大學物理課程模塊化教學與敏捷教學模式的探索與實踐

韓艷華 姜永遠 王新順

摘 要 為保證“中國制造2025”“創新驅動發展”等重大戰略順利實施，國家需要儲備大量具有較強創新能力的新興工程開發及應用人才。高等教育對人才的培養應該服務于國家戰略需要，因此，隨著人才需求的升級，大學物理課程作為理工科專業的基礎課，教學內容、教學模式等也應隨之升級。教學內容上要注重與專業學科融合，增加與專業相關的新知識、新技術、新發展的介紹;教學模式上要注重學生知識運用能力和創新能力的培養。本文提出將教學內容劃分為基本教學模塊和專業個性化教學模塊;教學模式上實行敏捷化教學，以問題或項目為導向、以學生能力驅動、學做結合、不斷迭代，實現學生實踐應用和創新能力的遞次提升。

關鍵詞 大學物理;專業學科;模塊化教學;敏捷教學

大學物理作為高等院校理工科專業一門重要的必修課程和基礎課程，對提高理工科學生的綜合素質和培養創新能力具有獨特的基礎性和無可替代性作用。大學物理是以經典的物理理論為主體，按照力、熱、光、電和近代物理為分類形式的一門學科基礎課程，其最大特點就是高度的相關性和嚴密的邏輯性。大學物理的教學目的主要在于為專業課程的學習打下一定的學科基礎，屬于理工科專業的基礎課程。

自2016年以來，基于“新工科”視角的工程教育討論逐漸熱烈起來?！靶鹿た啤背h是我國工程教育對“互聯網+”“中國制造2025”“一帶一路”等國家重大戰略的積極響應，主要解決國家和產業的重大需求與科技的重大需求問題[1]。相對于傳統的工科人才，未來新興產業和新經濟需要的是實踐能力強、創新能力強、具備國際競爭力的高素質復合型新工科人才。“新工科”必須為新技術、新業態、新產業、新模式的新經濟發展服務，必須以產業需求為導向[2]。徐曉飛教授等闡述了“哈工大新工科‘Π 型方案”中的“8Π 模型”，從人才培養目標、培養方案、教學模式、師資隊伍、校企合作、國際交流、通專結合、學院書院等8個方面對方案內容進行了深刻論述，“Π型”人才，不僅要有堅實的專業知識能力，還要有廣博寬泛的應用領域/行業相關知識與能力，強調“專業+行業”兼備的精英人才[3]。作為基礎課程的大學物理也應該為培養“Π 型”人才提供助力，在保證教學內容和知識體系完整性的基礎上以專業需求為導向制定教學內容和教學模式：（1）根據專業特點調整教學內容的側重點，并增加與專業相關的器件、成果介紹及知識點的相關應用;（2）實行敏捷化教學[4]，以問題或項目為導向、以學生能力驅動、學做結合、不斷迭代，實現學生實踐應用和創新能力的遞次提升。使學生不僅具備專業知識能力，也具備理論知識相關應用領域的知識和能力，為培養具有可持續競爭力的人才奠定基礎。

1 教學計劃按專業定制

通常，為了保證大學物理課程體系的完整性和考試方式的統一性，大學物理課程都是全年級統一的授課計劃，統一的教學內容，沒有區分學生的專業。但實際上，學生所學專業不同，對大學物理內容的要求并不相同，如智能車輛專業，力學、電磁學、熱學知識在后續的專業課如理論力學、機械原理、材料力學和電子技術等課程學習中應用較多，而對光學和量子部分知識則應用較少;土木工程專業，專業課程與力學高度相關，如理論力學、材料力學，流體力學等，而熱學、光學，電學和近代物理知識在專業課程學習中涉及較少。因此不同專業背景對大學物理知識要求的側重點不同。

針對專業的個性化需求，在保證大學物理教學體系的系統性和完整性的前提下，可以把大學物理課程劃分為基本教學模塊和個性化教學模塊;基本教學模塊是所有開設大學物理專業必選模塊，而個性化教學模塊則可根據專業特點個性化選擇不同教學內容。

根據《非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求》（以下簡稱《教學基本要求》），大學物理教學內容分為A、B兩類，A 類為核心內容，B類為擴展內容。基本教學模塊的內容選擇的是《教學基本要求》中的A 類教學內容，這部分內容僅根據專業進行微調，例如材料相關的專業后續課程對幾何光學的內容沒有要求，那么在制定教學計劃的時候可以把幾何光學內容從教學計劃中去掉，作為學生自學內容。而個性化教學模塊的內容根據專業從《教學基本要求》中的B類教學內容中選擇，這部分教學內容按專業差異很大，如信息相關專業，側重選擇電磁學模塊、量子物理模塊、狹義相對論模塊、振動與波動模塊、光學模塊中的B類教學內容，而車輛相關專業則側重于力學模塊、熱學模塊、振動與波動模塊、電磁模塊、狹義相對論模塊中的B類教學內容.相應于基本教學模塊和個性化教學模塊的劃分，可在課程計劃中設置個性化課時，比如智能車輛專業總學時為152學時，可以設置32學時作為專業個性化課時，120學時用于基本模塊教學，32學時用于專業個性化模塊教學。以智能車輛專業為例，專業個性化教學模塊中增加的知識點如表1所示，專業個性化教學模塊中的知識點都是智能車輛專業后續專業課程的基礎。

另外，個性化模塊中還應增加與專業相關的器件、成果介紹及知識點的相關應用。如講解慣性力時，可對智能汽車導航系統中測量加速度的加速度計原理進行分析;講解剛體定軸轉動角動量守恒時，介紹汽車GPS導航系統中陀螺儀的原理;講解流體力學知識點時，分析為什么汽車都設計成流線型;講解電磁感應現象時，分析磁懸浮列車的懸浮和制動原理等。

在專業個性化模塊中增加與知識點相關的時事分析，根據當前的新聞報道實例結合課本知識點提出問題進行分析，如為什么很小的飛鳥與飛機相撞，會對飛機造成很大的損害;長征五號運載火箭將8.2噸嫦娥五號探測器送入地球轉移軌道，分析火箭升空原理及火箭最大推力;節目中表演的胸口碎大石是怎么回事，怎樣做才能減少傷害。根據知識點提出的實例分析，既貼近生活又增加了學生學習的興趣。

2 構建敏捷式教學模式

為了在基礎課學習中實現學生知識學習和能力提升，提高學生學做結合的能力，在大學物理教學中提出以課題和項目為導向、學生能力驅動、學做結合，知識和能力遞次提升的敏捷式教學模式。

針對大學物理各個教學模塊，提出與內容相關的小課題或者項目，首先分析課題或者項目所需要的知識點，知識點的學習通過兩方面完成，一部分通過學生自學，一部分教師課上講解，之后學生課下實踐驗證所學的知識點完成課題或者項目，最后以小論文的形式總結知識點及知識點的實際應用。

如在多普勒效應部分，提出小課題：坐在汽車上，當汽車鳴笛通過路口時，我們聽到的聲音如何？ 我們在路口處，當汽車鳴笛通過這一路口時，我們聽到的聲音又如何？ 聲音產生變化的影響因素是什么？

（1） 學生自學部分，總結現象：坐在車上時，鳴笛的聲音一直都不變，而站在路口時，車來的時候鳴笛的聲音和離開時不同。引導學生分析產生差異的原因：人在火車上，人相對車靜止，聲源和接收器相對靜止;而人在路口，人和車有相對運動，即聲源和接收器之間有相對運動，有靠近和遠離的過程。

（2） 課上講解部分，詳細分析接收器接收到的頻率與聲源、接收器的運動速度及聲源頻率的關系，給出接收器接受頻率與聲源頻率的關系式，分析多普勒效應在生活中的應用如測速、導航、超聲測試。

（3） 學生課下實踐部分，學生自己設計實驗，驗證多普勒效應公式。

（4） 以小論文的方式總結知識點并對多普勒效應在生活中的應用實例進行分析總結。

通過完成這樣一個小課題，學生掌握了分析問題解決問題的方法，也掌握了知識點及知識點在生活中的實際應用，既提高了學生的學習興趣也提升了學生學做結合的能力。

除了這樣的小課題的形式，也可以提出涉及知識點較多的項目，通過項目驅動，提升學生知識綜合運用的能力和學做結合的能力。

以大學物理課程中光的干涉和光的衍射內容為例。

（1） 提出項目：制作首飾、手表等小物品的全息展柜。

（2） 分析項目背景、原理和涉及到的知識點：用于三維展示首飾、手表、汽車等物品;全息照相分為記錄和再現兩個過程;記錄物品信息是通過光的干涉，再現物品是通過光的衍射。

（3） 學生根據MOOC、微課等各種線上資源進行自行預習記錄和再現過程的原理、干涉和衍射知識點。

（4） 課堂講解光的干涉和衍射知識點，對重點和難點進行詳細分析，學生進一步加深對光的干涉和衍射的理解。

（5） 交流討論全息記錄和再現所涉及的干涉和衍射現象的具體實施方案。

（6） 購置材料、預約實驗室制作全息干板，多維度記錄物品信息，并用制備的全息干板再現物品，再現成功后，組裝全息干板制作全息展柜。

（7） 交流討論實驗結果，理論和實驗上的收獲。

（8） 展示制作好的產品及理論總結。

（9） 對整個項目提出到完成的過程進行整體評價。

（10） 如果在第（6）步時失敗，則回到第（3）步重新開始，直至項目完成。

流程圖如圖1所示。

通過項目和課題驅，既考查了學生掌握知識的程度也考查了學生運用知識的能力，是學生對掌握的知識進行消化、遷移和創造的過程，經過這一過程，學生各方面的能力都有極大提升。通過理論知識和動手實踐相結合，學生的動手能力、分析問題解決問題的能力都得到了提升。經過學習知識手動實踐失敗重新學習分析問題尋找原因成功，這樣的一步步的迭代過程，學生的知識水平和學做結合的能力得到極大提升，在一步步迭代過程中，教師要根據學生的特點在學生的學習和實踐過程中進行引導和激勵，使學生的創新能力進一步提升。

實施敏捷式教學模式，通過課題和項目訓練，增加了學生的多維展示空間，有機會挖掘學生的潛在優勢，更有利于實現學生的多元化培養目標。

3 教學內容中挖掘思政元素

培養學生成為合格的社會主義建設者和接班人，不僅要具備專業知識能力和專業相關領域應用的知識和能力，還應有正確的人生觀、價值觀和家國情懷，因此教學過程中要根據知識加以引導，提高學生的愛國熱情，增加學生的民族自豪感、民族自信心，樹立正確的人生觀和價值觀。

教師備課時應積極挖掘大學物理課程中的思政元素，時刻關注我國最新的科技進展情況，授課教案應與時俱進，尤其增加我國自主研發成果的介紹，既能增加前沿知識，又能提高同學們的民族自信心，激發學生的愛國熱情。

如在力學部分講解火箭飛行原理時，引入我國自行研制的航天運載工具———長征系列運載火箭的介紹[5，6]，從1970年4月24日“長征一號”運載火箭首次發射“東方紅一號”衛星成功，長征火箭到現在已經擁有退役、現役共計4代20種型號，長征火箭具備發射低、中、高不同地球軌道不同類型衛星及載人飛船的能力，并具備無人深空探測能力，到2021年已經實現400次發射。長征系列運載火箭的發展推動了中國衛星及其應用以及載人航天技術的發展，“神舟一號”至“神舟七號”飛船都是由“長征二號F”基本型運載火箭發射，為我國成功實現載人航天飛行做出了歷史性貢獻;“神舟八號”至“神舟十二號”飛船及“天宮一號”、“天宮二號”由“長征二號F”改進型運載火箭發射，“神舟十三號”載人飛船由“長征二號F”遙十三運載火箭發射。

經過60年的發展，中國長征系列運載火箭經歷了由常溫推進劑到低溫推進劑、由末級一次啟動到多次啟動、從串聯到并聯、從一箭單星到一箭多星、從載物到載人的技術跨越，逐步發展成為由多種型號組成的大家族。具備進入低、中、高等多種軌道的能力，入軌精度達到了國際先進水平[7]。

而“長征”五號火箭的成功研制，標志著我國運載火箭的發展經過60年發展實現的又一次跨越， 填補了我國大推力無毒無污染液體火箭的空白，大幅提升了我國自主進入空間能力，使我國火箭運載能力進入國際先進行列，是我國由航天大國邁向航天強國的重要標志[8]。

如在電磁感應部分，以磁懸浮列車為例，根據電磁感應原理分析磁懸浮列車的懸浮、制動原理。

并可介紹我國磁懸浮列車發展歷史及最新突破，從最初買自德國2003年1月開始在上海磁浮線運行磁懸浮列車，到2016年5月6日，中國首條具有完全自主知識產權的世界上最長的中低速磁浮商業運營磁懸浮列車，再到2019年5月23日，標志著中國在高速磁浮技術領域實現重大突破的時速600公里高速磁浮試驗樣車在青島下線[9]，再到2021年1月13日，我國自主研發設計、自主制造的世界首臺高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在成都下線啟用，實現了高溫超導高速磁浮工程化研究實現從無到有的突破，運行速度超過600公里/小時。雖然我們國家磁懸浮列車的研究起步相對較晚，但目前我國的磁懸浮技術已經達到世界領先水平。

在光學儀器的分辨本領部分，提高光學儀器的分辨本領的方式之一是增大通光孔徑，介紹我國自主研發建設制造的，于2020年1月11日通過中國國家驗收工作，正式開放運行的世界上最大口徑球面射電望遠鏡（FAST），它是目前世界上靈敏度最高的望遠鏡，可以把我們探測宇宙天體的能力，拓展到137億年前。FAST將在未來20～30年保持世界領先地位[10]。

這些最新成果和最新進展，彰顯著我們國家在航天、機械制造、宇宙探測等領域都有飛速進展，這主要源自于我國科研工作者的共同努力，鼓勵同學們努力學習，將來為我國的航天、中國制造、宇宙探測等各領域的發展做出更大貢獻。

4 考核方式多樣化

在實際的教學中我們發現，有些同學雖然掌握理論知識能力很強，但是動手實踐的能力相對較弱，而有的同學雖然掌握理論知識的能力相對較弱，但是動手實踐能力很強，因此在大學物理考核方式中應當即包含理論知識的考核也包含知識運用能力的考核。

專業知識考核主要考查學生知識的掌握程度，可以通過課前在線學習、課堂表現、課后作業、隨堂測試、期中考試、期末考試等方式考核，在試題的設置上注重理論知識與實際應用相結合的分析題，如多普勒效應知識點，可設計如下題目：公路上由微波雷達發射器、探測器及數據處理系統等組成的用頻差法監測車輛速度的監測器，如根據交通管理條例對汽車最高速率限制為vm ，那么監測器發射和接收頻率的最大差值是多少時不超速？知識運用能力考核則需根據學生在課題和項目研究中的表現進行考核，在考核過程中主要注重過程的考核，要根據學生個體差異，給予激勵型、發展型的引導和評價。

自學能力，根據學生線上自我檢測、隨堂測試、期中考試、期末考試等反饋給學生他目前學習中占優勢的內容、需要進一步學習的內容，考查學生能否在迭代學習過程中持續改進。

學做結合的能力：主要是學生對理論知識結合具體項目的知識運用能力和動手實踐能力，考查學生能否根據具體的課題和項目分析所需要的理論知識，設計合理方案完成課題和項目。

分析問題解決問題的能力：當課題或者項目遇到問題時，考查學生能否根據現有數據分析到問題的原因并提出合理的解決方案的能力。

歸納總結能力：考查學生結合理論知識和實踐操作，歸納總結課題和項目成果，優缺點分析和下一步進展的能力。

交流表達能力：在課題和項目的成果展示環節，需要學生自己準備講稿進行答辯，根據展示和答辯過程考核學生的交流表達能力。

創新能力：在項目進行過程中，學生通過自學或在老師的引導下，對項目的實施方案或者項目成果能否提出創新性的見解。

考核過程是一個動態評價過程，不是拿到一個課題或項目后，沒有遇到任何問題的做完就是最好，也不是研究課題和項目過程中總是不斷遇到問題就是最差，而是動態看待，項目順利實施的同學可以在項目討論過程引導學生對相關知識點的深層次研究，激發學生的創新思維;而對于不斷遇到問題的學生，則需幫助學生分析問題的癥結在哪里？ 是理論知識不夠扎實？ 還是方案不夠合理？ 然后再根據學生解決問題的過程中態度、努力程度和完成度進行綜合評價。注重過程評價的課程考核更有利于學生個人能力的提升，對學生的個性化發展化更有利。

5 結語

教學內容設置基本教學模塊和專業個性化教學模塊，使大學物理具有了鮮明的專業特色，大學物理知識與專業知識連接更加緊密，在無形中增加了學生的學習興趣;敏捷教學模式鍛煉了學生的自主學習、分析問題、解決問題、學做結合的能力和創新能力，這樣的模式更有利于學生個人能力的提升，更符合學生多元化的培養目標。從反饋結果看，大學物理課程針對智能汽車專業在教學內容、教學模式和考核方式的調整，既增加了學生學習大學物理課熱情也增加了學生學習專業課的興趣，同時學生的知識運用能力有很大提升。

參 考 文 獻

[1] 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，2017，15（2）： 20-27.

[2] 鐘登華.新工科建設的內涵與行動[J]. 高等工程教育研究，2017，3：1-6.

[3] 徐曉飛，沈毅，鐘詩勝，等. 新工科模式和創新人才培養探索與實踐[J]. 高等工程教育研究，2020，2：18-24.

[4] 徐曉飛，李廉，戰德臣，等. 新工科的新視角：面向可持續競爭力的敏捷教學體系[J]. 中國大學教育，2018，10：44-49.

[5] 蔣文梅，宋澤濱. 中國“長征”火箭的“登天”之旅———“長征”系列運載火箭實現400次發射（上）[J]. 2022，1：46-54.

[6] 蔣文梅，宋澤濱. 中國“長征”火箭的“登天”之旅———“長征”系列運載火箭實現400次發射（下）[J]. 2022，2：48-53.

[7] 范瑞祥，王小軍，程堂明，等. 中國新一代中型運載火箭總體方案及發展展望[J]. 導彈與航天運載技術，2016，4：1-4.

[8] 李東，王玨，李平岐. “長征”五號：中國新一代運載火箭的旗艦[J]. 中國航天，2021，6：11-17.

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[10] 呂琨，鄭曉年，陶黎敏，等.FAST 工程———中國天眼，探尋無限[J]. 中國工程咨詢， 2021，4：8-1.