新工科背景下大學物理課程教學設計與實踐

王晶　余花娃　尹紀欣

摘 要 為了適應新工科人才培養的發展需要，從教學內容、教學模式、教學評價等方面，對大學物理課程教學設計進行了探索和實踐，以期實現對學生分析解決問題的能力和創新能力的培養。

關鍵詞 新工科 大學物理 教學設計

中圖分類號：G424 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.050

Abstract Based on the construction of the Emerging Engineering Education， the teaching design of college physics is studied and practiced from the aspects of teaching content， teaching mode and teaching evaluation. This study provides a certain way to improve students' ability to analyze and solve problems and develop students' creativity and innovatory consciousness.

Keywords emerging engineering education; college physics; teaching design

近年來，隨著新一輪科技革命與產業變革不斷深入，新興學科不斷涌現，學科之間深層次的融合越來越突出。在這樣的背景下，新工科建設應運而生。新工科的內涵是：以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。[1]大學物理課程是高等院校理工科學生必修的一門基礎課，課程中的基本概念、基本理論和基本方法是一個科研工作者或工程技術人員科學素養中的重要組成部分。因此有必要對大學物理課程進行改革，以適應新工科人才培養的需要。

傳統的大學物理教學往往存在以下問題。第一，物理理論知識的學習較多，與實際工程應用銜接的知識學習較少。這樣大學生在學習過程中，錯誤的認為所學知識與實際工程技術聯系不緊密，學習中缺乏興趣。而物理學知識是整個工程科學基石，目前科技發展日新月異，新興學科或者多學科交叉的領域對物理學知識的要求越來越高。大學生如果缺乏應用物理學原理分析解決實際工程問題的能力，那么在后續課程學習或工作中，應用物理知識時會感覺十分困難。第二，傳統教學模式以教師講授知識為主，師生交流和教學互動較少。這種教學模式難以滿足大學生自主學習和個性學習的需求，因而大學生學習的積極性不高。同時，大學物理課經常是多專業大班教學，在傳統的教學模式中，教師想即時了解大班學生的學習效果也比較困難。第三，傳統大學物理課程對大學生學習的考核評價主要是通過考試試卷。這樣學生往往重視期末考試分數，而忽略了學習過程中的探索和創新。而在科技日新月異的社會發展中，大學生的自主鉆研和創新能力是非常重要的。

針對以上問題，筆者著重從教學內容、教學模式和考核評價等三方面進行探索嘗試，進行了大學物理課程教學設計與實踐，以實現適應當前新工科人才培養的發展需要。

1教學內容與新工科專業相融合

首先，教學設計中應注重“理工融合”的理念，把物理知識和專業內容相融合。在大學物理教學中，應該注重物理知識對工程技術的支撐作用。在“新工科”建設的背景下，更應該重視“理工融合”，因此大學物理課程教學內容也要與時俱進，不但要講物理知識，也要講物理知識在其他工程技術上的應用。

目前新技術層出不窮，而這些工程技術的支撐就是物理、化學等基礎學科。在教學中，講述傳統物理學原理在一些新工程技術中的應用，讓學生體會很多新的創新和發明都是基于經典物理學原理和工程技術相融合。同時，在新一輪科技革命中，科學技術的創新在很大程度上也是依賴多學科深層次的滲透和融合，因此分析和解決這些技術上的難題是需要具有多學科領域的知識基礎的。通過技術案例的分析和引用，不僅可以引導學生多學科交叉創新的意識，同時也可以培養學習興趣。另外，物理學科也在不斷發展中，教學中及時把物理學的最新理論和技術成果帶入到課堂中，對豐富大學生的視野，提高大學生的科學素養都是有利的。

教學內容中的“理工融合”，不僅包括課堂上所傳授的知識，還應該包括課后的創新培養。引導大學生對某物理知識相關的技術應用進行更深入的探索，從而培養其科學觀察、分析和解決復雜問題的能力。大學生只有具有良好的科學素養，具有分析和解決問題的能力，才能以不變應萬變，適應未來科學技術的飛速發展。

2采用線上線下混合式教學模式

混合式教學模式是利用互聯網和大數據分析，把線下教學和線上教學結合在一起的教學模式。[2]利用這種教學模式，不僅可以有效的實現師生互動、個性化教學，也能幫助教師即時掌握學生學習情況的大數據。混合式教學模式可以實現以下教學環節。

課前，通過線上教學平臺完成預習。現在幾乎每個大學生都有一部手機，他們的交流、通訊、事物的分享幾乎都在手機上完成，手機已經融入了大學生的校園生活。因此可以充分利用手機上的教學平臺，來完成線上的預習。首先，教師錄制一個15分鐘左右的說課視頻，簡要說明下節課需要掌握的知識點以及應用的案例。學生按照說課視頻的要求進行預習，并完成課前測。這樣，通過教學平臺的大數據分析，教師可以迅速了解學生對預習內容的掌握情況。同時，為了提高學生的學習興趣，還可以利用此環節設置一些與課程有關的問題，讓學生思考并在線分享，以促進學生的自主學習和彼此之間相互借鑒。

課堂教學中，利用線上教學平臺的互動環節實現翻轉課堂。大學物理課經常采用大班教學，因此在傳統的課堂上，如果設計“答題”“投票”等互動教學環節，需要花費大量的教學時間。同樣由于時間限制，傳統課堂上答題的學生只能是少數，教師無法掌握全班學生的課堂學習情況。而利用線上教學平臺的實現教學互動后，每個學生都能快速參與答題等互動環節等，同時通過大數據分析，教師也能迅速掌握學生對知識點的學習情況。這樣不僅提高了師生溝通的效率，教師也能設置更多的互動環節來增強課堂的趣味性、調動學生學習的積極性。

課后，利用線上平臺進行知識拓展和進一步的創新培養。教師在線上為大學生推送多樣化的教學資源，例如視頻、動畫以及科技前沿等內容。學生可以根據自己的專業和學習情況，個性化的選擇內容進行學習。同時，為了培養學生的自主學習和積極性，還可以利用線上教學平臺的討論區，鼓勵大學生利用所學的知識討論、分析實際問題或應用案例。這些討論的案例可以由教師推送，也可以由學生自己選擇，目的在于開拓思維，培養理工科學生科學觀察、分析和解決實際問題的能力。最后，為部分學有余力的大學生創造條件，鼓勵他們進行更深一步的創新訓練。比如教師可以根據自己的研究課題，在線上發布相關的設計性實驗題目，以培養創新能力為目的，開展大學生科研訓練項目。

3教學評價應包括學生深度學習能力的評定

教學評價是對教學活動現實的或潛在的價值做出判斷的過程。在對學生學習結果的評價方面，傳統教學中主要是通過期末考試分數對學生學習結果進行總評。這樣的評價方式讓學生過度重視期末考試分數，而忽略了課程學習中對自己學習能力和創新能力的提高。深度學習[3-4]是以思維和創新發展為目的的學習，不僅包括自主獲取知識的能力的提升，還包括高階思維以及解決復雜問題能力的提升。這正是新工科人才所需的科學素養。因此，對學生課程學習的評價，不僅要包括知識的掌握情況，還應該重視大學生在學習大學物理過程中其解決問題的能力、創新能力的提升。在大學物理課程的教學評價上，可以歸納為以下幾個方面。第一，通過學生平時的互動教學環節、作業、測試等進行知識掌握情況的評價。第二，根據學生平時主動學習的表現、分析解決復雜問題的表現等進行學習能力的評價。第三，利用課外創新項目等表現進行實踐創新能力評價。第四，對課程期末考試的分數進行考核評價。

4以“感生電動勢”為例進行教學設計

這里以大學物理課程中“感生電動勢”的內容為例，進行翻轉課堂教學設計與實踐，教學流程如圖1所示。

首先在線上布置預習任務。學生通過線上觀看教師錄制的“感生電動勢”說課視頻，了解本部分學習的重點和難點內容。然后教師選取幾種感生電動勢在工程應用中的案例，比如與機械類專業有關的“制動能量回收系統”，與測控技術相關的“渦流傳感器”，與生物專業相關的“經顱磁刺激技術”等，讓學生按專業或興趣選擇案例，分析并在線上分享視頻。由于學生在中學已經學習過感生電動勢的概念，預習課程后能夠應用感生電動勢的概念對上述問題進行簡單分析。通過線上自主預習，一方面學生體會到感生電動勢與工程應用的密切聯系，另一方面也能引導學生關注物理與不同學科交叉融合的創新，還能通過不同專業領域知識的分享，引導不同專業的學生相互借鑒學習，提高學習興趣。

在課堂教學中，采用線上線下混合式教學模式，讓學生全程參與到教學中來。首先教師選擇部分學生的線上分享視頻進行點評，然后結合這些應用引入課程內容。在講解難點內容“感生電場的環路定理”時，可以把“感生電場的環路定理”與“磁場的環路定理”相類比來加深學生的理解。類比總結如表1所示。在這里可以充分利用線上教學平臺，逐步引導學生學習運用“類比推理”的方法分析和解決問題。比如隨著對“感生電場的環路定理”循序漸進的討論，在線上教學平臺發布互動，讓學生依次思考并回答“哪個電磁學定理和感生電場的環路定理類似？”“兩個定理的數學形式有何類似？”“兩個定理的物理含義有何類似？”“兩個定理中磁場強度線或感生電場線的繞行方向有何不同？”“兩個定理中磁場強度和感生電場強度的求解方法是否類似？”等問題。同時，通過互動的大數據，教師即時了解學生的學習情況，對某些疑難問題進行解答與分析。

課后，在線上為學生推送多樣化的教學資源。這些教學資源主要包括兩方面，一是與課堂知識點密切相關的動畫和視頻等，二是感生電動勢在其他科技領域的應用以及部分技術前沿介紹。為了培養學生科學觀察、分析和解決問題的能力，激發大學生創意創新，引導學生在線上討論相關技術應用（例如無線充電等）還有哪些方面有待提升、有哪些新技術是運用了類比推理的方法等。最后，教師結合學生的專業，以培養創新能力為目的，幫助部分學有余力的學生開展大學生科研訓練項目。

最后，通過線上大數據結合線下教學等對學生的學習進行評價，同時教師根據學生的學習效果對教學工作進行進一步改進和反思。

5結束語

作為高等院校理工科專業學生的基礎課，大學物理課程的重要性不言而喻。為了適應當前新工科人才培養的發展需要，嘗試從教學內容、教學模式和考核評價等三方面對大學物理課程進行了教學設計和實踐，以達到培養學生深度學習能力和創新能力的教學目的。

參考文獻

[1] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J].高等工程教育研究，2017（03）：1-6.

[2] 王鑒.論翻轉課堂的本質[J].高等教育研究，2016，37（08）：53-59.

[3] 郭華.深度學習及其意義[J].課程.教材.教法，2016，36（11）：25-32.

[4] 安富海.促進深度學習的課堂教學策略研究[J].課程.教材.教法，2014，34（11）：57-62.