新工科背景下高校物理課程改革發(fā)展趨勢與展望

摘 要 為了解我國高校在新工科背景下物理課程改革的發(fā)展趨勢，文章通過CiteSpace軟件對2017―2024年CNKI數(shù)據(jù)庫收錄的278篇相關(guān)文獻進行可視化分析。發(fā)文機構(gòu)顯示物理課程改革的高校集中在教育資源豐富的城市，但研究較為分散，尚未形成廣泛合作關(guān)系。關(guān)鍵詞分析顯示，探索教學(xué)模式、改進教學(xué)方法、豐富教學(xué)內(nèi)容是物理課程改革熱點，物理實驗、課程思政是物理課程改革趨勢。

關(guān)鍵詞 新工科；物理；課程思政；物理實驗；CiteSpace

中圖分類號：G424"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.046

Development Trend and Prospect of College Physics Course Reform

under the Background of New Engineering

——Visual analysis based on CiteSpace

WANG Yaru， HU Xuelan， ZHANG Yanfeng

（Civil Aviation University of China， Sino-European Institution of Aviation Engineering， Tianjin 300300）

Abstract To understand the trends of physics course reform in Chinese universities under the background of new engineering， this paper visually analyzes 278 relevant literatures indexed in CNKI database from 2017 to 2024 by CiteSpace software. The publishing institution shows that the universities of physics course reform are concentrated in cities with rich educational resources， but the research is scattered and has not formed extensive cooperative relations. Key words analysis shows that exploring teaching mode， improving teaching method and enriching teaching content are the hot spots of the physics course reform， and physical experiment and course ideological and political education are the trends of physics course reform.

Keywords new engineering; physics; course ideological and political; physical experiment; CiteSpace

2017年教育部推進新工科建設(shè)，發(fā)布《新工科研究與實踐項目指南》[1]，以培養(yǎng)適應(yīng)時代需求的新型人才。中國工程教育專業(yè)認證協(xié)會在工程教育認證標準中更加強調(diào)本科畢業(yè)生利用科學(xué)原理解決“復(fù)雜工程問題”的能力[2]。新工科建設(shè)是中國高等工程教育“由大到強”轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵舉措之一，因此它也成了教育改革中備受矚目的話題[3]。物理學(xué)是探索物質(zhì)世界及其運動規(guī)律的一門基礎(chǔ)科學(xué)，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，因此物理學(xué)是底層創(chuàng)新、理念創(chuàng)新和原始創(chuàng)新的基礎(chǔ)，也是其他自然科學(xué)和現(xiàn)代工程技術(shù)的基礎(chǔ)[4]。本文對新工科建設(shè)背景下高校物理課程改革熱點、發(fā)展趨勢進行梳理探討，同時結(jié)合新工科建設(shè)要求，對高校物理課程建設(shè)發(fā)展進行展望，為未來物理課程培育滿足新工科要求的人才提供參考。

1" 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本研究選擇CNKI數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)檢索步驟如下：①在CNKI選擇高級檢索；②檢索設(shè)置為：主題" =“新工科”AND主題=“物理”，選擇學(xué)術(shù)期刊，設(shè)置檢索截止日期為2024年2月28日，共得到334條數(shù)據(jù)記錄；③篩選并去除與研究主題無關(guān)的期刊、報道等數(shù)據(jù)，最終得到278條有效數(shù)據(jù)。

本研究將使用CNKI和CiteSpace（6.1.R6版本）兩種計量工具對文獻進行分析。主要包括用CNKI分析年度發(fā)文量；CiteSpace分析發(fā)文機構(gòu)，關(guān)鍵詞共現(xiàn)和關(guān)鍵詞聚類。

2" 物理課程改革發(fā)展趨勢

2.1" 年發(fā)文量分析

年發(fā)文數(shù)量及其變化趨勢可以科學(xué)評價并預(yù)測該領(lǐng)域的研究發(fā)展狀況[5]。本文對所得文獻發(fā)表年份進行統(tǒng)計，發(fā)文量趨勢如圖1所示。自2017年教育部推進新工科建設(shè)以來，國內(nèi)高校開始關(guān)注此領(lǐng)域研究。2017―2019年，發(fā)文量呈遞增趨勢；2020―2023年，發(fā)文量呈持平趨勢。

圖1 年發(fā)文量

2.2" 發(fā)文機構(gòu)合作分析

在CiteSpace軟件的節(jié)點類別選擇“Institution”，可得發(fā)文機構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，發(fā)文機構(gòu)合作分析可以了解機構(gòu)在研究領(lǐng)域的力量和布局，梳理機構(gòu)之間的合作關(guān)系[6]。其中，天津大學(xué)、浙江大學(xué)和清華大學(xué)是發(fā)文最早的機構(gòu)，北京科技大學(xué)是發(fā)文數(shù)量最多的機構(gòu)，其次為中國石油大學(xué)，東北大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，華南理工大學(xué)等。

從發(fā)文機構(gòu)地域來看，該領(lǐng)域研究機構(gòu)集中在北京、上海等高校相對密集的城市。該領(lǐng)域發(fā)文機構(gòu)間合作常出現(xiàn)于同所高校不同學(xué)院之間，但不同高校之間尚未形成合作關(guān)系。

3" 物理課程改革研究熱點

3.1" 關(guān)鍵詞共現(xiàn)

在CiteSpace軟件的節(jié)點類別選擇“Keyword”繪制2017―2024年新工科背景下高校物理課程改革的關(guān)鍵詞圖譜，如圖2。關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析得到233個節(jié)點，其數(shù)值表示關(guān)鍵詞個數(shù)；303條連線，其數(shù)值表示關(guān)鍵詞間的聯(lián)系。關(guān)鍵詞出現(xiàn)頻次越高則節(jié)點越大，節(jié)點間的聯(lián)系表示關(guān)鍵詞間的相關(guān)性。

通過關(guān)鍵詞分析研究熱點時，合并意思相近或相同的關(guān)鍵詞，如將“課程思政”“思政元素”等合并為“課程思政”，將“創(chuàng)新”“創(chuàng)新精神”等合并為“創(chuàng)新”，將“實驗教學(xué)”“演示實驗”等合并為“實驗教學(xué)”。

對關(guān)鍵詞進行梳理，表1為出現(xiàn)頻次大于10的關(guān)鍵詞統(tǒng)計表。據(jù)此可知在新工科建設(shè)背景下，我國高校主要圍繞“大學(xué)物理”和“物理化學(xué)”開展物理課程改革；結(jié)合相關(guān)文獻，“課程思政”和“實驗教學(xué)”是研究熱點。通過對關(guān)鍵詞頻次分析，發(fā)現(xiàn)頻次為1的關(guān)鍵詞有181個，說明該領(lǐng)域研究主題較為分散。

表1 高頻關(guān)鍵詞

3.2" 關(guān)鍵詞聚類分析

為進一步分析關(guān)鍵詞之間的關(guān)聯(lián)，基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)對關(guān)鍵詞進行聚類分析，聚類編號在圖譜中用#0、#1…表示，編號越小對應(yīng)的聚類規(guī)模越大。2017―2024年新工科背景下高校物理課程改革領(lǐng)域的關(guān)鍵詞聚類圖譜如圖3所示。關(guān)鍵詞聚類圖譜結(jié)果顯示，表示聚類結(jié)構(gòu)明顯且令人信服。

表2 關(guān)鍵詞聚類分析結(jié)果

對關(guān)鍵詞聚類標簽和聚類所含關(guān)鍵詞進行梳理，關(guān)鍵詞個數(shù)大于10的聚類見表2。結(jié)合文獻分析結(jié)果顯示我國學(xué)者已經(jīng)圍繞大學(xué)物理、半導(dǎo)體物理、建筑物理、物理化學(xué)、材料物理等課程，主要從探索教學(xué)模式、改進教學(xué)方法、豐富教學(xué)內(nèi)容等方面展開了廣泛研究。

3.2.1" 探索教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)模式下物理課程教學(xué)易出現(xiàn)教師照本宣科或枯燥的公式推導(dǎo)等情況，導(dǎo)致學(xué)生死記硬背產(chǎn)生厭學(xué)情緒。新工科建設(shè)要求下，教師必須轉(zhuǎn)變教學(xué)模式，將傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)轉(zhuǎn)向互動啟發(fā)式教學(xué)。張千帆等[7]在量子力學(xué)課程中，介紹諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆發(fā)表的關(guān)于同位素篩選的文章，透過相關(guān)實驗現(xiàn)象，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生提煉實驗理論模型，使學(xué)生能夠生動地理解諧振子振動和量子隧穿是導(dǎo)致同位素效應(yīng)的基本機制。董宏偉[8]以真實物理情景為基礎(chǔ)，通過視頻、動畫激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，采用“交流―辯論―歸納”的伙伴式學(xué)習(xí)方式提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，采用網(wǎng)絡(luò)教育平臺實現(xiàn)混合式教學(xué)。胡啟昌等[9]將大學(xué)物理分為力、熱、光、電、磁五個模塊，并基于此構(gòu)建模塊化教學(xué)團隊，向?qū)W生提供“自助餐式”教學(xué)模式實現(xiàn)可循環(huán)教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)注意力和能動性。

3.2.2" 改進教學(xué)方法

傳統(tǒng)“填鴨式”教學(xué)方法不符合新工科“授人以漁”的要求，新工科人才培養(yǎng)需要新的教學(xué)方法。施盛威等[10]基于OBE理念，從貼近生活、注重實用，還原問題，建立模型，監(jiān)控學(xué)習(xí)，改進教學(xué)等方面培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。袁賢等[11]在基礎(chǔ)物理實驗授課中，將實驗原理、實驗步驟和操作示范等制作成MOOC視頻供學(xué)生提前學(xué)習(xí)，以確保學(xué)生能夠獨立完成實驗。

3.2.3" 豐富教學(xué)內(nèi)容

為培養(yǎng)學(xué)生解決實際工程問題的能力，結(jié)合新工科人才的創(chuàng)新型、綜合式、全周期培養(yǎng)規(guī)格和模式，教師需要在物理理論知識講解的基礎(chǔ)上，增加授課內(nèi)容的實踐性、啟發(fā)性和學(xué)科交叉性[12]。樊英杰[13]結(jié)合學(xué)生不同水平對物理實驗內(nèi)容重新整合，構(gòu)建基礎(chǔ)性、綜合性、設(shè)計性、研究創(chuàng)新性和科技探索性五大實驗教學(xué)模塊以提高學(xué)生的實踐動手能力和工程思維能力。施盛威等根據(jù)知識點特點進行差別性講授，通過實際問題逐步引導(dǎo)學(xué)生進行學(xué)科交叉，并增加技術(shù)融合的創(chuàng)新實驗。秦平力等[14]通過深挖課程思政元素，拓展實驗教學(xué)深度和廣度，調(diào)動學(xué)生內(nèi)在潛力，實現(xiàn)社會主義核心價值觀引領(lǐng)；通過現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，開設(shè)仿真實驗，豐富教學(xué)內(nèi)容，增強學(xué)生創(chuàng)新原動力。

4" 結(jié)論與展望

本文的分析樣本來源于CNKI數(shù)據(jù)庫中2017―2024年278條文獻數(shù)據(jù)，通過文獻計量分析方法梳理了我國高校在新工科背景下物理課程改革發(fā)展歷程，并對2017―2024年該領(lǐng)域研究熱點進行歸納。主要得出以下結(jié)論：第一，關(guān)鍵詞聚類分析顯示，當前學(xué)者對新工科背景下的物理課程改革主要從教學(xué)模式、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容等方面展開。第二，物理實驗是高校物理課程的重要組成部分，越來越多高校意識到物理實驗在新工科背景下培養(yǎng)具有工程思維能力、解決復(fù)雜工程問題能力人才的重要性，部分高校已經(jīng)圍繞虛擬仿真物理實驗展開相關(guān)工作。第三，“課程思政”符合新工科創(chuàng)新能力及科學(xué)素養(yǎng)培育為導(dǎo)向的教育理念。物理學(xué)家的故事、物理定理的發(fā)現(xiàn)、現(xiàn)代科技成果、中國智慧、工匠精神等思政元素的挖掘與融入，可助力提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)，將立德樹人落到實處。

然而，目前一些高校在增加新興領(lǐng)域?qū)I(yè)課的同時，大大削弱了物理基礎(chǔ)課的課時，導(dǎo)致教師只能刪減部分知識點，系統(tǒng)知識“碎片化”，使作為現(xiàn)代工程技術(shù)基礎(chǔ)的物理學(xué)課程淪為“水課”。教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)課時失調(diào)是高校物理課程改革急需解決的難題，需要高校管理層與一線教師共同探索。

基金項目：2023年度天津市普通高等學(xué)校本科教學(xué)改革與質(zhì)量建設(shè)研究計劃項目“面向卓越航空工程師培養(yǎng)的大學(xué)物理課程群知識圖譜構(gòu)建與實踐”（B231005914）；2022年中國交通教育研究會教育科學(xué)研究一般課題“基于卓越航空工程培養(yǎng)的大學(xué)物理課程群優(yōu)化研究”（JT2022YB104）。

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