基于“新工科”的工科物理作业模式研究

李海宝 熊红彦 李海燕 张兴华 张 琳 李 娜

(1黑龙江科技大学理学院，黑龙江 哈尔滨 150022； 2河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038； 3黑龙江科技大学机械工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022； 4黑龙江科技大学计算机学院，黑龙江 哈尔滨 150022)

2018年1月，教育部高等教育司对部属高校、各省级教育行政部门、理工专业类教学指导委员会以及相关行业协(学)会择优推荐的国家级新工科研究与实践项目，进行了公示，公示结果显示，认定了612个项目为国家级新工科研究与实践项目[1]。这标志着以“新工科”为核心的教学改革，已经到达了 “北京指南”的行动阶段。“新工科”顶层教学改革的持续推进，对课程的主动适应性改革的驱动效应正在逐步显现。

中国工程院院士、天津大学校长钟登华先生对新工科的内涵是：“以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才。”[2]在此内涵背景下，以“新工科”为核心的课程教学改革，至少应该落实以学生为中心的理念，知识体系导向性重构、加大学生选择空间，增强师生互动，改革教学方法和考核方式，推进信息技术和教育教学深度融合为切入点。作业是评估学生学习效果、巩固所学知识的基本工具和考核方式，因此对传统作业模式进行主动适应性改革是必要的。

1 改革传统作业模式的必要性

根据“新工科”理念，要求在教学中要把握新工科人才的核心素养，注重培养学生设计思维、工程思维、批判性思维和数字化思维，沟通协商能力和工程领导能力等[3]。作为教学中不可或缺的作业设计环节，传统作业模式已不能与“新工科”内涵要求相适应。

首先，从传统作业的目的性上看，传统作业的基本目的是通过对某一公理、定理、定律或推论的验证或简单应用，来完成对学生学习效果进行巩固和评估。当然，我们不能否认传统作业的这一根本目的，但是这个目的是单一的。根据新工科人才的核心素养内涵，培养学生设计思维、工程思维、批判性思维，以及数字化思维也是教学目的。学生仅完成传统作业，这些能力则不能很好反映，教师也很难通过传统作业对学生这些能力做出客观评估。

其次，从传统作业设计的内容上看，局限于对某一公理、定理、定律或推论的验证或简单应用，这样的作业在今天看来其内容是不够丰富的。在互联网时代，基础课程、通识课程中的经典作业题目，在网络平台上随处可见。因此，在作业安排中，如果仅限于对经典题目的布置，则缺少作业吸引力，缺少挑战性，已经不能很好地激发学生学习兴趣，特别是对于那些自学能力较强的学生。千篇一律的作业内容，也不能适应学生碎片化、多元化、个性化等学习行为的转变。

最后，从传统作业设计的载体上看，一般局限于在纸介上推演，学生完成作业的形式是单一的，至少在信息化与传统教学深度融合方面，存在提升的空间。受单一完成手段限制，传统作业题目的解题过程，存在过度简化的情形，表现在经常是对其中的一个特例进行解答。学生批判性思维和数字化思维的培养受到限制。

2 基于“新工科”的工科物理课程作业模式

基于传统作业模式改革的必要性，我们提出“新工科”的工科物理课程作业模式，这一模式以从具体课程角度尽可能地体现新工科人才的核心素养为首要，真正实现以学生为中心。从作业的顶层思想、内容设计、载体形式等方面，完成新模式的构建。

2.1 围绕核心知识点构建作业综合体

无论是传统作业模式，还是“新工科”的工科物理课程作业模式，都应围绕核心知识点来设计作业题目。不同的是“新工科”作业模式的每一例题目都应该设计成一个目的多元的作业综合体，使学生在完成作业过程中能从多个方面得到锻炼或收获，也可以根据自身的学习兴趣关注题目的不同侧面。

我们这里的“目的多元”指的是教师预设的、学生通过完成一个或若干个具体的作业题目过程中，能够实现知识巩固、灵活运用、视野拓展、技能锻炼、工程意识培养等多重教学目标的总称，具体实现目标的数量是依据知识点重要性以及知识点在课程内容体系中的位置来确定。根据新工科人才核心素养要求，笔者认为作业综合体应包括以下细分目标：

(1) 通过解答题目能够巩固知识技能；

(2) 学生能了解作业题目的工程背景；

(3) 学生能够受到作业题目的启发；

(4) 可以尝试利用数学仿真软件建立模型；

(5) 紧密联系接续课程(对接专业)；

(6) 围绕题目的探索性认知。

以核心知识点电容器与电容为例，简述这一设计过程。可以从智能手机待机时间长短这一公众话题导入，为作业题目预设工程背景。作业题目的选择可以围绕计算电容和讨论影响电容值的参数进行设计或选取[4]。结合学生接续课程，我们设计了一例关于在电路中存在多个电容器、电介质插入而计算等效电容的作业题目，题目可以进行数学运算推理，也可以利用数学软件进行仿真推演和图形化，达到巩固知识技能和满足部分学生尝试利用编程解决问题的目的。同时为学生布置文献查阅任务，以平行板电容器为突破口，讨论影响电容的参量，让学生了解当前科学研究的切入方向、技术上的突破、市场价值的开启等，就是围绕选取合适的材料、优化参数展开的，而在3个影响电容的参量当中，增加表面积和减小极板间距是一个重要切入点。

最后，结合双电层型超级电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)案例，引导学生讨论在科学研究、技术发明、工程实践中，“发现”一些基本物理原理在创造物质财富方面的价值[5-7]，形成文本报告。

2.2 基于作业综合体构建新媒体作业形式

从传统作业设计的载体上看，一般局限于在纸介上推演，学生完成作业的形式是单一的。纸介版作业还存在学生相互抄袭的现象，教师仅凭作业不能对学生学习状况进行客观评价。为使学生在完成作业综合体过程中，达到预期目标，教师需要为学生设计一套多种媒体相融合的新媒体形式。即围绕核心知识点和学生核心素养要求，构建起视频演说、文本报告、设计方案、数字仿真等形式组合的数字化作业体系。

首先，实施了视频作业办法，即要求学生将要完成的作业录制成一个独立的演说视频。为了保证实施效果，我们制定详细的实施办法。办法中包括实施方案的意义、实施的范围、录制要求、激励与约束措施等细则。在实施过程中，看到学生独立完成一次视频作业，需要对题目所涉及的基础知识和技能熟练掌握，同时也必须具备一定的推演和表达能力，以及团队协作、组织编排等能力。教师通过调阅学生递交的视频作业，能够得到学生的学习状况的真实信息。

第二，增加能充分体现主观性的文本报告、设计方案环节。在作业中，我们给学生一份指导性提纲。学生紧密结合自己的专业学习，寻找物理学知识与所学专业课程的紧密联系[8，9]；或者紧密结合生产生活实际，寻找物理学原理在生活与工程实际中的应用，最终形成一份围绕核心知识点的简短读书报告。此外，很多经典的作业题目其实来源于工程实际，或者可以找到工程背景，但几经抽象、演变其工程色彩淡化，以至完全脱离了工程背景。因此，我们为一些经典题目进行了工程背景的预设或说明；围绕作业题目，深入挖掘其思想性、启发性，赋予其工程色彩，主动适应学生碎片化、多元化、个性化等学习行为的改变，帮助学生树立探索意识。

第三，为学生设计虚拟仿真计算环节。熟练掌握一门数学仿真软件对理工科学生来说也是十分必要。然而，工科物理开设在低年级，学生接触到的数学软件和程序编写能力十分有限。在作业布置中，我们选择一些能够使用flash，模块化、Matlab GUI工具箱式的编程的作业题目[10-12]，鼓励学生制作一些学生乐见的动画或小仿真程序，融入虚拟仿真实验或数学参数化分析，利于学生对作业题目的深入理解、所学知识的全景透视，实现讨论和结论的可视化，对培养数学思维、数字思维有益。

2.3 围绕学生志趣制定作业质量评价办法

学生的志趣不同，使得他们在完成新媒体作业过程中，侧重会有所不同。基本功扎实、语言表达能力强的学生，在视频演说环节会表现良好；计算机仿真能力强的学生，则会在数字模拟环节表现出色；而文字表达能力强的学生则在文本报告环节会有与众不同的表现……。因此，建立起体现学生志趣的作业质量评价办法是必要的。为此，我们建立起多种媒体作业形式全面覆盖、志趣权重各异的分类评价办法或标准。全面覆盖是“新工科”人才核心素养的必然要求，而志趣权重各异则是因材施教、突出学生志趣的必然选择。学生在满足最基本的学习要求基础上，可以自主选择评价办法的类别。

2.4 不同评价方式的标准对接

为实现分类评价标准的对接，首先，我们在平时成绩考核这一环节制定了若干细分标准。这些细分标准制定的原则是：

(1) 保持每名同学平时考核总分不变；

(2) 每一细分标准中均包含基础和自选两大模块。

(3) 基础模块对所有学生是相同的，以保证学生获得围绕核心知识点的基本知识、基本思想和方法；自选模块则由学生根据自己的志趣，自由选择其中如视频演说、文本报告、设计方案、数字仿真等细目，以突出因材施教和促进志趣发展。

(4)平时成绩由学生在基础模块取得的成绩和自选模块取得的成绩组成。其中，自选模块的成绩，根据学生选择的细目数量，加权计入，即保证每位同学都能将自己的擅长作为成绩评价的一项依据。

第二，我们在学期末考试试题设计方面，进行了同步改革，例如，我们为考试题目营造工程背景，学生通过阅读背景材料获得解答题目所需要的信息，实现平时作业与期末考试有效衔接。

第三，我们积极利用各种学生能力培养与锻炼平台，如校内坚持20多年的大学物理科技创新活动、大学物理学术竞赛、东北地区大学生光电设计竞赛、全国青年科普创新实验暨作品大赛等，鼓励学生参加这些比赛，获得理论与实践结合、综合锻炼的机会。

3 基于“新工科”的工科物理课程作业模式的改革成效

我们进行教学对比试验，通过对理工科大学物理课程作业模式的改革，在试验班中分别进行了横向和纵向比较。2016级全校理工科合计106个自然班，两个学期教学任务，选取不同专业8个自然班进行了教学实验。为了相对客观说明问题，我们以卷面成绩进行统计，并将实施作业模式的改革班级标记为A、B、C、D、E、F、G、H。

其中为了横向比较，A、B、C、D 4个自然班两个学期均实施作业模式改革。两个学期的期末考试卷面成绩表明，A、B、C 3个自然班均位列前3名，D自然班第一个学期排第6名，第二个学期排第5名；两个学期纵向比较，尽管名次基本稳定，但第二学期的平均成绩明显提高。

为了纵向比较，E、F、G、H这4个自然班，第一学期采用传统的作业模式，第二学期采用新模式。统计两个学期期末卷面成绩发现，E班从第一学期的第75名，上升至第17名；F班从第90名上升至第32名；G班从第89名上升至第64名；只有H班排名没有变化，仍位于第80名。仅从卷面成绩上看，似乎H班没有取得预期效果，但事实上是H班参加物理学术竞赛、设计方案等环节的获奖比例数是最高的，超过50%(其他班级10%左右)。

对8个自然班第二学期期末考试卷面成绩超过90分的学生数进行统计，达到25人，全校合计有97人，试验班的优秀率显著高于传统班；如果将平时成绩计入，特别是将参加物理学术竞赛、设计方案等成绩计入后，试验班总评优秀率更是上升到全校优秀率的1/3，且全部位于前列。

通过问卷调查发现，学生对新作业模式非常欢迎，90%以上学生对视频演说形式的作业印象深刻，完成一道题的讲解，除了基本知识和技能得到巩固外，还能在语言表达、缜密思维等方面得到有效锻炼，这种感受甚至是终身难忘的；70%以上的学生认可设计方案和数字仿真形式的作业，觉得这一形式新颖，对计算机基础应用和编程很有帮助；参加各类竞赛获奖的学生认为新形式的物理作业，对他们的文笔表达和科学论述起到非常有效的锻炼作用，能让他们对竞赛不再陌生和畏惧。

4 结语

“新工科”对基础课程教学改革影响是全方位的，对课程教学的影响刚刚开始显现，作为评估反馈学生学习效果的作业环节，为了主动适应“新工科”人才核心素养内涵需求，笔者认为应该从作业目的的多元性、内容丰富性、完成手段的多样性等角度切入研究，构建新媒体作业形式。仅以实施的视频作业办法为例，笔者认为视频作业是教育信息化背景下，对学生学习、思维、组织、表达、设计、审美，以及团队合作等综合能力，进行训练和考查的理想载体，是促进学生主动学习、主动思考、创意设计的重要媒介。一般而言，一名学生(或几名学生组成的团队)成功完成一份较理想的视频作业，前面所述的这些能力所对应环节是必须经历的。站在教师角度，教师通过审阅学生所提交的视频作业，能够对学生的这些能力进行评估和学习效果评价，从而对教学过程做出更加科学的判断，而学生能够获得交叉与融合、数字化思维、沟通协商、自主学习等能力。这些正是“新工科”人才核心素养内涵需求的客观要求。