面向新工科的“近代物理专题”课程体系的创新构建

摘 要 受总学时限制，在目前的大学物理课程体系中，近代物理部分占比很小;而且，由于现代科学技术的突飞猛进，目前多数大学物理课程教材的知识体系更新速度显著落后于物理学的高速发展。当前的大学物理课程教学既不能满足“新工科”对人才培养的新要求，也不利于科教融合和学科交叉发展。鉴于此，我们构建了面向新工科专业的近代物理专题课程体系，以有效解决大学物理课程在近代物理知识教与学方面的严重不足，提升“新工科”背景下的人才培养质量。近代物理专题课程体系着眼于“立根基础、登高博远”的课程理念和目标，坚持“立根”近代物理基础理论，讲授原子核物理、量子物理、固体物理和激光物理的基础理论知识，同时结合学科前沿讲座，跨越物理学各分支讲授现代物理的高新科技应用，提升课程的高阶性，使学生“登高博远”。通过自制学科融合案例，并辅以科学计算软件的上机实践，以定性分析结合定量计算的方法，引导学生解决相关学科的科学问题，增强课程的创新性和挑战度。该课程采用线上平台，线上线下混合四维时空拓展授课;经过五年的实践，实现了课程理念和目标，获得了良好的学习反馈。

关键词 近代物理;“新工科”;科教融合与学科交叉;两性一度;课程体系

引言

2017年教育部发布了《新工科研究与实践项目指南》，对高等学校的工程教育理念、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等提出了新要求①。推动“新工科”建设是实现国家创新驱动发展战略的人才保障，是新时期我国高校工程教育改革的指导方针，也是今后我国高等教育改革的重要方向[1-2]。因此，构建服务于新工科建设的课程体系，是培养具备创新精神、实践能力和跨学科综合素养的高素质工程技术人才的重要保障。

物理学是研究物质的基本结构、运动形式、相互作用以及转化规律的自然科学。物理学所展现的世界观、认识论和方法论深刻影响着人类的思维方式和对物质世界的基本认识[3]。新工科建设对大学物理课程，特别是对近现代物理部分的教学提出了新要求。近代物理是指19世纪末和20世纪初开始形成的相对论、量子力学和以原子分子物理、原子核物理、粒子物理、固体物理为内容的物质微观结构理论，以及以这些理论为基础发展的核能、激光、量子和半导体等科学技术。然而，受到总学时的限制，在目前的大学物理课程体系中近代物理部分占比很小;而且，由于现代科学技术的突飞猛进，当前多数大学物理课程教材的知识体系更新显著落后于物理学的高速发展。因此，目前的大学物理课程教学既不能满足“新工科”对人才培养的新要求，也不利于科教融合和学科交叉发展。另外，寻找通识课程大学物理与其他“新工科”专业的交叉与生长点，实现跨专业、跨学科的教学融合，是国家高等教育战略发展计划赋予大学物理课程教学的时代要求[4-6]。

作为大学物理课程的重要组成部分，近代物理是对经典物理学的开拓性发展，是嫁接物理与现代高新技术应用的重要桥梁。本文以近代物理教学为例，探讨了以科教融合和学科交叉为导向，以提升大学物理课程的“两性一度”为目标，基于数字智慧教学平台构建合肥工业大学大学物理课程的延续课程近代物理专题课程体系及其过程，总结了线上线下混合教学的实践经验。

1 面向“新工科”近代物理教学存在的问题

1.1 近代物理教学“支离破碎”的尴尬处境

由于大学物理课程包含的宽泛内容与紧缩学时之间的矛盾，使得近代物理教学的学时不断缩减。特别是2019年实施新版教学计划之后，近代物理教学的专业范围越来越受到蚕食，如我校更多的专业（如土木工程、生物视频、计算机等）选择了仅包含狭义相对论的C 类（80学时）课程。其他B类（2024年已从原112学时，缩减为96学时）课程也只介绍到早期量子论，并没有真正触碰到量子力学及应用的精髓内核。这种骨肉分离、支离破碎的内容设置，不仅损害了理论体系的完整性，也很不利于“新工科”建设。

为顺应当今高新科技发展的时代需求，2023年教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会最新发布的《理工科大学物理课程教学基本要求》提出，量子物理基础部分至少要增加到30学时（目前为12 学时），经典物理的学时被显著压缩，例如经典力学从目前的18学时压缩到14学时[7]。这标志着我国高校的大学物理课程教学正在努力探索走出重经典、轻现代，重理论、轻应用的状况。

1.2 物理教学与高新科技发展关联不足

与高新科技发展脱节是大学物理课程教学普遍存在的问题。由于需要讲授的内容较多，绝大部分课时都在“追赶”进度中度过，很少有时间展开介绍近、现代新的物理理论与当代先进的实验方法、科学技术之间的关联。例如，大学物理课程教学中近代物理内容占比≤20%，仅介绍了狭义相对论、早期量子论等，甚至量子物理的基本方程———薛定谔方程也只是点到为止。有关当代物理发展的新成就，现代工程技术及其重大科技成果等新课题、新内容更是鲜少提及。然而，现今的科学技术发展很多都是以原子分子物理、量子物理为基础，例如我校的材料、通信、测控、电子等相关专业，都需要具备原子、量子物理的相关知识作为专业学习的基础。实际上常常是深奥的物理理论与现代重大科技成果之间的关联，才是激发学生创新意识、培养创新思维的优良素材。

此外，大学物理作为一门必修考试类课程，对所授理论应用的精确计算也往往提出高标准严要求。这一方面起到了督促学生对所学内容进行扎实的掌握，但是另一方面也引导或“暗示”了学生更专注于考还是不考的问题。考的学生就认真仔细训练，不考的学生可能都懒得看了，强化了急功近利的应试学习思维，妨碍了学生树立广泛了解物理理论与高新科技应用的学习认知与学习兴趣，非常不利于新时代大学生创新创业、开放思维的培养。

1.3 培养目标与时代脱节

“新工科”建设对人才培养的目标指向更为具体，要求学生具有应用所学知识的能力和技能，强调学生的主体学习地位。教师除了向学生传授基础与专业知识，还要注意激发学生的创新精神、培养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坚实的行业基础。

传统的大学物理课程教学重在知识传授，内容繁多、理论深奥，基本采用以讲为主、自上而下的传统教学方法。教学模式单一，学生参与度不高。知识传授大于知识吸收，学生主体地位不凸显，不利于培养学生的知识迁移能力和综合应用分析能力，忽视创新思维的引导与培养。因此，传统的近代物理教学与创新创业教育理念的时代要求相距较远，阻碍了“新工科”培养目标的实现。

2 近代物理专题课程

作为大学物理课程的延续课程，专业必修课amp;公共选修课近代物理专题为物理专业的本科生，以及物理基础好、对物理学习有更多期盼的非物理类理工科本科生，提供更多物理新理论的“科普化”窗口，引导学生探究物理学更多的近现代发展分支。每个专题从介绍物理学的基本概念和原理出发，采用科普化的语言和丰富的视频、图片、动画，向学生讲解物理学深奥的理论知识。基于混合式教学方法（问题驱动听课、雨课堂互动问答、课后考查小论文驱动主动探究等）与信息化教学资源（智慧教学平台、网络课程资源、新闻报道、经典图片等），深入浅出地向学生讲授物理学的近现代理论，以及与现代高新科技的关联与应用。

2.1 课程模块设计

近代物理专题课程目前的32学时11个专题完全不能涵盖近代物理的众多分支。客观上随着物理学各分支方向的不断细化与发展，不在某些方向深入研究的教师很难对此专题讲深、讲透、讲新、讲科普化！ 我们课程团队基于物理学院物理系近年来不断引进新人才、新方向的良好机遇，除了目前相对成熟的专题目录套餐，还储备了更多的专题资源（如激光、凝聚态物理、医学物理、生物物理、高能物理等），为根据专业不同个性化开展教学，储备了雄厚的教学团队资源。

为解决专题内容设置与紧缩学时之间的矛盾，课程采用了线上线下相结合的灵活的模块化设计（如图1），分为必讲专题、选讲专题、拓展学习三部分。其中必讲专题主要围绕近代物理的三大支柱展开，包括（广义）相对论、量子力学及应用、原子核物理及应用，以及天体物理、固体物理、量子科技等。选讲专题介绍近代物理新的发展分支，如激光物理及应用、凝聚态物理及应用、等离子体物理及应用、同步辐射装置及应用等。拓展学习部分包含两块，一块是链接物理专业研究生必修课程学科前沿讲座，通过听取专题相关方向的专家报告，帮助提升课程的前沿性;另一块是“自编学科融合案例”部分，通过自编的学科融合案例，建立课程理论知识点与具体的高新科技应用之间的关联，帮助学生更好地理解所学内容，并通过定性分析结合定量计算的方法，引导学生更深入地学习与思考。