昆明理工大學開設物理學前沿講座的教學改革實踐

摘 要 新工科建設需要大量具有創新能力、科技視野的高素質復合型人才。理工科院校作為人才培養的主要陣地，需要積極探索適合新時代人才培養的教學模式。以昆明理工大學為例，本文介紹了在大學物理教學中開設物理學前沿講座的教學改革實踐。通過建設具有鮮明科技特色的多元課程體系、改進教學模式和教學方法、加強過程化考核等多種形式開展的物理學前沿講座，實現大學物理課程教育與科學素質教育、思政教育有效融合，為迅速推進新工科背景下的物理課程改革提供實踐經驗。

關鍵詞 大學物理;教學改革;物理學前沿講座

1 物理學前沿講座的開設背景

為適應新一輪科技革命和產業變革的新趨勢，加快建設“中國制造2025”“一帶一路”，教育部積極推進新工科建設，建設一批新型高水平理工科大學、多主體共建的產業學院和未來技術學院、產業急需的新興工科專業、體現產業和技術最新發展的新課程等[1]。

物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式和相互作用的自然科學，是其他自然科學和工程技術產生和發展的基礎，是人類文明發展的基石，在人才科學素質培養中具有不可替代的作用。在知識體系上，物理學是各工科專業理論的源頭與基礎;在研究方法上，物理學是對自然科學主流研究方法的精辟總結;在思維方式上，物理學是人類智慧最精華部分的凝聚[2]。但是，現在物理學課程內容和教材跟不上科學和時代的進步，同時對前沿進展的可能技術應用的研究和推廣投入不足，這導致我們培養出來的人在探索理科在技術前沿應用的視野和能力明顯不足，無法借助物理學的最新進展有效地實現應用理科向工科的延伸和理、工、醫等學科的交叉，在孕育產生新興的工科專業過程中無法擔當起重要角色[3]，這些已經成為新時期物理教學中亟待解決的一系列難題。

昆明理工大學是以工科為主的一所綜合性大學，專業覆蓋地質、冶金、機械、電氣、土木、航空和材料等近百個理工科本科專業。自1954年建校至今，持續為我國現代化建設培養大批優秀人才。在科技興國、工業強國的背景下，為加快實現新工科建設目標，強化創新人才培養，推進素質教育進程，我校進行物理學課程教學改革，開設物理學前沿講座。講座與大學物理理論教學同步進行，每周1學時，每學年共16教學學時。本文主要介紹通過開設物理學前沿講座，建設適應新時代發展的高素質人才培養課程體系和教學模式，并簡要闡述教學效果。

2 物理學前沿講座構建多重育人功能體系

“興趣是最好的老師。”大學生是社會中求知欲最強、精力最旺盛的一個群體，他們普遍對高新科技知識抱有強烈的興趣和好奇心。物理學前沿講座課程緊隨科技發展步伐，突出物理學在工業變革、科技發展中的重要作用，形成兼顧科學素質教育和立德樹人教育的多媒體教學載體。

2.1 打造通往科技世界的窗口

當今世界科學技術高速發展，科技前沿呈現出高度分化又高度綜合的趨勢，新理論、新技術、新成果、新方法層出不窮。物理學前沿講座把優秀的科教欄目和科學紀錄片等視頻媒體引進課堂中，為學生打造一扇通往科技世界的窗口，把前沿科技成果、應用意識和創新能力培養根植于教學中。

科 學合理地選擇視頻媒體內容，可實現與大學物理理論教學同步、拓展課堂教學內容的目的。在大學物理緒論課后，播放楊振寧先生的《美與物理學》或李政道先生的《物理的挑戰》等講座視頻，幫助學生跳出思維慣性，從科學家的視角對物理學發展歷史、現狀和前沿問題進行梳理，呈現給學生清晰的物理學學科發展歷程。近年來，我國在高新技術研發、基礎科學工程建設與研究等方面發展迅速。通過《科學重器》《華龍一號》和《天眼》等系列科教紀錄片，央視《大家》節目等科學視頻，把物理學和其他學科的交叉融合、在工程實踐中的應用由淺入深地展開，拓寬學生的科技視野，梳理物理學的應用，提升學生探索興趣。同時，介紹我國科技發展的最新成就，將這些成果背后的科學精神和科學家故事在課堂上滲透，在實現學生知識點的橫縱聯系、筑牢基礎物理理論知識體系，培養創新能力的同時，增強他們對我國科技水平和科研能力的認識，提升民族認同感，厚植家國情懷[4]。鑒于課堂時間有限，為學生提供文字資料和媒體資料渠道，鼓勵感興趣的同學以此為支點，探索更廣闊的科技世界。部分物理學前沿講座課堂教學內容見表1。

2.2 搭建通往專業建設的橋梁

物理學是工程技術的重大支柱，為工程技術的發展提供理論基礎。當代大學物理教材具有覆蓋內容廣、經典性和系統性等優點，但是與現代科技發展中出現新專業、新方向的結合點有待進一步挖掘。通過打造物理學前沿講座平臺，搭建物理學與專業建設的橋梁，重塑適合專業學科發展的知識體系。

在學期末，學生的物理理論知識積累到一定程度后，開展學生團隊匯報模式的“翻轉講座”。按學生專業為標準分組，一個教學班可分為3～6個團隊。在物理教師和專業教師協助下，以任務為驅動、專業為導向，團隊內學生圍繞核心問題進行集體合作，完成報告選題、主旨內容、典型案例制作等任務，形成兼顧專業特色和物理教育的匯報形式。

電磁學在生產生活中應用十分廣泛，也是理工科學生非常感興趣的課程內容。我校冶金工程專業學生團隊通過調查，研究電磁學與專業結合點———高頻爐。通過深入調研，加深學生對電磁學難點———渦旋電流的概念理解。學生在查閱資料過程中，發現電磁爐旁手機爆炸的生活案例，引發對渦流損耗的思考，警示電磁場的危害，進一步培養學生形成全面的科學發展觀。匯報團隊進一步展示學院擁有院士、“國家高層次人才支持計劃”學術帶頭人、教學名師及國家級教學示范中心、國家級虛擬仿真實驗教學示范中心等優越的教學師資條件，還有省部共建國家重點實驗室、國家工程實驗室、教育部重點實驗室和國際科技合作基地等高水平科研創新平臺，優越的專業軟、硬件條件提升學生的專業認同感。這種以團隊匯報形式開展的物理學前沿講座強化教學內容與專業建設的有機融合，建設具有專業導向的典型物理應用范例，拓寬學生的專業視野，為學生后續專業學習打下堅實的物理基礎。同時，團隊匯報為學生提供自主、協作、探究式學習氛圍，全面提升學生個人綜合素質和團隊協作能力，促進院際專業交流。

2.3 建設科學素質教育基地

近年來，我國科技發展需要顯著增強自主創新能力，科技促進經濟社會發展和保障國家安全的能力顯著增強，為全面建設小康社會提供強有力的支撐;顯著增強基礎科學和前沿技術研究綜合實力，取得一批在世界具有重大影響的科技成果，進入創新型國家行列，為在21世紀中葉成為世界科技強國奠定基礎[5]。科技創新的本質是高素質科技人才的培養，高校作為國家創新體系的重要基地，要把發展科技第一生產力、培養人才第一資源、增強創新第一動力有效結合起來，支撐我國科技和經濟快速發展。

物理學是自然科學的基礎， 大學物理課程在理工科各專業教學中具有重要的基礎性地位， 并且在科技人才素質教育和能力培養方面具有獨特的作用，我校致力于把物理學前沿講座打造成培養大學生科學素質的第一課堂。在課堂內，通過開展科教片、講座視頻和科學紀錄片等多媒體教學形式，有意識地對學生進行物理思想與方法的滲透，培養學生辯證思維能力和批判精神，提升學生創新意識和探究精神，樹立科學的世界觀;課后，布置小組匯報題目、提交科技論文和制作科學實驗等多種實踐形式，指導學生使用電子數據庫和圖書館文獻等資源，通過調研題目、提煉問題、建立模型、設計方案和題目總結等實踐步驟，最終完成論文撰寫，突破理論與實踐相脫節的現象，構建素質和技能培養框架[6]。同時，鼓勵學生運用Matlab、Mathematica和Origin等專業軟件進行建模和編程，將大學物理課程教學中抽象、復雜的物理概念和理論通過計算機模擬出來，制作成具體可視、生動形象的圖形或動畫，使學生邊學邊做，豐富課堂教學和實踐體驗。

2.4 建設課程思政教育陣地

培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人是教育的根本問題，立德樹人成效是檢驗高校一切工作的根本標準[7]。踐行立德樹人根本任務，必須將價值塑造、知識傳授和能力培養三者融為一體、不可割裂。物理學是建立世界觀的科學基礎，培養科學思維的主要載體，在課程思政教育方面有濃墨重彩、得天獨厚的教育資源，里面蘊含著深刻的哲學思想，能夠起到育人育才的效果[8]。物理學前沿講座是我校開展物理課程深化改革的有益嘗試，也是建設內涵式課程思政的教育陣地。科教視頻開拓了學生科技視野，培養學生建立正確的科學觀和方法論;科學家講座分享科學家們的科學思想和人生感悟，傳遞給學生科學精神和價值觀;科學小論文作業培養學生學術精神，強化辯證思維訓練;團隊匯報促進師生之間、學生之間的課后交流，提高學生綜合科學素質，增強團隊合作意識。

通 過對物理學前沿講座課程環節精心設計，挖掘出一批具有深刻影響力的優秀思政元素案例，實現把講座內容與思政元素有效融合，使講座變得有溫度、有情感，激發學生思想的共鳴，實現思政教育春風化雨、潤物無聲。在思政元素的選取中，注重挖掘中國元素。“科學無國界，但科學家有祖國”，這是世界的著名科學家錢學森的深刻體會。央視科教頻道《大家》欄目中“中國航天之父”錢學森的紀錄片，深度報道錢老海外求學、受辱自強、聲名遠揚、戀愛結婚、回國受阻、建立功勛等波瀾起伏的傳奇人生，立體多元地向學生展示一位鐵骨錚錚又溫情脈脈的科學家故事。《大家》方正之間王選、緬懷程開甲、核物理學家于敏和探秘粒子世界王貽芳等這類紀錄片是愛國主義和民族自信的優秀資源，充分展現中華兒女的家國情懷和自強精神，讓學生銘記功勛們做出的重要貢獻和優秀品質，培養學生的使命感和責任感。

3 物理學前沿講座實施中的教學設計

科學合理的教學設計、多種教學方式的有效運用可大大提高教學效果。前沿講座以科教視頻為主，團隊匯報為輔。主講教師采用具有交互性、動態性和教育性的教學形式開展教學。總結多年實踐經驗，我們提出“問題引入→視頻播放→課程教育→實踐總結”的四步教學設計。通過該教學形式組織教學，可以較好地活躍課堂氣氛、激發學生的學習積極性、提高學生創造性思維能力。

問題設置應具有趣味性、開闊性、專業性和啟發性等特點。例如在播放《大家》欄目中“逐夢天眼”南仁東科教片前，提出“為什么人們常說鼠目寸光”，然后從這一成語拓展到科學問題“為什么顯微鏡鏡頭小，天文望遠鏡鏡頭大”，啟發學生從自身經驗、已掌握的科學知識進行大膽假設和推斷，并展開積極討論。這樣的視頻，用于光學分辨率的物理課之前，可以引導學生主動預習，提高學習興趣;用于課后，可以強化對該知識點的理解，豐富知識的應用范例。

課中，注重師生交流，采用分層次混合式進行教學。科教片中都會涉及一些物理規律的應用，受限于專業知識背景或物理基礎薄弱等多因素影響，會出現一部分學生看得云里霧里、學得囫圇吞棗的情況。教師通過提前備課，在恰當時刻暫停科教視頻，對所涉及的物理知識進行提問，通過學生反饋情況進行知識點回顧和精講，配合板書和教學課件效果更佳。這種教學方式對團隊匯報也適用，實現有效帶動各層次學生共同進步的效果。

最后采用總結回顧法，每次講座都要有總結。教師對本次的科教視頻或團隊匯報內容梳理和提煉科學問題，必要時安排學生撰寫科技論文、制作科學實驗等多形式加深學生對講座內容的理解，有意識地培養學生開展科學探究活動的興趣。對學生提交的階段性作業，及時批改并給予反饋，記錄到學生平時成績中，達到既減輕學生的期末考試壓力，又切實考核學生綜合素質的要求。

4 物理學前沿講座的教學改革效果

物理學前沿講座教學改革自1999年9月開設至今，每學年收集學生對講座的反饋意見，并有針對性地調整和改進教學內容。經過20多年的不斷探索、實踐、反饋及持續改進，教學效果明顯提高，實現了教學相長、師生共進的良好局面。學生普遍反映雖然課程學時增加了，課后作業也很多，但是收獲很大，呈現2+1gt;3的正向情況。學生對該課程選課率和滿意度都非常高，較好地實現本課程改革目的。

通過教學內容改革，豐富了大學物理教研室活動內容，為教師共享教學資源、交流教學觀念和教學手段提供了實踐平臺。在備課階段，查閱最新科技進展拓寬了教師的科學視野，豐富了教學素材庫。教師根據自己的專業特點制作多媒體課件，分享備課教案，為其他教師提供觀摩課等多種教研活動，充分激發教師把精力投入本科教學工作中，形成“以教促學、以教促改”的良好局面。

5 結語

在昆明理工大學實施物理學前沿講座教學改革，主要收獲有：（1）在全體教師的積極參與下，建設深入高新科技、涵蓋科學素養、體現思政情懷的全方位、多層次的多媒體課件和素材庫。（2）通過講座形式，科學、系統、多角度地普及現代科學技術與物理學的緊密聯系，對培養學生科學素養、樹立科學的世界觀產生積極影響。（3）教師全身心投入，教學觀念、教學方式和教學手段等方面能力得到提升。可見，物理學前沿講座在我校教學中產生師生雙贏效果，是卓有成效的一項教學改革嘗試。

參 考 文 獻

[1] 教育部、工業和信息化部、中國工程院關于加快建設發展新工科實施卓越工程師教育培養計劃2.0的意見[EB/OL]. （2018-10-08）[2022-11-20]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/moe_742/s3860/201810/t20181017_351890.html.

[2] 王曉鷗， 張伶莉， 袁承勛， 等. 新工科背景下的《大學物理》課程建設與實踐[J]. 大學物理， 2021， 40 （20）： 45-49.

WANG X O， ZHANG L L， YUAN C X， et al. Constructionand practice of college physics course under the backgroundof new engineering[J]. College Physics， 2021，40（20）：45-49. （in Chinese）

[3] 王青. 近代物理和高新技術物理與“新工科建設”[J]. 物理與工程，2017，27（6）： 3.

WANG Q. Modern physics and high and new technology onemerging engineering[J]. Physics and Engineering， 2017，27（6）： 3. （in Chinese）

[4] 劉作業， 丁晶潔， 王集錦，等.中國科技前沿元素在大學普通物理教學中的滲透[J]. 物理與工程，2021，31 （3）：73-77，84.

LIU Z Y， DING J J， WANG J J， et al. Application of latestscientific and technological frontier elements of China in theteaching of college general physics[J]. Physics and Engineering，2021， 31（3）： 73-77， 84. （in Chinese）

[5] 國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）[EB/OL]. （2006-02-09） [2022-11-20]. https：//www.most.gov.cn/ztzl/jqzzcx/zzcxmtbd/200602/t20060209_28639.html.

[6] 閆珉，史順平，張傳瑜，等.“創新驅動、優體強翼”的大學物理課程體系構建[J].大學物理，2023，42（3）：27-32.

YAN M， SHI S P， ZHANG C Y， et al. Construction andpractice of college physics curriculum system driven by innovation[J]. College Physics， 2023， 42（3）： 27-32. （in Chinese）

[7] 教育部關于印發《高等學校課程思政建設指導綱要》的通知[EB/OL]. （2020-06-01） [2022-11-20]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html.

[8] 高德毅，宗愛東.課程思政：有效發揮課堂育人主渠道作用的必然選擇[J].思想理論教育導刊，2017（1）：31-34.

GAO D Y， ZONG A D. Curriculum thought and politics：An inevitable choice to effectively play the role of the mainchannel of classroom education[J]. Leading Journal of Ideologicalamp; Theoretical Education， 2017（1）： 31-34. （in Chinese）

基金項目： 云南省2021年課程思政示范課程項目： 《大學物理A》; 昆明理工大學基礎課教學團隊建設項目： 《大學物理A》（JXTD202110）;昆明理工大學課程思政教改項目：大學物理課程思政體系建設與研究（2021KS056）;課程思政視域下《大學物理》課程一體化建設研究與實踐（2022KS029）。