新工科背景下的应用型高校大学物理课程改革

沈文舒,邱 丹,李 冰,吕岩松

(长春工程学院，长春130012)

一、引言

2017年，教育部根据国家战略发展需求、国际竞争局势、立德树人新要求，提出了“新工科”这一概念。在新工科建设体系中，对高校的工程教育理念、学科专业结构、人才培养模式、教育教学质量和课程教学体系都提出了新的革新要求。物理是现代工程技术的坚实基础，也是土木工程、机械制造、新能源、材料学、汽车工程等相关传统工科的基础。在“新工科”视域下，寻找大学物理与其他新工科专业的交叉点，实现跨专业、跨学科的融合，对培养复合应用型人才具有重要意义。大学物理作为理工类院校必修的通识性基础课，主要培养理工科学生的科学思维方式与解决问题能力，激发学生的创新精神、创业意识和创新创业能力，为日后更好地服务专业领域打下了坚实的行业基础。在新工科的建设与探索阶段，《大学物理》课程的知识体系更要紧跟新理念、新方向、新路径，及时地开展大学物理教学改革，努力向更加系统化、交叉化、创新化的方向发展。因此，探究新工科背景下大学物理教学存在的问题，破解其症候难题，探索其相适应的教学模式具有重要意义。

二、大学物理教学现状及存在问题

(一)课程体系落后

高校在“新工科”建设过程中，人才培养的目标指向更为具体，从强调学生掌握基础知识发展为应用能力和技能的培养。但在课程体系建设及改革时，较少考虑培养目标的变化，仍习惯性地沿用传统的课程体系，即按分支学科设置教学内容体系,基本上由力学、热学、电磁学、光学和近代物理等模块式结构组成,不能体现物理世界的统一性以及与其他专业的需求，其课程体系的构建未能突破以往的框架，落后于培养目标的变化，阻碍了培养目标的实现。

不仅课程结构传统，在课程设置上也缺乏更新。传统的大学物理课程体系注重教学内容的理论化、系统化和完整化。这种课程结构虽然能够体现出物理学科综合性的特点，但也暴露出一些弊端，不利于学生创新意识的激发和创新能力的培养。物理信息技术的发展，对“新工科”背景下的人才提出了更高的要求，而近代物理内容只占据不足20%,有关当代物理发展的成就和现代工程技术及其重大科技成果等新课题、新内容很少在课程设置中得到更新。

(二)教学内容缺乏更新

“新工科”背景下大学物理的教学内容上应该体现时代性和前沿性，着重培养学生的逻辑思维能力与创新意识，锻炼学生分析、解决工程应用问题的能力。而大学物理内容并未以“新工科”专业为导向，讲授的内容也是点到为止，与专业知识实际需求严重脱节，导致学生对大学物理的学习感到乏味，学习兴趣不高，认为大学物理的学习对专业学习帮助不大。

大学物理课程中基础知识和理论部分内容重复且陈旧，占用课时较多，没有体现与各学科之间的内在联系、相互交叉、相互渗透。仍存在“重经典、轻现代，重理论、轻应用”的弊端。随着科学技术的高速发展，物理学在现代社会生活中的成果转化程度也越来越高。物理学在深度和广度上也进入了蓬勃发展的阶段，大量新的物理理论不断被新型物理实验验证，新的材料、工艺不断涌现，物理学的分支不断变多。然而，大部分高校的物理教材对于物理学快速发展与物理知识更新的程度还不够。教材中各个部分内容设置相对独立，不仅衔接性不够，更缺乏近现代新的物理概念和当代物理先进的实验方法和技术理论等。

(三)教学方式缺乏创新

在大学物理授课过程中，很多教师由于其所占学时较少，且具有通识课程性质，仍然采用讲授为主的传统教学方法，教学模式较为单一。从而形成了教师讲、学生听的教学局面。这种教学模式，知识传授大于知识吸收，学生主体地位没有凸显，难以激发学生学习热情，更缺乏创新性思维的引导与培养。教师过于强调物理理论教学，淡化了物理模型的构建、思维方式的培养以及与其他后续课程或专业技术的衔接，这样不仅不利于培养学生的知识迁移能力和工程应用综合能力的提升，也导致学生在学习后续专业课程或是解决工程中实际问题能力的明显欠缺。而且，大学物理有很多严密的理论公式推导，推导过程繁杂，要求具有较扎实的高等数学知识。这些因素就导致了大学物理课堂的趣味性较低，学生的参与度不够，师生之间的互动性较低，形成学生被动接受知识的课堂局面。无法真正贯彻和满足新工科专业的综合性、系统性、科学性的新要求和大学物理课程为专业达成目标服务的思想。

(四)考核方式相对单一

目前，很多大学物理课程依然延续传统考核形式，分为平时成绩与期末考试成绩。平时成绩又倾向于物理学中的计算部分，而学生的课前、课上、课后，作业、期中、期末始终离不开解题，甚至还有物理公式的简单记忆与套用，无法客观真实地反映大学物理的教学效果，也无法提高学生的大学物理自主学习的兴趣，以至于不能满足新工科所提出的创新型卓越工程人才的培养。大学物理的考核应该围绕创新型思维能力的培养和解决实际问题能力的提高为出发点，加强混合式教学模式，对应相应的考核内容，以此丰富考核形式。

三、大学物理课程改革与实践

(一)建立多层次的大学物理课程体系

根据新工科人才培养需要，大学物理课程体系应具有当代化、工程化、科学化的特点,能够反映当代物理学的新成就、新进展,体现工程教育。因此，在“新工科”背景下，重构大学物理课程新体系应以专业为导向，按照压缩经典、加强现代、拓宽工程应用的原则，对大学物理教学内容进行整合。重构大学物理课程新体系不是简单的压缩内容，而是深入调研各专业的核心课程对物理学知识的需求和侧重不同，按专业集群整合、制定教学计划，在保证完整物理学知识体系的基础上，进一步增加“专业拓展知识模块”的建设，使得讲授内容与专业课接轨。

分析各专业特点以及国内外相关高校的大学物理课程设置案例，我们将大学物理课程设置为3个系列，即大学物理A(面向工科专业)、大学物理B(面向理科专业)和大学物理C(面向文科专业)。新的大学物理课程体系更好地体现了“以学生为中心，教学成效驱动”的教育教学理念，更注重培养学生主动获取知识能力、实践与动手能力、创新创业能力。图1给出了按专业集群调整后的大学物理课程体系。

在“新工科”建设中，大学物理课程中的基本原理、方法是科学研究的出发点，是多学科交叉、转移和渗透的支撑点，在促进科技创新和技术进步等方面，物理学发挥着先导作用。在大学物理多层次课程体系建设中，我们明确了大学物理课程培养目标，结合理科专业、工科专业、文科专业等学科特点，对应学科主要培养目标，培养学生科学能力、工程能力、科学素养，从而培养专业研究型人才、工程技术型人才、复合型人才。根据各专业集群的培养目标，按各课程层次调整了教学大纲和教材，有针对性地进行因材施教。

(二)大学物理课程内容的优化调整

在“新工科”背景下，大学物理课程内容应更多注重前沿知识和学科交叉知识体系的建设及实践创新。因此，大学物理课程可以尝试几个方面的内容优化。第一，教材内容中要加强对当代或近代的物理基础知识的补充，使教学内容现代化，如纳米科技、超导技术、微波技术等。第二，用现代化的观点重新组织传统物理知识体系，即用当下物理学最新的技术和进展与传统的物理知识相链接。第三，高校应开设一些物理知识普及讲座，通过物理学最前沿的发展动态让学生感受到学习物理的无穷奥妙，激发学生对物理多领域的探索发现。第四，大学物理应注重理论课时与实践课时的比例调整，增设实验模块，指导学生利用软件(python、ansys有限元)建模、分析和解决物理问题，丰富课堂，提升兴趣，发挥学生主体性作用。

为推进“新工科”对复合型人才培养的需求，针对不同层次的课程定位，对教学内容做了适当调整。大学物理A 所面向的是工科类专业，其培养目标是：具有创新意识和初步的科学研究与技术开发能力的学生。课程基于培养目标定位在“夯实基础，加强能力，重视实践，注重创造”上。通过本课程的学习，使学生掌握扎实的物理基础理论以及分析问题和解决问题的能力，具备科学研究能力和创新创造能力、物理思维和科学素质。在课程内容上，要蕴含物理学的思维方法及工程设计思想。例如在力学部分着重强调刚体、振动、波动等方面的知识，引申讲授科里奥利力及其产生的影响，使学生感受其中蕴含的物理思维，锻炼自己分析、解决问题的能力。在学习电学部分内容时，着重从电场和磁场本身的性质来深入讲解电磁现象，涉及的高斯定理、环路定理、电场强度和电势叠加原理、毕奥—萨伐尔定律等重要知识点，使课程内容更加贴近实际，体现学以致用，培养学生的实践能力，为学科交叉打开窗口。适当加入量子力学和固体物理的前沿知识。大学物理B侧重于公式推导过程，培养学生逻辑分析与数学建模能力偏高的专业，主要是物理、数学、计算机等专业。在基础课程内容中，增加了理论力学、电动力学、热力学统计重点内容，培养学生的逻辑分析、统计思维能力，以适应当前云计算等新兴专业。适当降低课程技能训练难度，加入物理学发展的前沿知识来拓宽知识的广度。积极引导学生利用计算机数值方法完成物理问题的分析求解，提升学生科学研究能力和创新能力。大学物理C，课时偏少，面向文科专业。内容上着重介绍守恒、对称等物理美学知识以及物理学史等，目的是让人文、外语、管理类学生了解物理在自然界各方面的应用，培养文科学生的逻辑思维和科学思维。

(三)大学物理课程教学模式与方法的改进

1.单一式教学模式向混合式教学模式转变

“新工科”建设着力培养综合性的创新人才，随着“新工科”概念的普及推广，大学物理作为基础学科，更应适应高素质工科人才的培养要求，改革大学物理课程的教学模式与教学方法，转变教学理念，让学生成为课堂教学的中心，发挥学生的主观能动性。教师要从课堂主角地位转化成学生学习的引导者和指导者，学生也从以前的被动接受转变为主动学习，主动去探索、论证新的物理知识，探索新的实验方法，激活学生的创新思维。教师应该丰富教学方法，形成讲授教学、案例教学、分组讨论教学、任务驱动教学等多种教学方法，构建“开放研究型、讨论互动式”的教学模式，从单一式教学模式向混合式教学模式转变，实现多学科交叉融合的教学方式，以此调动学生积极性、培养学生的创新思维。教师作为引导者，可以利用科学设疑的方式，让学生通过实验模拟验证观点；也可以改变大学物理课堂传统授课模式，增加线上与线下的研讨、练习、汇报、案例等环节，努力衔接课前、课上与课后各个教学环节，进而引导学生一步步走进物理，提升其创新实践能力。

同时，也可以在大学物理教学实践中，强化分组教学与互动式教学模式相结合的方式。教师通过教学过程设计中的多个教学主题，课前布置学习任务，完成课前任务准备，在课上实现分组讨论，这样不仅可以活跃课堂氛围，更能充分调动学生自己动手，化被动接受为主动学习，不断提升科学思维方式。教师通过课前任务布置、课堂分组讨论、课后考核的方式，不断提升学生的学习兴趣，开拓物理思维，提升实际工程问题的解决能力。

2.引入现代化教学手段

在当前后疫情时代，教育领域也要思考教学模式的改革，以更好地完成教师的教学工作。所以，在线教学成为教育领域一种新型的教学模式。这使得教师深刻认识到互联网、现代信息技术的独特之处。因此，在大学物理课程中，如何借助先进的信息技术，将物理模型以图片或者动画的形式进行展现，还原模型建立的全部过程，培养学生的模型简化能力、逻辑推理能力、分析建模能力与数据处理能力，也是必须思考的问题。后疫情时代，教师应该推进信息技术与教育教学理念的融合发展，塑造线上线下相结合的多元化教学模式。教师可以引导学生在校园网站的信息资源里学习物理网络课程，打造精品在线课程，实施线上与线下良性互动，利用互联网最大化地实现教学资源的资源共享。利用各种线上平台，对学生进行问题的探讨、指导与答疑，突破时间与空间的限制，实现最大化的信息共享与交流。

(四)考核评价方式的改革

课程性质、课程目标、课程内容、考核形式是紧密相关的。在新工科背景下，围绕专业人才培养目标，构建科学合理的课程体系，明确课程性质与课程目标，整合优化课程内容，形成科学有效的课程考核方案，才能真正将课程改革做到实处。大学物理课程应该增加过程性考核比例，结合分组教学与项目驱动式教学贯穿整个课程，在阶段性考核过程中，细化考核指标点，对应学生各项能力，有效融合知识考核、分析解决问题能力考核、创新能力考核、实践能力考核、学科交叉融合考核等考核指标，在首次上课就面向学生发布考核方案，以考核方式引导学生真正地融入大学物理课程中，有目标、有方向性地伴随学习过程。

同时，在结课考核中，可改变试卷考核的单一模式，跳出客观算法的题海模式，增加探索性设计题目，结合全国大学生创新创业竞赛，或者全国大学生“互联网+”竞赛等创新性活动，设置实例分析、实验设计等设计类考核，考核学生基于专业基础之上的学科交叉等创新命题的思考，提升学生知识掌握能力与科学探索、创新思维能力。以此形成 “基础知识+应用实践能力+创新研究能力”的全新考核模式。

四、结论

在“新工科”的推动下培养创新型技术人才是一项长期工作，大学物理课程作为理工类高校的一门基础类课程，授课教师更应该加大力度，真正地投身于大学物理教学创新教育改革。本文探索构建了适应专业需求为导向的多层次大学物理课程体系，优化大学物理课程教学内容、实现由传统单一教学模式向混合式教学模式转变、健全考核评价体系，顺应时代发展趋势，培养出符合社会需要的“新工科”高素质应用型人才。