新工科背景下大学物理课程教学设计与实践

2021-05-28 12:54王晶余花娃尹纪欣
科教导刊 2021年1期
关键词:大学物理新工科教学设计

王晶 余花娃 尹纪欣

摘 要 为了适应新工科人才培养的发展需要,从教学内容、教学模式、教学评价等方面,对大学物理课程教学设计进行了探索和实践,以期实现对学生分析解决问题的能力和创新能力的培养。

关键词 新工科 大学物理 教学设计

中图分类号:G424                                   文献标识码:A    DOI:10.16400/j.cnki.kjdks.2021.01.050

Abstract Based on the construction of the Emerging Engineering Education, the teaching design of college physics is studied and practiced from the aspects of teaching content, teaching mode and teaching evaluation. This study provides a certain way to improve students' ability to analyze and solve problems and develop students' creativity and innovatory consciousness.

Keywords emerging engineering education; college physics; teaching design

近年来,随着新一轮科技革命与产业变革不断深入,新兴学科不断涌现,学科之间深层次的融合越来越突出。在这样的背景下,新工科建设应运而生。新工科的内涵是:以立德树人为引领,以应对变化、塑造未来为建设理念,以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径,培养未来多元化、创新型卓越工程人才。[1]大学物理课程是高等院校理工科学生必修的一门基础课,课程中的基本概念、基本理论和基本方法是一个科研工作者或工程技术人员科学素养中的重要组成部分。因此有必要对大学物理课程进行改革,以适应新工科人才培养的需要。

传统的大学物理教学往往存在以下问题。第一,物理理论知识的学习较多,与实际工程应用衔接的知识学习较少。这样大学生在学习过程中,错误的认为所学知识与实际工程技术联系不紧密,学习中缺乏兴趣。而物理学知识是整个工程科学基石,目前科技发展日新月异,新兴学科或者多学科交叉的领域对物理学知识的要求越来越高。大学生如果缺乏应用物理学原理分析解决实际工程问题的能力,那么在后续课程学习或工作中,应用物理知识时会感觉十分困难。第二,传统教学模式以教师讲授知识为主,师生交流和教学互动较少。这种教学模式难以满足大学生自主学习和个性学习的需求,因而大学生学习的积极性不高。同时,大学物理课经常是多专业大班教学,在传统的教学模式中,教师想即时了解大班学生的学习效果也比较困难。第三,传统大学物理课程对大学生学习的考核评价主要是通过考试试卷。这样学生往往重视期末考试分数,而忽略了学习过程中的探索和创新。而在科技日新月异的社会发展中,大学生的自主钻研和创新能力是非常重要的。

针对以上问题,笔者着重从教学内容、教学模式和考核评价等三方面进行探索尝试,进行了大学物理课程教学设计与实践,以实现适应当前新工科人才培养的发展需要。

1教学内容与新工科专业相融合

首先,教学设计中应注重“理工融合”的理念,把物理知识和专业内容相融合。在大学物理教学中,應该注重物理知识对工程技术的支撑作用。在“新工科”建设的背景下,更应该重视“理工融合”,因此大学物理课程教学内容也要与时俱进,不但要讲物理知识,也要讲物理知识在其他工程技术上的应用。

目前新技术层出不穷,而这些工程技术的支撑就是物理、化学等基础学科。在教学中,讲述传统物理学原理在一些新工程技术中的应用,让学生体会很多新的创新和发明都是基于经典物理学原理和工程技术相融合。同时,在新一轮科技革命中,科学技术的创新在很大程度上也是依赖多学科深层次的渗透和融合,因此分析和解决这些技术上的难题是需要具有多学科领域的知识基础的。通过技术案例的分析和引用,不仅可以引导学生多学科交叉创新的意识,同时也可以培养学习兴趣。另外,物理学科也在不断发展中,教学中及时把物理学的最新理论和技术成果带入到课堂中,对丰富大学生的视野,提高大学生的科学素养都是有利的。

教学内容中的“理工融合”,不仅包括课堂上所传授的知识,还应该包括课后的创新培养。引导大学生对某物理知识相关的技术应用进行更深入的探索,从而培养其科学观察、分析和解决复杂问题的能力。大学生只有具有良好的科学素养,具有分析和解决问题的能力,才能以不变应万变,适应未来科学技术的飞速发展。

2采用线上线下混合式教学模式

混合式教学模式是利用互联网和大数据分析,把线下教学和线上教学结合在一起的教学模式。[2]利用这种教学模式,不仅可以有效的实现师生互动、个性化教学,也能帮助教师即时掌握学生学习情况的大数据。混合式教学模式可以实现以下教学环节。

课前,通过线上教学平台完成预习。现在几乎每个大学生都有一部手机,他们的交流、通讯、事物的分享几乎都在手机上完成,手机已经融入了大学生的校园生活。因此可以充分利用手机上的教学平台,来完成线上的预习。首先,教师录制一个15分钟左右的说课视频,简要说明下节课需要掌握的知识点以及应用的案例。学生按照说课视频的要求进行预习,并完成课前测。这样,通过教学平台的大数据分析,教师可以迅速了解学生对预习内容的掌握情况。同时,为了提高学生的学习兴趣,还可以利用此环节设置一些与课程有关的问题,让学生思考并在线分享,以促进学生的自主学习和彼此之间相互借鉴。

课堂教学中,利用线上教学平台的互动环节实现翻转课堂。大学物理课经常采用大班教学,因此在传统的课堂上,如果设计“答题”“投票”等互动教学环节,需要花费大量的教学时间。同样由于时间限制,传统课堂上答题的学生只能是少数,教师无法掌握全班学生的课堂学习情况。而利用线上教学平台的实现教学互动后,每个学生都能快速参与答题等互动环节等,同时通过大数据分析,教师也能迅速掌握学生对知识点的学习情况。这样不仅提高了师生沟通的效率,教师也能设置更多的互动环节来增强课堂的趣味性、调动学生学习的积极性。

课后,利用线上平台进行知识拓展和进一步的创新培养。教师在线上为大学生推送多样化的教学资源,例如视频、动画以及科技前沿等内容。学生可以根据自己的专业和学习情况,个性化的选择内容进行学习。同时,为了培养学生的自主学习和积极性,还可以利用线上教学平台的讨论区,鼓励大学生利用所学的知识讨论、分析实际问题或应用案例。这些讨论的案例可以由教师推送,也可以由学生自己选择,目的在于开拓思维,培养理工科学生科学观察、分析和解决实际问题的能力。最后,为部分学有余力的大学生创造条件,鼓励他们进行更深一步的创新训练。比如教师可以根据自己的研究课题,在线上发布相关的设计性实验题目,以培养创新能力为目的,开展大学生科研训练项目。

3教学评价应包括学生深度学习能力的评定

教学评价是对教学活动现实的或潜在的价值做出判断的过程。在对学生学习结果的评价方面,传统教学中主要是通过期末考试分数对学生学习结果进行总评。这样的评价方式让学生过度重视期末考试分数,而忽略了课程学习中对自己学习能力和创新能力的提高。深度学习[3-4]是以思维和创新发展为目的的学习,不仅包括自主获取知识的能力的提升,还包括高阶思维以及解决复杂问题能力的提升。这正是新工科人才所需的科学素养。因此,对学生课程学习的评价,不仅要包括知识的掌握情况,还应该重视大学生在学习大学物理过程中其解决问题的能力、创新能力的提升。在大学物理课程的教学评价上,可以归纳为以下几个方面。第一,通过学生平时的互动教学环节、作业、测试等进行知识掌握情况的评价。第二,根据学生平时主动学习的表现、分析解决复杂问题的表现等进行学习能力的评价。第三,利用课外创新项目等表现进行实践创新能力评价。第四,对课程期末考试的分数进行考核评价。

4以“感生电动势”为例进行教学设计

这里以大学物理课程中“感生电动势”的内容为例,进行翻转课堂教学设计与实践,教学流程如图1所示。

首先在线上布置预习任务。学生通过线上观看教师录制的“感生电动势”说课视频,了解本部分学习的重点和难点内容。然后教师选取几种感生电动势在工程应用中的案例,比如与机械类专业有关的“制动能量回收系统”,与测控技术相关的“涡流传感器”,与生物专业相关的“经颅磁刺激技术”等,让学生按专业或兴趣选择案例,分析并在线上分享视频。由于学生在中学已经学习过感生电动势的概念,预习课程后能够应用感生电动势的概念对上述问题进行简单分析。通过线上自主预习,一方面学生体会到感生电动势与工程应用的密切联系,另一方面也能引导学生关注物理与不同学科交叉融合的创新,还能通过不同专业领域知识的分享,引导不同专业的学生相互借鉴学习,提高学习兴趣。

在课堂教学中,采用线上线下混合式教学模式,让学生全程参与到教学中来。首先教师选择部分学生的线上分享视频进行点评,然后结合这些应用引入课程内容。在讲解难点内容“感生电场的环路定理”时,可以把“感生电场的环路定理”与“磁场的环路定理”相类比来加深学生的理解。类比总结如表1所示。在这里可以充分利用线上教学平台,逐步引导学生学习运用“类比推理”的方法分析和解决问题。比如随着对“感生电场的环路定理”循序渐进的讨论,在线上教学平台发布互动,让学生依次思考并回答“哪个电磁学定理和感生电场的环路定理类似?”“两个定理的数学形式有何类似?”“两个定理的物理含义有何类似?”“两个定理中磁场强度线或感生电场线的绕行方向有何不同?”“两个定理中磁场强度和感生电场强度的求解方法是否类似?”等问题。同时,通过互动的大数据,教师即时了解学生的学习情况,对某些疑难问题进行解答与分析。

课后,在线上为学生推送多样化的教学资源。这些教学资源主要包括两方面,一是与课堂知识点密切相关的动画和视频等,二是感生电动势在其他科技领域的应用以及部分技术前沿介绍。为了培养学生科学观察、分析和解决问题的能力,激发大学生创意创新,引导学生在线上讨论相关技术应用(例如无线充电等)还有哪些方面有待提升、有哪些新技術是运用了类比推理的方法等。最后,教师结合学生的专业,以培养创新能力为目的,帮助部分学有余力的学生开展大学生科研训练项目。

最后,通过线上大数据结合线下教学等对学生的学习进行评价,同时教师根据学生的学习效果对教学工作进行进一步改进和反思。

5结束语

作为高等院校理工科专业学生的基础课,大学物理课程的重要性不言而喻。为了适应当前新工科人才培养的发展需要,尝试从教学内容、教学模式和考核评价等三方面对大学物理课程进行了教学设计和实践,以达到培养学生深度学习能力和创新能力的教学目的。

参考文献

[1] 钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究,2017(03):1-6.

[2] 王鉴.论翻转课堂的本质[J].高等教育研究,2016,37(08):53-59.

[3] 郭华.深度学习及其意义[J].课程.教材.教法,2016,36(11):25-32.

[4] 安富海.促进深度学习的课堂教学策略研究[J].课程.教材.教法,2014,34(11):57-62.

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