新工科背景下大学物理课程教学内容改革和探索

吴 玲，邵春强，石小燕，尤素萍

（杭州电子科技大学理学院 浙江 杭州 310018）

近年来，教育部积极推进新工科建设，培养造就了一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑，既是当务之急，也是长远之策。加快卓越工程师培养，提升国家“硬实力”，解决“卡脖子”问题，是新工科建设的核心。

本文以杭州电子科技大学为例，该校是实施卓越工程师教育培养计划的高校之一，对本科公共物理基础课程的教学改革提出了新的更高的要求。在新工科背景下，大学物理的教育功能也从注重学生对基础知识、基础理论和基本技能的掌握，扩展为全面提高学生的工程实践与应用的综合能力，提升学生的创新意识和能力。为适应新工科建设与发展，充分发挥大学物理课程在新工科中的地位和作用，本文引入成果导向教育（Outcome Based Education，简称OBE，也称为产出导向教育）理念，研究新工科背景下大学物理课程教学内容的改革与实践。

1 基于OBE理念开展教学内容改革

OBE理念是一种以学生“学习成果”为导向的教育理念。《华盛顿协议》作为国际上最具影响力的工程教育互认协议，已将OBE理念贯穿于工程教育认证标准的始终。我国始终把握高等教育发展的最先进理念，基于OBE理念树立了“学生中心、产出导向、持续改进”的本科教育新理念，在本科阶段工程教育领域产出了较为丰富的研究成果[1]。这些研究成果多是从专业人才培养方案或课程目标达成评价等方面就某一层面单一阐述OBE理念的实践研究，而对如何应用OBE理念指导大学课程教学设计的实践研究则较为薄弱。

大学物理课程是学生学习工程技术知识的基础，同时也是培养学生科学素养和创新能力的重要途径。国内高校积极引入OBE理念，开展了大学物理课程的教学改革。相关研究成果主要集中在理论研究、教学模式改革实践、评价体系等方面[2-4]，基于OBE理念的教学内容改革研究较少。近年来，国内多家高校开展了面向“新工科”的大学物理教学内容改革研究，并取得了良好的教学效果[5-6]。

教材是教学内容的主要载体。不论国内还是国外，都不乏经典、精品，然而教材不等同于教学内容。根据OBE的“反向设计”理念，相应的教学改革需要根据培养目标设计课程的学生学习成果，重新设计考评方法、设计教学内容、设计教学活动等，各个环节相互支撑。

2 大学物理课程教学内容改革的探索

2.1 教学内容的改革需要完成从“教什么”到“学什么”的转变

传统的大学物理课程内容主要基于教材，知识更新速度落后于科技发展；追求完整的知识体系，注重知识的传授，即“教什么”。OBE理念强调的不是老师讲了多少，而是学生学会了多少，掌握了多少。基于OBE理念，课程设计是“至上而下”反向设计的，以最终目标（学生学习成果）为起点，反向进行课程设计，教学内容根据培养目标来选择，注重学生的学习成果，即“学什么”。为此课程内容应反映前沿性和时代性，加强理论与工程应用、科学问题的结合；通过课程内容改革，合理增加课程难度，拓展课程深度，激发学生的兴趣和潜能。如何改革课程内容，完成从“教什么”到“学什么”的转变，支撑基于OBE理念的课程教学目标，让学习真正激发学生的兴趣和潜能，是本课题组开展课程教学内容改革需要解决的主要问题。

2.2 教学内容的优化整合

教育部在《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》中提到“树立工程教育新理念，……着力提升学生解决复杂工程问题的能力，加大课程整合力度”，据此，我校大学物理课程教学目标确定为知识、能力和素养三个层次。其中，能力目标包括三个内容：具有独立获取和应用知识的能力；具备科学观察和思维的能力，能应用物理学知识解决日常及工程应用中的简单问题；具备分析问题和解决问题的能力，能利用物理学知识对科学及工程问题进行分析、讨论和制订研究方案。

结合新工科专业人才培养目标和大学物理课程教学目标，本课题组将大学物理课程教学内容优化整合为两大部分：“物理学原理”和“应用类专题”。“物理学原理”部分由基本的、核心的原理构成；“应用类专题”部分将除核心原理以外的知识点模块化，并结合实际应用，形成“工程应用和科学问题”专题，构建以科学问题和工程应用实例为大框架、理论知识填充的知识结构。

例如质点力学这章的教学内容，“物理学原理”包括力学的基本概念、牛顿运动定律、动量定理和动量守恒定律、动能定理和机械能守恒定律、能量守恒定律；“应用类专题”为“嫦娥工程”，这一专题应用力学原理，从发射、环绕、变轨、着陆、返回五个方面展开简要分析。“嫦娥工程”的“发射”部分从两方面讨论了火箭的速度，一是火箭获得的速度与火箭质量的关系；二是第一、第二、第三宇宙速度的推导。“环绕”部分则由开普勒行星运动三定律引出角动量的定义以及角动量守恒定律。

又如稳恒磁场这章的教学内容，“物理学原理”包括稳恒磁场的高斯定理和安培环路定理；“应用类专题”包括磁约束、霍尔效应、直流电动机和磁性材料及其应用。其中“磁约束”这节内容围绕“如何利用磁场来约束高温的等离子体”，描述了磁约束的原理（带电粒子在电场和磁场中的受力），详细讨论均匀磁场和非均匀磁场中的磁约束，介绍了实现磁约束的装置以及与磁约束相关的自然现象。

改革后的教学内容具有以下特点：第一，注重知识的区分度。“物理学原理”的内容是依据教学过程的甄选和反复实践而确定下来的，既突出核心原理，又保证知识体系的完整和内容的基本框架不变。“应用类专题”是依据课程教学目标，将除核心原理以外的大学物理知识点模块化后，融入工程应用实例和科学问题中而形成。

第二，强调内容的应用性。“工程应用和科学问题”专题选取了利用大学物理知识可以分析的、与技术应用发展和科学前沿相关的内容，旨在拓宽学生视野，培养学生分析问题、解决问题的能力，适用于分层次教学。在注重内容应用性的同时，也具有一定的学习挑战性。

第三，体现教学内容的可教性。课程教学内容的物理学原理部分选取时充分考虑课时，遴选核心知识点突出重点，精选例题加深原理的理解，设置思考题引导学生深入学习。“工程应用和科学问题”专题部分，选题时立足于引导学生提升学习兴趣，注重学生创新能力及综合能力的培养，内容难度适中，适用于以学生为主的研究性学习。

2.3 拓展加深“应用类专题”，开展研究性教学

传统的教学强调知识的吸收而未能创造条件让学生在实践中去探索、发现。基于OBE理念以学生学习为基本逻辑展开教学，要求教师在充分了解学生特点的基础上，全面设计教学活动和教学环节，探索新型教学模式。教育部关于加快建设发展新工科的意见中也提出“推广实施案例教学、项目式教学等研究性教学方法，注重综合性项目训练”。如何通过创新教学模式，强化创新能力和实践能力的培养，是大学物理课程改革中需要解决的又一重要课题。

为满足实施研究性教学的需求，本课题组将“应用类专题”分为三个层次：通识模块、专业限选模块、学生自选模块。“通识模块”是由教学大纲要求掌握的知识点设计而成的工程应用实例或科学问题组成，例如质点力学中“嫦娥工程的发射和环绕过程”，稳恒磁场中的“磁约束”。“专业限选模块”是根据专业特点设计的典型案例，例如静电学中的“口罩的防护学问”，研究驻极体材料在口罩中的应用，涉及的教学内容为“静电场中的电介质”。在教学中引入我国在防疫抗疫中科技工作者的贡献案例并对此进行分析与讨论，增强学生的民族自豪感和爱国主义情怀，树立攀登科学技术高峰的信心，担负起民族复兴的重任。

“学生自选模块”则由历届学生的自主选题组成，每学期会评选优秀研究课题并加入此模块。自主选题是学生在大学物理课教学内容的范围内根据自己的兴趣、特长等自由选择的研究课题，例如“EMP（Electromagnetic pulse，电磁脉冲）从原理到防御”属于电磁学的研究内容，学生由娃娃机的破解和电磁武器引入电磁脉冲的工作原理，制作了一个产生电磁脉冲的简易装置，并成功攻击毁坏了一些小型电子设备（电子手表，电子闹钟）。又例如“《流浪地球》的数值模拟”，学生应用力学知识通过Matlab模拟了电影《流浪地球》的多个场景。

“应用类专题”的教学内容以学生自主开展研究性学习为主，教师全程引导。在教学过程中，学生自主组队选题，先进行调研，收集资料，确定具体的研究内容；然后开展研究工作；取得研究成果以后在课堂上进行展示，成果展示环节中设置提问和回答，对研究内容进行深入的讨论。学生在研究性学习中体验“发现问题-提出问题-分析问题-解决问题”的科学研究过程，提高了学习兴趣，初步培养了科学研究能力，能应用物理知识解决问题，增强了学习的信心。

在大学物理教学内容改革的历程中，本课题组最初是针对专业特点调整教学内容，在理论知识讲解中引入工程应用实例，后来通过设置“工程应用和科学问题”专题开展研讨式教学，经过多年的教学改革实践，形成了由“物理学原理”和“应用类专题”组成的教学内容。同时，我校增设了“物理学原理及工程应用”课程，其与大学物理课程平行设置，旨在拓展大学物理课程的深度与广度，加强学生创新能力的培养，满足新工科人才培养的需求。

2.4 教学内容、考评方法、教学活动相互支撑

在整个课程教学环节中，教学内容不是孤立的，为实现培养目标，取得理想的学习成果，教学内容、考评方法、教学活动都需要精心设计，相互支撑。在改革实践中，本课题组为线上线下混合式教学、翻转课堂等教学模式，整合教学资源，形成集教材、视频、习题、研究性项目、实验等多种内容为一体的教学内容体系。

为构建科学有效的考核体系，支撑教学目标的达成，需要以产出为导向，增大学习过程考核成绩在课程总成绩中的比重；细分形成性评价指标，通过作业、研讨式学习、学习活动参与等环节的综合表现对学生的学习过程进行评价。

3 结语

新工科建设对大学物理课程教学提出了更高的要求，物理学科将更强调应用性和与其他学科的关联性。基于OBE理念的大学物理课程教学内容的改革，坚持“学生中心、产出导向、持续改进”的教育理念，注重实践研究，改革后的教学内容突出核心原理、强化理论与工程应用和科学问题案例的结合。大学物理课程教学内容改革的研究成果将有助于优化教学环节，提高教学质量，持续改进，提高高校人才培养的目标达成度，可为创新工程应用型人才的培养提供可借鉴的实践经验。