新工科人才培養背景下物理學師范專業MATLAB課程教學改革研究

馬 麗 唐平英 雷霞飛 馮 靜

新工科人才培養背景下物理學師范專業MATLAB課程教學改革研究

馬 麗 唐平英 雷霞飛 馮 靜

（南寧師范大學物理與電子學院，廣西 南寧 530001）

為滿足新工科人才培養背景下物理學師范專業MATLAB課程教學的要求，文章從教學內容、教學模式和教學評價三個方面給出了教學改革思路，設置了理論知識講授、應用能力培養、知識拓展與思維能力提升三個層次的“高階性”教學目標，重構了工具篇、算法篇和應用篇三大部分教學內容，融入MOOC、超星學習通、翻轉課堂等新技術、新方法適應新工科背景下MATLAB課程教學的實施和評價，加大教學的深度與廣度。

新工科；MATLAB課程；物理學；教學改革

引言

在新工科人才培養背景下，培養具有較強創新和實踐能力的復合型人才，是高校人才培養的新目標和新要求[1,2]。物理學師范專業人才培養要求要從傳統的理論研究型人才培養轉向重能力的應用型人才培養，學生既要在物理學科專業上學業精深，還應具有“學科交叉融合”的特征。MATLAB課程是物理學師范專業一門重要的實踐性課程，具有知識點龐雜、跨學科、學習難度大等特點[3]。目前的MATLAB教材，大多類似于工具書，書中案例與物理學專業關聯少，思政元素融入少；課程實踐內容設置與物理學師范生實際應用結合性不強，學生學起來比較枯燥乏味。此外，傳統的MATLAB教學設計未能體現以學生為中心的特點，過度依賴老師的“教”[4]。學生對MATLAB知識點的理解和應用僅限于簡單的習題操作，缺乏獨立思考能力、創新能力、理論聯系實際的能力。因此傳統的物理學師范專業MATLAB課程教學內容、模式和評價方法已無法滿足新工科人才培養的基本需求，對該課程進行系統、深入地改革與探索，根據學生需求、能力需求、學習興趣、社會需求等因素，創新教學模式，融入思政元素，提升學習興趣，從而培養“物理學知識—計算機科學”交叉融合的創新型人才，具有重要的指導和現實意義。

1 物理學師范專業MATLAB課程教學現狀

MATLAB課程是物理學師范專業一門重要的實踐性課程[3]。課程涉及到軟件應用、建模、算法、編程、可視化和符號計算等其它物理課程所沒有的而又非常重要和實用的內容。該課程目標是培養學生使用MATLAB的基本能力及其在物理上的應用能力。該課程為物理學習與研究提供了實用的研究手段，同時可以培養學生的計算思維和提升學生的教學能力[5]。目前大部分高校物理學師范專業通常開設32學時課程，其中16學時為實驗上機課時。對標新工科人才培養需求，調研分析發現目前大部分高校物理學師范專業MATLAB課程教學過程中存在以下三大問題。

1.1 教學內容不適應新工科人才培養需求

現有的大部分教材，如張志涌等編著的《精通MATLAB》、孫祥等編著的《MATLAB基礎教程》、王沫然編著的《MATLAB與科學計算》等，這些教材大同小異，多以MATLAB功能進行章節內容劃分，類似于工具書。如果按照課本目錄章節進行教學，基本將其當成了一門計算機課程進行教學，枯燥、難懂，且讓部分物理學師范專業學生產生“學習后沒有用處”的錯覺。此外，該課程通常設置在大二學期，此時物理學師范專業學生已經學習了《高等數學》《計算機基礎》《C語言程序設計》和《線性代數》等數學、計算機基礎課程，以及力學、熱學、光學、電磁學等專業知識。傳統的MATLAB教學內容設置，沒有充分考慮學生的學情，未能將MATLAB課程與物理師范生專業特點進行有機融合，難以激發學生學習興趣，與新工科人才培養要求不匹配。

1.2 教學模式不適應新工科人才培養需求

傳統的教學手段單一，多以教師講授為主，配合學生完成課本上一些簡單的實驗案例。以MATLAB課程中“符號運算”知識點為例，該內容是MATLAB課程中的教學難點，對學生數學知識儲備要求較高，學習過程枯燥乏味。該章節內容主要要求學生掌握符號表達式生成、符號微積分、代數方程求解和微分方程求解等知識點。傳統的教學課堂，多以老師按照課本內容講解為主，知識深奧難懂，學生學習興趣缺乏。學習完后，學生根據課本例題、習題進行上機重復性操作，學習效果不佳。對標新工科人才培養背景下的教學課堂和教學模式要求，提倡以學生為中心的教學設計，加大信息化智能化教學方法的融入，翻轉課堂，提高學生學習的積極性。

1.3 教學評價不適應新工科人才培養需求

該課程傳統的考核方式及成績評定方法采用期末成績占比70%，平時成績占比30%。其中平時成績評價單一，主要考查學生的實驗報告。MATLAB課程是一門重要的實踐性課程，因此應該加大平時成績在最終成績中的占比。此外，平時成績的評價，不能僅考查學生的實驗報告。一是實驗報告中的作業習題，多以簡單實驗重復操作進行考核，對學生的創新能力考查十分有限；二是實驗報告對學生基礎知識的掌握考查不夠充分和便捷。三是實驗報告設計需要體現知識考查難度的階梯性，既要有考查普通操作技能的實驗操作題，又要有融入物理學專業知識的高階綜合設計題。并且在教學評價過程中，通過小組合作以及項目化作業等方式進行考核，更能評價學生溝通合作能力和教學反思能力，改善傳統教學評價手段單一的情況，契合新工科人才培養需求。

2 物理學師范專業MATLAB課程改革思路

針對物理學師范專業MATLAB課程教學現狀以及存在的困難和問題，對標新工科人才培養的要求，筆者團隊提出了從“學生需求、能力需求、學習興趣、社會需求”四個維度和“理論知識講授、應用能力培養、知識拓展與思維能力提升”三個層次，設置“高階性”教學目標，并且重構了“工具篇、算法篇和應用篇”三大部分教學內容，擬實現“課程內容體現前沿性和時代性、教學形式體現先進性和互動性、學習結果體現探究性和個性化、課程評價體現豐富性和挑戰性”的四個創新特點。通過“四個維度＋三個層次＋三大內容＋四個體現”的“4334”創新改革模式，建設適應新工科人才培養需求的物理學專業MATLAB課程，培養“物理學知識—計算機科學”交叉融合的創新型人才。具體研究與實踐的改革思路見圖1。

圖1 MATLAB課程改革思路圖

3 物理學師范專業MATLAB課程改革原則

3.1 課程內容要體現前沿性和時代性

MATLAB課程內容涉及到軟件應用、建模、算法、編程、可視化和符號計算等最新技術的應用，保證課程內容有前沿性和時代性，是培養學生使用MATLAB的基本能力及其在物理上的應用能力的前提，也是提高學生學習興趣的重要途經。因此在教學過程中，選擇教學案例應該具有多變性和時代性。如寒假期間，社會新聞的焦點是冬奧會的吉祥物“冰墩墩”，在進行MATLAB課程可視化教學內容時，課程教學案例即可設置為“應用MATLAB畫冰墩墩”，讓學生在趣味學習中掌握知識要點。

3.2 教學形式要體現先進性和互動性

MATLAB課程將“MOOC＋超星學習通＋翻轉課堂”等新技術、新方法、新手段與傳統課堂教學、實踐教學方法進行融合，適應新時代、新工科背景下大學課堂教學的組織實施模式，加大教學的深度與廣度。近兩年由于新冠疫情的影響，線上線下相結合的教學模式已經成為常態，提高MATLAB課程的教學效果，就要求充分用好現有的先進教學平臺和利用好的優秀教學資源。MATLAB課程應用超星學習通平臺，采納了《MATLAB語言基礎》MOOC教學資源，體現課程的先進性和互動性。

3.3 學習結果要體現探究性和個性化

翻轉課堂的教學模式充分體現了“以學生為中心”的教學理念。項目式的分組討論使學生更注重知識的探究，學習結果更個性化。這些教學手段能夠極大地激發學生的學習興趣和潛能，培養學生的社會責任感、創新精神和實踐能力。MATLAB課程設置運動學、動力學、電磁學、光學四大物理專題，學生每六人為一組，進行自由分組，選擇自身擅長或感興趣的物理專題，進行研究性學習，研究MATLAB在相應物理專題中的綜合和深入應用，并在課堂上進行展示，體現了學習結果探究性和個性化。

3.4 課程評價要體現豐富性和挑戰性

一是教學評價從手段和內容都要進行改進，包括考核內容、考核方式、各項考核指標占比都要進行改革和創新；二是考核要求上要注重學習過程的記錄和評價。總評成績除了實驗報告和期末考試以外，還需要加入線上學習、線上測試、在線話題討論和小組合作項目匯報等內容的考核，豐富了考核方法和內容。

4 物理學師范專業MATLAB課程改革措施和內容

4.1 設置“高階性”教學目標

通過收集資料，問卷調查和訪談等多種形式，從物理學專業學生需求、能力需求、學習興趣、社會需求四個維度，開展“物理學知識—計算機科學”交叉融合的新工科創新型人才要求調查分析，進而對知識點進一步明確和細化，分成知識傳授、能力建設和素質拓展三個層次，見圖2。培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維。

圖2 MATLAB課程“高階性”教學目標設計圖

第一層次的內容涵蓋MATLAB課程的事實性和概念性知識，有效融入思政元素，通過課堂教師講授配合線上學習完成。第二層次以第一層的內容為基礎，側重應用能力的培養，結合學生的物理知識基礎，精心設計，選取力學、電學、光學中經典內容應用MATLAB技術原理，采用課堂講授、虛擬仿真實驗展開實踐教學活動。教學過程側重MATLAB技術在物理學專業應用中案例的實操，通過實驗設計思路、實驗內容、實驗方法和實驗步驟，幫助學生加強對MATLAB技術在物理學師范專業中的理解和應用。第三層次的內容培養應用MATLAB基本技術原理解決物理實際問題的思維和方法，引導學生以小組為單位廣泛搜集、分析整理素材，開展MATLAB語言物理學應用綜合設計，通過匯報交流學習后，再由教師修正總結。引導學生逐步建立用計算機技術解決本專業問題的思維模式，培養“物理學知識—計算機科學”交叉融合的創新型人才。

4.2 重構教學內容

對標新工科人才培養的要求，結合物理學師范專業人才培養目標，將本課程教學內容重構分為工具篇、算法篇、應用篇三大部分。其中“工具篇”設置內容為MATLAB軟件簡介、MATLAB圖形處理功能和MATLAB程序設計基礎。“算法篇”設置內容為MATLAB數據與及其運算基礎、MATLAB數值計算和MATLAB符號計算。前面兩部分教學內容主要采用講授法、演示法、練習法、實驗法，培養學生學科素養和教學能力。學生通過學習算法基本理論，掌握編程、矩陣運算、符號運算、可視化等技巧；靈活運用MATLAB完成對物理問題對象的簡單模型建構和方法的初步實現，通過與物理教學相結合的例題與習題，掌握用數值方法研究物理問題的技巧。掌握相關的MATLAB指令，并用指令解決相應的問題，使其成為優化中學生物理課堂教學的方法和技能。第三部分“應用篇”，主要是物理問題的數值計算與模擬。設置靜力學問題、動力學問題、熱傳導問題、分子動問題和靜電場問題等的數值解法，光線追蹤方法及在光學成像上的應用，干涉和衍射現象的模擬，原子光譜的計算與描繪，等等。第三部分通過設置運動學、動力學、電磁學、光學等物理專題，開展小組學習，點明經典方法在處理實際問題時的局限性，講清重點；把物理問題化為數值解問題，突破難點；演示典型計算結果，提高學生學習興趣。培養學生能根據情景描述問題，構建物理模型；能獨立分析及解決綜合性問題；能根據任務進行分析及科學探究的能力；體會計算物理的思維方式及過程；養成發現問題并提出問題的質疑精神；養成自主學習的習慣及團隊合作的意識。

4.3 改進教學評價方法

物理學師范專業MATLAB課程評價改進為期末筆試成績占比50%，開卷上機考試。考試題型包含選擇題、計算題、編程題、綜合題等。平時成績占比50%，包括小組合作學習、課堂出勤、課堂討論、線上測試和實驗報告等。其中小組合作學習，設置運動學、動力學、電磁學、光學四大物理專題，學生每六人為一組，進行自由分組，選擇自身擅長或感興趣的物理專題，進行研究性學習，研究MATLAB在相應物理專題中的綜合和深入應用，并在課堂上進行展示。學生采用“生生互評”的方式對小組項目化成果進行打分評價。最大限度地調動學生學習的積極性和主動性，鍛煉學生相互合作能力和創新探究能力。課程線上測試環節，采用超星學習通平臺，設置基礎知識試卷庫，課堂教學相應章節實時測評，細化基礎知識的評價。此外，基于超星學習通平臺，設置話題討論，加大師生互動，并對學習過程中積極參與討論和回答問題的學生進行平時成績的加分，豐富教學評價方法。

5 結束語

隨著社會的快速發展，用人單位對物理學師范生專業實踐能力和創新能力的要求越來越高。與時俱進的物理學師范專業MATLAB課程教學改革對新工科人才培養具有重要意義。下一步，教師需按照MATLAB課程教學改革思路，進一步完善教學內容設計和重點培養學生開發和綜合實踐能力，為物理學師范專業MATLAB課程教學改革和發展提供參考方案。

[1]關宏，唐岢. 新工科背景下高校創新型人才實踐能力培養研究[J]. 產業與科技論壇，2021(20): 139-140.

[2] 孫際超，劉三民. “新工科”背景下工科大學生能力培養策略[J]. 科技視界，2021(2): 127-128.

[3] 文林，羅淞文，唐建軍. 淺談物理學師范專業的《Matlab應用》課程教學改革[J]. 教育教學論壇，2020(5): 166-167.

[4] 房毅，張先梅，鐘菊花，等. 基于"以學生為中心"的計算物理教學改革探索[J]. 物理通報，2017(10): 8-10.

[5] 彭紅梅. 計算物理在物理教學中的應用[J]. 民族高等教育研究，2011(17): 168-169.

Research on the the Teaching Reform of MATLAB Course of Physics Normal Major under the Background of New Engineering Talent Training

In order to meet the requirements of MATLAB course teaching of physics normal major under the background of new engineering talent training, this paper gives the ideas of teaching reform from three aspects of teaching content, teaching mode and teaching evaluation, sets the "high-level" teaching objectives of theoretical knowledge teaching, application ability training, knowledge expansion and thinking ability improvement, and reconstructs the three major teaching contents of tools, algorithms and applications, integrates new technologies and methods such as MOOC, superstar learning link and flipped classroom, adapt to the implementation and evaluation of MATLAB course teaching under the background of new engineering, so as to increase the depth and breadth of teaching.

new engineering; MATLAB curriculum; physics; teaching reform

G652

A

1008-1151(2022)04-0157-03

2022-01-23

廣西高等學校千名中青年骨干教師培育計劃第二期、第五期。

馬麗，女，南寧師范大學物理與電子學院高級工程師，研究方向為學科教學。