工程教育认证背景下“近代物理学”课程教学改革探讨

何东旭，许 琪，舒朝著

（成都理工大学 材料与化学化工学院，四川 成都 610059）

引言

2016年，我国正式加入国际上最具影响力的工程教育学位互认协议之一《华盛顿协议》，通过认证协会认证的工科专业，毕业生学位可以得到《华盛顿协议》其他组织的认可。2020年，中国工程教育专业认证协会审议的专业认证已超过300个。可见当前社会及高校对工程教育认证的认可，更是对提高工程教育质量、服务工程教育改革和发展、适应社会和行业需求、提升中国工程教育国际竞争力的积极响应。以认证促进学科发展，为学科教育适应行业和社会需求提供鞭策，是当前国内大部分高校积极推进的工作之一。在工程教育专业认证目标下，材料科学与工程相关专业的培养方案和课程设置有了更鲜明的特征和更丰富的内涵。对培养目标的设定更加注重符合学校定位和适应社会经济发展需要。对毕业要求的设定更注重其对培养目标达成的支撑情况，注重全面提升学生的知识、技能和素养，以及在此基础上延伸至学生毕业后5年的职业发展的总体要求。从生源到毕业生发展，对本科教育的评价系统不断丰富和完善。对具体课程而言，要求从课程的开设到培养目标设定、毕业要求设定、教学等多个方面具有更加合理的规划。建立教学过程的质量监督机制，明确各教学环节的质量要求，完善课程体系设置和课程质量评价机制，通过定期评价反馈达到持续改进。

笔者有幸参与了成都理工大学材料科学与工程本科的工程教育认证相关工作，我校材料科学与工程本科专业已于2019年通过中国工程教育认证，达到中国工程教育认证标准要求。基于在本专业的新能源材料与器件方向的近代物理学的教学经历与工程教育认证相关工作经验，本文将探讨新形势下“近代物理学”课程面临的问题和改革方向。

一、“近代物理学”课程教学现状

近代物理主要是指19世纪末以来形成的相对论和物质的微观结构现象与理论，涵盖量子力学、固体物理、原子物理等常见课程中的相关内容。毫无疑问，它们一直处于科学研究的最前沿，课程的理论性强，学生学习难度和教师授课难度较高。这主要是由于近代物理完全独立于经典物理理论体系，学生突然进入一个完全不同的甚至有悖于已有经典物理认知的理论体系时难以接受，这种冲突使其在学习过程中始终会面临困扰或者习惯基于以经典物理的视角去理解相应的内容。例如，很多学生对原子的轨道的概念意识中更倾向于认为是真实存在的、确定的电子圆周运动的轨道。而且近代物理涵盖的范围之广、内容之深，使制定培养方案时对教学内容的规划上也需要有更多的筛选。当前各高校使用的教材各有差异，部分高校开设有“近代物理学”课程，也有部分高校分别开设有量子力学、原子物理等将近代物理进行分解强化，而相当部分高校的材料科学与工程专业的物理化学方向以褚圣麟或杨福家版原子物理学教材为主。

成都理工大学在材料科学与工程专业下的新能源材料与器件方向开设了“近代物理学”课程。该课程开设于第五学期，先修课程为“大学物理”。“近代物理学”课程的培养目标为：培养能在相关领域从事新能源材料与器件的资源利用、技术开发、科学研究、工艺设计、设备系统组装及工程管理等工作的工程技术人才，主要目标为培养适应行业的工程技术人才。因此，该课程由于较强的理论性，与培养目标的契合度低于其他专业课程，在工程教育认证背景和培养新工科人才的人才培养思路下，在培养方案的修订过程中该课程的学时被不断压缩，目前仅有48学时，这对于体量大、难度高的该课程而言教学难度进一步增加。而且，该课程作为专业选修课开设时间较晚。一方面，经过几年的大学学习，高年级学生已经对未来有了初步规划，除有深造需求、学习态度端正的学生学习较为努力以外，部分学生趋向“六十分万岁”的半学习状态，学习动力明显不足。

以我校2019级新能源材料与器件专业教学为例，期末考试题型主要分为单项选择题、填空题、简答题和计算题，基础题占60%、综合题占25%、提高题占15%，整体难度适中。但从成绩分布来看，不及格率为29.7%，80分以上学生占26.57%，不及格学生中50分以下（满分100分）占比高达63.2%。而所有题型中填空题得分率最低，仅为45.6%。其次为简答题，得分率为58.85%。这些结果表明，学生在学习相关课程内容时对知识的理解有限，对相关概念和近代物理相关基本概念的理解有较大困难，以至于难以基于自己的认知主观描述或理解相关内容。这其实也与教学过程中的学生学习状态相印证。面对第二章开始的理论性较强的量子力学部分内容（徐克尊版《近代物理学》），表现出明显的畏难情绪，开始不断有学生掉队。而从半经典的玻尔理论到电子的自旋和原子能级的精细结构相关的内容，学生的思维从经典物理到量子物理的切换也较为困难；再到多电子原子、有外磁场的情况、分子结构和光谱等内容时，则不断会有学生放弃。因此，教师如何在这种不利背景下，通过教学改革发挥“近代物理学”课程应有的作用，是当前需要思考的重要问题。

二、课程改革

1.首先明确课程定位。“近代物理学”课程在不同高校中的开设情况存在差异，其本质上是不同培养目标对该课程内容定位的区别。培养目标的制定是因校制宜、因材施教的结果。例如，材料科学与工程专业的培养方案中，复旦大学材料科学系下设的材料物理专业，于第三学期开设了“近代物理学”课程，计4学分，课程定位为培养在相关领域中从事科研、教学、科技开发、工程技术及相关管理工作的高级专门人才。相对来说，其培养目标更注重培养学生更宽的视野和知识面，能适应更多样的社会需求。所以该课程开设时间较早，且学分较高，旨在让学生能在专业课开始之前就从量子物理、原子物理、分子物理的角度对材料科学有宏观把握，从而在后续的专业知识学习过程中对相关原理的理解更有深度。清华大学和西安交通大学的培养目标强调培养在相关领域发挥引领作用的人才；南京大学培养目标的重点在于培养相关方面的高素质科学家和工程师，这三所定位相近的高校都单独开设有量子力学相关课程。武汉理工大学和昆明理工大学培养目标定位更注重就业竞争力，主要开设固体物理和半导体物理课程。河海大学、东北大学强调培养复合型高级人才。贵州大学定位为高素质专门人才。西安科技大学定位为应用型高级技术人才，其培养方案无相关内容。石河子大学培养目标为学生能在相关领域从事技术开发、技术改造、科学研究等方面工作，因此，培养方案也几乎未纳入近代物理学相关的课程。显然，对普通高校的材料科学与工程专业而言，近代物理学的内容正在被分化。

而当前工程教育认证背景下，课程定位与培养目标和课程体系的强关联性得到进一步明晰。工程教育认证要求制定符合学校定位且适应经济发展需要的培养目标。所以，如上述对培养目标定位为“学生能在相关领域从事技术开发，技术改造、科学研究等方面工作”而言，“近代物理学”课程与培养目标契合度较低，综合学校定位可以不开设。对定位为世界高水平大学的高校而言，培养目标倾向于“科学家”方向的定位，虽然近代物理相关内容在本科课程中的实际应用偏少，但对学生进一步深造及今后的科学研究具有非常重要的作用，所以会作为基础课程提早开设。而对定位于培养高素质专门人才、高级技术人才的普通高校，会更强调对学生专业知识的传授，其他课程对近代物理学相关的内容依赖性并不强，可以在学校定位下根据需求部分开设。

2.根据课程定位修订课程大纲。工程教育认证对课程的持续改进有明确要求，要求建立教学过程监测机制，定期开展课程体系设置和课程质量评价。建立毕业要求达成情况评价机制，定期开展毕业要求达成情况评价。基于工程教育认证背景下课程定位与培养目标和课程体系的内在关联和逻辑，对教学大纲进行适应性修订才能最大限度地发挥课程的作用。以笔者在成都理工大学相关课程中的教学感受为例，随着工程教育认证下培养目标的明晰，该课程的课时不断被压缩到48学时，教学任务几乎不可完成。因此，笔者认为，在此情况下“近代物理学”课程教学大纲的修订可以定位为专业限选课，将课程开设在第六学期，以让学生了解量子力学、原子物理、分子物理等内容为目标，减小理论深度，注重通过教学让学生建立近代物理学相关的理论知识框架体系，从而在未来的工作或研究中遇到相关问题时能知其然，能通过查找资料自学而达到知其所以然。此外，可以考虑删除半经典的玻尔理论模型，这部分内容虽然具有非常重要的历史地位，但从科学性来说并不能很好地融入量子理论，反而有可能会使学生产生疑惑［1］。在普通高校课时有限的教学中，可以删减相对论、核衰变和核反应、粒子物理等部分的内容，使课程教学过程的设计、执行与评价更契合工程教育认证的理念和专业培养目标。

3.对“近代物理学”课程教学进行改革。首先，需要改进该课程以往全板书推导计算的教学模式。可结合相关的科技成果、发展趋势，通过多媒体辅助，逆向导出对应知识点，然后展开具体教学，从而更好地丰富课程教学内容，提升教学质量，契合应用型人才的培养目标。本课程的大量内容在讲授时都会对学生已有的经典物理知识形成冲击，若频繁地以纯理论切入然后推导展开的方式授课，课堂活力将大大降低，极容易导致学生掉队。所以，需要在一些应用型较强、和生活联系较为紧密的课程内容讲授时尝试通过介绍科技成果逆向导出。介绍当前新的科技成果，逐步解析其背后的原理，从而导出整个教学内容。通过结合实践应用、科技成果导出的教学方式，不仅能激发学生的学习兴趣，同时也更能契合工程教育认证的内涵，让学生建立良好的原理与应用的对应关系。工程教育认证背景下，尤其对于以“培养高级技术人才”为目标的普通高校来说，“近代物理学”在材料科学与工程中的地位有相对弱化的趋势。推进教学改革，以紧密结合与课程内容相关的前沿科学应用的教学方式替代直接理论介绍的引入，弱化推导和计算，强化从理论到应用的完整知识框架的搭建和关联，从而使课程教学更加契合毕业要求对学生能够将数学、自然科学和工程科学的基本原理用于识别、表达并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论的目标。同时，这对丰富教学手段，提升课堂多样性，提升整体课程教学效果也大有裨益。例如，以量子力学的薛定谔方程部分的教学为例，薛定谔方程的引入是直接从波函数开始推导并得到薛定谔方程，然后再讲授一维方势阱、一维方势垒和隧道效应。而实际上，一方面随着近年电子科学与技术的飞速发展，相当比例的材料相关专业学生考研会分流到电子材料、新能源材料与器件等方向，很可能会在未来涉足半导体器件领域；另一方面，学生在“固体物理”“半导体物理”等先学课程中可能也已经对晶体管的原理有了一定的了解。所以，完全可以从隧道二极管的应用开始介绍，从而引出它的工作原理，然后从理论上进行分析，设定边界条件，具体到一维方势阱和隧道效应。此外，也可参考北京大学高政祥对在理论层面如何介绍量子力学部分所提出的不同处理方法［1-2］。

通过逆向导出的形式，首先，融合课程思政介绍当前国家面临的“缺芯”问题，引出芯片的基本单元晶体管，不断发掘学生的学习兴趣。很多学生对相关领域有所关注，而且在大一“大学物理”课程学习中有所涉猎，所以对这一问题表现出明显的兴趣，更多学生能坚持听完后续的隧道二极管—隧道效应—基于薛定谔方程的推导。相比于直接从波函数出发的教学思路，学生的接受程度明显更高。其次，从课程内容设计方面，由于内容理论性强，相对较枯燥，所以可以融合多媒体教学，通过适当插入相关科技成果的视频短片引起学生的兴趣。帮助学生打通知识学习到应用之间的联系，这也更利于训练他们应用数学、自然科学和工程科学的基本原理用于识别、表达和通过文献研究分析复杂工程问题的能力。从实际课堂效果来看，教学成效显著。

结语

整体而言，“近代物理学”由于其内容深、覆盖面广、理论性强，以及课时偏少，教学难度更大。因此在普通高校课程定位趋向培养工程人才与工程教育认证的标准下，如何根据课程定位和培养目标适当精简内容，同时紧密结合科技成果和发展趋势丰富课程内容，是当下开设有“近代物理学”课程的普通高校需要思考的问题。尤其是对量子力学和原子物理的轨道理论等部分，对重要内容前沿科技应用引出、理论原理剖析与讲解、知识框架建立各个环节进行良好的衔接和塑造，丰富课堂。减弱全新的近代物理理论知识体系重塑对学生固有经典物理认知的冲击，提升教学质量和学生对课程内容的接受程度。笔者认为这是工程教育认证背景下，普通高校材料科学与工程专业“近代物理学”课程教学改革的方向之一。