受的是传统的物理学科体系教育。而现在面对的是工科大学生，均具有一定的专业背景，因而一些教学观念必须更新，在如何着重推理、注重理论的同时，加强对学生应用意识的培养。由于涉及工科专业的设备部件、工作原理、工程技术等，需要从中找出与物理所授内容的相互关联，并且通过物理分析方法，由物理基本规律来解释和说明这些专业领域的工程实际问题，这就要求物理学教师要对所授学生班级的专业技术领域有一个基本的认识和了解。因此，物理教师需要进行再学习，并且与专业教师要进行充分的交流，到工程单位进行参观和考察，有条件的话，最好进行相关专业的企业实践，并有相当的时间保证。当然，这对物理教师是一个较大的挑战。

3.2 加强教材建设

目前大学物理所使用的教材内容，较为关注物理知识本身的系统性和科学性，过于理论化，从理论到理论，比较抽象，脱离实际和应用太远，趣味性不够，缺乏吸引力，导致它的作用未得到充分体现。笔者仅仅是从工程应用的角度阐述改革的思路：加强联系工程实际和技术应用，加大理论联系实际的比重；物理实验避免仅是物理现象的再现和物理规律的验证，而与工程实际应用相结合；例题、习题、思考题注重设计从工程技术应用实例和生产生活实际凝练出的物理问题，数据真实可靠，使题目贴近工程，贴近生活；跟进重大科技进展，近代物理学要及时引入，关注物理学的新概念、新方法、新测量手段。当然，时不我待，不能等一本完整的教材出现才改革，新的教改内容可以学习材料的形式进行补充。

3.3 提高教师的科研能力

做好物理教学改革，需要教师具有一定的研究经历。但目前物理专业相当部分教师不在科研第一线，即使做研究大部分也是在物理体系框架内，致使对当前工程领域的科技发展动态和工程应用技术不够充分了解，这样结合工程实际案例讲授就比较困难，理论与应用脱节，必然满足不了授课对象的学习要求。从另一方面来讲，随着教师对学校所设置专业的实际应用了解的加深，也开阔了教师的研究思路，跨出物理学科体系之外开展研究，也为教师的科研能力发展开辟出了新路径。科研促进教学，特别是跨学科的科学研究，相信对教师、对学生具有很重要的意义。

4 结束语

具有工程应用能力和创新人才的培养是当今中国教育所要研究和解决的重大课题，大学物理教育地位的特殊性决定了它应起到积极的作用。基于工程应用的大学物理教学改革是一项系统工程，改革力度大，涉及面广，师资要求高，其有效性还需要在教学实践中进一步修正和完善，逐步探索出更为科学合理的工科物理教学改革实施方案。只要我们坚持大学物理教学不仅为学生夯实物理基础知识，还要融合专业，理论与专业实际紧密结合，同时为学生的终身发展服务，就能走出大学物理改革的“新路子”。

［1］ 薛永武.拔尖创新人才成长规律与培养模式研究［J］. 山东高等教育，2014（9）：54-63.

［2］ 邱学青，李正，吴应良.面向“新工业革命”的工程教育改革［J］.高等工程教育研究，2014（5）：5-14.

［3］ 张晚云，曾交龙.面向优秀拔尖人才培养的大学物理新教学模式的探索［J］.物理与工程，2014（s2）：73-77.

［4］ 王文华，陈春雷，石友彬.大学物理教学中培养学生创新能力的研究［J］.中国电力教育，2014（23）：90-91.

［5］ 陈森，吴平，赵雪丹.大学物理实验研究性教学模式探索与实践［J］.中国现代教育装备，2012（23）：72-73，76.

［6］ 刘运新.非物理学专业的大学物理教学现状及改革建议［J］.教育教学论坛，2013（41）：122-123.

［7］ 董瑾.在物理教学中培养学生的工程意识和创新能力［C］.第三届大学物理课程报告论坛论文集.北京：高等教育出版社，2007.

Research on College Physics Teaching Reform Based on Engineering Application

Dong Jin， Huang Xia

School of Mathematics and Physics， North China Electric Power University， Beijing， 102206， China

College physics is a compulsory course for engineering majors in universities. According to the analysis of the present situation of college physics teaching， this paper puts forward the reform idea of college physics teaching Based on engineering application. From the cultivation of students' engineering application ability and the perspective of lifelong development， the position and function of college physics is analyzed. It also expounds scientifc design of the course teaching objectives， reform of teaching contents and assessment methods，innovation of teaching methods， and the cultivation of physics research methods. Finally， the construction of the guarantee for the reform implementation is discussed. Aims of the reform are to stimulate students' learning interests and enthusiasm， promote the contact between theory with the professional practice， and achieve the goal of the college physics course.

college physics； engineering application； teaching reform

2015-11-04

董瑾，硕士，教授。黄霞，博士，副教授，教研室主任。