新工科背景下物理教学多维度改革探索与实践

何丽娟　李大伟　赵磊　陈春天

[摘 要]在新工科及双一流建设的背景下，教师需探索出一套适合创新能力培养的行之有效的大学物理教学方案：以培养学生提出问题、分析问题与解决问题的能力为基本目标，以解决实际问题为载体学习科学研究的方法，在物理教学中激发学生的内在学习兴趣，提高学生自主学习的意识与潜能，培养学生研究性学习能力与创新能力。经过多年的教学实践证明，建立教、学、实践“一体化”的新型教学模式，不仅能促进学生知识应用能力的提高，也能促进学生研究性创新能力的提高。

[关键词]研究性学习;创新能力培养;物理教学模式

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）06-0093-03

近年来，国家对工程人才的要求越来越高，需求越来越大，工程教育改革迫在眉睫。“新工科”建设在这样的背景下应运而生。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，以期培养未来多元化、创新型的卓越工程人才。同时，世界一流大学和一流学科建设，简称“双一流”，是中共中央国务院做出的重大战略决策，亦是中国高等教育领域继“211工程”“985工程”之后的又一国家战略，有利于提升中国高等教育综合实力和国际竞争力，为实现“两个一百年”奋斗目标和中华民族伟大复兴的中国梦提供有力支撑。为实现“新工科”建设和“双一流”建设目标，高校的主要任务就是培养拔尖创新人才及提升科学研究水平。

高等教育的根本任务是人才培养，即不仅要培养高素质、厚基础的人才，更要培养具有实践能力与研究性创新型的高质量人才。学生是学校培养的主体，教学工作要以学生为主开展。因此，以人才培养为目标的一切教学活动应以学生为中心是学校教学行为的一个基本教学理念。“以学生为中心”的教学本质应该是在教师指导下的学生自主型研究性的学习，这一模式强调在教师引导与激励下的学生自主学习、创新实践和综合发展。其核心是充分激发学生内在学习兴趣和动力，教师不仅传道、受业、解惑，更肩负激发学生主动探究兴趣、培养学生实践能力和创新精神的重任。因此，教师应对课程讲授方式开展多模式的改革与尝试，以促进高等教育进入全面提高质量、内涵建设、协同创新的发展阶段。同时，创新意识与创新能力的培养也是落实科学发展与实现科技强国战略的迫切需要，是21 世纪中国高等教育改革的热点与重点问题。

德国大学将科学研究引进教学过程的改革使德国在几十年内一跃而成为拥有世界上最先进大学制度的国家。 美国大学创造性地继承了德国大学的做法，建立了历史上第一所研究型大学——约翰·霍普金斯大学，更加强调研究在大学教学中的地位和作用。但是由于长期以来研究型大学过分强调教师的研究，以及高等教育大众化的到来等原因，导致了教学与研究从统一走向分离，出现了重科研轻教学、知名教授极少给本科生上课、学生解决实际问题的能力下降等现象。后来美国开始重构大学本科研究型教育，各个大学纷纷创设或者扩展原有本科教学计划，形式多种多样，如 MIT 的大学生研究计划、独立活动计划、工程实习项目、综合研究项目、回归工程计划以及新生研究指导计划等。近年来，欧洲研究型大学逐渐认识到，大学的科学研究必须与本科教育紧密结合，本科生教育不能孤立于研究活动之外，应该成为大学不可分割的组成部分。我国研究型大学近年来在课程教学和实践教学等方面开展了本科研究性教学的实践活动，如清华大学实施本科生“学生研究训练”，浙江大学增设综合性、研究型、项目化课程及实施大学科研训练计划等。

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及其轉化规律的学科。它的基本理论渗透到自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是自然科学和工程技术的基础。以物理学基础为内容的大学物理课程，是高等学校理工科学生一门重要的通识性必修基础课，该课程所讲授的重要的基本概念、基本理论和基本方法是学生科学素质的重要组成部分，是一个科学工作者和技术人员所必备的。大学物理蕴含着极其丰富的创新思维，从古希腊的亚里士多德、阿基米德到伽利略、牛顿，再到近代物理的普兰克、爱因斯坦等，这些物理学家们的创新性思维推动了人类科学的进步。正如习近平主席指出，当前世界正处在新科技革命和产业革命的交汇点上，科学技术在广泛交叉和深度融合中不断创新。而我国能否从科技大国走向科技强国的关键在于人才培养的质量高低，而大学物理教学在创新人才培养方面应该发挥独特的重要作用。

虽然近些年随着大学物理教学改革的不断深入，大学物理教学在教学内容、教学方法和手段等方面都有了很大的改进和提高，但是仍存在许多不足，无法满足新工科背景下人才培养的需要。教学内容上，尽管大多高校都加强了近、现代物理内容的教学，但在用现代物理观点审视和改革经典物理、用普通物理方法阐述近代物理以及在经典物理中增加应用技术内容等方面明显不足，无法真正贯彻和实现“普通物理现代化和现代物理普通化”的思想，更不利于培养学生的工程能力和创新能力。在教学方法和手段上，尽管大多高校都尝试采用了参与式、讨论式、渗透式等多种先进的教学方法，但总体上仍主要以“灌输式”方法为主，整体教学效果并不理想。针对目前大学物理教学的现状，如何在教学内容、教学方法和手段、提高教师工程素质等方面进行全方位改革，真正发挥大学物理课程在培养和提高学生创新能力与科学素质方面的优势，实现大学物理在跨界复合人才培养上的支撑指导作用，是目前我国高等学校新工科建设面临的紧迫任务。因此，本文从大学物理“教什么”“怎么教”两个核心层面，探讨新工科背景下跨界创新人才培养及各个专业工程教育认证对大学物理教学提出的要求，以及与之相适应的改革，以便促进大学物理整体教学水平的不断提高。

一、教与学模式的改革——研究性教学模式

（一）问题导入式教学模式

学习始于学习者的注意，而影响注意的一个重要因素就是兴趣，兴趣是学生积极探究某些事物产生与发展的动力。一个实际生活中的问题可以很好地激发学生的兴趣与好奇心。我们改变了传统的教学模式，采用以问题研究为导向，围绕系列综合物理现象展开物理教学和实践的教学模式。例如：围绕“望远镜”相关现象，将单透镜望远镜、伽利略望远镜、开普勒望远镜的制作和几何光学、波动光学中光学成像的放大率、清晰度、分辨率等相关知识相结合展开学习;围绕“气球降温——冷气球”和“热表面水珠的莱氏星星”现象和形成机理，将热学中体积功、热传递、热力学第一定律、热力学第二定律和流体相关的基础知识和实践相结合……近5年来，我们总结了80多个这样具有代表性的趣味现象及其相关的理论和实践教学方案，在教学中鼓励引导学生去思考实际问题的物理本质，把所学物理学原理与实际生活相结合，即从如何分析问题到对实际问题进行简化近似、建立数学模型和概念模型，再到运用相应物理学原理来解决问题等一系列分析处理方法。学生反映这样的教学模式使自己很容易理解所学物理学的各项原理，再也不需要生硬地记忆各种定律的公式了。

（二）采用同伴教学法，实现课堂翻转

在传统的讲授教学方法中，学生是被动的倾听者、接受者，他们的注意力主要集中在对知识点的掌握上，而不是对知识的探究式学习上。同伴教学法最先应用于哈佛大学的基础物理课程中，变传统单一的讲授为基于问题的自主学习和学生之间的合作探究。教学中坚持以学生为主体、以教师为主导的教学理念。教师在教学过程中就精讲的重点、难点、疑点和关键点等教学内容，启迪学生的思维，营造一个师生互动、生生互动和激发学生学习兴趣、引导学生探究及翻转课堂的学习环境。教学中教师从学生现有的知识水平出发，通过一些影响学生认知能力的问题不断地对学生进行激励、唤醒与鼓舞，来引发学生学习的自主性，引导他们之间的合作学习，进而使其获得新的认识和产生新的思想，达成思维、情感与意志的和谐发展。课堂教学中为学生设计了相互讨论、合作学习的环节，让学生有机会在相互争辩、讨论、交流中共同解决问题。这样，他们会对物理概念形成更丰富、更深刻的理解，同时学会与他人进行合作、交流、协商和共享经验。学生在与他人的相互接触、相互影响之中，得到更完善的发展。

教学中还注重鼓励学生的质疑精神和批判性思维。我国一直有尊师重教良好风尚，学生很难去怀疑老师，学生不敢也不爱提问题，这就很大程度上制约了学生探究性思维及创新能力的培养。在实际教学中，我们鼓励学生阐述自己观点，倾听别人的陈述和批评，在获得更多信息的同时反思自己和别人的观点，评价不同的概念和观点的科学性，通过思辨得出新的结论，并清楚地表达自己的看法。具有这样灵活性和适应性的学生，比起那些仅仅掌握了专门知识体系的学生，更有可能进行创新与创造。

二、实践创新——构建创新第二课堂

（一）开设系列创新选修课

作为对大学物理课堂教学的实践与创新能力培养的进一步深化，我们在全校范围内分阶段地开设“物理创新基础（公共）—物理创新应用（公共）—物理创新设计（实践）”教学和实践一体化的创新课堂选修课。具体做法是采用每年从各国征集来的国际青年物理学家锦标赛的题目，围绕解决给定的实际物理问题的基本知识、理论分析、实验方案、结果讨论等进行开放性的探索与研究，学生需对多个给定的物理实际问题在理论模型与实验平台搭建等方面展开一系列的合作及探究。这些题目贴近生活，开放度大、研究性强，考察面广，很少甚至几乎不设置限定性条件或参量，而是由学生在研究中充分调动开放性思维，考察各种不同的情况（实验条件）、实验参量等对研究结果的影响，没有统一标准答案。其对于提高大学生的创新能力与综合素质等方面发挥了独特作用。

（二）实践创新：指导学生自制物理教学演示仪器

教育家苏霍姆林斯基说：“上课要有趣，课上得有趣，学生就可以带着一种高涨的、激动的情绪从事学习和思考，对前面展示的真理感到惊奇和震惊。”演示实验不仅可以建立直观的教学情境以激发学生进一步探索的兴趣，还可以促进其将已掌握的理论知识运用于实验现象分析。演示实验在物理教学中的地位不可替代，甚至可以说一节物理课如果没有演示实验是不完整的，因此，可以说演示实验是物理教学的重要辅助手段，也是提高物理教学效果的一种有效措施。而我校大学物理教学中演示实验一直是空白的。我们利用创新第二课堂组织指导学生自己设计制作物理演示仪器。起初，学生感觉太难了，无从下手。在教师的指导下，他们慢慢产生了浓厚的兴趣，对物理现象的好奇逐渐转化为对物理知识探究学习的动力及不断探索的积极性。从购买一件件材料部件开始，到最终搭建出可以展示预想或超出预想的实验现象，学生的实践动手能力、创新思维与创新能力得到了很大提高。他们的作品有基于半导体材料温差电动势的“手触式蓄电池”、基于电磁学原理的“电磁阻尼演示仪”、基于超导材料的“磁悬浮列车演示仪”、基于波动光学的“多缝衍射花样动态演示实时显示装置”等10余项装置。

（三）创新成果和学术规范：指导学生撰写学术论文

指导学生撰写学术论文是一项针对本科生的必要学术训练，指导学生进行科学研究总结并用规范的学术语言写成学术论文，这个过程完全不同于常见的知识传授的应试教育过程，学生在掌握基本理论、基本知识和基本技能的基础上综合运用各方面知识进行首次学术创新的过程，也是全面提高本科生自身综合素质和培养初级科研能力的过程，是必要的学术训练和学术规范教育，是一种名副其实的创新教育过程，也是培养本科生创新意识和创新能力的有效途径。依托开设的创新课堂，我们指导本科生撰写学术研究成果，目前已在《大学物理》等刊物发表10余篇学术论文、申请获批20余项实用新型专利;指导大学生参加创新创业训练项目10余项、参加大学物理演示仪器设计竞赛获奖10余项。

三、以物理竞赛为依托，加强创新能力培养

面对大学物理理论教学学时一再压缩的新形势，要提高教学质量，我们尝试以大学生物理学术竞赛为载体，将有限的课内教学延伸至课外的实践探索，在实践中培养学生的创新意识与创新能力。

大学生物理学术竞赛是借鉴国际青年物理学家锦标赛的模式，在全国高校本科学生中开展的一项学生团体学术赛事。该竞赛摆脱应试教育的模式，体现知识学习与探索实践相结合、物理学与日常生活相结合、学术能力与人际交往能力相结合、个人与团队合作相结合的理念。每届竞赛都是在全世界范围内的物理学家中征集题目，内容涵盖力、热、光、电等与日常生活或工程技术密切相关的实际物理问题，使学生认识到物理学不是抽象的理论体系，而是反映自然界甚至就是身边的非常有趣且活生生的问题。题目具有开放性，即所有赛题都没有现成的标准答案。学生在研究中，需要充分调动开放性思维，多次尝试不同的实验条件、采用不同的实验方案、讨论不同的实验参量对实验结果的影响等。也正因为如此，该项赛事非常具有挑战性。

我校已经连续6年举办了这项竞赛，学生报名非常踊跃，参赛人数由首届的39支队伍增加到今年的130支参赛队伍670多人，涵盖了我校23个的理工科专业，不仅有作为主力的大二的学生，更是吸引了许多刚入学的大一新生。通过对竞赛题目的探究，学生们主动获取知识与信息的能力、建立物理与数学模型的能力、应用数值计算与仿真工具软件的能力、采集与处理实验数据的能力、逻辑推理能力与创新能力与综合素质均会得到一个质的提升。

四、结语

研究性教学是运用科学研究的方式、思维来组织教学，激发学生的学习兴趣和学习自主性和创造性，培养学生发现问题、解决问题的能力，提高学生的实践、创新能力。我校经过几年的探索，基于研究性学习与创新能力培养的物理教学模式改革取得了一定的成果，是培养学生创新思维和创造力的有效途径。

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[责任编辑：刘凤华]