面向工程能力培养的大学物理教学模式创新

胡雪兰，张艳峰，杨新湦，徐 舟

（中国民航大学 中欧航空工程师学院，天津 300300）

在新经济背景下，我国提出“新工科”建设方案，面向未来科学合理布局“新工科”专业，以多元化、创新型卓越工程人才培养模式为主线，通过培养具备创新创业能力和跨界整合能力的工程科技人才，实现高等教育强国和中华民族伟大复兴的中国梦。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》将“空天”领域列为需要超前布局和建设的战略性产业。此外，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020 年）》明确指出要建立高校分类体系。作为具有工科优势的行业院校，服务于国家战略，承担着满足产业需求和面向未来发展，培养具有国际视野、通晓国际规则的复合型航空精英重任，带动我国航空产业技术进步，推动航空业复兴，为建设创新型国家和人才强国战略服务，对丰富和推广中外合作工程技术人才培养体系具有重要意义。

法国作为航空航天强国，在航空设计与制造领域独树一帜，形成了后工业化时代工程教育人才培养模式，其精英人才培养获得国际社会广泛认可。法国工程师善于把科学知识、技术能力和对人类现实的关怀结合起来，能够革新、创新、掌握、主导很多主要领域的复杂工程项目，这与法国精英工程师教育体系是分不开的[1-7]。预科教学是法国精英工程师教学体系中不可或缺的一部分，为工程人才的培养奠定了基础。我校中欧航空工程师学院（以下简称“中欧学院”）是经教育部批准，与法国航空航天大学校集团合作成立的办学机构，旨在系统引进法国精英工程师教育理念和培养模式，培养兼具宽厚数理基础、完备工程能力和综合创新能力，胜任研发、设计、制造、适航、运行等航空全产业链工作的国际化复合型人才。中欧学院预科物理教学一直采用精英工程师教育体系中预科物理的教学大纲[8-10]，是中欧学院工程师阶段推进系统、结构与材料以及航空电子的基础。在10 年的发展历程中，不断探索，初步形成了具有自身特色的工科基础物理教学模式，并取得了一定的成效。

在我国，大学物理属于高等教育中工科专业的公共基础课。大学物理的设置是从专业需求出发，依据专业的不同其教学内容不同。如物理学专业的大学物理涉及内容比较广，且程度比较深，课时安排较多。而工科如机电、航空宇航等专业的大学物理内容则较浅，旨在培养学生对物理学的基本概念、基本理论、基本方法具有比较全面的认识和正确的理解，并具备初步的应用能力，使学生能够较系统地打好必要的物理基础，初步掌握科学的思维方式和研究问题的方法。

中欧学院所采用的法国预科物理教学体系在法国工程师教育和培养过程中有着与工科大学物理不同的教学目标和定位。法国预科教育属于精英教育的一部分，受教育对象是高中毕业以后成绩在前10%的学生。预科物理教学内容包括力学、电子学（含数字电路）、电磁学、热学、光学（几何光学与波动光学）、流体力学和扩散理论等。通过预科物理的学习，学生能够全面掌握物理学中的基本概念、基本理论和基本方法，准确地描述物理定律的推理过程，且熟练应用所学物理定律解决新的物理问题。开设本课程的作用和任务还在于使学生对今后理解工程师阶段的课程，解决学生未来职业活动中的技术问题打下坚实的理论基础，培养学生掌握科学有效的学习方法和解决新问题的能力，成为现代尖端技术领域有竞争力的工程师。

本文从教学内容、教学方式方法以及考核方式这三个方面对国内本科院校工科大学物理教学与中欧学院预科物理教学模式进行对比。通过分析总结希望能够对我国工程应用型人才培养的大学物理教学有一定的启发。

1 设置广而深的教学内容且课程难度逐年递进

我国大部分高校的工科大学物理授课时间短且内容广而浅，教材选用的是力学、热学、光学（不含几何光学）、电学和原子物理5 部分融合在一起的大学物理教材。对于不同的专业设置不同的学习内容，如电信专业对模拟电路、数字电路和高频电路等课程进行学习，而发动机专业则对工程热力学和流体力学进行深入学习。预科物理教学是法国工程师培养体系中一个重要的环节。预科第一年教学大纲分为 MPSI、PCSI、PTSI[7]，预科第二年分为MP/MP*、PSI/PSI*、PC/PC*和PT/PT*。其中M 是指数学，P 是指物理，C是指化学，T 是指技术，SI 是指工程科学。中欧学院引进了法国精英预科教育模式，并按法国教育部颁布的预科物理统一教学大纲实施教学。大一和大二物理采用的是PCSI 教学大纲，大三物理选用PSI 教学大纲，这两个教学大纲较为偏重物理和化学知识的学习，即物理化学所占课时较多。为培养学生具有系统的、坚实的物理基础，系统的思维能力和有效的处理问题能力奠定了基础。表1 展示了中欧学院预科与中国民航大学和北京航空航天大学工科物理教学内容及课时对比。

表1 工科专业大学物理教学内容及课时对比汇总表 学时

由表1 可以看出，我校飞动专业的基础物理教学为120 学时，北京航空航天大学飞动专业基础物理教学为141 学时，而中欧学院预科物理理论课教学为456学时，另外还有208 学时的习题指导课。课时上的巨大差距反映了教学内容和教学深度的差距。此外，中欧学院预科物理教学内容安排范围广且程度深，理论课的课时数远超过工科大学物理的课时数，学生需要在短时间内掌握大量的知识，这样高强度的学习也迫使学生养成高效的学习习惯。

预科物理教学分布在三个学年中，图1 为具体的教学内容。以力学为例，大一涉及质点运动学、动力学基本原理、功和能的关系以及自由谐振子与相图等，共28 学时。大二则为动量矩定理、受迫谐振子与相图、非惯性系力学等，共48 学时。大三则为流体运动学、流体动力学及守恒定律的应用等，共40 学时。每年都会涉及力学模块的内容，并且讲授深度是逐年增加的。这是预科物理教学的另一个特点，有利于学生对于新知识的接受以及对已学知识的巩固。

教学目的不同，决定了讲授深度及对学生学习要求的不同。在教学目的上，工科大学物理在教学过程中注重基本原理及其在简单的模型化问题中的应用，对不同专业再进行深入的学习。中欧学院预科物理重在培养学生对物理问题模型建立、定律/定理的得出和推导方法的掌握。一些模块的教学内容安排和教学深度与我国高校物理专业普通物理相近，而一些模块如力学、热学、电子学等甚至高于物理专业的普通物理。例如在预科物理的力学模块教学中涉及的非惯性参考系中运动的研究属于我国理论力学的课程内容，流体力学则属于一些专业的专业基础课教学内容；热学模块中的非平衡态、开放系统则属于工程力学的教学内容；电子学基础和几何光学在大学物理中并没有涉及，而仅仅在相关专业如电子学专业和光学专业中通过专业基础课完成相关知识的学习。此外，中欧学院预科物理在习题指导课、课外作业和考试的选题上大多源于较复杂的实际问题的模型，在难度上也高于普通物理。学生通过学习必须能够准确地推导基本的物理定律，在使学生具备深厚的物理基础的同时，也初步培养了学生在未来专业领域内所应具备的科学、严谨的态度。

2 建立传统与现代相结合的教学模式，注重工程能力培养的多样化教学环节

中欧学院预科物理的教学内容及要求更接近物理专业的基础课要求，更强调物理思维的培养。教学要求不同，所需的教学方式和教学安排不同。

近年来，由于大学物理课时的减少，国内工科大学物理只能采用多媒体教学（如PPT）为主、板书为辅的教学方式。借助PPT 讲授大部分的理论知识，仅在涉及必要的推导时采用板书。实际上，对于物理课而言，PPT 教学不利于学生对知识的接收和掌握。中欧学院预科物理大课教学则始终保持板书为主、多媒体为辅的教学方式。在预科物理的教学课堂上，概念的引入、定理的推导和具体应用，这些内容都是通过板书的形式完成的。受条件所限，在课堂上无法进行一些必要的演示实验，我们则利用多媒体演示，帮助学生对于一些抽象概念的理解，激发学生的好奇心和求知欲。

在教学组织上，国内普通工科大学物理教学多采用大班上课。以我校为例，大学物理的教学在120 人以上，教师一般采用理论课穿插讲解例题和习题指导的方式。中欧学院预科物理的教学除了理论课之外，还有与理论课约为1∶2（不同年级略有差异）配套的习题指导课，习题指导课采用小班教学，每班通常25人。习题指导课时相比于国内大学物理所占比例要多，小班授课可以让教师更好地与学生互动，从而调动学生参与教学活动的积极性和主动性，使得授课教师能够更好地掌握学生的学习状态，提升教学效果，这一点与美国伊利诺伊大学香槟分校的大学物理课堂有着相同之处[11]。

中欧学院预科物理在习题的选题上与国内工科大学物理的课后习题有很大不同。习题课作为大课的补充，一方面帮助学生巩固课堂知识，考查学生对课堂知识的掌握，另一方面也是为了培养学生利用所学知识解决实际问题的能力。习题课题目都是主讲教师精心设计的，在选题时教师要考虑很多因素，比如课堂的重要知识点都要有相应的题目；习题的顺序安排要与课堂知识的讲解同步；所出题目要有层次感，既要有考查学生对课堂知识的了解情况的基础题，也要有能体现学生运用课堂知识解决物理问题的中等难度的题目，还要有培养学生创新思维的高难度题目。此外，考虑到具体工程应用与物理模型和数学模型之间的差异，需让学生接受和理解物理中合理的假定，习题课题目中还会对大课中一些假定近似进行补充，以下是习题课案例展示。

在大课上所讲的绳子振动模型有许多假定，其中一个假定是忽略绳子的重力。在这道题中我们要验证在仅考虑绳子竖直方向的运动时是合理的。绳子的线质量密度为lμ ，绳子有拉力T 使其张紧。

（1）首先，这里认为重力不是所有的情况下都是可以忽略的。在考虑重力影响的情况下，对绳子中的一小段长度微元dx 进行受力分析，列出运动方程；

（2）在什么情况下重力是可以忽略的？

（3）我们考虑下面两种情况：

a.绳子的线密度大小为μl=2.0×10-4kg⋅m-1，一段系有100g 的砝码。

b.金属绳的体积质量为μl=7.2×103kg⋅m-3，截面为直径是1mm 的圆，T 为3 000 N。

绳子一端振动频率为100 Hz，确定这两种情况下重力可以忽略时振动振幅所需满足的条件。

通过这道题的第一问，让学生对绳子的微元进行受力分析，我们可以对课堂内容进行回顾。由动力学基本原理列出运动方程后可以得到不是所有的情况下重力都可以被忽略，而是满足也只有忽略重力的影响时，我们才能得到达朗贝尔方程。通过第三问，我们进一步推导，当简谐行波频率一定时，振幅需要大于一定的值才能忽略重力的影响。也就是对于水平方向静止的绳子，重力能否被忽略取决于振动频率和振动的振幅，与其他物理量无关。通过这道题，不仅复习了课堂内容，又补充了堂中在推导达朗贝尔方程时所作的假定条件，帮助学生更深刻地理解课堂内容。

除了习题课辅助课堂内容之外，还会按照模块定期给学生布置家庭作业。而作业的题目也不是传统教学中的课后习题，而是主讲教师根据课堂内容，选用综合的案例在习题课教学基础上，设计难度更高、范围更广、趣味性更强的家庭作业题目，对培养学生物理知识的综合运用能力和创新思维能力更有帮助。例如，将力学中的经典实验傅科摆的研究设计为课外作业。所出一道题目中多个设问的难易程度具有阶梯性，一般包含对课程内容的回顾，课程中基本原理的应用，对定律、定理的深入研究。教师布置家庭作业的目的不仅是对课上知识点的练习，更可提高学生的理解力、逻辑思维能力以及独立解决综合性问题的能力。另外，我们还希望通过家庭作业激发学生对物理的兴趣，拓展知识面、开阔视野。基于这个初衷，我们从法国工程师学校入学考试题目中选择与课堂内容和实际应用相关联的综合类题目，通过所学知识建立模型，然后逐步考虑实际因素的影响，促使学生运用自己所学知识解决复杂的实际问题。此外，家庭作业可要求学生以小组方式完成（2～3 人/组），学生也可自由选择自己的合作伙伴，以便互相讨论和研究，这样做可以有效训练学生的团队协作精神。考核标准不仅是检查学生是否完成了题目，还要求家庭作业具有可阅读性，即要求书写整齐、表述清晰、推导的每一步理由明确、逻辑性强。这样经过三年的锻炼，学生的书面表达能力也得到很好的提高。

借鉴法国预科物理教育模式，预科物理教学引入了物理口试环节。这是通过具有一定难度的题目对学生的学习效果进行测试，其形式与传统意义的口试不同。口试要求学生分成2～3 人一组，每组学生每两周参加1 h 的物理口试，学生需要向教师讲解解题思路、方法等。教师则根据学生在讲解过程中涉及的知识点进行提问，通过对问题的提问，判断学生对知识点掌握的正确性及深度。这一教学环节不仅能考查学生对近期所学知识的掌握程度，而且能够使教师及时了解课堂采用的教学方法及教学内容是否适宜。因此，口试的反馈信息对课堂教学效果的改善能够起到积极的推动作用。

大班理论课、习题指导课、课后综合作业、定期口试构成了中欧学院预科物理教学全方位、立体化的教学组织体系（见图2），保证了培养学生具备深厚的物理基础、系统思维和解决复杂工程问题的能力。

图2 中欧学院预科物理教学组织体系

3 采用多形式的考核方式及全面、客观的学业评审制度

为了保证学生学习的规律性，中欧学院预科物理教学采用的是进程式考核方式，包括定期口试、家庭作业、期中考试和期末考试。每学期三次考试加权平均综合口试成绩为期末总成绩。

进程式考核方式可以及时对学生学习效果及对教师的授课接受度进行反馈。每学期三次考试对学生平时的学习是一种有效的督促，考试前没有固定的考前复习时间，这就要求学生紧跟课程进度，有利于培养学生养成持之以恒的学习习惯，而不是期末考试前“临阵磨刀”。另外，期末总成绩除了三次考试的卷面成绩外，还包括口试的成绩。口试不只要求学生解题，还要求学生能够把自己的思路清晰地表达出来。这样，既提高了学生系统掌握所学知识的能力，又锻炼了学生规范、准确的表达能力。

除考试之外，每学期末学院组织学业评审委员会会议对学生的学业进行评审，所有任课教师和学生代表参加此项会议。会议主要讨论学生在本学期学习中存在的问题，就学生的各科学习成绩、学习态度、学习能力及潜力进行全面分析。对在学习中存在严重问题的学生进行警告，或者建议转专业。这种学业评审制度对于端正学生的学习态度，保持持之以恒的学习状态能起到很好的鞭策作用。

4 结语

围绕国家急需的航空工程领域人才需求，中欧学院贯彻“融合中法教育理念，创新本土化工程教育模式，持续提高培养质量”的指导思想，以“培养具有深厚数理基础、系统思维、宽广专业领域知识，并具有卓越工程实践与创新能力、跨文化交流与沟通能力的复合型航空工程技术与管理人才”为培养目标，为民用航空运行维护、技术研发以及国家航空装备设计与制造输送人才。工程教育对物理的要求是强调物理知识的牢固性和对物理思维的培养。物理是一门解析物质运动一般规律和物质基本结构的课程。因此，在教学内容的安排、教学方式的组织上都应遵循物理课程本身的固有特点。在授课过程中，中欧学院预科物理注重对物理现象的总结、物理原理的引入及推导、模型的建立，重在让学生理解定理的由来和应用。在为学生工程师阶段的学习打下坚实的物理基础的同时，培养学生高效的学习能力，为工科人才所需要的持续发展能力的培养奠定基础。

经过10 年的教学实践、不断探索，教学效果显著，培养了一批具有扎实物理基础的学生。在中欧学院预科阶段结束后，学生在参加法国工程师学校外籍学生招生考试中取得了很好的成绩，连续几年均有学生被法国巴黎综合理工学校录取。毕业生就业情况良好，受到用人单位“基础扎实、上手快、学习能力强、善于解决实际问题”的好评。