新工科背景及交叉学科人才培养模式下的大学物理学教学改革探析

徐铭泽 张挺耸

摘  要：新工科以新一代信息技术为核心，以创新和突破为目标，注重学科交叉融合和跨界整合，旨在解决工程技术人才培养与生产和创新实践相脱节的问题。“大学物理学”作为一门通识教育课程，与各工科专业有着千丝万缕的联系，对于工科的发展起着非常重要的作用。大学物理学教学需要顺应新工科的发展形势，树立“以工程能力为核心”的工科大学物理学教学理念，建立学科交叉融合的大学物理学教学观念，打造具有新工科观念的大学物理学教师队伍，探索“产学研”深度结合的大学物理学教学模式，为新工科人才的培养做出贡献。

关键词：新工科;交叉学科;人才培养;教学改革

中图分类号：G420     文献标识码：A     文章编号：1673-7164（2022）02-0129-04

随着经济的不断发展，科技的日新月异，未来新兴产业和新经济形式对传统的工科领域产生了较大的冲击。研究表明，我国的工程类教育在世界范围内首屈一指，国内高校工科在校学生占高校总人数的30%以上，但实际上我国的工科专业教育仍存在着一些问题亟待解决，如工科教学和理科教学之间的界限较为模糊、传统的工程教育与新兴产业之间存在脱节。而且资料统计显示，到21世纪20年代，我国一些信息技术及电力产业的人才缺口现象将会非常严重[1]。为了应对新一轮的科技变革，我国教育部提出了建设“新工科”的计划，先后召开了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”三次会议，旨在探索工程教育的中国模式[2]。

在“新工科”中，“工科”是指工程学科，“新”包含三方面含义，即新兴、新型和新生[3]。新工科以创新和突破为目标，以交叉融合为手段来培养“新工科”人才。中科院院士、复旦大学常务副校长包信和指出，新工科背景下所要培育的人才应是复合型、综合性人才，应具有广泛的学科交叉背景。学生要具备整合能力、全球性视野、领导能力、实践能力，成为人文科学和工程领域的领袖人物[4]。培养富有创新精神和实践能力的各类交叉学科人才已经成为我国的重要战略目标。

高校的人才培养和课程设置紧密相关，因此，要培养优秀的新工科人才，必然要从提高课程质量和优化课程内容入手。大学物理学作为一门通识教育课程，和工科专业有着紧密联系：18世纪60年代开始的第一次工业技术革命以蒸汽机应用为标志，它是牛顿力学和热力学发展的结果;19世纪70年代开始的第二次工业技术革命以电力的广泛应用和无线电通信为标志，它是电磁学发展的结果;20世纪40年代兴起并一直延续至今的第三次工业技术革命是相对论和量子论发展的结果。由此可见，大学物理学对于工科的发展起着非常重要的作用，为了适应“新工科”的建设，大学物理学教学改革也势在必行。

一、新工科背景下大学物理学课程亟待解决的问题

（一）理科和工科的大学物理学教学内容

长期以来，工科与理科的大学物理学教学内容差别较小。理科教学是将力学、热学、电磁学、光学及量子力學分为不同的课程分别教授，而工科教学只是将这些内容合并到一门课程中教授，在内容上仅缩减了一部分知识，并没有太大的区别。物理学教学普遍存在重理论轻实践的现象，对工程类人才培养目标的定位不够准确。工科人才的培养目标与理科人才不同，需要在实践中解决复杂的工程应用问题，而不应按照培养科学家的模式培养工程技术人才。实践教学的缺失会影响学生利用理论知识解决实际问题的能力，降低了物理学对工科专业的影响，也会使工科学生产生不重视实践环节的想法，从而降低了学生理论联系实际的能力。

（二）物理学教学缺乏与其他学科之间的交叉融合

当今世界的发展趋势以及我国未来发展规划表明，学科之间的交叉融合已经势在必行，但目前我国学科交叉融合发展还处于初级阶段。高校中各个院系仍采用单一学科建制，学科与学科之间的交叉融合仍然不够完善，从课程建设方面有所体现。以“大学物理学”课程为例，理工科的各个专业都将大学物理学课程作为一门公共基础课，虽然从形式上实现了物理学科和各学科之间的交叉融合，但是课程内容还需进一步调整。尽管大学物理学在课程内容上较为完整和系统，但没有从培养交叉学科人才的角度来通盘考虑，各个院系的大学物理学教学大体一致，没有体现出各个专业之间的特色和区别，所教授的理论内容并没有根基各个专业的特点来有所侧重并删减。使得学生难以从学科交叉的角度来掌握与自身专业密切相关的物理知识，不利于将学科交叉的思想融入学生的学习观念中。

（三）教师本身缺乏学科交叉的观念

教师在整个教学体系中依然起着主导的作用，无论是在讲解知识抑或在传授思维模式上，都起着决定性作用。部分教师自身没有参加过关于“新工科”理念的培训，或者本身的科研方向没有“学科交叉”的因素，使得其自身不具备学科交叉的理念，不能很好地把握“新工科”背景下人才培养的模式及授课的思路。此外，企业所需人才和学校培养人才之间存在着“不对接”的现象，这也是“新工科”背景下国家和社会暨需解决的问题，需要教师改良教育思路，优化陈旧的教育模式。当前部分教师对当今企业的发展趋势以及企业所需人才的类型缺乏了解，无法根据实际情况改革课程，无法解决企业用人和学校培育人才之间存在偏差的问题。

（四）“产学研”模式有待进一步强化

科技的进步与当今社会的发展已经密不可分，国家也越来越重视科技成果转化及人才培养模式优化的问题。以推动科学研究面向产业创新需求，形成科技发展与产业发展共同进步局面的“产学研”模式，在此背景下应运而生[5]。但就目前的发展状况来看，科研和教学之间的结合有待进一步加强，虽然有很多高校已经开始让本科生接触科研训练，但是训练范围依然有限。从课程内容上看，如何让更多的学生在学习基础知识的同时，了解和接触科技前沿以及将理论知识进行实际应用，这也是当前需要解决的问题;从课程设置上看，如何让学生真正将所学内容和相关产业进行有机的结合，也是物理学教学需要面临的挑战。

二、新工科背景下交叉学科发展的现状及其对物理学教学改革的启示

新工科建设正在全国范围内如火如荼地展开，并将引领我国高等教育的改革和发展[6]。新工科突出的是“创新”和“改造”，培养新工科人才所采用的方式主要是多学科的交叉融合，不同学科之间的交叉融合不是简单的叠加与拼凑，而是基于当前和未来经济、产业和技术发展需要，在各学科之间产生了前所未有的内在的逻辑关系，促使各学科在知识、理论、方法、技术和手段等方面相互渗透、有机结合和相互融合，进而形成满足当前和未来需要的新的综合学科[7]。

多学科之间的交叉融合是当今世界发展的趋势，国外的众多高校都非常注重学科之间的交叉融合，德国的博士研究生培养模式进行了一系列改革，要求各高校必须以联系较为紧密的两个或多个相关交叉学科为基本单位，共同组建研究生院，以便培养复合型交叉学科人才，经过长时间的完善和调整，效果非常显著[8]。我国对交叉人才培养也极为重视，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》等重要文件中都强调了发展交叉学科对国家科技、科学发展的重要性，并做出了相应的战略部署。近年来，国内众多高校也纷纷响应国家号召，成立了一系列的交叉学科研究机构及学院，如清华大学成立的交叉信息研究院、北京大学成立的“元培”学院、吉林大学成立的“唐敖庆班”等。

国内外的著名高校都非常注重交叉学科的建设及新型人才的培养，但是如何在基础课程中培养学生的交叉学科观念，如何在新工科的背景下优化基础课程的内容，还有进一步调整的空间。本文在新工科及交叉学科人才培养模式的背景下，旨在以大学物理学教育改革为个案，梳理物理学和各学科之间的联系，从授课思路的优化、课程模式的建设、实践教学的改革及产学研体系的建立等方面入手，融汇国内、外教育模式的优点，对新形势下的知识，大学物理学教学改革的方向做出了适当探索。

三、新工科背景下大学物理学的教学改革策略

（一）树立以工程能力为核心的工科大学物理学教学理念

新工科背景下，高校最重要的工作就是培养工科学生工程意识及工程能力，并使之将其应用到具体项目的实践中。而要实现这些目标，就需要合理调整课程内容及授课思路。从物理学发展进程上来看，近代物理学内容与工程技术之间的联系较为紧密，但目前的授课思路更偏重于经典物理的内容，关于物理知识在工程技术中的应用依然较为稀缺，高校应调整授课内容的分配比例，尤其在工科的大学物理学教学中，应加强近代物理学教学内容的比重，将工程知识与物理学教学有机结合在一起。在具体的物理学授课中，把实际的工程问题抽象成可供研究的物理模型，增加实验课程的内容，加强学生的动手能力，减少理论验证性的实验，多加入设计性的实验，从而提高学生的创新能力。

（二）建立學科交叉融合的大学物理学教学观念

自然科学之间的交叉融合已经成为现代科学发展的必然趋势，科学上新理论、新发明的产生往往出现在相关学科的交叉点上，学科交叉为科学技术提供了一种产生新知识的方式，能为新的科研思路带来灵感，能够更深刻地理解各种科学现象的本质，近百年来超过半数的诺贝尔自然科学奖都颁发给了学科交叉项目，表明了学科交叉的价值。因此，在以创新为目的的新工科背景下，高校要打破传统的单一学科制人才培养模式，建立以学科交叉为主的融合发展模式。大学物理学作为一门通识教育课程，是学生步入大学校园后首先接触的课程，有利于为学生打下良好的交叉学科观念。在课程设置上，要根据不同专业特色，采用互动课堂、案例教学、实践教学及专题报告等多样化的教学形式，对教学内容进行调整和优化，进行针对性教学。例如为光电信息系的学生授课时，教师应紧密结合光电信息系的特色，着重讲解物理学中的光学、电学方面的知识，并且为光电专业的学生讲解物理知识和其专业前沿科技之间的联系，在提高学习兴趣的又能渗透学科交叉的理念。在实践教学环节中，对不同专业的学生“区别对待”，多安排一些和该专业学生所学内容相关的创新实验课程，让学生在实践中感受学科交叉的魅力。

（三）培养具有新工科观念的大学物理学教师队伍

百年大计，教育为本;教育大计，教师为本。教师对于文化知识的传承起着举足轻重的作用，我国自古以来都非常注重对教师能力和素质的培养。而随着“金课行动”“双师型教师构想”及“新工科计划”等一系列举措的提出，当今社会对教师的要求越来越高，对于高校教师来说，国家需要的不再是能够单纯传授书本知识的“教书匠”型教师，而是需要能够不断创新和突破，能及时把握当今科技发展趋势，并最终为学生指明前进方向的“灵魂导师”。新工科理念首先要求的是创新和突破，对于高校教师来说，即将创新性的科研成果融入实际教学当中，这就要求高校教师必须要有一定的科研能力，而且及时将自己所掌握的“研”转换成学生所需要的“学”，将新理论、新观念、新方法融入理论教学及实验教学中。再者，新工科理念注重的是多学科的交叉融合，这就要求教师需要具备学科交叉的观念，甚至拥有交叉学科的知识背景。对于大学物理学教师来说，最低要求应该是了解自己所教专业与物理学之间的联系，积极与该专业的专业课教师研讨科研及教学问题，及时调整授课章节的比重，在课程内容和思维模式上做到学科交叉。新工科思想的最终目标是为新兴产业培养具有实践能力的优秀人才，而为了解决企业用人和学校培育人才之间的差异，需要教师亲自去企业进行访学和调研，最终明确企业所需人才的特质，并按照这一思路去优化教学内容和教学模式。

（四）探索“产学研”深度结合的大学物理学教学模式

在新工科背景下，如何将科研和教学相结合，以及如何将教学和生产实践相结合，引起了人们广泛的关注。很多学者提出将本科生引进到科研团队中进行科研训练，并将科研成果应用到生产实践中，以达到“产学研”相结合的目的。

这种做法取得了较好的成效，并在很大范围内得到了推广，但并不是所有的学生都有加入科研团队的机会，面向学生的范围依然有限。为了拓宽产学研模式的受众，还应将这一模式融入日常的教学中。在教师层面，不仅要让教师去企业中做“访问学者”，也要让企业专家参与到教学中，在理论教学环节中，教师和企业专家共同制订合理的教学计划，在大学物理学教学中引入大量的生产实践案例，并在特定的章节中，让企业专家亲自从工程实践的角度来为学生授课，实现教学和实践之间的无缝衔接，使学校教师和企业专家之间达成“走出去，引进来”的效果。在学生层面，除了继续将本科生引入科学团队之外，应改进实验环节的学习模式，多增加一些和企业相关的设计性创新实验，以生产实践中的仪器和测试工具为参照物，让学生以团队协作的模式，应用所学的相关物理知识，在基础实验装置的基础上，设计新型的测量仪器和工具或开发新的测量方法。

参考文献：

[1] 张存贵. 新工科建设背景下学科交叉融合人才培养模式的探索与思考[J]. 职业技术教育，2019（60）：17-20.

[2] 徐晓飞，丁效华. 面向可持续竞争力的新工科人才培养模式改革探索[J]. 中国大学教学，2017（06）：6-10.

[3] 林健. 面向未来的中国新工科建设[J]. 清华大学教育研究，2017（03）：26-35.

[4] 胡波，冯辉，韩伟力，等. 加快新工科建设，推进工程教育改革创新——“综合性高校工程教育发展战略研讨会”综述[J]. 复旦教育论坛，2017（03）：20-27.

[5] 何郁冰. 产学研协同创新的理论模式[J]. 科学学研究，2012（02）：7-16.

[6] 林健. 引领高等教育改革的新工科建设[J]. 中国高等教育，2017（22）：40-43.

[7] 林健. 多学科交叉融合的新生工科专业建设[J]. 高等工程教育研究，2018（01）：32- 45.

[8] 余同普，银燕，邵福球. 从德国博士生院培养模式看创新型交叉学科人才培养[J]. 学位与研究生教育，2013（06）：64-68.

（荐稿人：匡尚奇，长春理工大学理学院副教授）

（责任编辑：汪旦旦）