新工科人才培养背景下物理学师范专业MATLAB课程教学改革研究

马 丽 唐平英 雷霞飞 冯 静

新工科人才培养背景下物理学师范专业MATLAB课程教学改革研究

马 丽 唐平英 雷霞飞 冯 静

（南宁师范大学物理与电子学院，广西 南宁 530001）

为满足新工科人才培养背景下物理学师范专业MATLAB课程教学的要求，文章从教学内容、教学模式和教学评价三个方面给出了教学改革思路，设置了理论知识讲授、应用能力培养、知识拓展与思维能力提升三个层次的“高阶性”教学目标，重构了工具篇、算法篇和应用篇三大部分教学内容，融入MOOC、超星学习通、翻转课堂等新技术、新方法适应新工科背景下MATLAB课程教学的实施和评价，加大教学的深度与广度。

新工科；MATLAB课程；物理学；教学改革

引言

在新工科人才培养背景下，培养具有较强创新和实践能力的复合型人才，是高校人才培养的新目标和新要求[1,2]。物理学师范专业人才培养要求要从传统的理论研究型人才培养转向重能力的应用型人才培养，学生既要在物理学科专业上学业精深，还应具有“学科交叉融合”的特征。MATLAB课程是物理学师范专业一门重要的实践性课程，具有知识点庞杂、跨学科、学习难度大等特点[3]。目前的MATLAB教材，大多类似于工具书，书中案例与物理学专业关联少，思政元素融入少；课程实践内容设置与物理学师范生实际应用结合性不强，学生学起来比较枯燥乏味。此外，传统的MATLAB教学设计未能体现以学生为中心的特点，过度依赖老师的“教”[4]。学生对MATLAB知识点的理解和应用仅限于简单的习题操作，缺乏独立思考能力、创新能力、理论联系实际的能力。因此传统的物理学师范专业MATLAB课程教学内容、模式和评价方法已无法满足新工科人才培养的基本需求，对该课程进行系统、深入地改革与探索，根据学生需求、能力需求、学习兴趣、社会需求等因素，创新教学模式，融入思政元素，提升学习兴趣，从而培养“物理学知识—计算机科学”交叉融合的创新型人才，具有重要的指导和现实意义。

1 物理学师范专业MATLAB课程教学现状

MATLAB课程是物理学师范专业一门重要的实践性课程[3]。课程涉及到软件应用、建模、算法、编程、可视化和符号计算等其它物理课程所没有的而又非常重要和实用的内容。该课程目标是培养学生使用MATLAB的基本能力及其在物理上的应用能力。该课程为物理学习与研究提供了实用的研究手段，同时可以培养学生的计算思维和提升学生的教学能力[5]。目前大部分高校物理学师范专业通常开设32学时课程，其中16学时为实验上机课时。对标新工科人才培养需求，调研分析发现目前大部分高校物理学师范专业MATLAB课程教学过程中存在以下三大问题。

1.1 教学内容不适应新工科人才培养需求

现有的大部分教材，如张志涌等编著的《精通MATLAB》、孙祥等编著的《MATLAB基础教程》、王沫然编著的《MATLAB与科学计算》等，这些教材大同小异，多以MATLAB功能进行章节内容划分，类似于工具书。如果按照课本目录章节进行教学，基本将其当成了一门计算机课程进行教学，枯燥、难懂，且让部分物理学师范专业学生产生“学习后没有用处”的错觉。此外，该课程通常设置在大二学期，此时物理学师范专业学生已经学习了《高等数学》《计算机基础》《C语言程序设计》和《线性代数》等数学、计算机基础课程，以及力学、热学、光学、电磁学等专业知识。传统的MATLAB教学内容设置，没有充分考虑学生的学情，未能将MATLAB课程与物理师范生专业特点进行有机融合，难以激发学生学习兴趣，与新工科人才培养要求不匹配。

1.2 教学模式不适应新工科人才培养需求

传统的教学手段单一，多以教师讲授为主，配合学生完成课本上一些简单的实验案例。以MATLAB课程中“符号运算”知识点为例，该内容是MATLAB课程中的教学难点，对学生数学知识储备要求较高，学习过程枯燥乏味。该章节内容主要要求学生掌握符号表达式生成、符号微积分、代数方程求解和微分方程求解等知识点。传统的教学课堂，多以老师按照课本内容讲解为主，知识深奥难懂，学生学习兴趣缺乏。学习完后，学生根据课本例题、习题进行上机重复性操作，学习效果不佳。对标新工科人才培养背景下的教学课堂和教学模式要求，提倡以学生为中心的教学设计，加大信息化智能化教学方法的融入，翻转课堂，提高学生学习的积极性。

1.3 教学评价不适应新工科人才培养需求

该课程传统的考核方式及成绩评定方法采用期末成绩占比70%，平时成绩占比30%。其中平时成绩评价单一，主要考查学生的实验报告。MATLAB课程是一门重要的实践性课程，因此应该加大平时成绩在最终成绩中的占比。此外，平时成绩的评价，不能仅考查学生的实验报告。一是实验报告中的作业习题，多以简单实验重复操作进行考核，对学生的创新能力考查十分有限；二是实验报告对学生基础知识的掌握考查不够充分和便捷。三是实验报告设计需要体现知识考查难度的阶梯性，既要有考查普通操作技能的实验操作题，又要有融入物理学专业知识的高阶综合设计题。并且在教学评价过程中，通过小组合作以及项目化作业等方式进行考核，更能评价学生沟通合作能力和教学反思能力，改善传统教学评价手段单一的情况，契合新工科人才培养需求。

2 物理学师范专业MATLAB课程改革思路

针对物理学师范专业MATLAB课程教学现状以及存在的困难和问题，对标新工科人才培养的要求，笔者团队提出了从“学生需求、能力需求、学习兴趣、社会需求”四个维度和“理论知识讲授、应用能力培养、知识拓展与思维能力提升”三个层次，设置“高阶性”教学目标，并且重构了“工具篇、算法篇和应用篇”三大部分教学内容，拟实现“课程内容体现前沿性和时代性、教学形式体现先进性和互动性、学习结果体现探究性和个性化、课程评价体现丰富性和挑战性”的四个创新特点。通过“四个维度＋三个层次＋三大内容＋四个体现”的“4334”创新改革模式，建设适应新工科人才培养需求的物理学专业MATLAB课程，培养“物理学知识—计算机科学”交叉融合的创新型人才。具体研究与实践的改革思路见图1。

图1 MATLAB课程改革思路图

3 物理学师范专业MATLAB课程改革原则

3.1 课程内容要体现前沿性和时代性

MATLAB课程内容涉及到软件应用、建模、算法、编程、可视化和符号计算等最新技术的应用，保证课程内容有前沿性和时代性，是培养学生使用MATLAB的基本能力及其在物理上的应用能力的前提，也是提高学生学习兴趣的重要途经。因此在教学过程中，选择教学案例应该具有多变性和时代性。如寒假期间，社会新闻的焦点是冬奥会的吉祥物“冰墩墩”，在进行MATLAB课程可视化教学内容时，课程教学案例即可设置为“应用MATLAB画冰墩墩”，让学生在趣味学习中掌握知识要点。

3.2 教学形式要体现先进性和互动性

MATLAB课程将“MOOC＋超星学习通＋翻转课堂”等新技术、新方法、新手段与传统课堂教学、实践教学方法进行融合，适应新时代、新工科背景下大学课堂教学的组织实施模式，加大教学的深度与广度。近两年由于新冠疫情的影响，线上线下相结合的教学模式已经成为常态，提高MATLAB课程的教学效果，就要求充分用好现有的先进教学平台和利用好的优秀教学资源。MATLAB课程应用超星学习通平台，采纳了《MATLAB语言基础》MOOC教学资源，体现课程的先进性和互动性。

3.3 学习结果要体现探究性和个性化

翻转课堂的教学模式充分体现了“以学生为中心”的教学理念。项目式的分组讨论使学生更注重知识的探究，学习结果更个性化。这些教学手段能够极大地激发学生的学习兴趣和潜能，培养学生的社会责任感、创新精神和实践能力。MATLAB课程设置运动学、动力学、电磁学、光学四大物理专题，学生每六人为一组，进行自由分组，选择自身擅长或感兴趣的物理专题，进行研究性学习，研究MATLAB在相应物理专题中的综合和深入应用，并在课堂上进行展示，体现了学习结果探究性和个性化。

3.4 课程评价要体现丰富性和挑战性

一是教学评价从手段和内容都要进行改进，包括考核内容、考核方式、各项考核指标占比都要进行改革和创新；二是考核要求上要注重学习过程的记录和评价。总评成绩除了实验报告和期末考试以外，还需要加入线上学习、线上测试、在线话题讨论和小组合作项目汇报等内容的考核，丰富了考核方法和内容。

4 物理学师范专业MATLAB课程改革措施和内容

4.1 设置“高阶性”教学目标

通过收集资料，问卷调查和访谈等多种形式，从物理学专业学生需求、能力需求、学习兴趣、社会需求四个维度，开展“物理学知识—计算机科学”交叉融合的新工科创新型人才要求调查分析，进而对知识点进一步明确和细化，分成知识传授、能力建设和素质拓展三个层次，见图2。培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。

图2 MATLAB课程“高阶性”教学目标设计图

第一层次的内容涵盖MATLAB课程的事实性和概念性知识，有效融入思政元素，通过课堂教师讲授配合线上学习完成。第二层次以第一层的内容为基础，侧重应用能力的培养，结合学生的物理知识基础，精心设计，选取力学、电学、光学中经典内容应用MATLAB技术原理，采用课堂讲授、虚拟仿真实验展开实践教学活动。教学过程侧重MATLAB技术在物理学专业应用中案例的实操，通过实验设计思路、实验内容、实验方法和实验步骤，帮助学生加强对MATLAB技术在物理学师范专业中的理解和应用。第三层次的内容培养应用MATLAB基本技术原理解决物理实际问题的思维和方法，引导学生以小组为单位广泛搜集、分析整理素材，开展MATLAB语言物理学应用综合设计，通过汇报交流学习后，再由教师修正总结。引导学生逐步建立用计算机技术解决本专业问题的思维模式，培养“物理学知识—计算机科学”交叉融合的创新型人才。

4.2 重构教学内容

对标新工科人才培养的要求，结合物理学师范专业人才培养目标，将本课程教学内容重构分为工具篇、算法篇、应用篇三大部分。其中“工具篇”设置内容为MATLAB软件简介、MATLAB图形处理功能和MATLAB程序设计基础。“算法篇”设置内容为MATLAB数据与及其运算基础、MATLAB数值计算和MATLAB符号计算。前面两部分教学内容主要采用讲授法、演示法、练习法、实验法，培养学生学科素养和教学能力。学生通过学习算法基本理论，掌握编程、矩阵运算、符号运算、可视化等技巧；灵活运用MATLAB完成对物理问题对象的简单模型建构和方法的初步实现，通过与物理教学相结合的例题与习题，掌握用数值方法研究物理问题的技巧。掌握相关的MATLAB指令，并用指令解决相应的问题，使其成为优化中学生物理课堂教学的方法和技能。第三部分“应用篇”，主要是物理问题的数值计算与模拟。设置静力学问题、动力学问题、热传导问题、分子动问题和静电场问题等的数值解法，光线追踪方法及在光学成像上的应用，干涉和衍射现象的模拟，原子光谱的计算与描绘，等等。第三部分通过设置运动学、动力学、电磁学、光学等物理专题，开展小组学习，点明经典方法在处理实际问题时的局限性，讲清重点；把物理问题化为数值解问题，突破难点；演示典型计算结果，提高学生学习兴趣。培养学生能根据情景描述问题，构建物理模型；能独立分析及解决综合性问题；能根据任务进行分析及科学探究的能力；体会计算物理的思维方式及过程；养成发现问题并提出问题的质疑精神；养成自主学习的习惯及团队合作的意识。

4.3 改进教学评价方法

物理学师范专业MATLAB课程评价改进为期末笔试成绩占比50%，开卷上机考试。考试题型包含选择题、计算题、编程题、综合题等。平时成绩占比50%，包括小组合作学习、课堂出勤、课堂讨论、线上测试和实验报告等。其中小组合作学习，设置运动学、动力学、电磁学、光学四大物理专题，学生每六人为一组，进行自由分组，选择自身擅长或感兴趣的物理专题，进行研究性学习，研究MATLAB在相应物理专题中的综合和深入应用，并在课堂上进行展示。学生采用“生生互评”的方式对小组项目化成果进行打分评价。最大限度地调动学生学习的积极性和主动性，锻炼学生相互合作能力和创新探究能力。课程线上测试环节，采用超星学习通平台，设置基础知识试卷库，课堂教学相应章节实时测评，细化基础知识的评价。此外，基于超星学习通平台，设置话题讨论，加大师生互动，并对学习过程中积极参与讨论和回答问题的学生进行平时成绩的加分，丰富教学评价方法。

5 结束语

随着社会的快速发展，用人单位对物理学师范生专业实践能力和创新能力的要求越来越高。与时俱进的物理学师范专业MATLAB课程教学改革对新工科人才培养具有重要意义。下一步，教师需按照MATLAB课程教学改革思路，进一步完善教学内容设计和重点培养学生开发和综合实践能力，为物理学师范专业MATLAB课程教学改革和发展提供参考方案。

[1]关宏，唐岢. 新工科背景下高校创新型人才实践能力培养研究[J]. 产业与科技论坛，2021(20): 139-140.

[2] 孙际超，刘三民. “新工科”背景下工科大学生能力培养策略[J]. 科技视界，2021(2): 127-128.

[3] 文林，罗淞文，唐建军. 浅谈物理学师范专业的《Matlab应用》课程教学改革[J]. 教育教学论坛，2020(5): 166-167.

[4] 房毅，张先梅，钟菊花，等. 基于"以学生为中心"的计算物理教学改革探索[J]. 物理通报，2017(10): 8-10.

[5] 彭红梅. 计算物理在物理教学中的应用[J]. 民族高等教育研究，2011(17): 168-169.

Research on the the Teaching Reform of MATLAB Course of Physics Normal Major under the Background of New Engineering Talent Training

In order to meet the requirements of MATLAB course teaching of physics normal major under the background of new engineering talent training, this paper gives the ideas of teaching reform from three aspects of teaching content, teaching mode and teaching evaluation, sets the "high-level" teaching objectives of theoretical knowledge teaching, application ability training, knowledge expansion and thinking ability improvement, and reconstructs the three major teaching contents of tools, algorithms and applications, integrates new technologies and methods such as MOOC, superstar learning link and flipped classroom, adapt to the implementation and evaluation of MATLAB course teaching under the background of new engineering, so as to increase the depth and breadth of teaching.

new engineering; MATLAB curriculum; physics; teaching reform

G652

A

1008-1151(2022)04-0157-03

2022-01-23

广西高等学校千名中青年骨干教师培育计划第二期、第五期。

马丽，女，南宁师范大学物理与电子学院高级工程师，研究方向为学科教学。