新工科背景下的大学物理课程建设与实践

王晓鸥，张伶莉，袁承勋，王先杰，靳辰飞，张 宇

(哈尔滨工业大学 物理学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

2018年10月，教育部与工业和信息化部及中国工程院印发了《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》[1](以下简称“意见”). “意见”提出要以新工科建设为重要抓手，持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才，打造世界工程创新中心和人才高地，提升国家硬实力和国际竞争力.“新工科”是相对于传统工科而言，以新经济、新产业为背景的一个动态概念. 它主要对应的是新兴产业，如人工智能、智能制造、机器人、云计算等，也包括传统工科专业的升级改造.

相对于传统的工科人才，“新工科”立足于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、立德树人新要求，对高等院校专业建设和人才培养提出了教育改革方向，要求培养出实践能力强、创新能力强、具备国际竞争力的高素质复合型人才. 而作为高等学校理工科学生必修的基础课程的大学物理在培养学生的科学素养、探索精神、实践能力和创新能力等方面具有不可替代的作用. 这是因为在物理学发展过程中的每一次重大突破不仅带来物理学新领域、新方向以及交叉学科和新技术学科的崛起，而且改变了人们的思维方式.

1999年3月，在美国亚特兰大市举办的第23届国际纯粹物理和应用物理联合会(IUPAP)代表大会上通过的决议“物理学对社会的重要性”中指出：“物理学——研究物质、能量和它们的相互作用的学科，是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键的作用”；“物理学发展着未来技术进步所需的基本知识,而技术进步将持续驱动着世界经济发动机的运转. 物理学有助于技术的基本建设, 它为科学进步和发明的利用, 提供所需训练有素的人才”[2].

“新工科”的发展离不开物理学理论，如热门的“物联网工程”，主要涉及物品的特征识别与传入物联网，人与物、物与物之间的信息沟通和对话等，这些都需要通过射频识别、全球定位、视频、音频、红外、激光扫描等各种传感器技术来实现，而这些内容依赖物理学中物理概念和原理的运用，如机械振动、机械波、电磁波、激光和量子物理等基本知识. 针对“新工科”建设对人才培养提出的新要求，大学物理课程体系需要做出相应的改革以适应新形势.

1 课程建设与实践

哈工大大学物理教研室于2018年秋季学期开始按照“双一流”建设和“新工科”建设人才培养工作的新要求，经过大量的调研和研讨，认真分析了美国麻省理工学院的新工程教育转型计划和教育部大学物理教学指导委员会的相关项目要求，对大学物理课程教学进行了全面深入的改革，经过近2年的教学实践取得了良好的效果.

1.1 多层次大学物理课程体系建设

深入调研我校各工科专业的核心课程对物理学知识的需求，按专业集群整合、制定教学计划，在保证完整物理学知识体系的基础上，进一步增加“专业拓展知识模块”的建设，使大学物理成为“新工科”新专业成长的引擎.

根据我校各专业特点以及参照国内外相关高校的大学物理课程设置情况，将大学物理课程设置为4个系列，即大学物理A(面向英才学院、数学学院等对物理学要求偏高的专业)、大学物理B(面向工科试验班的智能装备、建筑学院、航天与自动化、计算机与电子通讯等专业集群)和全英文授课的大学物理B(面向留学生)、大学物理C(面向资源环境、交通、生命、土木等学院)以及文科物理(面向文科试验班专业集群). 大学物理课程新体系更好的体现了“以学生为中心，教学成效驱动”的教育教学理念，更注重培养学生主动获取知识能力、实践与动手能力、创新创业能力. 图1给出了我校按专业集群(即大类模块)调整后的“大学物理”课程体系.

在“新工科”建设中，物理学的基本原理、基本方法是科学研究的出发点，是多学科交叉、转移和渗透的支撑点，在促进科技创新和技术进步等方面，物理学仍发挥着先导作用. 在大学物理多层次课程体系建设中，笔者分析了各专业集群的培养目标，按各课程层次调整了教学大纲和教材[3-5]，有针对性的进行因材施教.

图1 大学物理多层次课程体

1.2 教学内容优化

为推进“新工科”对复合型人才培养的需求，针对不同层次的课程定位，对教学内容做了适当调整.

大学物理A所面向的英才学院的培养目标是：杰出科学家、学术带头人. 围绕这一培养目标，本课程定位在“强基础，强能力，重创新”上，为培养拔尖创新型人才打好全面、扎实的物理基础. 所以，在课程内容的安排上，增加了热学中的三种统计分布规律，培养学生的统计思维能力，以适应当前大数据、云计算等新兴科技领域；在量子力学中增加了态叠加原理、量子统计及应用、力学量的算符表示、能带理论等，使学生们能够在学习的过程中，感受到物理学与科技前沿的紧密结合，提高学习兴趣，拓展学生视野，提升学生的科学研究能力和创新能力，从而创造出新的方向、新的产业.

大学物理B所面向的各工科实验班涉及全校绝大多数专业，其培养目标是：具有创新意识和初步的科学研究与技术开发能力；具有开阔的国际视野和国际竞争力、理工结合的高素质创新型人才. 基于这一目标本课程定位在“厚基础，强能力，重创造”上，通过本课程的学习，使学生掌握全面、扎实的物理学知识， 具备科学研究能力和创新创造能力、物理思维和科学素质，培养在国际竞争中具有创造潜质的高素质人才. 在教学中强化物理概念、物理理论的训练，强化物理过程以及物理过程变化的研究. 在课程内容的安排上，增加了力学中的科里奥利力及其产生的影响，这部分内容蕴含物理学的思维方法及分析问题和解决问题的能力，同时也是工程设计回避不了的实际问题；增加了流体力学，这部分内容是航空航天领域涉及的理论问题，是飞行器、导弹等在大气中飞行时所涉猎的问题，增加了近现代科技前沿相关的基础理论(如能带理论).同时在课堂讲授内容和教材中，增加了与专业和科技前沿相关的实例或例题，使课程更加贴近实际，体现学以致用，培养学生的实践能力.在“厚基础”的同时，为学科交叉打开窗口.

大学物理C主要面向环境资源、交通、生命、土木等学院，这些学院的培养目标是：具有科学、工程和人文三方面的综合素质的高层次创新型工程技术和管理人才. 因此本课程定位在“厚基础、强实践、严过程”上，培养具有优良品德和社会责任感、扎实的物理基础理论以及分析问题和解决问题能力，具备创新精神和国际视野，可持续发展能力强的高层次人才. 为进一步学习打下坚实的基础，使学生在未来的工作岗位和市场竞争中发挥出全部潜能.

文科物理主要提升文科学生的科学素养，培养文科学生的物理学思维方式、研究方法. 因为物理学基础知识、思维方式以及研究方法已渗透到社会生活的方方面面,日益成为社会一般知识和一般意识形态的重要组成部分，成为一种高层次的文化. 通过大学物理课程的学习让学生成为既具有知识、又具有文化的综合型人才.

通过教学内容的讲解过程，培养学生的独立思考、创新能力、理论联系实际能力、逻辑思维能力、动手实践能力、工程实践能力以及表达能力. 这些能力都是具有国际竞争力的高素质复合型人才必备的.在教学过程中结合“新型的习题”、“测验”、“竞赛”等促进学生能力的培养，增加“研究性作业”环节，让学生自主独立地把大学物理课程中所学的知识与本专业或科技前沿领域联系起来，培养其独立思考能力和创新能力；强调“物理理论的提出或引入过程”的讲授. 针对某个理论，过去只讲理论内容，忽略理论的来历以及提出过程，学生的创新思维难以得到锻炼和开发. 而加入“物理理论的提出或引入”的讲授，可以使学生对物理理论的来龙去脉更加清楚明晰，使其体会到创新性物理理论的提出过程，从而使学生的创新能力得到提升.

1.3 教学模式改革

针对传统课堂教学模式下学生学习主观能动性差的状况，大学物理教学团队率先在国内高等院校中提出并实施了实景体验互动式大学物理“圆桌教学”全新模式(也称为“工作室物理”). 这是一种实验先导、教师引导、师生交流互动、学生主动探索物理规律的体验式课堂教学新模式[6,7]. 实现了“以教为主”向“以学为主”的教学理念的转换.这种全新教学模式覆盖大学物理A、大学物理B以及文科物理等12个教学班(大学物理A的6个大班和文科物理的2个大班全部采用这种教学模式；由于条件限制，大学物理B只有2个大班采用这种教学模式)，有600多名本科生受益，获得了学生的广泛认可和高度评价，如张杰同学说：“相对于只是老师演示实验，这种方式让人印象更加深刻，不仅看到了现象，而且通过反复地对比操作，会思考这种现象是如何出现的，对一些物理原理理解得更深了”. 从2017级学生开始的“我最喜爱的大学课堂”优秀征文评选结果中，连续2年在获奖征文中有20%的文章将大学物理圆桌教学誉为“我最喜爱的大学课堂”.

传统教学过程与“圆桌教学”全新教学过程对比如图2和3所示.

图2 传统教学过程

图3 “圆桌教学”全新教学模式

实景体验互动式大学物理“圆桌教学”全新教学模式受到学生极大喜爱. 课堂气氛发生了巨大变化，课堂中学生老师均站立走动、互动并听课，出现了学生和教师“乐在其中”的课堂气氛，如图4所示.

图4 “乐在其中”的课堂气氛

基于实景体验互动式大学物理“圆桌教学”全新模式，共完成5个省级教改项目，发表教学研究论文9篇. 2017年度，采用这种教学模式授课的教师在学生评教中全部获得A+和A. 在2017年秋大学物理B的考试成绩中，“圆桌教学”全新教学模式与普通“大课教学模式”相比，学生成绩优秀率提高了7.9%. 学生认为“课堂比较活跃，互动较多，能启发思考”、“课堂效率高，增强了课堂的活跃度和主动性”.

1.4 教学方式改革

大学物理课程新体系建设以“厚基础，强能力，求创新”为宗旨，以“严过程”为实现手段. 通过改革教学方式，使学生在学习中训练“思维”、培养“能力”.

要让学生在学习过程中得到训练，就要让学生集中注意力，用心听讲，这需要教师进行精心设计.笔者利用物理现象引入物理问题来引起学生的兴趣，引发他们的思考以及对接下来教学内容的期待. 因此，开展了基于物理过程引领的教学方式的改革[8-10]，即通过演示实验、视频等手段展示物理过程，引入物理问题，然后进行物理知识的讲解，之后是理论与实验的对照，最后介绍物理知识的应用. 在选择物理现象时，尽量选择那些接近生活，并能让人感到出乎意料的例子，如果例子能让人感到震撼，那么效果就更好了.

例如，在“反射和折射起偏”部分，如果只是按部就班地进行理论讲解，大部分学生会觉得不易接受，而且枯燥. 笔者采用了和教学密切相关的演示实验，即让学生从反光比较强烈的地方来看黑板上的字迹，他们会反映看不清. 这时，教师再递给他们一片偏振片，调整好角度，当透过偏振片能看清黑板上字迹的时候，他们都发出了惊叹，其内心的触动是显然的[10]. 至此，已经把学生的积极性调动起来了.

接下来做的是相关知识的讲解. 物理理论的讲解要紧密围绕实验中看到的现象，始终让学生处于同一问题的思路中，注意力也一直处于集中状态. 讲解中使用简短的语言和公式，尽量做到通俗易懂. 最后是物理知识的应用这部分对于启发学生的思考，培养其创新精神无疑是重要的. 这次改革增加了这部分的比例，以拉近物理知识和实际之间的距离. 如可以利用偏振片消光的性质，将其安装在汽车的照明灯和风挡玻璃前面，就可以避免晚上汽车远光灯炫目的问题. 具体办法是在汽车的照明灯和风挡玻璃前面加装一个和地面成45°角的偏振片，当对向来车时，两车的透振方向垂直，灯光互不影响. 这些应用的原理很简单，用到的物理知识也不复杂，学生理解起来并不困难. 但这些内容对开拓学生视野、知识的活学活用会起到积极的促进作用.

1.5 考核方式改革

在大学物理课程的考核中笔者探索了多元化考核模式，帮助学生建立“严过程”的学习理念，实现“以考核促发展”的考试目标. 学生成绩由两部分组成：“平时成绩+笔试成绩”. 平时成绩占30%，包括平时作业、随堂测试、研究性作业；笔试成绩占70%，包括期中考试、期末考试. 考核内容以知识性考核为主，增加专题讨论、实例分析、实验设计等环节，考查学生的科学探索、创新和创业能力.

首先，改革考试题目，使之具有一定的设计性. 例如，“物体具有热胀冷缩的性质，当温度升高Δt(Δt=t-t0)后,待测样品的尺寸可变为原有尺寸的(1+αΔt)倍，α称为该样品的热膨胀系数. 利用光的干涉原理设计一种方法来测量物体的热膨胀系数. 画出原理图，并给出相应的理论解释”. 这种类型的考题从“知识掌握”、“能力培养”、“逻辑思维训练”等多角度全过程考核学生的学习情况.

其次，建立不同课程试题出题小组，对试题考核的知识和能力要点进行研究，给出出题的策略说明.

第三，采用研究性作业、项目研究等多种方式进行能力的考核，如“结合课上所学内容，谈谈压缩式电冰箱的工作原理及如何实现冰箱节能”. 形成了“知识掌握程度考核+应用实践能力考核+创新研究能力考核”的全新考核模式.

第四，规范试题出题，要求期末考试题的分布与课程大纲关于考核的要求一致，形成闭环. 并且要求近三年试题的重复率要低于10%、客观题量少于30分，避免出现原题.

2 结论

大学物理作为工科专业的重要基础课程，在推进“新工科”建设、培养“新工科”所需的具有国际竞争力的复合型人才方面具有不可替代的作用. 大学物理课程内容是对自然科学重要发展成果的归纳和总结. 在知识体系上，是各工科专业理论的源头与基础；在研究方法上，是对自然科学主流研究方法的精辟总结；在思维方式上，是人类智慧最精华部分的凝聚. 教学实践表明，对大学物理课程体系、教学内容、教学模式等方面的改革为培养造就多样化、创新型卓越工程科技人才，为我国产业发展和国际竞争提供智力和人才支撑. 所以，“新工科”背景下大学物理课程建设既是当务之急，也是长远之策.