新工科背景及交叉學科人才培養模式下的大學物理學教學改革探析

徐銘澤 張挺聳

摘 ?要：新工科以新一代信息技術為核心，以創新和突破為目標，注重學科交叉融合和跨界整合，旨在解決工程技術人才培養與生產和創新實踐相脫節的問題。“大學物理學”作為一門通識教育課程，與各工科專業有著千絲萬縷的聯系，對于工科的發展起著非常重要的作用。大學物理學教學需要順應新工科的發展形勢，樹立“以工程能力為核心”的工科大學物理學教學理念，建立學科交叉融合的大學物理學教學觀念，打造具有新工科觀念的大學物理學教師隊伍，探索“產學研”深度結合的大學物理學教學模式，為新工科人才的培養做出貢獻。

關鍵詞：新工科;交叉學科;人才培養;教學改革

中圖分類號：G420 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1673-7164（2022）02-0129-04

隨著經濟的不斷發展，科技的日新月異，未來新興產業和新經濟形式對傳統的工科領域產生了較大的沖擊。研究表明，我國的工程類教育在世界范圍內首屈一指，國內高校工科在校學生占高校總人數的30%以上，但實際上我國的工科專業教育仍存在著一些問題亟待解決，如工科教學和理科教學之間的界限較為模糊、傳統的工程教育與新興產業之間存在脫節。而且資料統計顯示，到21世紀20年代，我國一些信息技術及電力產業的人才缺口現象將會非常嚴重[1]。為了應對新一輪的科技變革，我國教育部提出了建設“新工科”的計劃，先后召開了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”三次會議，旨在探索工程教育的中國模式[2]。

在“新工科”中，“工科”是指工程學科，“新”包含三方面含義，即新興、新型和新生[3]。新工科以創新和突破為目標，以交叉融合為手段來培養“新工科”人才。中科院院士、復旦大學常務副校長包信和指出，新工科背景下所要培育的人才應是復合型、綜合性人才，應具有廣泛的學科交叉背景。學生要具備整合能力、全球性視野、領導能力、實踐能力，成為人文科學和工程領域的領袖人物[4]。培養富有創新精神和實踐能力的各類交叉學科人才已經成為我國的重要戰略目標。

高校的人才培養和課程設置緊密相關，因此，要培養優秀的新工科人才，必然要從提高課程質量和優化課程內容入手。大學物理學作為一門通識教育課程，和工科專業有著緊密聯系：18世紀60年代開始的第一次工業技術革命以蒸汽機應用為標志，它是牛頓力學和熱力學發展的結果;19世紀70年代開始的第二次工業技術革命以電力的廣泛應用和無線電通信為標志，它是電磁學發展的結果;20世紀40年代興起并一直延續至今的第三次工業技術革命是相對論和量子論發展的結果。由此可見，大學物理學對于工科的發展起著非常重要的作用，為了適應“新工科”的建設，大學物理學教學改革也勢在必行。

一、新工科背景下大學物理學課程亟待解決的問題

（一）理科和工科的大學物理學教學內容

長期以來，工科與理科的大學物理學教學內容差別較小。理科教學是將力學、熱學、電磁學、光學及量子力學分為不同的課程分別教授，而工科教學只是將這些內容合并到一門課程中教授，在內容上僅縮減了一部分知識，并沒有太大的區別。物理學教學普遍存在重理論輕實踐的現象，對工程類人才培養目標的定位不夠準確。工科人才的培養目標與理科人才不同，需要在實踐中解決復雜的工程應用問題，而不應按照培養科學家的模式培養工程技術人才。實踐教學的缺失會影響學生利用理論知識解決實際問題的能力，降低了物理學對工科專業的影響，也會使工科學生產生不重視實踐環節的想法，從而降低了學生理論聯系實際的能力。

（二）物理學教學缺乏與其他學科之間的交叉融合

當今世界的發展趨勢以及我國未來發展規劃表明，學科之間的交叉融合已經勢在必行，但目前我國學科交叉融合發展還處于初級階段。高校中各個院系仍采用單一學科建制，學科與學科之間的交叉融合仍然不夠完善，從課程建設方面有所體現。以“大學物理學”課程為例，理工科的各個專業都將大學物理學課程作為一門公共基礎課，雖然從形式上實現了物理學科和各學科之間的交叉融合，但是課程內容還需進一步調整。盡管大學物理學在課程內容上較為完整和系統，但沒有從培養交叉學科人才的角度來通盤考慮，各個院系的大學物理學教學大體一致，沒有體現出各個專業之間的特色和區別，所教授的理論內容并沒有根基各個專業的特點來有所側重并刪減。使得學生難以從學科交叉的角度來掌握與自身專業密切相關的物理知識，不利于將學科交叉的思想融入學生的學習觀念中。

（三）教師本身缺乏學科交叉的觀念

教師在整個教學體系中依然起著主導的作用，無論是在講解知識抑或在傳授思維模式上，都起著決定性作用。部分教師自身沒有參加過關于“新工科”理念的培訓，或者本身的科研方向沒有“學科交叉”的因素，使得其自身不具備學科交叉的理念，不能很好地把握“新工科”背景下人才培養的模式及授課的思路。此外，企業所需人才和學校培養人才之間存在著“不對接”的現象，這也是“新工科”背景下國家和社會暨需解決的問題，需要教師改良教育思路，優化陳舊的教育模式。當前部分教師對當今企業的發展趨勢以及企業所需人才的類型缺乏了解，無法根據實際情況改革課程，無法解決企業用人和學校培育人才之間存在偏差的問題。

（四）“產學研”模式有待進一步強化

科技的進步與當今社會的發展已經密不可分，國家也越來越重視科技成果轉化及人才培養模式優化的問題。以推動科學研究面向產業創新需求，形成科技發展與產業發展共同進步局面的“產學研”模式，在此背景下應運而生[5]。但就目前的發展狀況來看，科研和教學之間的結合有待進一步加強，雖然有很多高校已經開始讓本科生接觸科研訓練，但是訓練范圍依然有限。從課程內容上看，如何讓更多的學生在學習基礎知識的同時，了解和接觸科技前沿以及將理論知識進行實際應用，這也是當前需要解決的問題;從課程設置上看，如何讓學生真正將所學內容和相關產業進行有機的結合，也是物理學教學需要面臨的挑戰。

二、新工科背景下交叉學科發展的現狀及其對物理學教學改革的啟示

新工科建設正在全國范圍內如火如荼地展開，并將引領我國高等教育的改革和發展[6]。新工科突出的是“創新”和“改造”，培養新工科人才所采用的方式主要是多學科的交叉融合，不同學科之間的交叉融合不是簡單的疊加與拼湊，而是基于當前和未來經濟、產業和技術發展需要，在各學科之間產生了前所未有的內在的邏輯關系，促使各學科在知識、理論、方法、技術和手段等方面相互滲透、有機結合和相互融合，進而形成滿足當前和未來需要的新的綜合學科[7]。

多學科之間的交叉融合是當今世界發展的趨勢，國外的眾多高校都非常注重學科之間的交叉融合，德國的博士研究生培養模式進行了一系列改革，要求各高校必須以聯系較為緊密的兩個或多個相關交叉學科為基本單位，共同組建研究生院，以便培養復合型交叉學科人才，經過長時間的完善和調整，效果非常顯著[8]。我國對交叉人才培養也極為重視，在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》等重要文件中都強調了發展交叉學科對國家科技、科學發展的重要性，并做出了相應的戰略部署。近年來，國內眾多高校也紛紛響應國家號召，成立了一系列的交叉學科研究機構及學院，如清華大學成立的交叉信息研究院、北京大學成立的“元培”學院、吉林大學成立的“唐敖慶班”等。

國內外的著名高校都非常注重交叉學科的建設及新型人才的培養，但是如何在基礎課程中培養學生的交叉學科觀念，如何在新工科的背景下優化基礎課程的內容，還有進一步調整的空間。本文在新工科及交叉學科人才培養模式的背景下，旨在以大學物理學教育改革為個案，梳理物理學和各學科之間的聯系，從授課思路的優化、課程模式的建設、實踐教學的改革及產學研體系的建立等方面入手，融匯國內、外教育模式的優點，對新形勢下的知識，大學物理學教學改革的方向做出了適當探索。

三、新工科背景下大學物理學的教學改革策略

（一）樹立以工程能力為核心的工科大學物理學教學理念

新工科背景下，高校最重要的工作就是培養工科學生工程意識及工程能力，并使之將其應用到具體項目的實踐中。而要實現這些目標，就需要合理調整課程內容及授課思路。從物理學發展進程上來看，近代物理學內容與工程技術之間的聯系較為緊密，但目前的授課思路更偏重于經典物理的內容，關于物理知識在工程技術中的應用依然較為稀缺，高校應調整授課內容的分配比例，尤其在工科的大學物理學教學中，應加強近代物理學教學內容的比重，將工程知識與物理學教學有機結合在一起。在具體的物理學授課中，把實際的工程問題抽象成可供研究的物理模型，增加實驗課程的內容，加強學生的動手能力，減少理論驗證性的實驗，多加入設計性的實驗，從而提高學生的創新能力。

（二）建立學科交叉融合的大學物理學教學觀念

自然科學之間的交叉融合已經成為現代科學發展的必然趨勢，科學上新理論、新發明的產生往往出現在相關學科的交叉點上，學科交叉為科學技術提供了一種產生新知識的方式，能為新的科研思路帶來靈感，能夠更深刻地理解各種科學現象的本質，近百年來超過半數的諾貝爾自然科學獎都頒發給了學科交叉項目，表明了學科交叉的價值。因此，在以創新為目的的新工科背景下，高校要打破傳統的單一學科制人才培養模式，建立以學科交叉為主的融合發展模式。大學物理學作為一門通識教育課程，是學生步入大學校園后首先接觸的課程，有利于為學生打下良好的交叉學科觀念。在課程設置上，要根據不同專業特色，采用互動課堂、案例教學、實踐教學及專題報告等多樣化的教學形式，對教學內容進行調整和優化，進行針對性教學。例如為光電信息系的學生授課時，教師應緊密結合光電信息系的特色，著重講解物理學中的光學、電學方面的知識，并且為光電專業的學生講解物理知識和其專業前沿科技之間的聯系，在提高學習興趣的又能滲透學科交叉的理念。在實踐教學環節中，對不同專業的學生“區別對待”，多安排一些和該專業學生所學內容相關的創新實驗課程，讓學生在實踐中感受學科交叉的魅力。

（三）培養具有新工科觀念的大學物理學教師隊伍

百年大計，教育為本;教育大計，教師為本。教師對于文化知識的傳承起著舉足輕重的作用，我國自古以來都非常注重對教師能力和素質的培養。而隨著“金課行動”“雙師型教師構想”及“新工科計劃”等一系列舉措的提出，當今社會對教師的要求越來越高，對于高校教師來說，國家需要的不再是能夠單純傳授書本知識的“教書匠”型教師，而是需要能夠不斷創新和突破，能及時把握當今科技發展趨勢，并最終為學生指明前進方向的“靈魂導師”。新工科理念首先要求的是創新和突破，對于高校教師來說，即將創新性的科研成果融入實際教學當中，這就要求高校教師必須要有一定的科研能力，而且及時將自己所掌握的“研”轉換成學生所需要的“學”，將新理論、新觀念、新方法融入理論教學及實驗教學中。再者，新工科理念注重的是多學科的交叉融合，這就要求教師需要具備學科交叉的觀念，甚至擁有交叉學科的知識背景。對于大學物理學教師來說，最低要求應該是了解自己所教專業與物理學之間的聯系，積極與該專業的專業課教師研討科研及教學問題，及時調整授課章節的比重，在課程內容和思維模式上做到學科交叉。新工科思想的最終目標是為新興產業培養具有實踐能力的優秀人才，而為了解決企業用人和學校培育人才之間的差異，需要教師親自去企業進行訪學和調研，最終明確企業所需人才的特質，并按照這一思路去優化教學內容和教學模式。

（四）探索“產學研”深度結合的大學物理學教學模式

在新工科背景下，如何將科研和教學相結合，以及如何將教學和生產實踐相結合，引起了人們廣泛的關注。很多學者提出將本科生引進到科研團隊中進行科研訓練，并將科研成果應用到生產實踐中，以達到“產學研”相結合的目的。

這種做法取得了較好的成效，并在很大范圍內得到了推廣，但并不是所有的學生都有加入科研團隊的機會，面向學生的范圍依然有限。為了拓寬產學研模式的受眾，還應將這一模式融入日常的教學中。在教師層面，不僅要讓教師去企業中做“訪問學者”，也要讓企業專家參與到教學中，在理論教學環節中，教師和企業專家共同制訂合理的教學計劃，在大學物理學教學中引入大量的生產實踐案例，并在特定的章節中，讓企業專家親自從工程實踐的角度來為學生授課，實現教學和實踐之間的無縫銜接，使學校教師和企業專家之間達成“走出去，引進來”的效果。在學生層面，除了繼續將本科生引入科學團隊之外，應改進實驗環節的學習模式，多增加一些和企業相關的設計性創新實驗，以生產實踐中的儀器和測試工具為參照物，讓學生以團隊協作的模式，應用所學的相關物理知識，在基礎實驗裝置的基礎上，設計新型的測量儀器和工具或開發新的測量方法。

參考文獻：

[1] 張存貴. 新工科建設背景下學科交叉融合人才培養模式的探索與思考[J]. 職業技術教育，2019（60）：17-20.

[2] 徐曉飛，丁效華. 面向可持續競爭力的新工科人才培養模式改革探索[J]. 中國大學教學，2017（06）：6-10.

[3] 林健. 面向未來的中國新工科建設[J]. 清華大學教育研究，2017（03）：26-35.

[4] 胡波，馮輝，韓偉力，等. 加快新工科建設，推進工程教育改革創新——“綜合性高校工程教育發展戰略研討會”綜述[J]. 復旦教育論壇，2017（03）：20-27.

[5] 何郁冰. 產學研協同創新的理論模式[J]. 科學學研究，2012（02）：7-16.

[6] 林健. 引領高等教育改革的新工科建設[J]. 中國高等教育，2017（22）：40-43.

[7] 林健. 多學科交叉融合的新生工科專業建設[J]. 高等工程教育研究，2018（01）：32- 45.

[8] 余同普，銀燕，邵福球. 從德國博士生院培養模式看創新型交叉學科人才培養[J]. 學位與研究生教育，2013（06）：64-68.

（薦稿人：匡尚奇，長春理工大學理學院副教授）

（責任編輯：汪旦旦）