新工科背景下建筑类高校大学物理教学改革探究

刘艳玲，古金霞，梁春恬，田 维，宋 峰

(1. 天津城建大学 理学院，天津 300384；2. 南开大学 物理科学学院，天津 300071)

伴随着世界多极化格局深入调整和全球科技产业的深刻变革，新一轮科技革命和产业革命蓄势待发. 2020年10月，十九届五中全会通过了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二○三五年远景目标的建议》，“十四五”规划建议中提出了拓展投资空间、强基础、补短板、两新一重等“十四五”期间重要的投资方向. 新老基建共同发力，构建系统完备、高效实用、智能绿色、安全可靠的现代化基础设施体系. 随着数字经济蓬勃发展，数字技术将继续渗透到建筑的各个方面，彻底改变建筑与建筑物的交互方式，在新的经济模型中打破了真实建筑物与虚拟建筑物之间的界限，智慧城市建设乘风破浪. 因此，新的经济环境和新的产业结构升级对建筑类应用型人才的培养提出了新的挑战[1].

在建筑类高校中，大学物理作为高等院校理工类各专业大学生的一门重要的公共基础必修课，涉及土木工程、建筑类、能源与动力工程、环境工程及材料工程等各专业，是通往工程技术科学及自然科学的桥梁，是各分支学科、交叉学科和新兴学科产生和发展的基础，在培养学生的逻辑思维、创新能力及应用意识等方面起着不可替代的作用，已成为新工科专业技能的基础[2,3]． 教育部将新工科的主要内容归纳为“五个新”，即工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量和分类发展的新体系[4].

长期以来，大学物理课程教学一直以教师课堂讲授为主，其弊端也在不断显现，在科学技术及行业需求的驱动下，尤其需要教学改革创新，突出学生的中心地位，探索适合自身发展的教学改革之路. 网络和信息技术的迅猛发展，新时代教育教学形势的引导，为“大学物理”课程教学改革提供了可行的解决方案.

1 新工科背景下对建筑类人才提出的新要求

作为建筑类专业学生，承担着实现未来“新基建”的重要使命和责任，智慧城市建设对建筑之间的信息互联、互通提出了更高的要求，智慧建筑要求建筑、人和环境三者协调发展，因此，学生在拥有精深专业知识的同时，应具备良好的人文素养，掌握人类文化、人文思想、社会政治经济制度知识；具备较强的实践能力，克服学校人才培养与企业人才需求间的严重脱节；具备创造性、分析性、计算性、实验性的科研创新能力，能运用掌握的知识去分析问题、发现问题、解决问题，满足社会对人才创新能力的要求[5,6]. 在新工科背景下，如何让广大学生真正的掌握大学物理知识，并有效衔接各专业，是亟待解决的问题.

2 大学物理教学中的“痛点”

1) 课程难度较高，学生畏难情绪突显

大学物理课程包含力学、热学、光学、电磁学和近代物理五部分，教学内容涉猎宽泛且难度高，授课与解题时需要借助微积分、线性代数等知识，对高等数学的知识储备要求高；学生往往把学习重心放在识记公式上，不注重各章节间的内在联系，不理解研究物理问题的思路方法，觉得大学物理内容“新、多、难”，从而导致学生的学习积极性逐渐下降，甚至出现厌学情绪.

2) 授课学时受限，学生当堂掌握难保证

按照教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会指导意见，建议大学物理课程学时数不少于126学时，可根据实际教学情况进行调整．因专业需求不同，我校大学物理课程分别设置了大学物理A(96学时)、大学物理B(80学时)和大学物理C(64学时)，局限于有限的授课学时，教师授课的进度势必加快，学生开始学习时还可以跟上进度，积极性也较高，但随着课程的加速推进，学生的课堂掌握度逐渐降低.

3) 教学模式单一，学生对课程认知不足

大学物理课程常见的教学模式是，教师在固定的课堂、固定的时间进行授课，学生“被迫学习”，学生一旦习惯于“教师讲，学生听”的教学模式，就容易形成思维定势，引导学生创新思维、批判性思维训练和科学精神的作用自然缺失[7]．同时，这种模式也在一定程度上造成了大学物理课程与后续专业课程的结合度、支撑性不足，让学生产生大学物理课程学无所用的错误认知.

3 新工科背景下大学物理的教改探究

以学生为中心，以专业和产出为导向，秉承“物理-现象-应用”的教学思路，根据新时代高等教育及新工科对大学物理课程教学提出的新要求，采用精炼教学内容、更新课程体系、扩充教学资源、丰富教学方法、拓展教学形式、创新教学模式、优化教学组织、完善教学评价等方式方法，构建“课内与课外”“理论与实践”“教学与育人”相结合的大学物理课程育人体系，实现大学物理课程知识技能、过程方法和情感价值的培养目标，实现对学生知识、能力和素养的协同培养. 如图1所示.

图1 大学物理创新教学育人体系

1) 精炼教学内容，更新课程体系

以学生为中心，根据不同专业对物理知识的需求确定教学内容体系，对不同专业提炼与专业知识联系紧密且有工程实践应用的题目，让学生认识到大学物理课程的实用价值，从而激发学生对大学物理课程的重视.

2) 扩充教学资源，丰富教学方法

录制特色微课：按照“教学目标→核心知识→典型例题”的逻辑对重点内容录制微课30余个，加深学生对核心知识的理解.

趣味物理讨论：如多普勒效应讨论“如何寻找失联的马航？”；相对论讨论“假如你坐宇宙飞船环球旅游，十年后回来你的双胞胎妹妹多大？”；碳基有机太阳能板让摩天大楼自发电将不再是梦想等，激发学生兴趣.

建立作业库：对应上课内容设置课后作业，提交后即刻在线批阅并给出详细解题过程.

成果展示平台：鼓励学生利用所学知识开发小实验，制作形象化动画，进而参加科学普及活动，增强社会责任感.

设置自测题库：学生可以根据自身情况进行自测，判识对课程的掌握度.

3) 拓展教学形式，创新教学模式

以“问题引入→知识讲解→例题解析→拓展空间→课程思政”的思路进行课程设计，拓展教学形式．

问题引入：激发兴趣，包括科技前沿、名人轶事、趣味话题等，特别是结合我校各专业的优秀科技成果和工程应用实例，让学生真正的意识到物理学有所用、怎么用、服务谁、价值在哪里、与专业方向衔接点在哪？(见表1). 知识讲解：夯实基础，突出重点；典型例题：解析难点；拓展空间：学以致用(有限元多物理场耦合仿真模拟案例开发近20个，模式见图2).

图2 有限元模拟仿真光的杨氏双缝干涉以及电介质的极化现象

采取三结合创新教学模式：

“课内与课外”相结合. 在移动互联网络环境下，实现课堂与课外并重，教师构建系统化和碎片化相结合的教学设计，学生在课前通过智能手机等移动终端学习教师提供的微课视频和PPT，完成对知识的接纳，课上通过提出问题、讨论问题、解决问题完成对知识的吸收，课后运用线上线下多种学习和交流工具完成对知识的合并，从而实现知识内化，增强学生学习的热情，提高学生的学习能力.

“理论与实践”相结合. 通过“教师引导、学生主导、团队合作”的方式，带动学生参加各种创新创业类、科技活动类竞赛和实践活动，培养学生的自主学习能力和创新能力.

“教学与育人”相结合. 教学过程中有机结合物理的认知发展史和反映认知规律的典型案例，潜移默化地向学生传递正确的逻辑观、思辨性、人生观，实现对学生的价值引领，做到物理知识传授的显性教育和思政教育的隐性教育相统一.

4) 优化教学组织，完善教学评价

课前，教师提供自学内容，如：课程平台筛选的在线视频、章节重点内容、微视频、课前测试等. 课中，情境设置导入新课内容；多媒体与板书结合授课；探讨式互动；典型例题分析；工程应用案例；科技前沿渗透等. 课后，重点内容总结；知识面拓展；线上讨论及答疑解惑；学习小组讨论；项目式探究学习等.

教学评价上突出“过程化考核”，将线上平台学生的课前预习、课堂互动、线上讨论、课后作业、社会活动参与等分别设置各项权重，融入评价机制，过程评价组成做到有理有据、公平公正，学生的平时成绩如图3所示，平时成绩=考勤(10%)+作业(10%)+章节测验(10%)+课堂互动(20%)+讨论(20%)+线下(30%).

表1 本校各专业科技攻关成果与大学物理知识点融入

续表

图3 学习通成绩权重设置

4 “大学物理”课程教学创新效果

4.1 扩展教学时空，突破授课学时限制

结合当前大数据时代信息技术、互联网以及智能终端广泛应用的背景，团队依托超星学习通平台开发了教学重点难点、微视频解惑、典型例题回顾、一课一练、自测与巩固等多个模块，学生通过提前预习、在线练习和课后回顾等方式在网络平台自主学习，对于重难点，可以反复观看视频进行巩固掌握或通过网络平台及时与教师沟通交流，突破了时间和空间限制，将学习和互动做到“时时、处处”可见.

4.2 解决“新、多、难”，激发学生主动性

统计分析全校各专业约1 700名学生近3年的大学物理卷面成绩，如图4所示，不及格率整体呈下降趋势，平均分亦明显提升.

图4 近3年“大学物理”课程不及格率和平均分成绩统计

4.3 以赛促学，提升学生创新能力

通过指导学生实践项目与参加各类竞赛，将“大学物理”课程的理论知识和实践应用紧密联系起来，践行学科间交叉融合，激发学生学习主动性的同时引导学生创新能力，由“被动教”转为“主动学”. 近三年，我团队指导了天津市级、国家级5项大学生创新创业项目；全国大学物理实验竞赛(创新赛)、天津市普通高校大学生物理竞赛、“挑战杯”天津市大学生课外学术科技作品竞赛、天津市大学生创客马拉松大赛、中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛等各类竞赛获奖近四十余项.

5 结束语

在新基建+新工科时代的呼唤下，大学物理教学改革刻不容缓，本文结合大学物理教学中的“痛点”，借助互联网+智能终端，采用适合学生时代特点的教学方式，解决“新、多、难”棘手问题，激发了学生主动性，扩展教学时空，突破授课学时限制，同时创新教学模式，以赛促学，让学生真正的体会到物理学有所用，做到学以致用.