适应新工科的大学物理、物理实验课程改革方向与路径初探

张映辉

(大连海事大学理学院，辽宁 大连 116026)

0 引言

1) 新工科建设势在必行

人类社会进入新一轮科技创新活跃期，互联网+、人工智能与经济社会活动加速融合。越来越激烈的国际竞争“对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈”[1]。要求工科院校(专业)教育培养模式加速改革，为新一代信息技术、数字创意、高端制造、生物技术、绿色低碳生产等提供人才支撑。

2) 新工科建设的方向已经明确

2017年以来，教育部主导召开了多次围绕高校工程教育发展战略方面的研讨。先后形成和提出的“复旦共识*复旦共识：2017年2月，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，共同探讨了新工科的内涵特征和路径选择，并达成了若干共识。”“天大行动*天大行动：2017年4月，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，共商新工科建设的愿景与行动。”“北京指南*北京指南：2017年6月，教育部在北京召开新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议，全面启动、系统部署新工科建设。审议通过《新工科研究与实践项目指南》，提出新工科建设指导意见。”确定了新工科建设的方向、原则和重点，形成了“世界高等工程教育面临新机遇、新挑战，我国高等工程教育改革发展已经站在新的历史起点，要加快建设和发展新工科，工科优势高校要对工程科技创新和产业创新发挥主体作用”[2]等共识。明确了“三问、三构建”(问产业需求建专业、构建工科专业新结构，问技术发展改内容、构建工程人才知识新体系，问学生志趣变方法、创新工程教育方式和手段)[3]和“5个更加注重”(更加注重理念引领、更加注重结构优化、更加注重模式创新、更加注重质量保障、更加注重分类发展)[4]等教改思路和要求。

3) 物理教学必须适应新工科要求

大学物理、物理实验在工程教育中具有不可或缺的基础性地位。然而，20世纪八九十年代以来，随着计算机和互联网技术高速发展，新学科、新知识、新技术不断涌现，给4年的本科教育教学带来越来越多冲击，原有的基础课受到“挤压”，减课时的情况时有发生。如何解决这一矛盾？在新工科建设中，物理基础课既不能被新工具、新学科所淹没，也不可能被淡化；对于物理教师来说，既不能放弃阵地，也不能固守以往教学模式和结构，出路只有一条，就是要积极探索，主动作为，大胆改革，问专业需求教物理，问技术发展教方法，问学生志趣改内容、建模式。建立适应新工科要求的教学新体系，使之更好地承担“现代技术源泉和先导”之责任。

1 教学体系建设(课程改革)的方向

1.1 总体设计上由重理论轻实验向实验与理论并重转变

首先，从理论与实验的关系上看，物理学本质上是一门实验科学，杨振宁先生指出“物理学最重要的部分是与现象有关的，绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源”[5]。物理理论(论断)必须经过实验验证。比如爱因斯坦的光电效应理论在通过实验验证以后才真正被认可。并且，很多理论是通过实验得出和校正的。比如，迈克耳孙干涉实验证明了以太的不存在。20世纪以来，诺贝尔物理学奖2/3以上都是因为实验方面的贡献而获得的。物理离不开实验，物理学的重要性也恰恰在于它的实践性。

其次，从学生知识结构(专业需求)上看，工科各专业学生将来所从事的工程设计、研发、制作等工作都是偏重于实用的。也就是说，工科学生对物理学知识的需求主要是图其“用”，而非究其“理”。“理”重要不重要？当然重要。基本原理必须熟记、理解，但最关键的是要会用。面对众多的专业知识，工科学生不可能、也没有必要像物理专业学生那样，把更多的精力放在推导和演算上。并且，国内学生动手能力差是人所共知的短板，必须从课程设计这一源头上加以克服和改变。

第三，从学生的学习兴趣和教学效果上看，实验更具直观性、直接性。实实在在的仪器、设备、实验过程和物理现象，更能引起学生的兴趣。同时，具有一定挑战性的实验过程和数据处理、结果分析更具体验性，更有利于帮助学生建立概念、理解原理，建构知识体系。

第四，从发达国家情况看，国外工科院校物理实验课程一般为100学时以上。如美国加州大学圣迭戈分校(简称UCSD)，为工科学生开设初级物理实验60学时(力学实验、电磁学实验、光学和近代物理实验各20学时)，高级物理实验40学时。就国内来看，《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》[6]规定物理实验课程“一般不少于54学时”，从设计上就明显少于发达国家。而实际上，国内高校物理实验课程最多为56学时，还有相当一部分院校(专业)的物理实验课时数为32学时以下。

第五，从实验技术(客观条件)的发展上看，过去我们国家穷、经费少，实验资源匮乏。改革开放40年，国家经济的腾飞为更新充实实验仪器、设备，提高实验教学保障提供了雄厚的物质基础，实验课程学时少的问题理应得到解决。

第六，从知识体系建构上讲，单独设课的实践证明，好多物理理论可以结合实验来教授，并且效果更好。

基于上述六个方面的理由，建议从课程的设计上，大幅度提高实验课比重。从重理论轻实验向实验与理论并重转变。或者说，对工科学生要逐渐实现由理论优先向实验优先的“逆转”。

1.2 理论课要从重计算推导向更加注重物理思想和物理方法转变

物理难教、难学，难在哪？就难在众多的公式推导和运算上。是的，物理学的理论是由概念、原理和公式构成的。很多物理原理，就是由公式推导出来的。并且，数学语言(公式)能够更为精准地描述物理原理。

但是，公式或者公式所代表的数学语言，不是物理原理的唯一解读，更不是它的应用解读(比如熵增加原理、能量守恒等)。物理学所揭示的自然法则(物理思想、观点)和在物理学发展进程中所创造的方法(包括法则规定的禁忌，如永动机不能制成、自然过程不可逆)才是最重要的。正如杨振宁先生所说，演算“是物理学的一部分，但不是最重要的部分”[5]。

物理即哲学，物理学充满了辩证法，富含科学的世界观和方法论，即我们通常所讲的物理思想和物理方法。相对于抽象、干巴的概念、公式和原理，很多时候物理思想和物理方法才是更为简捷管用的，也是我们应该重点教给学生的。

对于理论课教学来说，我们当然要对物理理论进行认真的推演，讲清公式、原理的来源、形成过程，证明其合理性，让学生认可和接受。但是，我们不能就此止步，每一个公式、原理都蕴含着丰富的物理意义、物理思想，都是对自然规律的一种揭示，必须从自然规律的角度去解释，帮助学生从应用的方面去理解。概念也是一样，讲一遍，学生未必能够理解、记住、在头脑中建立起来。必须从多个角度去解读，阐明它的设计思路和意义。并且，概念本身就是对所研究问题的一种界定，概念的设定就是研究角度的选取。设定概念本身就蕴含着思路和方法。

忽略物理思想、物理方法的教学，就丢掉了核心，只是完成了教学任务的一半。企图让学生通过大量做题，去理解物理原理的，若非懒惰，就是以其昏昏使人昭昭。必须把物理思想和物理方法的讲授放在更加突出的位置，投入更大的精力。为此，要把讲清物理思想和物理方法作为教师能力和教学质量考核的重要标准。

1.3 大纲、教材要由“一本万能”向多“剧本”(多种模块组合)转变

这是增强教学针对性的需要。科学技术的飞速发展和广泛应用，产生了很多新学科、新专业。作为工科共同基础的物理教学，不能千人一面，大帮哄，不能一本教材、一个大纲管全校，必须区分专业，有所侧重、有所选择。按照天大行动“问产业需求建专业”和北京指南“更加注重分类发展”的要求，问专业需求教物理，力求做到每个不同的专业都有符合其专业特点(需求)的大纲和教材。比如，工程设计类专业，侧重力学、热学方面的教学内容，增加金属比热容、材料物性等方面实验的比重。

这是满足学生个性化学习需求的需要。众所周知，学生个体存在差异性，有的差异还很大。这种差异性有的是由于学生的知识基础、动手能力决定的；有的是由其性格特点、兴趣爱好决定的。就实际情况来说，对于同一专业的学生再进行细分，满足其每个学生的个性化学习需求，并非易事，但也不是完全没有发挥作为的空间。比如，对大学物理实验而言，我们可以针对不同学生设计多个不同难易、不同体量的教学单元(模块)供教学选择。

客观条件的变化使之成为可能。实验技术和设备的发展，特别是网上选课系统的创立和开放式教学的实践，为满足学生个性化学习需求提供了物质基础。这种既有客观需求，又有物质条件的事情，值得我们去实践和探索。

2 实现路径

2.1 关于实验与理论并重

提出由重理论轻实验向实验与理论并重转变，不是要由实验课代替理论课(虽然长远来看并非没有可能)，由基础的力、热、光、电、原子物理和四大力学所支撑的理论体系，在我们看来还是非常重要的。虽然对多数(工科)学生来说，它依然可能只是一堆零散的、难于理解和掌握的概念、原理和推导运算。我们的观点有三：

首先，就是增大实验比重，改变过去重理论、轻实践的做法。这需要从顶层设计上进行改革。要从思想上去除“理论才是正统”“实验是理论的附庸”“实验可以做，也可以省略”等错误观念。

其次，就是要通过一系列课程改革提高实验教学质量，使实验教学在学生知识、能力、素质体系建构中的重要地位得到很好体现。

第三，各院校、教学单位和教师应积极探索新课纲、新教材，以及新的教学模式。从而通过物理实验和理论教学帮助学生更好地理解和掌握物理规律、掌握物理思想、物理方法(包括实验方法)。

具体措施：

(1) 逐步提高实验教学比重，特别是经典实验要应做尽做。

(2) 基础实验要先行开课。

(3) 注重综合性实验(特别是经典实验)与理论课教学的协调性。把能通过实验教学(包括课前预习和课上辅导讲授)搞清的理论，拿到实验教学中来。实验精做，理论略讲，以实代虚，相互照应。

(4) 大力开发与重要物理规律相关的设计性实验。如开发运用新仪器、新设备，创新思路方法“重做经典”的设计性实验题目[7-8]。

(5) 力求实现实验与理论课教材与大纲的协调性。

(6) 从总体设计和评价上改变重理论轻实验的做法。

2.2 关于突出物理思想与物理方法

突出物理思想和物理方法，就是在教学中，除了要讲清课本和大纲规定的概念、原理、公式，及其一般应用之外，还要把物理规律及其发现过程中所展现的“科学的世界观和方法论”加以重点阐述，引导学生提升思维层次，掌握科学方法。比如结合静电场的教学，介绍“场与物质之间相互作用的思想”“平衡态与平衡的动态性思想”；结合电场与磁场的教学，阐述“类比的思想与方法”；结合电磁感应现象与规律的教学，阐述“多元因果逻辑与因果相互转化思想”；结合卡诺循环和热力学第二定律教学，阐述“建立理想模型”“分割、分解、叠加、相加”的科学研究方法，阐述熵所揭示的“在多数情况下，能量转化只在一个方向上发生”“能量具有逐渐散逸的普遍倾向”[9]，以及“自然界实际发生的热力学过程都是不可逆”的思想。通过热力学定律为代表的“否定性定律”，讲清人们不能随心所欲地“想干什么就干什么”的自然法则，进而引导学生牢固树立尊重自然、敬畏自然，保护环境，节约和爱护资源的意识。

2.3 关于模块式教学

所谓模块，是指将教学内容按不同专业(培养对象)需求和不同难度、层次划分为多个教学单元，供教师有针对性地编写大纲和学生根据基础条件、能力素质，以及兴趣目标进行选择。

模块式教学旨在改变“一个大纲贯到底，一本教材管全校”的现状，针对学生的专业方向、基础等条件，按“需”设置大纲、分配教学资源。

模块式教学不是另起炉灶、另搞一套，而是适应学生需求的教学方法和理念的强化。模块式(或者叫单元式)教学对我们每个人来说并不生疏。教材的章节、实验教学的4个层次，乃至力、热、光、电各个分支，都是一种大的模块。

模块式教学更加强调教学资源的有效性，提高学习效率(教学效能)。这里讲的教学资源包括现有的理论、教材，包括仪器设备、电力、能源及软硬件资源等，也包括教学的设置与课时等。

具体措施：

其一，对实验课来说，在已有教改研究基础上，设计、制作针对不同专业、不同层次学生学习所需的实验教学模块，设立(增加)多个可选单元(模块)，每个单元4～6个实验题目，供教学(学生)选择。提出不同难易的课纲(模块)成绩评定的一般原则，注重拔尖人才的培养激励，同时注意多数同学成绩的均衡性。

其二，对理论课教学，主要是打破一本教材、一个大纲管全校的做法。针对不同培养目标(专业)有所侧重，增大某些相关内容的比重，减少无关或关系不是很大内容的比重。

其三，也可以采用理论模块与实验模块的混编的做法，使某些理论和实验相互配合，相互照应，相互补充。

2.4 关于现代化教学手段的运用

要把教学模式创新和现代化教学手段作为新工科建设的重要内容。一是大力推行开放式教学，满足学生个性化学习需求，提高学习兴趣。二是大力推行开放实验室和开放式课题研究，引导学生参与项目研究，或提供条件，鼓励自主研究。三是大力加强慕课、仿真实验平台及其他网络资源建设，满足学生随时随地进行预习、复习、知识查询，以及在工作、生活中的其他学习要求。四是大力推进与物理相关的通识课、选修课教学，如物理与现代科技、新能源新材料新工艺简介、电影中的物理学等。

3 结语

国家现代化建设的人才需求和新工科建设要求物理基础教育必须改革。大学物理、物理实验教育教学必须主动适应“复旦共识”“天大行动”“北京指南”确立的方向、原则和要求。在总体设计上必须更具针对性、实践性；在教学内容与教学方法上，必须更加注重阐述物理思想，教授物理方法；大纲教材必须更具针对性，更加适应专业需求。同时，必须积极采用现代化教学手段，丰富教学形式和内容，使抽象的物理知识、物理原理、思想和方法，通过网络信息技术，得到更好传播，物理教育教学更加泛在化、个性化，人文化。