新工科背景下物理基础课教学的地位和作用

陈强

摘 要：新工科建设的精髓在于提升大学生的创新能力和创造力。本文从宏观管理、微观建设的角度，阐述了在新工科建设中加强科学素质教育和加强以物理类课程为代表的自然科学基础教育的重要性和必要性，并对新工科背景下物理类课程的改革途径给出了建议。

关键词：新工科建设;大学物理;科学素质;物理课程改革

一、新工科的精髓是解决创新和提升创造力的问题

新工科建设是中国高等工程教育“由大到强”转变的关键举措之一，在很大程度上是一种“凤凰涅磐”式的改革。近年来，通过工程专业认证和加入《华盛顿协议》，我国各高校工科专业学到了许多国际先进的工程人才培养理念和办学经验，在此背景下新工科建设迅速得到各方的高度评价、积极响应、热情参与。但不可否认的是，人们对于新工科建设的初始期望、内涵理念、应对举措、行动落实和预期效果等还存在不同理解，特别是在初心和效果的一致性上，有些学校甚至存在认识和行动不一致的现象。

新工科到底新在哪里？应该具有哪些特点和怎么改革？对此进行讨论和解读的文章目不暇接。从国家、学校、学科专业、社会行业和教师学生的不同层面，各有不同动机、不同理由和不同表述。但从宏观管理到微觀环节，新工科背景下的工程教育改革应该有一个自洽、合理、可行的内在逻辑。

从内在刚需看，在过去40年里，支持我国快速发展的因素中少不了“人口红利”和“教育红利”。今后要实现“大国”到“强国”的转变，乃至“强者恒强”，更多依靠的将是“创新红利”和“创造力红利”。新工科建设是教育供给侧改革的重大举措之一，根本上说，就是为并跑、领跑储备这两种红利。从外部环境看，我们今后面临的竞争归根结底是人才竞争，是教育质量竞争。不管我们愿意不愿意承认，这种竞争已经开始，特别是国家层面的竞争是不可回避的。如果我们不通过改革提高人才培养质量，我们凭什么敢说，我们培养的人在未来的国际竞争中一定能够胜出？个人认为，这也是提出新工科改革的深层次原因之一。

教育属于上层建筑的本性决定了教育既要由经济基础决定，又要具有前瞻性、探索性和引领性。在国家发展从跟跑到并跑、领跑的大背景下，注重高等教育对于“创新”和“创造力”的培养能力与提升能力，注重激发学生的创新意识、创新思维，并逐步形成有潜力的创新能力，应该是新工科教育改革中最重要的内涵。

目前令笔者担忧的一种现象是，在一些学校或学科，增加面向新型领域就业的专业方向课、削弱数理基础课和专业基础课有愈演愈烈的趋势，甚至某种“只要……，不要……”的思维，正在换着面孔出现在众多新专业的培养计划和原有专业的课程体系改革中。如果现在的课程表里充斥着“水课”，没有STEM（即科学、技术、工程和数学）的“硬课”，那就是抽去了高等工程教育的脊梁骨。如果我们的STEM教育被削弱了，而代之以“让学生满意”的所谓拓宽视野的各种“概论”、提升专业吸引力或就业竞争力的“忽悠课”、流于肤浅或事后诸葛亮式的“创新案例”，或者干脆把硬课变软、把难课削减、把干货注水，将来吃亏的将是整个这一代人，是整个社会和国家。这方面我们有的是前车之鉴，不可不察。

二、正确理解“创新”的内涵和尊重教育规律是新工科建设的前提

创新是分层次的，这里包括“原理创新”的基础性，“底层创新”的颠覆性，“概念创新”的革命性，“方法创新”的探索性，“技术创新”的极致性，等等。在工程技术领域，当然还有集成创新、引进消化吸收再创新、交叉融合自主创新等，不同层面的创新都是有意识的心智活动，是为了解决现有矛盾或问题而提出的新思维、新方法、新技术、新手段。

创新的基本元素应该包括坚实基础、天赋直觉、灵感闪现、逻辑推理、大胆假设、善于交流和精准实现等。创新意识是创新思维的起点，创新能力是创新思维的外化和物化表现。在大学本科阶段，激发和培养学生的创新意识、形成创新思维是主要任务。在有条件的学校，优先支持优秀本科生形成一定的创新能力当然很好，但对于不时爆出本科生如何“牛”到超越前辈学者、如何加以破格待遇等新闻，笔者窃以为对学生的后期发展未必是好事，甚至会助长社会的浮躁风和急于求成的功利心或攀比心。在新工科建设背景下，随着海量知识和数据的增长，以及学科交叉融合程度的增加，大学教育本科阶段更应该注重夯实数理基础，而在高年级乃至研究生阶段逐步开始聚焦专业和进入高水平的研究工作。

总体而言，个人认为新工科建设中的“创新”必须避开以下几个误区。

误区1：认为创新的关键在于“与众不同”或“世界独有”。但这不是创新！举个最简单的例子：全球有70多亿人口，每个人都与其他人不同，即使同卵双胞胎也不全同，能说其父母是在创新？严格来说，宏观世界没有全同的可能性，差异是绝对的，相同是相对的。试图从不同“元素”的不同排列组合得到“创新”注定是低层次的。

误区2：为创新而创新。没有目标，没有初心，不想付出追求至善、追求卓越的辛苦，只是从满足精致的功利需求或虚荣心出发去标新立异。搞这种创新的人就像醉汉在无规则踉跄，虽然永不重合，貌似有新意，但经过足够长的时间会发现他只是在原地或小范围内徘徊。而对于有坚定目标的跋涉，虽然可能进两步退一步，终究会逼近目标。

误区3：“无厘头”式创新。不懂规律、不做研究、不辨利弊，生搬硬套国际名校的学科布局、组织形式、管理形式甚至某个细节，热衷于学皮毛、学形式而不顾教育规律和内在逻辑，其中不乏“花样翻新赶时髦”“形似容易神似难”的问题。

误区4：“缺什么就开什么课”。要推动“三创教育”，不是努力改革满堂灌的教学模式，而是草率另开各种“水课”，把学生课表填得更满，使得学生更缺少实践机会，更没有个性化发展的时间和空间。

此外，还有一些把过往改革精心包装、改头换面、“新瓶装旧酒”的所谓“创新”，本质上并无新意，只用于报奖或热衷于争名夺利。这种“创新”实际上已不属于“误区”范围，不再赘述。

三、新工科必须加强以物理学为代表的自然科学基础教育

基于以上认识，可以概括地说，新工科教育要取得突破，在本科阶段首先要瞄准创新意识和创新思维的培养，强化STEM基础，优先把这些“硬课”打造成“金课”，而不是增开一批浅尝辄止的“概论”或新兴交叉领域的简介类课程。自然科学教育如同国民经济中的高端制造业，再难也要砥砺前行，一旦被掏空，其余都是虚的。

从人才培养和成长角度看，“硬课”还具有砥砺人才、筛选人才的作用。其逻辑在于，只有“硬课”才真正有挑战性，挑战过关才有成就感，成就感积累多了，才能形成学术自信。有了这种自信，才能形成不断学习的能力，才能提高自身实力，才可能从容面对未来竞争，进而有勇于创新的基础和能力，才能形成不断上进的正循环。而在今后职业发展中，基础硬课的长效性，特别是对思维方式的影响，往往贯穿于整个职业生涯，而且越是遇到发展瓶颈，越会觉得打基础的“硬课”很重要。

不可否认，纯粹科学和工程应用之间虽然有深刻的因果关系，但距离往往看起来很遥远，也由此造成一些误解，造成传统工科教育中“就工程论工程、就技术论技术”的弊病。现代高新技术的关键问题越来越归于复杂和底层的科学问题，其突破往往還是在于科学技术的突破，在于新思维、新概念、新方法、新技术的突破。新工科教育的改革恰恰应该致力于培养一大批献身于拉近科学与工程技术距离的高端人才。

在STEM类课程中，由于数学被后续课程大量应用，也是工科各专业考研的必考科目，学生对数学课的重视有内在动力。所以，新工科建设背景下的专业课程设置更应该关注如何加强涉及科学素质和科学基础的课程，首推的就是以物理学课程为代表的自然科学类基础课程。只有抓住加强物理教育这个牛鼻子，并坚持抓紧抓牢，才有可能真正提升工程和技术类教育的档次，把握未来竞争的主动权。

为什么是物理学而不是其他学科？

首先从学科地位来说，物理学是科学之“王”，数学是“王后”，二者均处于科学技术舞台上的“C位”。物理学作为整个自然科学和工程技术的基础，不仅自身是开拓人类知识疆域的主力军，也定义了其他学科不可逾越的边界，物理学研究的范围从微观粒子到天体宇宙，其他学科可以细化和丰富研究内容，但任何违反物理基本定律的创新一定不能成立。由此奠定了物理学是底层创新、理念创新和原始创新的必要基础，是其他自然科学和现代工程技术的基础，也是交叉学科领域的主要参与者和建设者（虽然有时只是幕后之王）。例如，即将生效的新版国际单位制中的所有基本单位都通过基本物理常数加以定义，这对平常人可能“无感”，但在高新技术竞争中很可能带来重要影响。如果我们的高等工程教育看不到这些趋势，重于“术”而疏于“道”，注重应用价值和经济价值，而不了解底层创新的颠覆性，不了解颠覆者也许并不来自同行，这样的教育就无异于舍本求末，无异于无源之水，即使局部领跑也只能是暂时的，注定不可持续，更难以保持“强者恒强”。

其次从世界观、价值观来说，科学发展史的无数事实证明，物理学最能体现“实践是检验真理的标准”的辩证唯物世界观，哪怕是面对哲学、宗教和社会的质疑反对，物理学通常是真正挺身而出的先锋。物理学的每次重大进步都会掀起对科学、哲学、社会生活甚至宗教信仰的重大影响，甚至颠覆人们千百年以来的普遍认识。新工科改革如果没有这种对世界观、价值观的正确塑造，没有对物质世界基本规律的了解，这种改革一定是有问题的。如果我们的理工科大学生，毕业之时对相对论和量子论毫不知晓，能说他的科学素质结构是健全的吗？那种“夏虫不可语于冰”式的工程教育，在日益极致化的竞争中是不可能并跑、领跑的！

再次从科学方法论来说，因为物理学要诠释物质世界各个层次的难题，所以在研究方法上是最丰富多彩的。既有高度数学抽象，也有直觉猜想;既是数学化程度最高的理论科学，也是技术上最精准的实验科学。物理知识及其研究方法具有最朴实、最实用的迁移性，物理学和工程技术进步之间相互促进、共同进步的例子数不胜数。物理学内部各分支学科的研究方法相互借鉴，成就了物理学内部最能体现交叉综合的分支学科——凝聚态物理学，进而成为新材料、新器件、新工艺等领域的基础，展示出强大的创新优势和生命力，也成为物理学内部最大最活跃的领域。正是这种从不同层次、不同角度的研究方法训练，使得学过物理的人对于新兴交叉学科往往具有天生的敏感性和开创性，例如国家“863计划”中的4位倡议者中有三人是物理专业出身，“两弹一星”元勋中大多数人是物理学家。

四、新工科背景下的物理教学本身也需要深刻改革和创新

毋庸置疑，物理课程本身也应该进行改革，而且应该是深层次的供给侧改革。那么，新工科建设对物理教学的需求是什么？新时代背景下物理教学该何去何从？

管理层面的理念更新是最重要的。我们不能在加强人文素质培养的同时又走向另一个极端，把科学素质丢掉了。物理课不仅仅是科学基础课，也是科学素质教育中的主体和重头戏。物理学发展史就是人类对自然界不断深化认识的历史，是宇宙观、世界观、物质观不断进化的历史。以此为基础的教育，才能使学生有正确的世界观和价值观，才能客观认识自己、认识世界。因此，更要加强而不是削弱物理课程，确保有足够的学时使教师在课堂上进行潜移默化的育人。只有课程安排有足够课时，才可能在打好知识基础的同时，把加强科学素质培养落到实处。物理课是公认的“硬课”，恰恰是“硬”在知识链长、逻辑性强、涉及面广、含金量大，其中有些内容在后续课程中不再涉及，但对于培养“有用的人”而言又必不可少。我们现在说新工科需要更高的综合素质和解决复杂工程问题的能力，但是近期国内高校许多“新工科专业”把物理课程学时砍到老师只能讲一些“碎片化”的知识点，根本不可能再谈论复杂问题或任何能力素质方面的内容。如果我们的管理层认为后续课程或者增加一些其他课程可以解决这个问题，那将是大错特错。皮之不存，毛将焉附？没有知识载体地空谈能力和素质都是隔靴搔痒，不可能真正提高学生的能力素质。

教学层面的改革是最实质性的“最后一公里”改革。总体而言，一要增加知识点形成的来龙去脉和逻辑结构，使之和能力素质教育有机结合为一体。物理学的“知识链”比较长，编织成网就有了结构，有了结构就有益于提高复杂思维和综合考虑的能力。二要有所为有所不为，加强和数学及后续课程的整体优化，提高数学和物理教学的配合度。同时把边缘、过时和重复的内容坚决去掉。例如，传统教学内容因为计算能力限制，往往只局限于有解析解的问题，学生对于稍微偏离对称点的问题就可能无能为力，这种因数学手段而限制物理问题研究的现象应该逐步消除。三要把物理知识学活，加强“贴近生活、贴近现代、贴近社会”，拓展学生思维和视野的同时，改变思考分析的方式方法，让学生知道红线在哪里，更知道未开垦的处女地在“远方”。四要瞄准发展趋势，打破物理课只在一二年级开课的思维定势，在低年级基础课之外，以供给侧改革的思维开设“鲜活”的物理课程，以帮助专业水平提高的合理方式把物理教育延伸到高年级和研究生阶段，开设一批能让人“脑洞大开”的新物理课程。例如，人工智能发展需要大量新型传感技术，其原理绝大多数是基于各种物理效应，因此为高年级学生把形形色色的物理效应及其适用范围加以梳理，建成新课，很可能会为学生的传感器创新设计开辟出新天地。

具体到不同层次的高校或专业，物理教学内容和方法改革应有不同的侧重：

（1）追求“双一流”的学校和学科是未来竞争领跑团队的主力军。物理内容的先进性和现代化是课程改革的主旋律，用最新的物理学进展和先进物理技术作为交叉学科的粘接剂和增强剂，夯实各具特色的底层创新和原始创新的基础，应该是这类学校物理教学改革的主要方向。教学内容的现代化主要包括把经典物理内容讲活，加强近现代物理的内容，把科研成果和方法转化成学生可以接受的教学内容，让优秀学生作为年轻研究者参与科研活动，等等。

（2）对大多数的一般性

工程类专业，把物理内容的硬核和专业需求有机结合，凸显专业知识之下的物理基础作用，特別是支撑专业新进展、新技术发展的物理原理，进而从底层加深对本专业进步与创新的理解。而不是像现在这样，物理基础课和专业课两张皮，学生对物理课学习没有动力，后续课程又觉得物理课可有可无，在培养方案中一再削减物理课学时，致使最终培养的人才在科学素质结构上有明显的缺陷。

（3）新工科专业要从课程体系开始，就保证物理课程的核心基础课地位和足够课时，从而保证学生在学习物理基础知识的同时，有可能学习科学研究方法和形成初步研究能力，有可能形成科学思维、全局思维、逆向思维和批判性思维的习惯。

（4）对于本科毕业即就业的专业或人文社会科学类专业也应该开设一定分量的物理课程，使其成为建构科学素养的重要载体，至少可以让学生明白科学和伪科学的红线在哪里，形成尊重科学和理性思考的习惯。

总之，新工科背景下的物理课程不能孤芳自赏式的自我陶醉，以高大上为追求目标，也不能自暴自弃，任人碎片化阉割。要学会接地气，把物理课讲活，要寻找新的办法使之更“贴近生活，贴近现代，贴近社会”，使学生易于接受、乐于接受，在接收中受到熏陶、感染和锻炼，在“硬课”的成就感中形成“物理课确实重要”的口碑。对教师而言，要真正做到知识、能力、素质三位一体的教育是需要花大力气的，需要在课程内容、教学设计等方面认真研究;需要加强教师的“充电”培训，拓宽教师视野，在教学中渗透现代宇宙观、世界观、唯物观，而不是只讲一些细节问题，从而把物理课的科学素质培养作用真正发挥出来。

[责任编辑：夏鲁惠]