工程教育認證背景下“近代物理學”課程教學改革探討

何東旭，許 琪，舒朝著

（成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059）

引言

2016年，我國正式加入國際上最具影響力的工程教育學位互認協(xié)議之一《華盛頓協(xié)議》，通過認證協(xié)會認證的工科專業(yè)，畢業(yè)生學位可以得到《華盛頓協(xié)議》其他組織的認可。2020年，中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會審議的專業(yè)認證已超過300個?？梢姰斍吧鐣案咝こ探逃J證的認可，更是對提高工程教育質(zhì)量、服務(wù)工程教育改革和發(fā)展、適應(yīng)社會和行業(yè)需求、提升中國工程教育國際競爭力的積極響應(yīng)。以認證促進學科發(fā)展，為學科教育適應(yīng)行業(yè)和社會需求提供鞭策，是當前國內(nèi)大部分高校積極推進的工作之一。在工程教育專業(yè)認證目標下，材料科學與工程相關(guān)專業(yè)的培養(yǎng)方案和課程設(shè)置有了更鮮明的特征和更豐富的內(nèi)涵。對培養(yǎng)目標的設(shè)定更加注重符合學校定位和適應(yīng)社會經(jīng)濟發(fā)展需要。對畢業(yè)要求的設(shè)定更注重其對培養(yǎng)目標達成的支撐情況，注重全面提升學生的知識、技能和素養(yǎng)，以及在此基礎(chǔ)上延伸至學生畢業(yè)后5年的職業(yè)發(fā)展的總體要求。從生源到畢業(yè)生發(fā)展，對本科教育的評價系統(tǒng)不斷豐富和完善。對具體課程而言，要求從課程的開設(shè)到培養(yǎng)目標設(shè)定、畢業(yè)要求設(shè)定、教學等多個方面具有更加合理的規(guī)劃。建立教學過程的質(zhì)量監(jiān)督機制，明確各教學環(huán)節(jié)的質(zhì)量要求，完善課程體系設(shè)置和課程質(zhì)量評價機制，通過定期評價反饋達到持續(xù)改進。

筆者有幸參與了成都理工大學材料科學與工程本科的工程教育認證相關(guān)工作，我校材料科學與工程本科專業(yè)已于2019年通過中國工程教育認證，達到中國工程教育認證標準要求。基于在本專業(yè)的新能源材料與器件方向的近代物理學的教學經(jīng)歷與工程教育認證相關(guān)工作經(jīng)驗，本文將探討新形勢下“近代物理學”課程面臨的問題和改革方向。

一、“近代物理學”課程教學現(xiàn)狀

近代物理主要是指19世紀末以來形成的相對論和物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)象與理論，涵蓋量子力學、固體物理、原子物理等常見課程中的相關(guān)內(nèi)容。毫無疑問，它們一直處于科學研究的最前沿，課程的理論性強，學生學習難度和教師授課難度較高。這主要是由于近代物理完全獨立于經(jīng)典物理理論體系，學生突然進入一個完全不同的甚至有悖于已有經(jīng)典物理認知的理論體系時難以接受，這種沖突使其在學習過程中始終會面臨困擾或者習慣基于以經(jīng)典物理的視角去理解相應(yīng)的內(nèi)容。例如，很多學生對原子的軌道的概念意識中更傾向于認為是真實存在的、確定的電子圓周運動的軌道。而且近代物理涵蓋的范圍之廣、內(nèi)容之深，使制定培養(yǎng)方案時對教學內(nèi)容的規(guī)劃上也需要有更多的篩選。當前各高校使用的教材各有差異，部分高校開設(shè)有“近代物理學”課程，也有部分高校分別開設(shè)有量子力學、原子物理等將近代物理進行分解強化，而相當部分高校的材料科學與工程專業(yè)的物理化學方向以褚圣麟或楊福家版原子物理學教材為主。

成都理工大學在材料科學與工程專業(yè)下的新能源材料與器件方向開設(shè)了“近代物理學”課程。該課程開設(shè)于第五學期，先修課程為“大學物理”?！敖锢韺W”課程的培養(yǎng)目標為：培養(yǎng)能在相關(guān)領(lǐng)域從事新能源材料與器件的資源利用、技術(shù)開發(fā)、科學研究、工藝設(shè)計、設(shè)備系統(tǒng)組裝及工程管理等工作的工程技術(shù)人才，主要目標為培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)的工程技術(shù)人才。因此，該課程由于較強的理論性，與培養(yǎng)目標的契合度低于其他專業(yè)課程，在工程教育認證背景和培養(yǎng)新工科人才的人才培養(yǎng)思路下，在培養(yǎng)方案的修訂過程中該課程的學時被不斷壓縮，目前僅有48學時，這對于體量大、難度高的該課程而言教學難度進一步增加。而且，該課程作為專業(yè)選修課開設(shè)時間較晚。一方面，經(jīng)過幾年的大學學習，高年級學生已經(jīng)對未來有了初步規(guī)劃，除有深造需求、學習態(tài)度端正的學生學習較為努力以外，部分學生趨向“六十分萬歲”的半學習狀態(tài)，學習動力明顯不足。

以我校2019級新能源材料與器件專業(yè)教學為例，期末考試題型主要分為單項選擇題、填空題、簡答題和計算題，基礎(chǔ)題占60%、綜合題占25%、提高題占15%，整體難度適中。但從成績分布來看，不及格率為29.7%，80分以上學生占26.57%，不及格學生中50分以下（滿分100分）占比高達63.2%。而所有題型中填空題得分率最低，僅為45.6%。其次為簡答題，得分率為58.85%。這些結(jié)果表明，學生在學習相關(guān)課程內(nèi)容時對知識的理解有限，對相關(guān)概念和近代物理相關(guān)基本概念的理解有較大困難，以至于難以基于自己的認知主觀描述或理解相關(guān)內(nèi)容。這其實也與教學過程中的學生學習狀態(tài)相印證。面對第二章開始的理論性較強的量子力學部分內(nèi)容（徐克尊版《近代物理學》），表現(xiàn)出明顯的畏難情緒，開始不斷有學生掉隊。而從半經(jīng)典的玻爾理論到電子的自旋和原子能級的精細結(jié)構(gòu)相關(guān)的內(nèi)容，學生的思維從經(jīng)典物理到量子物理的切換也較為困難；再到多電子原子、有外磁場的情況、分子結(jié)構(gòu)和光譜等內(nèi)容時，則不斷會有學生放棄。因此，教師如何在這種不利背景下，通過教學改革發(fā)揮“近代物理學”課程應(yīng)有的作用，是當前需要思考的重要問題。

二、課程改革

1.首先明確課程定位。“近代物理學”課程在不同高校中的開設(shè)情況存在差異，其本質(zhì)上是不同培養(yǎng)目標對該課程內(nèi)容定位的區(qū)別。培養(yǎng)目標的制定是因校制宜、因材施教的結(jié)果。例如，材料科學與工程專業(yè)的培養(yǎng)方案中，復(fù)旦大學材料科學系下設(shè)的材料物理專業(yè)，于第三學期開設(shè)了“近代物理學”課程，計4學分，課程定位為培養(yǎng)在相關(guān)領(lǐng)域中從事科研、教學、科技開發(fā)、工程技術(shù)及相關(guān)管理工作的高級專門人才。相對來說，其培養(yǎng)目標更注重培養(yǎng)學生更寬的視野和知識面，能適應(yīng)更多樣的社會需求。所以該課程開設(shè)時間較早，且學分較高，旨在讓學生能在專業(yè)課開始之前就從量子物理、原子物理、分子物理的角度對材料科學有宏觀把握，從而在后續(xù)的專業(yè)知識學習過程中對相關(guān)原理的理解更有深度。清華大學和西安交通大學的培養(yǎng)目標強調(diào)培養(yǎng)在相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮引領(lǐng)作用的人才；南京大學培養(yǎng)目標的重點在于培養(yǎng)相關(guān)方面的高素質(zhì)科學家和工程師，這三所定位相近的高校都單獨開設(shè)有量子力學相關(guān)課程。武漢理工大學和昆明理工大學培養(yǎng)目標定位更注重就業(yè)競爭力，主要開設(shè)固體物理和半導體物理課程。河海大學、東北大學強調(diào)培養(yǎng)復(fù)合型高級人才。貴州大學定位為高素質(zhì)專門人才。西安科技大學定位為應(yīng)用型高級技術(shù)人才，其培養(yǎng)方案無相關(guān)內(nèi)容。石河子大學培養(yǎng)目標為學生能在相關(guān)領(lǐng)域從事技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造、科學研究等方面工作，因此，培養(yǎng)方案也幾乎未納入近代物理學相關(guān)的課程。顯然，對普通高校的材料科學與工程專業(yè)而言，近代物理學的內(nèi)容正在被分化。

而當前工程教育認證背景下，課程定位與培養(yǎng)目標和課程體系的強關(guān)聯(lián)性得到進一步明晰。工程教育認證要求制定符合學校定位且適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展需要的培養(yǎng)目標。所以，如上述對培養(yǎng)目標定位為“學生能在相關(guān)領(lǐng)域從事技術(shù)開發(fā)，技術(shù)改造、科學研究等方面工作”而言，“近代物理學”課程與培養(yǎng)目標契合度較低，綜合學校定位可以不開設(shè)。對定位為世界高水平大學的高校而言，培養(yǎng)目標傾向于“科學家”方向的定位，雖然近代物理相關(guān)內(nèi)容在本科課程中的實際應(yīng)用偏少，但對學生進一步深造及今后的科學研究具有非常重要的作用，所以會作為基礎(chǔ)課程提早開設(shè)。而對定位于培養(yǎng)高素質(zhì)專門人才、高級技術(shù)人才的普通高校，會更強調(diào)對學生專業(yè)知識的傳授，其他課程對近代物理學相關(guān)的內(nèi)容依賴性并不強，可以在學校定位下根據(jù)需求部分開設(shè)。

2.根據(jù)課程定位修訂課程大綱。工程教育認證對課程的持續(xù)改進有明確要求，要求建立教學過程監(jiān)測機制，定期開展課程體系設(shè)置和課程質(zhì)量評價。建立畢業(yè)要求達成情況評價機制，定期開展畢業(yè)要求達成情況評價。基于工程教育認證背景下課程定位與培養(yǎng)目標和課程體系的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和邏輯，對教學大綱進行適應(yīng)性修訂才能最大限度地發(fā)揮課程的作用。以筆者在成都理工大學相關(guān)課程中的教學感受為例，隨著工程教育認證下培養(yǎng)目標的明晰，該課程的課時不斷被壓縮到48學時，教學任務(wù)幾乎不可完成。因此，筆者認為，在此情況下“近代物理學”課程教學大綱的修訂可以定位為專業(yè)限選課，將課程開設(shè)在第六學期，以讓學生了解量子力學、原子物理、分子物理等內(nèi)容為目標，減小理論深度，注重通過教學讓學生建立近代物理學相關(guān)的理論知識框架體系，從而在未來的工作或研究中遇到相關(guān)問題時能知其然，能通過查找資料自學而達到知其所以然。此外，可以考慮刪除半經(jīng)典的玻爾理論模型，這部分內(nèi)容雖然具有非常重要的歷史地位，但從科學性來說并不能很好地融入量子理論，反而有可能會使學生產(chǎn)生疑惑［1］。在普通高校課時有限的教學中，可以刪減相對論、核衰變和核反應(yīng)、粒子物理等部分的內(nèi)容，使課程教學過程的設(shè)計、執(zhí)行與評價更契合工程教育認證的理念和專業(yè)培養(yǎng)目標。

3.對“近代物理學”課程教學進行改革。首先，需要改進該課程以往全板書推導計算的教學模式。可結(jié)合相關(guān)的科技成果、發(fā)展趨勢，通過多媒體輔助，逆向?qū)С鰧?yīng)知識點，然后展開具體教學，從而更好地豐富課程教學內(nèi)容，提升教學質(zhì)量，契合應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標。本課程的大量內(nèi)容在講授時都會對學生已有的經(jīng)典物理知識形成沖擊，若頻繁地以純理論切入然后推導展開的方式授課，課堂活力將大大降低，極容易導致學生掉隊。所以，需要在一些應(yīng)用型較強、和生活聯(lián)系較為緊密的課程內(nèi)容講授時嘗試通過介紹科技成果逆向?qū)С觥＝榻B當前新的科技成果，逐步解析其背后的原理，從而導出整個教學內(nèi)容。通過結(jié)合實踐應(yīng)用、科技成果導出的教學方式，不僅能激發(fā)學生的學習興趣，同時也更能契合工程教育認證的內(nèi)涵，讓學生建立良好的原理與應(yīng)用的對應(yīng)關(guān)系。工程教育認證背景下，尤其對于以“培養(yǎng)高級技術(shù)人才”為目標的普通高校來說，“近代物理學”在材料科學與工程中的地位有相對弱化的趨勢。推進教學改革，以緊密結(jié)合與課程內(nèi)容相關(guān)的前沿科學應(yīng)用的教學方式替代直接理論介紹的引入，弱化推導和計算，強化從理論到應(yīng)用的完整知識框架的搭建和關(guān)聯(lián)，從而使課程教學更加契合畢業(yè)要求對學生能夠?qū)?shù)學、自然科學和工程科學的基本原理用于識別、表達并通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題，以獲得有效結(jié)論的目標。同時，這對豐富教學手段，提升課堂多樣性，提升整體課程教學效果也大有裨益。例如，以量子力學的薛定諤方程部分的教學為例，薛定諤方程的引入是直接從波函數(shù)開始推導并得到薛定諤方程，然后再講授一維方勢阱、一維方勢壘和隧道效應(yīng)。而實際上，一方面隨著近年電子科學與技術(shù)的飛速發(fā)展，相當比例的材料相關(guān)專業(yè)學生考研會分流到電子材料、新能源材料與器件等方向，很可能會在未來涉足半導體器件領(lǐng)域；另一方面，學生在“固體物理”“半導體物理”等先學課程中可能也已經(jīng)對晶體管的原理有了一定的了解。所以，完全可以從隧道二極管的應(yīng)用開始介紹，從而引出它的工作原理，然后從理論上進行分析，設(shè)定邊界條件，具體到一維方勢阱和隧道效應(yīng)。此外，也可參考北京大學高政祥對在理論層面如何介紹量子力學部分所提出的不同處理方法［1-2］。

通過逆向?qū)С龅男问?，首先，融合課程思政介紹當前國家面臨的“缺芯”問題，引出芯片的基本單元晶體管，不斷發(fā)掘?qū)W生的學習興趣。很多學生對相關(guān)領(lǐng)域有所關(guān)注，而且在大一“大學物理”課程學習中有所涉獵，所以對這一問題表現(xiàn)出明顯的興趣，更多學生能堅持聽完后續(xù)的隧道二極管—隧道效應(yīng)—基于薛定諤方程的推導。相比于直接從波函數(shù)出發(fā)的教學思路，學生的接受程度明顯更高。其次，從課程內(nèi)容設(shè)計方面，由于內(nèi)容理論性強，相對較枯燥，所以可以融合多媒體教學，通過適當插入相關(guān)科技成果的視頻短片引起學生的興趣。幫助學生打通知識學習到應(yīng)用之間的聯(lián)系，這也更利于訓練他們應(yīng)用數(shù)學、自然科學和工程科學的基本原理用于識別、表達和通過文獻研究分析復(fù)雜工程問題的能力。從實際課堂效果來看，教學成效顯著。

結(jié)語

整體而言，“近代物理學”由于其內(nèi)容深、覆蓋面廣、理論性強，以及課時偏少，教學難度更大。因此在普通高校課程定位趨向培養(yǎng)工程人才與工程教育認證的標準下，如何根據(jù)課程定位和培養(yǎng)目標適當精簡內(nèi)容，同時緊密結(jié)合科技成果和發(fā)展趨勢豐富課程內(nèi)容，是當下開設(shè)有“近代物理學”課程的普通高校需要思考的問題。尤其是對量子力學和原子物理的軌道理論等部分，對重要內(nèi)容前沿科技應(yīng)用引出、理論原理剖析與講解、知識框架建立各個環(huán)節(jié)進行良好的銜接和塑造，豐富課堂。減弱全新的近代物理理論知識體系重塑對學生固有經(jīng)典物理認知的沖擊，提升教學質(zhì)量和學生對課程內(nèi)容的接受程度。筆者認為這是工程教育認證背景下，普通高校材料科學與工程專業(yè)“近代物理學”課程教學改革的方向之一。