精準(zhǔn)對接專業(yè)、立足產(chǎn)教融合的大學(xué)物理教學(xué)探索與實(shí)踐

摘 要 發(fā)展新質(zhì)生產(chǎn)力促進(jìn)了大學(xué)物理課程的改革。根據(jù)2023年8月教育部《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中“專業(yè)銜接，即針對不同專業(yè)方向，有針對性地組織專題模塊進(jìn)行教學(xué)”的要求，我們面向我校信息類和土木工程類學(xué)生分別設(shè)立了“大學(xué)物理（精）Ⅰ”和“大學(xué)物理（精）Ⅱ”兩門課程。針對這兩個大類的學(xué)科特點(diǎn)，我們各有側(cè)重，與對應(yīng)學(xué)院充分溝通，設(shè)立了滿足兩個大類人才培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)案例。同時，注重產(chǎn)教融合，主動考察企業(yè)，建立產(chǎn)學(xué)研對接，充分接觸了企業(yè)需求、了解企業(yè)自動化現(xiàn)狀，結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)，能給學(xué)生帶來企業(yè)技術(shù)改造的第一手資料，拓寬了學(xué)生視野、增強(qiáng)了學(xué)生的科創(chuàng)精神。所有這些舉措，都能在提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的情況下，促進(jìn)未來新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞 專業(yè)銜接;產(chǎn)教融合;新質(zhì)生產(chǎn)力

“新質(zhì)生產(chǎn)力”大致由三個“新”構(gòu)成———以戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)為代表的“新制造”，以高附加值生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)為代表的“新服務(wù)”，以及以全球化和數(shù)字化為代表的“新業(yè)態(tài)”，這些形成的聚合體就是新質(zhì)生產(chǎn)力。通過培育新質(zhì)生產(chǎn)力推動中國制造業(yè)克服短板，成為未來發(fā)展的新的增長極。

新質(zhì)生產(chǎn)力如何發(fā)展是一個值得探討的問題，但已經(jīng)有一些達(dá)成共識的概念，如新質(zhì)生產(chǎn)力需要新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，比如量子科學(xué)、腦科學(xué)的研究。新質(zhì)生產(chǎn)力需要新的制造技術(shù)。新質(zhì)生產(chǎn)力需要新的生產(chǎn)工具，如EUV 光刻機(jī)的出現(xiàn)讓7nm、5nm 芯片制造成為可能;新能源汽車制造中的一體化壓鑄成型技術(shù)，讓新車的制造成本大幅下降等[1]。

大學(xué)物理課程作為工科大學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后接觸的首批科學(xué)類通識課程，對于學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維培養(yǎng)具有重要作用，因此開設(shè)內(nèi)容適當(dāng)?shù)拇髮W(xué)物理課程至關(guān)重要。在有限學(xué)時培養(yǎng)過程中，需要提高學(xué)生的實(shí)踐能力，要照顧不同學(xué)科的特點(diǎn)，進(jìn)行差異化教學(xué)，促使我們精準(zhǔn)對接專業(yè)。

同 時，技術(shù)的發(fā)展日新月異，高校的科研與企業(yè)的技術(shù)改造在同步進(jìn)行。總的來說，高校的科研要領(lǐng)先于企業(yè)的技術(shù)，但有時這種領(lǐng)先又會脫離于企業(yè)的實(shí)際，造成產(chǎn)學(xué)研對接的脫節(jié)。因此在進(jìn)行高校科研的同時，還需要了解企業(yè)的實(shí)際，雙方協(xié)同發(fā)展才能更好地促進(jìn)國家生產(chǎn)力的進(jìn)步。高校在教學(xué)中不僅強(qiáng)調(diào)國家取得的重大科學(xué)進(jìn)展，更要告訴學(xué)生們生產(chǎn)企業(yè)遇到的技術(shù)問題和技術(shù)瓶頸，引導(dǎo)他們對專業(yè)領(lǐng)域的了解，激發(fā)樹立未來的發(fā)展方向。

同濟(jì)大學(xué)物理教研室始建于20 世紀(jì)50 年代，承擔(dān)著全校“普通物理”課程。1961年合作主編國內(nèi)首部面向工科的《普通物理學(xué)》（程江版），1996年被授予國家工科物理課程教學(xué)基地，2004年獲國家精品課程，2013年出版“十二五”規(guī)劃教材《大學(xué)物理學(xué)》，2016 年獲國家精品資源共享課，2017年大學(xué)物理系列課程獲國家精品在線開放課程，2018年普通物理課程獲國家精品在線開放課程，2020年普通物理課程獲國家級一流線下課程。針對以上兩個迫切需求，同濟(jì)大學(xué)物理教研室群策群力，在以往取得教學(xué)成果的基礎(chǔ)上，有針對性地開展了教學(xué)改革，面向信息類和土木類分別開設(shè)了“大學(xué)物理（精）Ⅰ”和“大學(xué)物理（精）Ⅱ”兩門課程，同時積極設(shè)立豐富的產(chǎn)學(xué)研教學(xué)案例，再結(jié)合人工智能賦值教育，持續(xù)提升教學(xué)質(zhì)量。以下將介紹一下這三方面的工作。

1 精準(zhǔn)對接專業(yè)

“大學(xué)物理”課程教授物理學(xué)所涵蓋的自然界物質(zhì)運(yùn)動基本規(guī)律，包含力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對論和量子力學(xué)等，所涉及的內(nèi)容是自然科學(xué)的基礎(chǔ)和現(xiàn)代工程技術(shù)的重大支柱。課程對于培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)發(fā)揮了十分重要的作用。物理核心素養(yǎng)主要體現(xiàn)在物理觀念，科學(xué)思維，科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等多個方面，將教學(xué)內(nèi)容與科研發(fā)展緊密結(jié)合，對于拔尖創(chuàng)新人才綜合素質(zhì)的培養(yǎng)能起到十分重要的作用。然而，隨著各個學(xué)校不斷壓縮上課課時，要在有限的課時中面面俱到顯然已經(jīng)不可能。2023年8月教育部發(fā)布的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》中提出“專業(yè)銜接，即針對不同專業(yè)方向，有針對性地組織專題模塊進(jìn)行教學(xué)”的要求，正好為我們解決這一問提供了思路。

我們面向與信息相關(guān)專業(yè)的大一本科生開設(shè)物理類必修通識課“大學(xué)物理（精）Ⅰ”。針對信息類專業(yè)的特點(diǎn)，該課程強(qiáng)化和拓展了振動與波動中的傅里葉變換、熱學(xué)中的熵、電磁學(xué)、波動光學(xué)和量子物理等章節(jié)的內(nèi)容，從而為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)信息類專業(yè)知識和信息科學(xué)技術(shù)打下必要的物理基礎(chǔ)。具體的，我們在振動的合成與分解中拓展了傅里葉變換與信號處理的應(yīng)用介紹;在熱力學(xué)第二定律的微觀解釋中拓展了熵與信息論的知識;在磁介質(zhì)中拓展了軟磁材料與矩磁材料知識，以及磁性信息存儲材料的應(yīng)用現(xiàn)狀;在麥克斯韋方程中專題探究電磁波的調(diào)制與解調(diào);在波動光學(xué)中介紹了相控陣?yán)走_(dá)原理、信息光學(xué);在狹義相對論中的光的多普勒效應(yīng)中專題介紹多普勒效應(yīng)與雷達(dá)技術(shù);在量子物理章節(jié)則專題探究量子信息與量子通信。這些內(nèi)容與信息類學(xué)生的后續(xù)專業(yè)學(xué)習(xí)緊密相關(guān)。

同濟(jì)大學(xué)的土木專業(yè)是我校的傳統(tǒng)強(qiáng)勢學(xué)科，我們面向土木類相關(guān)專業(yè)的本科生開設(shè)了“大學(xué)物理（精）Ⅱ”。針對土木專業(yè)的特點(diǎn)，我們強(qiáng)化了力學(xué)方面的學(xué)習(xí)，并在土木轉(zhuǎn)向智能建造這一趨勢下，強(qiáng)化了物理概念的機(jī)械應(yīng)用方面的拓展。比如，我們強(qiáng)化了流體力學(xué)教學(xué)要求，拓展了風(fēng)洞、隧道空氣動力學(xué)等知識;振動中拓展了共振及橋梁振動實(shí)驗(yàn)（港珠澳大橋），古代計時器，高層建筑抗風(fēng)設(shè)計，上海慧眼減震，風(fēng)振控制，渦激振動等工作原理;機(jī)械波則拓展了噪聲防護(hù)、超聲無損檢測的應(yīng)用;熱學(xué)則拓展了建筑隔熱、空調(diào)等應(yīng)用;電磁學(xué)部分則拓展了避雷系統(tǒng)、地下管道檢測雷達(dá)、新能源汽車、超級電容、無線充電等;波動光學(xué)中則拓展了建筑檢測相關(guān)的光學(xué)傳感器、光彈效應(yīng)、位移傳感器等;量子物理中與人工智能相關(guān)我們也強(qiáng)調(diào)了量子信息與量子計算的拓展。

更重要的是，我們的課程設(shè)置與相關(guān)學(xué)院開展了研討，他們非常歡迎我們的定制化服務(wù)。電信學(xué)院仔細(xì)審核了我們的教學(xué)大綱，認(rèn)為我們的電磁學(xué)部分教學(xué)內(nèi)容與他們的一些專業(yè)課內(nèi)容高度重合，以此為依據(jù)，他們消減了部分專業(yè)課的教學(xué)內(nèi)容，同時對我們的一些案例提出了建議。土木學(xué)院非常急迫地需要在課程內(nèi)容中選用土木學(xué)院的工程案例，包括一些探索實(shí)驗(yàn)，他們也提供了自己的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)器材，希望通過與我們的合作，提升土木學(xué)院大一新生的專業(yè)認(rèn)同感。這無疑為我們的教學(xué)改革提供了非常強(qiáng)有力的正面反饋。

2 產(chǎn)教融合

物理學(xué)的發(fā)展，促進(jìn)了歷次產(chǎn)業(yè)革命。新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展也離不開物理學(xué)的發(fā)展。然而在現(xiàn)有的制造業(yè)中依然存在一些并不那么高大上的技術(shù)需求，這些技術(shù)需求有時并不那么顯眼，但卻制約了那個行業(yè)的發(fā)展。而要知道這些現(xiàn)實(shí)的技術(shù)需求，只有親自去企業(yè)調(diào)研。同時物理教學(xué)中，很多的器件我們只知道原理，但在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中卻大有門道，通過去企業(yè)調(diào)研，能夠把教學(xué)內(nèi)容和實(shí)際生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合，提升了教學(xué)的內(nèi)涵和深度。作者從2023年9月起在江蘇省海安市掛職科技鎮(zhèn)長，負(fù)責(zé)曲塘鎮(zhèn)和新能源產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)學(xué)研對接工作，期間調(diào)研了很多企業(yè)，掌握了不少第一手資料，將調(diào)研的內(nèi)容與教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，極大地提升了教學(xué)的趣味性和內(nèi)涵，得到了學(xué)生的一致認(rèn)可。現(xiàn)在我們舉幾個例子。

目前年輕人不愿意進(jìn)廠，導(dǎo)致企業(yè)用工緊張，發(fā)展自動化是企業(yè)的共性需求，因此只要是能盈利的企業(yè)都已經(jīng)完成初步自動化，尤其是一些以往工作環(huán)境比較惡劣的化工企業(yè)，早早地就實(shí)現(xiàn)了自動化。工人并不會直接接觸化學(xué)原料，生產(chǎn)車間也沒什么異味，工人只需要進(jìn)行監(jiān)測即可，將這些告訴化學(xué)專業(yè)的學(xué)生，可以打消他們的顧慮。

在力學(xué)中講解到繩子時，就可以提到參觀一家制作漁網(wǎng)的企業(yè)，這家企業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動化，但是存在一個瓶頸。漁網(wǎng)是用網(wǎng)線織成的，但是網(wǎng)線一錠是有限長度的，用完了就需要換一錠，這就涉及網(wǎng)線連接的問題。由于使用情景的要求，目前網(wǎng)線必須用打結(jié)的方式連接，才能保證強(qiáng)度和耐用性。但就是這個打結(jié)的環(huán)節(jié)目前還沒有自動化，必須由人工實(shí)現(xiàn)。這個看起來很容易，但是很多高校的課題組來嘗試過都失敗了。而這家企業(yè)就是全世界最大的漁網(wǎng)廠，它遇到的問題就是共性問題。這很容易就引起了學(xué)生們的興趣，激勵他們后續(xù)通過專業(yè)的學(xué)習(xí)來解決這一問題。

我們在講解電容器時只提到電容器是由兩塊隔開的金屬板構(gòu)成的，但是在實(shí)際制造時這兩個金屬并不是相同的金屬，而且從成本的角度考慮，是在有機(jī)薄膜上鍍上金屬來制造極板的。有老師通過考察電容器陰極制造企業(yè)———宇華新材料了解了這一點(diǎn)。考察發(fā)現(xiàn)，電容器的陰極是用薄膜鍍鋁來實(shí)現(xiàn)的，目前性能已經(jīng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。他們公司下一步的計劃是投產(chǎn)陽極極板，成本較高。只有將物理教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際融合，才能理解為什么電容器的陰極和陽極是不同的金屬，以及陽極為什么比陰極成本要高。在課堂上向同學(xué)們提出此類問題，會引起學(xué)生的好奇心和求知欲，從而強(qiáng)化他們對知識的理解。

在講解磁介質(zhì)時，我們會提到軟磁、硬磁和矩磁材料。從科研的角度，矩磁材料才是高大上的東西，因?yàn)樗鼞?yīng)用于信息存儲，屬于信息產(chǎn)業(yè)。但是在實(shí)際考察中，作者走訪了南通優(yōu)冠達(dá)磁業(yè)，這家企業(yè)專門制造軟磁材料，年產(chǎn)值5億元人民幣。軟磁材料的應(yīng)用就是電控開關(guān)，磁性會隨電流單調(diào)變化。從企業(yè)了解到，軟磁產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)非常巨大，而且軟磁材料的一個高端應(yīng)用就是汽車上用的電控開關(guān)，目前車用的軟磁材料幾乎是進(jìn)口的，并不是國產(chǎn)的性能不行，而是合資企業(yè)就是不用國產(chǎn)的，因此可以教育學(xué)生，汝輩當(dāng)自強(qiáng)。

還有很多例子，這些內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)高度重合，有力地提升了教學(xué)效果。

3 人工智能賦能教育

人工智能賦能教育前景廣泛、大有可為。同濟(jì)大學(xué)發(fā)布了1+N 人工智能賦能學(xué)科創(chuàng)新行動計劃，歸納為八大任務(wù)。這八大任務(wù)簡單地說，就是做強(qiáng)人工智能本體的科學(xué)研究、人才培養(yǎng)方面的核心工作。特別是在無人系統(tǒng)領(lǐng)域，以及打造學(xué)校共享的算力數(shù)據(jù)平臺，支撐學(xué)校科學(xué)研究，還有參與國家人工智能專項(xiàng)的建設(shè)。這是人工智能最核心的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)的本體工作。與此同時，全面賦能學(xué)校各個學(xué)科各個專業(yè)各項(xiàng)工作，特別是在教學(xué)創(chuàng)新方面[2]。

我們新開設(shè)的“大學(xué)物理（精）Ⅰ”和“大學(xué)物理（精）Ⅱ”，按照人工智能賦能的要求，重新規(guī)劃課程教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)課程大綱、教材和教學(xué)資料系統(tǒng)梳理課程知識點(diǎn)，包括課程教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)知識點(diǎn)、知識點(diǎn)類型、教學(xué)資源、教學(xué)方式和教學(xué)考核內(nèi)容，分類整理知識點(diǎn)，確保全面覆蓋課程中所有核心知識點(diǎn)，形成結(jié)構(gòu)化的知識點(diǎn)清單。確定知識點(diǎn)之間的關(guān)系，基于梳理的知識點(diǎn)及其關(guān)系圖，構(gòu)建知識圖譜，包括知識領(lǐng)域、知識單元和知識點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基本實(shí)現(xiàn)知識融合。開發(fā)與知識圖譜配套的教學(xué)資源（如多媒體課件、在線測試題庫、教學(xué)案例等），促進(jìn)知識融合和知識加工，尤其是知識推理，支撐交互式學(xué)習(xí)，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。

4 結(jié)語

通過專業(yè)精準(zhǔn)對接、產(chǎn)教融合，結(jié)合人工智能的教學(xué)過程監(jiān)測和教學(xué)結(jié)果評價，我們建立了“四基本（科學(xué)知識、科學(xué)思維、科學(xué)應(yīng)用、創(chuàng)新精神）”“兩綜合（理論與實(shí)踐綜合，創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力綜合）”“一拓展（科學(xué)前沿拓展）”的同濟(jì)特色“四二一”教學(xué)體系，為新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展提供了有益的嘗試。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 黃奇帆.何謂新質(zhì)生產(chǎn)力[EB/OL]. 第一財經(jīng)，2024/01.https：//www.yicai.com/news/101952304.html. [2024-06-06].

[2] 鄭慶華.人工智能賦能創(chuàng)建未來教育新格局[EB/OL]. 人民網(wǎng)，2024/03. https：//news.tongji.edu.cn/info/1006/86651.htm. [2024-06-06].