根据学生学习情况探讨新工科背景下大学物理课程改革*

李景娟

(国家开放大学教务部 北京 100039)

邹 斌

(中央民族大学理学院 北京 100081)

王 霞

(中国人民解放军陆军防化学院基础部 北京 102205)

张榕祯

(国家开放大学工会 北京 100039)

大学物理以中学物理和高等数学为基础，内容涵盖力学、热学、电磁学、光学、近代物理等，其涉及的概念、规律、原理、定理以及研究方法等是理工科专业后续课程学习的基础，同时在培养学生观察问题、分析问题和解决问题等方面也具有其他课程不可替代的作用[1]，大学物理是高等院校工科各专业必修的一门基础课程.

在我国高等教育积极推进新工科建设的背景下，对于工科专业的学生，大学物理课程的学习在专业课学习、继续深造或工作就业方面到底有没有帮助？不同专业的学生对大学物理的认识和学习态度如何，学习难点和解决方法是什么？在线学习大学物理是否可行？为了回答这些问题，全面了解工科专业大学物理学习情况，本文面向全日制高等教育工科相关专业在读学生，就大学物理学习情况进行了问卷调查，对收集到的数据进行整理分析，并根据调查结果对当前工科专业的大学物理教学进行了思考，提出了提升教学效果和质量，有效开展教学改革的建议.

1 问卷设计与发放及回收情况

1.1 问卷设计与发放

全日制高等教育工科相关专业在读学生物理学习情况调查，旨在了解普通高校工科学生物理课程的学习情况及大学物理在专业学习以及就业和继续深造中的作用和地位.针对此目的，问卷题目涉及了中学物理学习情况和自我评价、大学物理课程对专业学习以及就业和继续深造的帮助、对理工科学生的影响、大学物理学习难点和学习方法，以及在线学习大学物理的可行性和设计方法等内容，共19道题目，除就读学校、专业和性别以外，均为选择题题型.

问卷通过微信、QQ等渠道向多所高校在读生进行了发放，发放主体包括大学物理课程教师和辅导员等学生管理人员，共收回有效问卷1 031份.

1.2 样本来源

参与调查的1 031名学生来自32个省、市、自治区，覆盖了全国大部分生源地.其中陕西省生源最多，有128名，占比12%；接下来是河南省和山东省，学生数量分别为92名和84名，占比分别为9%和8%.来源高校主要有中央民族大学、北京化工大学、西北农林科技大学、哈工大威海分校、北京林业大学等，涵盖了211高校、985高校以及普通高等学校，比较具有代表性.学生就读专业涉及材料、信息、测控、电气工程、机械、农业机械、林学、自动化等相关的工科专业.其中机械类专业占比最大，达35%；第二、三大类分别为自动化类和电子信息类，占比分别为14%和13%.涉及专业基本涵盖了工科的常见专业，能够代表普通高校工科学生的物理课程学习情况.

2 调查数据分析

根据回收的问卷数据，可以了解普通高等学校工科相关专业学生物理课程的学习情况，以及对大学物理课程的学习态度，经过研究分析可以得到以下结论.

2.1 中学物理学习情况与物理学习兴趣相匹配

通过调查发现，有34.14%的学生认为自己的中学物理学习得“很好”，58.29%的学生认为学得“一般”，7.57%的学生认为自己的中学物理学得“较差”.与之相对应的是，有37.63%的学生对物理的态度是十分感兴趣，希望多学一点；52.67%的学生对物理的兴趣是一般，无所谓；9.7%的学生对物理不感兴趣，不想深入了解，调查结果如图1所示.

(a)中学物理学习情况

比较图1(a)和图1(b)可以看出，两组数据的比例极为相似.可见，学习兴趣是学生在学习活动中的心理选择和倾向，是内在动机在学习时的具体体现，是影响学习效果的重要因素.

2.2 大学物理学习对就读专业的学习、就业和继续深造有较大影响

81.96%的受访学生认为，大学物理对专业课的学习有帮助，有助于对专业知识和技能的理解，提高学习效果.76.92%的学生认为大学物理学习对本专业就业和继续深造都有很大的影响，有必要进行系统深入的学习，如图2所示.可见，各全日制高校重视物理教学，将大学物理作为理工科必修的专业基础课的做法与学生需求完全契合.

图2 调查学生对大学物理和专业课学习以及就业、深造的关联性认识

2.3 大学物理课程对理工科专业很重要

除本人就读的专业以外，认为能否学好大学物理课程对理工类学生有较大影响、理工科专业应该开设大学物理课程的被调查学生占比分别为88.55%和88.46%，两个数据基本一致(如图3所示).

(a)大学物理对理工类学生是否有较大影响

从绝对数值上看，仅相差1名受访者.可见，从学习者的角度来看，物理学在理工科专业的学习中占有重要地位，是后续专业课程学习的基础.从知识体系来看，物理学是研究物质世界最基本、最普遍规律的学科，也是科技发展的理论源泉，是其他自然科学和应用型学科发展的基础.大多数应用型的工科专业都需要学生具有一定的物理学知识，且不说对物理知识要求较高的机械类、土木工程类、材料类等传统专业，即使是计算机类、信息类等专业也需要具备基本的物理学知识.而且大学物理的学习能够培养学生的逻辑思维以及解决实际问题的能力，因此，是否能学好大学物理课程，对理工类学生来说是有较大影响的.

2.4 大学物理学习的难点来源于3个方面

虽然大多数受访学生都认识到了物理学习的重要性，认为大学物理对理工科专业很重要，但有超过80%的学生认为大学物理较难学习，其中17.07%的被调查者甚至认为学习难度非常大；只有1.45%的学生感觉很简单，容易理解；16.49%的受访学生认为不太难，经过课后自学或复习都能掌握(如图4所示).

图4 调查学生对大学物理的难度认识

对调查结果进行仔细研究分析可以发现，认为大学物理的学习难度较大的原因主要集中在3个方面.

一是学习者自身方面.一方面是学习动力不足，导致学习难度较大，受访者中，真正对物理感兴趣的只有37.63%，其他为一般或不感兴趣[见图1(b)].爱因斯坦说过“兴趣是最好的老师”，只有对物理产生了兴趣，才会不畏困难、主动思考，才有勇于探究、努力学习的积极性.另一方面是基础知识掌握不牢，导致新内容的学习难度大.大学物理是中学物理的延伸扩展，在中学物理的基础上加入了更深刻更本质的内容，增加了知识深度，扩大了应用范围，同时还用到大量高等数学的知识.有59.46%的受访学生认为大学物理学习困难的原因是“高等数学运算和物理推理过程太难”(见图5)，中学物理和高等数学基础薄弱，必将导致在大学物理学习过程中异常吃力.

图5 大学物理学习难度大的原因分布

二是课程内容和设置方面.除“高等数学运算和物理推理太难”以外，选择人数排前三的大学物理学习困难的原因分别为：概念、公式等内容多，课时少(63.43%)；物理模型构建困难(49.56%)；脱离生活实际，过于抽象(44.91%)(见图5).大学物理课程涵盖了力学、热学、电磁学、光学、近代物理多个模块，知识点多，但课时安排往往较少，导致教师将教材内容全部讲完都很紧张，因此多数教师都是照本宣科，将必讲内容填鸭式灌输给学生，较少进行深入的原理分析和交流探讨，在这种情况下，学生很难进行系统化的深入学习，根本了解不到物理的魅力.

三是讲授方法方面.物理学其实是与实际生活联系比较紧密的一门科学，之所以有44.91%的被调查学生认为其“脱离生活实际，过于抽象”，与教师的讲授方法有很大关系.超过60%的被调查学生认为大学物理应侧重于“概念的深度讲解、疑难点的详细分析以及理论知识与实际应用的结合案例”(见图6).可见，知识点讲不透、疑难点说不明是目前大学物理教学过程中存在的问题.如果教师能够将知识点拆分讲解，按照相关性将知识专题化进行讲解，并将抽象内容具体化、深奥内容生活化、枯燥内容活泼化，必能提高学生的学习兴趣，并有助于学生对物理知识的掌握和吸收.

图6 被调查学生认为大学物理需要侧重的内容分布

2.5 大学物理单纯线上教学难度较大

随着信息技术的发展，利用网络自主学习已经成为当代大学生获取知识的一个重要途径，关于网络自主学习大学物理的实践与探索也已经有很多报道[2～4].根据本次调查回收的问卷数据，大学物理网络教学设计和在线课程建设必须注意以下几点.

一是教学方式必须是线上线下相结合的模式.关于大学物理课程的网络教学，仅有31.62%的受访者认为通过网络在线学习完全可以学好大学物理；58.78%的受访者认为单纯的在线学习有一定难度，辅以线下辅导可以学好；另外还有9.6%的受访学生认为在线学习大学物理难度很大，必须实地课堂讲授(见图7).

图7 在线学习大学物理的可行性

二是在线课程建设必须运用多种媒体辅助手段.包括文本、图片、PPT等教学媒体，视频动画，模拟仿真软件以及虚拟现实技术等(如图8所示)，在呈现方式上应以图片、动画和教师讲解视频为主，少量文本为辅(如图9所示).

图8 网络学习需要提供的辅助工具

图9 网络学习课程呈现知识的方式

三是在线教学资源中呈现字幕.有60.23%的受访学生认为需要全程呈现字幕(见图10)，但对教师形象的呈现没有明显性倾向.

图10 网络学习课程视频资源中需要呈现字幕的占比

3 工科专业大学物理课程教学改革探究

为了更好地发挥大学物理为工科专业建设服务的作用，应打破大学物理课程的内容体系，加强大学物理与专业课程的衔接，改进教学方式，多方位提升学生的学习动力.

3.1 突出知识的更新和知识体系的衔接 改进教学内容

在新工科背景下，大学物理的教学既要强调物理基础知识、基本概念的讲解以及科学素养和逻辑思维的培养，又要注重课程内容和专业知识的衔接，为专业课程的开设提供有力的知识支撑.这就要求根据不同专业的需求，适当调整大学物理课程的教授内容，促进大学物理课程与专业知识的融合，帮助学生建立所在专业需要的知识体系.如机械类专业可以侧重讲解力学中的质点力学、刚体力学，电磁学中的稳恒电流、电磁场，热学中的热力学等内容，适当弱化光学、量子物理学等方面的内容，同时控制好难度和广度，对于理论性强的内容适当进行变化，重点讲解物理思想浓、专业应用广的内容.在具体授课时引入专业具体情境，如讲解电磁学时引入各类型的传感器，研究其特性；讲解刚体转动时引用齿轮在设备中的运用等.如果能为某专业量身打造适用的大学物理课程内容，势必能激发学生的学习兴趣，同时提升教学效果，从而更加有效地服务于专业建设.关于这方面的研究也已有诸多报道，如大学物理课程模块化教学改革[5]，结合专业特色的大学物理教学改革研究[6]，“新工科”视域下土木工程专业“大学物理”课程改革等[7].

另外，考虑到工科专业的应用性，应适当删减经典物理学的内容，添加近代物理学和物理应用知识的内容.尤其是近些年来科技和工业发展迅速，高新技术中往往包含了基础物理知识，前沿课题中往往蕴含了基础物理理论.因此，大学物理课程可以根据各专业领域的新技术、新发展，结合教材内容，不断地将生产生活中发展出的新知识和工程实践中正在使用的新技术充实到课堂教学中来.

3.2 充分利用现代信息技术 改革教学手段

问卷调查结果显示，在大学物理学习中遇到困难时，71.87%的学生通过“网络搜索相关资源”来解决问题，超过了“请教老师或同学”的比例.可见，信息技术的发展已经改变了学生的学习方式，多媒体资源能够从视觉、听觉等方面对学生不同感官产生有效刺激，能有效激发学生的学习兴趣和学习欲望，而纸质教材加黑板板书的传统教学形式已经很难抓住学生的兴趣点和注意力.因此，要想改善教学效果、提升教学质量，大学物理教学应充分利用现代信息技术改革教学手段，开展网络辅助教学，将声像处理技术、视听技术与课堂教学科学合理地结合，实现课堂教学过程最优化.一方面，网络辅助教学能打破时间、空间和资源的限制，实现网络资源共享，不仅能够形成多元化的教学环境，弥补课堂教学的不足，学生也可以根据自身基础，选择所要学习的内容和适合自己的练习形式，满足不同层次的学生独立学习和研究的需要.另一方面，网络辅助教学采用多媒体技术可以更完整、更形象地展示物理模型，甚至是利用动画技术模拟演示器件的运行、提供静态图形缺少的运动景象，从而将晦涩难懂的物理知识、理论、模型直观地展示出来，更有利于学生从本质上把握物理规律、掌握物理原理.

需要强调的是，网络教学只能是辅助.由于物理学是一门以实验和观察为基础的自然科学，具有模型化和实践性的特点，概念理论等理解难度大，因此，课堂教学和实验教学不能少.正如调查结果显示的，单纯的在线学习大学物理有一定难度，必须线上线下相结合(见图7).

3.3 强调理论联系实际 增加实践环节 激发学习兴趣

总之，对于工科大学物理的教学，必须从教学内容、教学手段和教学方式等各方面进行改革，使之符合工科专业的知识体系，符合工科学生的学习特点.尤其是内容体系的设计，要强调理论在实际中的应用，做到理论联系实际，同时加强与各专业课程的衔接，充分发挥该课程为专业建设服务的作用.