面向“新工科”的“大学物理”教学内容改革与实践
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摘 要：针对当前“新工科”背景下专业人才培养方案建设需要，提出对“大学物理”课程的教学内容进行深层次改革。具体措施包括：删减部分过时的教学内容，新增与当代科技紧密联系的教学模块;增加与信息技术、人工智能、智能制造相关的物理应用案例;突出课程考核中的能力考评。通过改革和实践，全面提升了“大学物理”课程的时代性、针对性和网络性，使其能够更好地服务于“新工科”人才培养。
关键词：新工科;大学物理;教学改革;教学内容
中图分类号：G642 文獻标识码：A 文章编号：2095-7394（2020）02-0094-06
“大学物理”是高校电信、计算机、机械、材料、化工等传统工科专业的通识教育基础课程，该课程与工科专业具有紧密的联系，在培养学生的科学素质和创新能力上发挥着举足轻重的作用。[1-2]近年来，“新工科”的概念逐渐受到大家的重视。“新工科”专业是在新的国家战略规划发展需求、新的市场竞争模式及新的立德树人要求基础上提出的工程项目领域迫切需要的专业。[3-4]由于与现代产业技术紧密联系，“新工科”更强调专业知识的应用性、与互联网技术的交叉性以及与传统制造业技术的结合性。[5-6]它主要涉及的新工科专业有：计算机科学与智能控制、大数据与信息科学技术、机器人工程以及智能数控等[7]，同时，也包括对传统工科专业的升级改造，其培养的人才是我国未来实现信息化强国所急需的高素质专业人才。为了适应新兴产业对新技术的需求，高校原有的人才培养模式必须进行升级和改造，对所涉及的课程加以更新优化，进而制定新的课程规范和标准（如图1）。
当前，“新工科”建设对人才培养提出了更加明确和更高质量的标准，作为配套课程的“大学物理”理应进行相应的改革，从而突破传统教学理念、教学方式和评价体系的束缚。在“大学物理”课程改革中，需要根据“新工科”的特点（如图2），以产业需求为导向，以学科交叉为基础，面向未来新技术进行主动调整，强调学科的交叉融合，凸显综合全面创新理念。在所开展的各类教改中，教学内容的改革是最基础和最重要的部分，教师教什么直接决定学生学什么，从而导致培养具备何种素质的人才。本课题组围绕学校“新工科”专业人才培养特点，对 “大学物理”课程的教学内容进行改革，在实践中取得了良好的效果。
1 现有“大学物理”教学与“新工科”要求的矛盾
1.1 现有教学内容陈旧
现有的“大学物理”课程内容由力学、电磁学、振动与波及波动光学、热学和近代物理5个模块组成，涵盖机械运动，电磁场的规律，光的干涉、衍射和偏振，热力学统计规律，时空性质、微观粒子的量子运动特征和规律等内容。[8-9]这些知识点主要属于经典物理学的范畴，其大部分产生于20世纪之前，主要服务于当时的工业和科技，涉及现代产业的内容不多。随着计算机和互联网技术的高速发展，新学科、新知识和新技术不断涌现，所需要的理论知识也在发生变化，从而给本科教育教学带来很大的冲击。为此，物理学工作者绝不能固步自封、停滞不前，而是应该积极了解当代最新的科技成果，发掘现代工业技术背后所需要的物理知识，与时俱进、大胆创新、积极作为，教授专业所需要的物理，采用适合当下的方法，根据学生志趣优化内容、创建模式。要建立适应“新工科”要求的教学新体系，使课程更好地承担起“现代技术源泉和先导”的职责。
1.2 理论和实验的结合度不高
众所周知，物理学是一门实验科学，实验现象是很多物理规律的最初来源，而每一条物理理论的确立，最终也必须经过实验的检验才能获得认可。然而，理论虽然十分重要，但是，对于“新工科”专业的学生来讲，他们往往更关心的是理论的实践应用。近年来，随着本科教育大众化的发展，大班上课成为一种主流形式，以致许多高校的物理实验室面临台套数严重不足、实验项目过于老旧的窘境，所以只能采用多人共用一组实验设备的模式，这就严重影响到对学生实验技能的训练，也给他们造成物理脱离了科技发展的不良印象[10]。此外，一些高校的物理教学部受到经费的限制，尚未建设或者即使已经建设也没有及时更新演示实验室;因此，在大学物理的教学过程中，基本是靠教师的口头讲解或者用图片形式来进行演示实验，这将会严重影响学生的学习兴趣和学习效果。
1.3 课程评价方式过时
课程的评价方式在很大程度上影响着教师的教和学生的学。目前，“大学物理”考评方式主要是“期中+期末+平时作业”的统计得分，形式还是以试题、卷面的方式呈现，这种方式延续了几十年甚至上百年时间，具有公平、简便的优点;但是，也越来越显示出它的局限性，尤其是在大学工科教育中，仅仅通过卷面的成绩，想要准确评价学生掌握和运用知识的能力是不充分的，甚至在一定程度上会给学生带来不正确的导向。面向“新工科”，很多专业更加强调实践性，“大学物理”课程需要紧跟时代的变化、结合专业的特点，创新性地实施考核方式的改变，从而更加有效地满足“新工科”对于实用性、交叉性和综合性的要求。
2 “大学物理”课程教学改革探讨
针对“新工科”交叉性、综合性和网络性的特点，“大学物理”课程需要进行相应的改革：在课程设计上更加具有实践性、针对性;在教学内容上注重与现代科技的密切相关性;在教学案例的选择上增加新一代信息技术、物联网、人工智能的相关案例;在课程考评上更加注重对知识应用能力的考核。总体来说，提供与“新工科”专业更加匹配、与现代科技结合更为紧密、与应用性更加相关的“大学物理”教学内容是改革的主要环节（如图3）。 2.1 调整教学内容，主动适应“新工科”专业要求
物理学是现代科学技术发展的源泉，它的每一次突破或重大进展都能引发世界范围内现代科技的跨越式进步。“大学物理”作为理工科学生的必修课程，在工科人才培养中所起的作用是基础性的，对培养学生的理性思维和逻辑推理能力发挥着不可替代的作用。然而，不可否认的是，“大学物理”课程正在受到不少工科学生的忽视。究其原因，许多学生认为“大学物理”的教学内容过于陈旧，大部分属于20世纪之前的知识，没有涉及近100年来最新的物理学进展;此外，在以培养应用型本科为主的高校中，学生更关心的是知识在工程实践中的应用以及基础课对于后续课程体系的作用，而当前的“大学物理”课程对后续专业课程的贡献还没有很好地体现出来，往往给人一种可有可无的感觉。
因而，面向“新工科”的“大学物理”课程内容的变革必须紧跟当下科学技术发展的最前沿，充分吸取最新的科技成果，不断创新，把经典的“大学物理”建设成为有蓬勃生命力、有新鲜血液及充满无限创新空间的课程[11]。此外，应在充分调研“新工科”后续专业课程和今后就业岗位的基础上，调整“大学物理”课程的教学侧重点，该增加的要增加，该删除的不能再犹豫。为此，在总课时不增加的情况下，对“大学物理”的教学内容可进行如下调整（如表1）。
考虑到“新工科”专业的学生其中学物理基础知识相对扎实，自学能力较好，可以调整部分与中学物理跨度较小的大学物理教学内容，改由学生自学。同时，根据学生后续课程和就业需求特点，调整相关的教学内容，如：压缩部分质点运动学和动力学、机械能守恒、刚体力学、振动和波动的教学内容，改由学生课外自学;增加关于空气动力学和流体力学的内容介绍，服务于汽车设计和无人机专业的学生;删减部分电荷和電场的教学内容，增加半导体物理、电磁波和新能源电池相关知识，服务于电子信息、汽车新能源专业;删减几何光学的教学课时，增加光电子相关知识，服务于光纤通讯、芯片制造和节能发光产业;删减部分气体分子动理论的教学内容，适当扩展新型热机和致冷机的知识，服务于机械制造的电动机和发动机制造专业;增加相对论和量子力学等近代物理的内容，服务于军队院校和武器制造行业。通过对以上教学内容的优化，达到因材施教、按需学习的目的，使得“大学物理”课程更加贴近当代工程实际，从而更好地满足“新工科”专业对基础物理理论的需求。
2.2 增加应用案例，积极接轨“新工科”实践应用
在“大学物理”的教学过程中，通过提供生动形象的现实应用案例，可以帮助学生理解抽象、深奥的物理机理，同时激发学生学习和创新的动力。因此，在针对“新工科”开设的“大学物理”课程中，充分结合“新工科”的特点和应用前景，主动提供有针对性的应用案例，可以对教学起到事半功倍的效果（如表2）。[12]例如：在讲解机械振动和机械波时，引入海啸中驻波的分析;讲解刚体时，引入三维陀螺仪在飞机导航仪中的应用;介绍电介质的极化时，引入手机电容屏的工作原理，提出带上手套能否操作触摸屏的问题;讲述电磁波时，介绍冶金中电磁搅拌、电磁净化、GPS导航、北斗导航系统等;讲述磁学时，融入种子磁化技术、电荷防病促生技术、电磁波助长技术和数字化杀虫技术;等等。总之，物理知识应用案例只有具备时代性、新颖性和实用性，才能吸引学生的兴趣，引起学生的共鸣，从而改变学生对“大学物理”课程的偏见，进而提高课程在“新工科”人才培养中的地位。
2.3 优化教学模式，构建目标导向的综合考评机制
随着中国高等教育的飞速发展，“大学物理”课程的教学模式也在不断变化，从最初的“粉笔+黑板”模式过渡到“投影+电脑”，再到今天的“网上直播+QQ+微信”等多种手段的综合应用。这些现代教学技术的应用为学生提供了更多开放学习的教学资源，一方面，满足了学生个性化学习的需求;另一方面，有利于激发其学习兴趣，促进学生开展自主研究。[13]但是，我们必须认识到，这些教学手段只是改变了教学内容的呈现方式，并没有改变物理学深奥、抽象的本质，对于物理学这种依赖于实验现象的科学，实验课的作用不容忽视。为了使“新工科”专业学生充分理解物理概念、掌握物理本质，在加强传统课堂教学的同时，必须加大物理教学中演示性实验和创新性实验的比重。这就要求各高校必须增加对物理教学的投入，配置一定数量可视化程度高、生动形象的现代演示实验，同时，增加一些综合性好、设计性强的创新性学生实验，以锻炼学生的创新思维和动手能力。显而易见的是，理工科高校中物理实验仪器设备落后，将不利于达成“新工科”专业时代性特点的整体目标。为此，笔者所在学校在2012年新建了物理演示实验室，并先后获评了常州市和江苏省科普教育基地。物理演示实验室展现了很好的后发优势，配备了大量时代感强、演示性好的实验项目，在“大学物理”的教学过程中发挥了较好的演示效果。此外，在物理实验课程中还开设了综合设计性实验，通过这个项目选拔了一大批优秀的“新工科”学生参加各类实验项目的竞赛，取得了优异的成绩，有力提升了物理教学在“新工科”人才培养中的地位。
实践证明，针对“新工科”专业学生的“大学物理”课程教学，绝不能以掌握物理知识为最终目标，而是必须着眼于物理应用能力的培养。为此，在课程的考核方式上，不能简单地以一份笔试卷来衡量水平，而应采取包括笔试在内的多种形式的综合考核。在“传统作业+期中+期末”的基础上，增加一项物理能力加分项，鼓励学生参加物理能力加分考核;并且规定，凡是有物理能力加分项目的学生，只要期末考试成绩达到70分，总成绩就直接定为优秀。这种能力加分项包括：学生参加高层次的物理类学习竞赛;设计出具有创新性的物理实验;对物理知识提出具有突破性的质疑;解决一个困扰物理学的难题;对物理学的未来发展提出有意义的看法;将物理知识运用到专业领域;等等。加分项内容并不拘泥于特定范围，只要是跟“大学物理”有关的具有突出性的贡献，经教师组评定后都可以作为能力加分项。经过一段时间的实践，虽然能够获得加分项的学生并不是很多，但是每个班总有三四名学生能够参加这种加分项考核，而且，学生提问质疑的积极性明显增强了，运用发散性思维解决问题的思路也有了极大的拓宽。通过改革，充分调动了学生的学习和创新动力，从能力角度发现了一批课程学习的优秀群体，为“新工科”的人才培养奠定了基础。 3 结语
“新工科”人才是当前乃至今后一段时间我国经济和科技发展急需的专门人才，也是各大高校重点培养的专业人才。 “新工科”背景下的“大学物理”课程应该怎么教？对于这个问题目前尚没有统一的标准，这就给高校教育教学的创新和发展带来了很大的提升空间。课程改革的总体目标应该是通过文理交叉、理工结合、文工互补，实现对人才的全方位培养，这就需要对传统的“大学物理”课程教学内容进行深层次改革，取其精髓部分，去其过时内容。通过改革，将“大学物理”打造成为“新工科”培养方案中的重要基石，使其成为理工科学生最喜爱学习的一门公共基础课程。
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责任编辑 盛 艳
Reform and Practice of “College Physics” Teaching Content for “Emerging Engineering Education”
HU Yifeng，ZHU Xiaoqin，ZOU Hua
（School of Mathematics and Physics，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）
Abstract： In view of professional personnel training program construction under the background of the current“emerging engineering education”，the in-depth reform of “university physics”course teaching content is proposed. The specific measures are as following：delating some outdated teaching content and adding teaching modules closely related to modern science and technology;increasing some physical application cases related to the information technology，artificial intelligence and intelligent manufacturing;In addition，the ability assessment in the course evaluation should be highlighted. Through these reforms，the epochal character，pertinence and network of college physics courses have been comprehensively improved to better serve the training of new engineering talents.
Key words： emerging engineering education;college physics;teaching reform;teaching content
收稿日期：2020-02-20
基金项目：教育部大学物理教学指导委员会课题“线上线下大学物理实验混合式教学研究”（DJZW201921hd）;2019年 江苏省高等教育教改研究立项课题“实验课程混合式智慧教学模式研究——以‘大学物理实验’为例”
（2019JSJG227）;江苏理工学院教学改革与研究项目“面向‘新工科’的大学物理教学内容改革研究”（11611211945）
作者简介：胡益丰，副教授，博士，硕士生导师，主要研究方向为半导体相变薄膜及器件、大学物理和物理实验教学。
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