新工科背景下的大學物理課程建設與實踐

王曉鷗，張伶莉，袁承勛，王先杰，靳辰飛，張 宇

(哈爾濱工業大學 物理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

2018年10月，教育部與工業和信息化部及中國工程院印發了《關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見》[1](以下簡稱“意見”). “意見”提出要以新工科建設為重要抓手，持續深化工程教育改革，加快培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才，打造世界工程創新中心和人才高地，提升國家硬實力和國際競爭力.“新工科”是相對于傳統工科而言，以新經濟、新產業為背景的一個動態概念. 它主要對應的是新興產業，如人工智能、智能制造、機器人、云計算等，也包括傳統工科專業的升級改造.

相對于傳統的工科人才，“新工科”立足于國家戰略發展新需求、國際競爭新形勢、立德樹人新要求，對高等院校專業建設和人才培養提出了教育改革方向，要求培養出實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型人才. 而作為高等學校理工科學生必修的基礎課程的大學物理在培養學生的科學素養、探索精神、實踐能力和創新能力等方面具有不可替代的作用. 這是因為在物理學發展過程中的每一次重大突破不僅帶來物理學新領域、新方向以及交叉學科和新技術學科的崛起，而且改變了人們的思維方式.

1999年3月，在美國亞特蘭大市舉辦的第23屆國際純粹物理和應用物理聯合會(IUPAP)代表大會上通過的決議“物理學對社會的重要性”中指出：“物理學——研究物質、能量和它們的相互作用的學科，是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用”；“物理學發展著未來技術進步所需的基本知識,而技術進步將持續驅動著世界經濟發動機的運轉. 物理學有助于技術的基本建設, 它為科學進步和發明的利用, 提供所需訓練有素的人才”[2].

“新工科”的發展離不開物理學理論，如熱門的“物聯網工程”，主要涉及物品的特征識別與傳入物聯網，人與物、物與物之間的信息溝通和對話等，這些都需要通過射頻識別、全球定位、視頻、音頻、紅外、激光掃描等各種傳感器技術來實現，而這些內容依賴物理學中物理概念和原理的運用，如機械振動、機械波、電磁波、激光和量子物理等基本知識. 針對“新工科”建設對人才培養提出的新要求，大學物理課程體系需要做出相應的改革以適應新形勢.

1 課程建設與實踐

哈工大大學物理教研室于2018年秋季學期開始按照“雙一流”建設和“新工科”建設人才培養工作的新要求，經過大量的調研和研討，認真分析了美國麻省理工學院的新工程教育轉型計劃和教育部大學物理教學指導委員會的相關項目要求，對大學物理課程教學進行了全面深入的改革，經過近2年的教學實踐取得了良好的效果.

1.1 多層次大學物理課程體系建設

深入調研我校各工科專業的核心課程對物理學知識的需求，按專業集群整合、制定教學計劃，在保證完整物理學知識體系的基礎上，進一步增加“專業拓展知識模塊”的建設，使大學物理成為“新工科”新專業成長的引擎.

根據我校各專業特點以及參照國內外相關高校的大學物理課程設置情況，將大學物理課程設置為4個系列，即大學物理A(面向英才學院、數學學院等對物理學要求偏高的專業)、大學物理B(面向工科試驗班的智能裝備、建筑學院、航天與自動化、計算機與電子通訊等專業集群)和全英文授課的大學物理B(面向留學生)、大學物理C(面向資源環境、交通、生命、土木等學院)以及文科物理(面向文科試驗班專業集群). 大學物理課程新體系更好的體現了“以學生為中心，教學成效驅動”的教育教學理念，更注重培養學生主動獲取知識能力、實踐與動手能力、創新創業能力. 圖1給出了我校按專業集群(即大類模塊)調整后的“大學物理”課程體系.

在“新工科”建設中，物理學的基本原理、基本方法是科學研究的出發點，是多學科交叉、轉移和滲透的支撐點，在促進科技創新和技術進步等方面，物理學仍發揮著先導作用. 在大學物理多層次課程體系建設中，筆者分析了各專業集群的培養目標，按各課程層次調整了教學大綱和教材[3-5]，有針對性的進行因材施教.

圖1 大學物理多層次課程體

1.2 教學內容優化

為推進“新工科”對復合型人才培養的需求，針對不同層次的課程定位，對教學內容做了適當調整.

大學物理A所面向的英才學院的培養目標是：杰出科學家、學術帶頭人. 圍繞這一培養目標，本課程定位在“強基礎，強能力，重創新”上，為培養拔尖創新型人才打好全面、扎實的物理基礎. 所以，在課程內容的安排上，增加了熱學中的三種統計分布規律，培養學生的統計思維能力，以適應當前大數據、云計算等新興科技領域；在量子力學中增加了態疊加原理、量子統計及應用、力學量的算符表示、能帶理論等，使學生們能夠在學習的過程中，感受到物理學與科技前沿的緊密結合，提高學習興趣，拓展學生視野，提升學生的科學研究能力和創新能力，從而創造出新的方向、新的產業.

大學物理B所面向的各工科實驗班涉及全校絕大多數專業，其培養目標是：具有創新意識和初步的科學研究與技術開發能力；具有開闊的國際視野和國際競爭力、理工結合的高素質創新型人才. 基于這一目標本課程定位在“厚基礎，強能力，重創造”上，通過本課程的學習，使學生掌握全面、扎實的物理學知識， 具備科學研究能力和創新創造能力、物理思維和科學素質，培養在國際競爭中具有創造潛質的高素質人才. 在教學中強化物理概念、物理理論的訓練，強化物理過程以及物理過程變化的研究. 在課程內容的安排上，增加了力學中的科里奧利力及其產生的影響，這部分內容蘊含物理學的思維方法及分析問題和解決問題的能力，同時也是工程設計回避不了的實際問題；增加了流體力學，這部分內容是航空航天領域涉及的理論問題，是飛行器、導彈等在大氣中飛行時所涉獵的問題，增加了近現代科技前沿相關的基礎理論(如能帶理論).同時在課堂講授內容和教材中，增加了與專業和科技前沿相關的實例或例題，使課程更加貼近實際，體現學以致用，培養學生的實踐能力.在“厚基礎”的同時，為學科交叉打開窗口.

大學物理C主要面向環境資源、交通、生命、土木等學院，這些學院的培養目標是：具有科學、工程和人文三方面的綜合素質的高層次創新型工程技術和管理人才. 因此本課程定位在“厚基礎、強實踐、嚴過程”上，培養具有優良品德和社會責任感、扎實的物理基礎理論以及分析問題和解決問題能力，具備創新精神和國際視野，可持續發展能力強的高層次人才. 為進一步學習打下堅實的基礎，使學生在未來的工作崗位和市場競爭中發揮出全部潛能.

文科物理主要提升文科學生的科學素養，培養文科學生的物理學思維方式、研究方法. 因為物理學基礎知識、思維方式以及研究方法已滲透到社會生活的方方面面,日益成為社會一般知識和一般意識形態的重要組成部分，成為一種高層次的文化. 通過大學物理課程的學習讓學生成為既具有知識、又具有文化的綜合型人才.

通過教學內容的講解過程，培養學生的獨立思考、創新能力、理論聯系實際能力、邏輯思維能力、動手實踐能力、工程實踐能力以及表達能力. 這些能力都是具有國際競爭力的高素質復合型人才必備的.在教學過程中結合“新型的習題”、“測驗”、“競賽”等促進學生能力的培養，增加“研究性作業”環節，讓學生自主獨立地把大學物理課程中所學的知識與本專業或科技前沿領域聯系起來，培養其獨立思考能力和創新能力；強調“物理理論的提出或引入過程”的講授. 針對某個理論，過去只講理論內容，忽略理論的來歷以及提出過程，學生的創新思維難以得到鍛煉和開發. 而加入“物理理論的提出或引入”的講授，可以使學生對物理理論的來龍去脈更加清楚明晰，使其體會到創新性物理理論的提出過程，從而使學生的創新能力得到提升.

1.3 教學模式改革

針對傳統課堂教學模式下學生學習主觀能動性差的狀況，大學物理教學團隊率先在國內高等院校中提出并實施了實景體驗互動式大學物理“圓桌教學”全新模式(也稱為“工作室物理”). 這是一種實驗先導、教師引導、師生交流互動、學生主動探索物理規律的體驗式課堂教學新模式[6,7]. 實現了“以教為主”向“以學為主”的教學理念的轉換.這種全新教學模式覆蓋大學物理A、大學物理B以及文科物理等12個教學班(大學物理A的6個大班和文科物理的2個大班全部采用這種教學模式；由于條件限制，大學物理B只有2個大班采用這種教學模式)，有600多名本科生受益，獲得了學生的廣泛認可和高度評價，如張杰同學說：“相對于只是老師演示實驗，這種方式讓人印象更加深刻，不僅看到了現象，而且通過反復地對比操作，會思考這種現象是如何出現的，對一些物理原理理解得更深了”. 從2017級學生開始的“我最喜愛的大學課堂”優秀征文評選結果中，連續2年在獲獎征文中有20%的文章將大學物理圓桌教學譽為“我最喜愛的大學課堂”.

傳統教學過程與“圓桌教學”全新教學過程對比如圖2和3所示.

圖2 傳統教學過程

圖3 “圓桌教學”全新教學模式

實景體驗互動式大學物理“圓桌教學”全新教學模式受到學生極大喜愛. 課堂氣氛發生了巨大變化，課堂中學生老師均站立走動、互動并聽課，出現了學生和教師“樂在其中”的課堂氣氛，如圖4所示.

圖4 “樂在其中”的課堂氣氛

基于實景體驗互動式大學物理“圓桌教學”全新模式，共完成5個省級教改項目，發表教學研究論文9篇. 2017年度，采用這種教學模式授課的教師在學生評教中全部獲得A+和A. 在2017年秋大學物理B的考試成績中，“圓桌教學”全新教學模式與普通“大課教學模式”相比，學生成績優秀率提高了7.9%. 學生認為“課堂比較活躍，互動較多，能啟發思考”、“課堂效率高，增強了課堂的活躍度和主動性”.

1.4 教學方式改革

大學物理課程新體系建設以“厚基礎，強能力，求創新”為宗旨，以“嚴過程”為實現手段. 通過改革教學方式，使學生在學習中訓練“思維”、培養“能力”.

要讓學生在學習過程中得到訓練，就要讓學生集中注意力，用心聽講，這需要教師進行精心設計.筆者利用物理現象引入物理問題來引起學生的興趣，引發他們的思考以及對接下來教學內容的期待. 因此，開展了基于物理過程引領的教學方式的改革[8-10]，即通過演示實驗、視頻等手段展示物理過程，引入物理問題，然后進行物理知識的講解，之后是理論與實驗的對照，最后介紹物理知識的應用. 在選擇物理現象時，盡量選擇那些接近生活，并能讓人感到出乎意料的例子，如果例子能讓人感到震撼，那么效果就更好了.

例如，在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地進行理論講解，大部分學生會覺得不易接受，而且枯燥. 筆者采用了和教學密切相關的演示實驗，即讓學生從反光比較強烈的地方來看黑板上的字跡，他們會反映看不清. 這時，教師再遞給他們一片偏振片，調整好角度，當透過偏振片能看清黑板上字跡的時候，他們都發出了驚嘆，其內心的觸動是顯然的[10]. 至此，已經把學生的積極性調動起來了.

接下來做的是相關知識的講解. 物理理論的講解要緊密圍繞實驗中看到的現象，始終讓學生處于同一問題的思路中，注意力也一直處于集中狀態. 講解中使用簡短的語言和公式，盡量做到通俗易懂. 最后是物理知識的應用這部分對于啟發學生的思考，培養其創新精神無疑是重要的. 這次改革增加了這部分的比例，以拉近物理知識和實際之間的距離. 如可以利用偏振片消光的性質，將其安裝在汽車的照明燈和風擋玻璃前面，就可以避免晚上汽車遠光燈炫目的問題. 具體辦法是在汽車的照明燈和風擋玻璃前面加裝一個和地面成45°角的偏振片，當對向來車時，兩車的透振方向垂直，燈光互不影響. 這些應用的原理很簡單，用到的物理知識也不復雜，學生理解起來并不困難. 但這些內容對開拓學生視野、知識的活學活用會起到積極的促進作用.

1.5 考核方式改革

在大學物理課程的考核中筆者探索了多元化考核模式，幫助學生建立“嚴過程”的學習理念，實現“以考核促發展”的考試目標. 學生成績由兩部分組成：“平時成績+筆試成績”. 平時成績占30%，包括平時作業、隨堂測試、研究性作業；筆試成績占70%，包括期中考試、期末考試. 考核內容以知識性考核為主，增加專題討論、實例分析、實驗設計等環節，考查學生的科學探索、創新和創業能力.

首先，改革考試題目，使之具有一定的設計性. 例如，“物體具有熱脹冷縮的性質，當溫度升高Δt(Δt=t-t0)后,待測樣品的尺寸可變為原有尺寸的(1+αΔt)倍，α稱為該樣品的熱膨脹系數. 利用光的干涉原理設計一種方法來測量物體的熱膨脹系數. 畫出原理圖，并給出相應的理論解釋”. 這種類型的考題從“知識掌握”、“能力培養”、“邏輯思維訓練”等多角度全過程考核學生的學習情況.

其次，建立不同課程試題出題小組，對試題考核的知識和能力要點進行研究，給出出題的策略說明.

第三，采用研究性作業、項目研究等多種方式進行能力的考核，如“結合課上所學內容，談談壓縮式電冰箱的工作原理及如何實現冰箱節能”. 形成了“知識掌握程度考核+應用實踐能力考核+創新研究能力考核”的全新考核模式.

第四，規范試題出題，要求期末考試題的分布與課程大綱關于考核的要求一致，形成閉環. 并且要求近三年試題的重復率要低于10%、客觀題量少于30分，避免出現原題.

2 結論

大學物理作為工科專業的重要基礎課程，在推進“新工科”建設、培養“新工科”所需的具有國際競爭力的復合型人才方面具有不可替代的作用. 大學物理課程內容是對自然科學重要發展成果的歸納和總結. 在知識體系上，是各工科專業理論的源頭與基礎；在研究方法上，是對自然科學主流研究方法的精辟總結；在思維方式上，是人類智慧最精華部分的凝聚. 教學實踐表明，對大學物理課程體系、教學內容、教學模式等方面的改革為培養造就多樣化、創新型卓越工程科技人才，為我國產業發展和國際競爭提供智力和人才支撐. 所以，“新工科”背景下大學物理課程建設既是當務之急，也是長遠之策.