“双万计划”背景下大学物理课程改革与实践

刘东州，侯志青

(河北农业大学 理学院，河北 保定 071001)

高等院校肩负着培养既能掌握新知识、新技术，又能创造新技术的高素质人才的重任.大学物理是理工类学生公共必修基础课程，在培养学生的科学精神、科学思维方法和提高学生科学研究能力等方面，具有其他课程无法替代的作用.学习大学物理，不仅能够为以后的专业课打下良好的基础，还能够激发学生学习科学的兴趣.

2019年11月，教育部实施一流本科课程“双万计划”，将认定万门左右国家级一流本科课程和万门左右省级一流本科课程，以推动我国本科教育教学质量的整体提升.“双万计划”是一流本科建设的“抓手”，也是一流本科建设的“突破口”[1].一些高等院校对大学物理课程进行了改革，取得了一定的效果[2-5].在“双万计划”的引领下，河北农业大学结合大学物理课程的特点，对大学物理进行全面的教学改革与实践，改革传统的教学方法和教学手段，采用更为科学的考核体系评价学生学习情况.

1 优化课程内容,注重理论与应用相结合

根据《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》，结合人才培养方案，从现代科学技术发展和应用型人才培养的总要求出发决定大学物理课程体系的框架，注重理论知识的应用，优化课程内容.具体包括以下两个方面：

1.1 大学物理分模块教学，教师做到“点对点”服务

大学物理面向的是全校理工类学生，涉及的专业比较广.在有限的学时内，大学物理课程应当把基本概念、基本规律和基本思想的论述作为重点，不仅要考虑物理学本身的科学性和系统性，还要考虑人才培养目标对物理学素质的要求，综合考虑并选取适当的内容和体系.将整个课程分为力学、电磁学、振动与波动及光学、热学和近代物理4个模块.每个模块都有相应学分：力学2学分，重点讲授质点力学、刚体力学；电磁学2学分，重点讲授电场和磁场；振动与波动及光学1学分，重点讲授振动、波动和波动光学；热学和近代物理2学分，重点讲授热学的微观统计理论、热力学基础、相对论以及量子力学的发展.4个模块分为2个学期进行讲授.大学物理课程不再是“一刀切” 模式，学生可以根据专业所需选择所学的基本理论知识.

教师根据各个院系学生的不同需求因材施教.如土木专业重点讲授力学、热学和近代物理知识，电子信息专业重点讲授电磁学和光学知识.教学内容与学生专业课程紧密结合，使物理教学和专业人才培养之间实现“点对点”服务.将所有讲授大学物理课程的教师分成4个研究小组：力学组、电磁学组、光学组、热学和近代物理组，每个小组负责制定所属模块的教学计划、教学内容，建立试题库.每个小组指派专人专责所属模块的建立，使其他教师更有精力投身到教学研究中去.

1.2 重视物理理论知识与应用相结合

增加物理应用知识的比重，教学内容更加贴近应用.团队的教师利用课余时间，收集各种资料和视频，主要介绍物理理论在实际生产、生活中的应用.例如，在给学生讲解伯努利原理时，可以介绍学生熟知的“香蕉球”“旋转球”的应用原理，鼓励学生把物理理论应用到平时的足球、乒乓球运动中，介绍古代“公道杯”的来历让学生体会古人的智慧；讲解多普勒效应时，可以向学生讲解电子眼测车速的原理和雷达反侦察抗干扰技术；讲解偏振光时，介绍偏振片眼镜、3D立体电影的原理.另外，还可以让学生利用所学知识解释生活中的一些现象，例如，在讲解角动量守恒定律时，介绍中国“梦之队”，播放中国跳水队员获得奥运会金牌的视频，先让学生仔细观察跳水运动员的动作：在空中收缩双腿和双臂，临入水时展开双腿和双臂，然后让学生利用所学知识解释其物理原理等.

学生通过学习和讨论，了解到生活中处处蕴含着物理知识，物理和我们的生活息息相关，真正体会到“物含妙理总堪寻”.这样，既讲解了物理原理，又指出了其应用方向，有助于学生开阔视野，提高科学素质和综合应用的能力.

2 利用计算机软件实现大学物理的数值模拟

目前，实验研究、理论计算和计算机模拟是科学研究的3种主要方法.运用计算机软件的数值计算、符号计算和图像显示功能，处理所需解决的问题，并将数据可视化(如二维和三维的可视化及其光照、色度等图像处理和动画等)显示，甚至是更高级的动态仿真模拟[6]等.根据教学的需要，在传统的教学中引用现代技术，适当加入MATLAB软件的应用，一方面使学生更加容易地理解所学的知识；另一方面，能够调动学生的学习兴趣和积极性，完成对所学知识的巩固和拓宽.

2.1 动画效果

对于一些比较抽象难懂的物理问题，可以利用软件对物理过程进行实时动态演示，表现方式形象且直观，能使学生产生浓厚的兴趣[6].例如，在讲授振动中的李萨如图形合成时，传统的方法是将分振动中的时间参数消去，得到横坐标和纵坐标之间的关系—轨迹方程，推导比较繁杂，一般的教材仅仅是直接写出频率比为1∶1的分振动轨迹方程，从而导致学生对知识的理解不够直观，限制了学生对知识的深入理解.为了弥补上述不足，可用编程的方法动态实现.图1为动态李萨如图形合成，以更直观的旋转矢量法来代替相互垂直振动的两个分简谐振动，合振动以动画的方式呈现出来，表现更为直观形象，形式新颖.另外，更改相关参量(比如振幅、频率和初相)的数值，可以直观并深入地了解分振动方程中各参量的影响，从而理解方程中各参数的意义和作用.利用动画技术可以形象直观地显示整个物理过程，再现真实的物理情景，从而加深了学生对于物理过程的印象，提高了学生的学习兴趣.

2.2 模拟和三维显示

课堂上，传统的教学很难讲解关于图像的显示，因此限制了学生的空间理解能力.利用编程的方法模拟实际的物理现象或过程，并利用三维显示技术再现结果，图2为编程模拟的夫琅禾费方孔衍射示意图.通过数值模拟，学生更直观、深入地理解物理定理、定律和现象，提高了教学效果.

2.3 色彩技术

真实的世界是一个多彩的世界，传统的教学方法难以表现，利用计算机模拟的方法可以实现图像的色彩化.图3为编程实现的红光圆孔衍射示意图，其中引入了色彩技术再现实际的物理现象，结果更真实可信.

2.4 实验数据的拟合

物理实验与物理理论相辅相成不可或缺.在物理实验中，所得数据需要经过一定的处理方可得到最终的结果.利用计算机软件进行数据处理并作图，可以大大减少学生手工绘图带来的实验误差，使实验结果更加准确.例如，共振法测量金属杨氏模量的实验中，金属的基频数据不能通过直接测量获得，而是需要依据附近位置所测量的共振数据画出曲线图再进行估算的方法获得，但是，人工所得曲线不够准确，不利于处理，导致实验误差较大.如果采用编程的方式对实验数据进行拟合，可以减少不必要的误差，并获得更准确的实验结果.

图1 动态李萨如图形合成 图2 夫琅禾费方孔衍射示意图 图3 红光圆孔衍射示意图

3 实行线上线下混合式教学模式

充分利用学校提供的教学平台优势，建立大学物理课程网站.网站资料齐全，每个章节包含PPT课件、微课视频、作业习题库、章节测试题、应用视频资料、课外拓展知识等.微课视频是根据具体的教学内容有针对性地设计，有些视频分成几个微片段，分为重点、难点、作业习题的讲解，作业习题课和章节测试题便于学生巩固对理论内容的理解.应用视频资料和课外知识拓展既开阔了学生的眼界，也提高了学生学习科学的兴趣.

在教学过程中，实行线上线下混合式教学模式，配合启发式、对比式、讨论式、探究式等教学方法，将大学物理教学分为线上学习、课堂讲授、线上交流讨论、线上作业或者测试、成绩评定5个阶段.

3.1 线上学习

学生登陆学习网站进行线上学习，线上学习分为线上预习、线上自主学习、线上复习3种学习模式.对于重点、难点的内容，教师提前发布任务点，要求学生进行线上预习，通过观看PPT课件和微课视频了解本次课程的内容，带着问题进入线下课堂学习，为课堂学习做足准备.对于一些比较简单的内容或者一些理论拓展知识，要求学生线上自主学习，通过观看网站提供的PPT课件、视频资料等内容加深对理论知识的理解.

另外，还录制了作业习题讲解视频，学生可以反复观看，有利于学生随时复习.学生学习物理知识不再受时间和地域的限制，可以通过反复观看教学视频，加深巩固所学的知识内容.

3.2 课堂讲授

在课堂理论教学中，采用启发式、引导式、讨论式等多种教学方法，利用课堂板书、多媒体课件和学习通平台，通过板书理论讲授、计算机软件数值模拟、动画演示等多种教学手段，使每一个教学环节都能激发学生学习的兴趣.在课堂上，教师不再“满堂灌”，教师可以提出问题，让学生分组交流讨论，然后派代表回答，教师再做补充.对于一些重点、难点的知识，教师可以重点讲授，加深学生的理解.鼓励学生把理论知识应用到实际生活中，使学生了解物理理论的应用和物理前沿知识.

3.3 线上交流讨论

由于课堂的时间有限，教师不可能在课堂上解决学生的所有问题，教师和学生线上交流的时间比较多，因此专门开辟了讨论专区.课堂结束后，教师发表本节课的讨论话题，鼓励学生积极参与讨论.学生也可以发表话题，互相沟通交流.另外，充分利用QQ或者微信软件，建立大学物理学习群，学生可以与教师随时交流，及时解决学习中遇到的问题.

3.4 线上作业或测试

学生学习完课程的理论内容后，教师要留作业考查学生学习的效果.以前收纸质版作业时，往往是第一次课的作业，上第二次课时学生收齐交给老师，教师批阅以后，最早第三次课发给学生.现在教师在网上平台发布作业，规定提交作业的时间.学生提交后，教师网上评阅，可以把问题及时反馈给学生，大大提高了批改作业的效率.在第二次课堂讲授的时候，教师就可以针对学生的作业问题进行重点讲解，作业反馈效率明显提高.章节学习完之后，学生还可以登录到网上完成章节测试题，提交后系统自动打分，便于学生了解知识的掌握情况，及时查漏补缺.

3.5 制定合理的成绩评价体系

制定合理的成绩评价体系，力求全面、真实反映学生学习的全过程.根据线上线下的学习情况综合评定学生成绩，其中线上占30%，线下占70%，线上成绩主要包括观看视频、作业、章节测试、主题讨论等，线下成绩主要包括课堂出勤率、课堂表现情况、期末考试等，综合评定给出学生成绩.课程考核的改革，更加注重学生平时学习的参与度，评测学生学了哪些知识、懂得了哪些理论、是否积极参与，从而最大限度地提高学生的学习兴趣，提高教学效果.

在教学实践中，发现学生比较喜欢线上线下混合式教学模式.对课程的任务点、章节测试完成率达到了99%以上，学生对课程网站的评价也很高.这也给了教学团队很大的信心，继续优化网站，争取更好的教学效果.

4 课程思政融入大学物理教学

教师的职责是“传道、授业、解惑”，不仅要传授学生理论知识，还要注重学生思想道德的培养.因此在课程中除了讲授专业知识外，还加入了思政教育.物理教学不仅要培养学生积极探索、实事求是、刻苦钻研的科学精神，还要培养学生具有正确的人生观、价值观[7-8].

4.1 中国科学家的励志故事

教师在对物理知识的讲授过程中穿插介绍中国科学家的故事，如，中国“两弹一星”功勋科学家的故事，“万能”科学家钱伟长“祖国需要就是我的专业”的励志故事，港珠澳大桥的总设计师孟凡超等.通过介绍科学家的励志故事，引导学生学习他们热爱科学、勇于探索、持之以恒的科学精神，培养学生的爱国情怀，增加学生的民族自信心和自豪感.

4.2 物理定律与生活中的道德、法规相结合

教师不仅要讲授物理知识，还要将其与生活中的道德、法规相结合，在讲圆周运动时，做圆周运动的物体都要受到向心力的作用，如果失去向心力的约束，将偏离圆周运动轨道而飞离出去，说明无规矩不成方圆.现实生活中，我们只有严格守法，遵循法律的约束，才能获得人身和学术上的自由，活出精彩有价值的人生.在讲动量定理时，可以就高空抛物被列入刑法进行介绍，利用动量定理对高空抛物进行定量的计算，使学生深刻理解高空抛物的严重危害.这样不仅应用物理知识解决了实际的问题，同时还让学生体会到遵守规则、法律的重要性.在讲牛顿第三定律时，由于任何物体都有作用力与反作用力，你给予他人什么，他人也会回报你什么，因此在日常的学习和生活中，要时刻铭记“己所不欲勿施于人”，不要事不关己高高挂起，“赠人玫瑰，手有余香”，在有能力的条件下尽力帮助他人等.这样既讲授了理论知识，又向学生传递了做人的道理，在“润物细无声”中培养了学生良好的道德品质.

4.3 科学素养与文学素养相融合

理科生不仅要有严谨的科学素养，也要有良好的人文素养.在课程网站中增加了科学素养与文学素养相融合的内容，如通过介绍一些诗词蕴含着的物理现象，提高学生的文学素养.学生不仅领略到诗词的魅力，还能引发对物理知识的思考，得到了科学与美的双重享受.例如，在质点相对运动中引用毛泽东的诗词《送瘟神》，“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，充分体现了运动的绝对性和静止的相对性；杜甫的《赠卫八处士》 “人生不相见，动如参与商”，把涉及运动的物理现象融入诗句中[9].在欣赏诗词美妙意境的同时也注入了科学的元素，引导学生多方面发展.

4.4 增加物理前沿知识

通过介绍物理前沿知识，让学生了解光伏发电、纳米材料、微波、低温、磁悬浮等知识，了解我国科学技术的发展，拓展学生的视野，激发学生学习科学的兴趣.不仅能使学生学习理论知识，还可以向学生展示最前沿的科学知识，了解当今科技的发展.学生心中有了目标，就有了学习的动力，在大学期间就不会彷徨迷茫，就会为了目标而努力.

5 结语

在“双万计划”的引领下，课程团队对大学物理课程进行了改革和实践，取得了一定的教学效果，与传统的教学相比，学生的综合应用能力明显增强.在以后的教学中，将继续总结先进的教学经验，及时更新网站教学资源，不断探索大学物理教学改革与实践，努力提升教育教学质量，建设大学物理一流本科课程.