新工科背景下大学物理课程改革探索

吴海平，钱 彦，阚二军

（南京理工大学 理学院，江苏 南京 210014）

大学物理是高等院校理工类专业学生在低年级必修的一门重要基础课，它是关于物质的基本结构、相互作用、其基本的运动形式及其相互转化规律的课程，介绍的是“物”之理，也就是物质世界最基本最普遍的运动规律，因此，本身既是科学，同时又是高层次、高内涵的文化。物理学具有彻底的唯物主义精神，坚持“实践是检验真理的唯一标准”的原则，坚持“实事求是”的科学态度。通过学习大学物理课程，同学们更深刻地认识到了物理学是一门不断发展的实验科学，不但学到了物理学的基本规律，加深了对物理学知识的理解，更重要的是从课程中得到了教益，开阔了眼界。物理学渗透社会科技的方方面面，并且，随着科学技术的发展，目前已形成了物理学为中心的各个交叉学科。因此，物理的基本理论支撑着自然科学的各个学科专业领域，其既是工程技术类专业，同时，它又能有效提高人们的科学文化素质，并且能够很好地培养人们的想象力、创造力和创新力，培养人们用科学知识看世界变化，坚持科学和真理，辨别真伪，破除伪科学，从而提升整个社会的和谐科学发展。

通过学习大学物理课程，一方面可以让学生系统地学习和掌握物理学的基本理论、研究问题的思路和方法，培养学生建立物理模型、定性定量分析、估算与计算和综合分析等方面的能力，使学生开阔思路，激发探索和创新精神，提升学生的基本科学技术素养；另一方面，也能使学生学习和运用抽象思维方法，抓住主要矛盾，忽略次要因素，对研究对象做出合理分析、简化和表达，并使学生能够结合工程专业的相关背景知识，对复杂工程问题进行综合分析，提出满足特定需求的系统、单元部件或工艺流程等方面的解决方案，最终获得有效合理的结论。通过学习大学物理课程，还可以树立学生实事求是、求真务实的科学态度和辩证唯物主义的世界观。使学生能够正确理解和认识解决复杂工程问题的实践对环境、社会可持续发展的影响，加强建设新时代社会主义的责任感和主人翁意识。

2020 年，习近平总书记在科学家座谈会上高屋建瓴地指出：“我国面临的很多‘卡脖子’技术问题，根子是基础理论研究跟不上，源头和底层的东西没有搞清楚。”2020 年11 月1 日，著名科学家薛其坤院士在深圳举办的全球创新人才论坛上指出，越是基础的，越具有颠覆性，越具有创新性；同时，还提出了将本科4 年制改成2+2 或3+1，即前2 年或3 年为基础教育，第3 年或第4年开始采用全新的跨学科教育，培养学生的多学科能力，实现从跨学科本科生到跨学科研究生的无缝衔接。本校研究生导师亦希望招收到具有扎实基础理论知识的本科生，如本校的重点实验室、材料学院等多次希望、欢迎理学院应用物理专业的本科生能够继续攻读他们专业的研究生。可见，各层面、各领域对基础课程的重视和需求。基础理论课程就如科学技术金字塔的塔基，只有塔基坚实巩固，塔身才能建的稳，建的高，才能解决“卡脖子”问题，才能创造出新科技，推动人类文明的往前发展。所有科学技术，都不开物理基础理论，而大学物理作为大学里的基础课程，在为大学生构筑物理基础理论知识体系中起着首屈一指、不可替代的作用。2017 年2 月18 日，教育部在复旦大学召开了高等工程教育发展战略研讨会，形成了“‘新工科’建设复旦共识”。随后，教育部于2017 年2 月20 日发布《教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知》，启动“新工科研究与实践”项目。再后，2017 年4 月8 日，教育部在天津大学召开新工科建设研讨会，形成新工科建设的愿景与行动路线，即“天大行动”。2017 年6 月9 日新工科研究与实践专家组成立暨第一次工作会议在京召开，全面启动、系统部署新工科建设。30 余位来自高校、企业和研究机构的专家深入研讨新工业革命带来的时代新机遇、聚焦国家新需求、谋划工程教育新发展，审议通过《新工科研究与实践项目指南》，提出新工科建设指导意见。又称为“北京指南”。国家如此重视新工科发展，那么，在新工科背景下（尤其是以工科为主的理工科大学），如何建设大学物理这门课程、如何为工科学生强基础就显得尤为重要。

为了培养优秀本科生，因此很多学校也启动了教学改革，大多从基础课程试点，由此可见各类高等院校对基础课程教育的重视。那么从学校、学院、系等各层面来讲，我们应该避免什么有用教什么的趋向，这是对学生的未来负责，对学生以后的进一步发展负责，对学生往更深层次发展负责；这也有利于未来的杰出校友回馈母校、有利于学校的发展。

为了抓住学校教学改革这个契机，大学物理教学团队对各类高水平高校（如东南大学、北京理工大学）的大学物理课程教学进行了充分的调研，在学分方面，东南大学、北京航空航天大学、北京理工大学都为4+4，复旦大学为5+5；非双一流高校山西大学为4+4；然后在基础学分的基础上再加上进阶部分的学分，如东南大学进阶1、进阶2、进阶3，每个进阶课程设置了相应的学分，充分体现了各高校对基础课程的重视。

我们在调研基础上，并结合本校实际情况，提出了如下改革方案。

1.有效融入德育：无论何时何地，“立德树人”始终是社会各层面一致追求的培养人才的目标。在课堂教学中，我们采用多种教学方法相结合的方式，力求从中提炼出可供大家共享的精神财富，从而引导学生树立社会主义核心价值观，成为具有创新精神的、坚毅自信的优秀人才。把“立德树人”放在首位，在课堂中潜移默化地有机增加德育的内容，避免为了德育而德育。这样，不仅可以帮助学生理解相对繁琐和枯燥的物理定律，而且可以与历史资料或者实际生活中的事例相结合，提高学生的学习兴趣。同时，我们从中提炼出的精神财富，留给学生去体会和总结应该得到的启示，在培养学生科学素养的同时，加强思想教育，例如，提高学生为国奉献的思想意识；增强学生学习的自信心；培养学生敢为人先、不忘初心、坚守正道的理念；培养学生的科研意识和团队合作精神；充分激发学生对本专业的热爱，提高积极性和创造性等等。通过课堂教学、辅导答疑、批改作业等教学环节的实施，引导学生树立社会主义核心价值观，提高其为国为民的思想素质，培养其实事求是的科学态度，以及自信乐观，不畏艰难，积极进取，奋发图强的奉献精神。

2.丰富教学方式：根据当代大学生特点和现有条件，增加、丰富教学方式。采用以大班上课为主，充分利用“互联网+”技术，并结合各个老师根据各班情况建立QQ 群等方式。大班上课内容主要为老师讲授教学大纲规定的教学内容；“互联网+”主要利用MOOC 等已有在线资源，同时，建立大学物理专业网站（网站框架已基本建成），搭建全体学生与整个团队老师之间的交流平台，同时放置其他供学生课后自主学习的内容，具体如图1所示，积极引导激发学生的参与主动性。另外，有条件的团队应该力争设计一些简便、有趣、具有学生参与性的课堂演示实验，物理本来就是一门实验科学，因此，课堂演示实验可以说对教学效果来讲是极其重要的，其可以激发学生的学习兴趣，调动整个课堂的学习氛围，使学生在实践中掌握理解物理学原理。

图1 大学物理网站首页截图

3.改进教学内容：强化基础、重视引导、适用面宽，更好地适应新工科的发展要求。大班课堂讲学中根据学时、适量引入相关物理学基础知识在现代高新科技中的应用，如电磁学部分、5G 技术中的物理学基础、特斯拉电动车电机中的物理学基础、北斗导航中的物理学基础。由于课堂学时有限以及纸质教材内容更新慢的缺陷，我们将建设大学物理专门网站并将部分内容放置于网站，保证知识更新的及时性，同时，也作为纸质教材的有力补充。网站的主要功能和内容如下，科学新闻模块，让学生实时了解掌握科学技术的最新发展；物理学史模块，介绍相关物理知识点的来龙去脉。物理学史研究人类对自然界各种物理现象的认识史，研究物理学发生和发展的基本规律，研究物理学概念和思想发展以及变革的过程，科学家怎样不断开拓新领域，怎样产生新的飞跃，它的各个分支怎样相互渗透，怎样综合，又怎样分化。只有了解物理学史，才能更深刻认识物理学的宏伟壮观，从而使学生对知识点的理解更为透彻，而且，物理学史中蕴藏的精神财富值得我们去发掘，从中吸取营养，获得教益，对我们的教育事业和人才培养都有很大的益处，如果学时允许的话，也可以在课堂教学中适当地以相关领域的物理学史为支点开展一定的德育教育，教学过程中，我们就某一事件，某一项发现或者某一位科学家的成就进行充分的揭示，说明其前因后果、来龙去脉，不仅介绍有什么，还介绍为什么。我们会介绍为什么会出现那样的事件，为什么会发生新的突破，为什么会造就伟大的人物等等，并从中提炼出其中的精神财富。通过真实的历史、实际的资料、生动的情景，把学生引入历史的氛围，让他们自己体会，自己去总结应该得到的启示；物理杂谈模块，介绍物理学知识各种生活领域中的体现，如烹饪技术中的物理等，进一步激发学生对物理学的兴趣；答疑解惑模块，针对各个教学班学生的问题，以文字、甚至录制视频等模式的解答，让所有学生都能了解到大家所理解透的知识点；奇思怪想模块，让学生天马行空地记录展现自己的想法，可以是科幻型，可以是现实型，充分激发、发挥学生的创造力、创新力、想象力，只怕想不到，没有做不到，积极参与的学生，可以将其记录到平时成绩中；虚拟项目模块，由大学物理团队老师提出一个设想项目，让全校学生参与到这个项目执行设计中来，当然，首先完成设计，有条件的话后期可以与实验室合作，完成现实实验，优秀可行的项目可以进一步参与各类创新创业竞赛。仿真演示实验，由于现实演示实验的局限性，我们力争在能力所及范围内制作一些仿真演示实验，从而使学生在课堂上能更深层次地理解物理知识点。

4.优化学分设置：目前，纵观我国高等院校，对于大学物理课程的学分设置为大于等于8 学分，小于8 学分，就其学分设置规律，主要与相应高等学校的水平基本成正比关系，比如东南大学、北京航空航天大学、北京理工大学、复旦大学等985 高校都至少设置了8 学分及以上，甚至包括一些非双一流学校（山西大学8 学分）。从这里也说明大学物理课程对于大学生以后发展的重要性，而培养学生的水平会在未来影响学校的声誉，甚至以后学校的可持续发展。我们也发现一些大学物理课程学分小于8 学分的高校，大学物理团队的教师往往需要在正常学时结束后依旧为学生补课的情况，这样对学生自己学习时间的安排以及期末考试时间的安排都会带来一定的影响；甚至有的高校，大学物理的学分只有6 学分，这样由于学时原因，老师讲的就不够深入，学生学的也很浅，这会影响他们以后的发展，包括对一些问题的理解、分析和解决方案的设计等等。

对于学时不够的高校，提出基础+进阶的解决方案，即设置“基础+进阶1+进阶2”的学分设置模式。基础+进阶1 为总必修学分，进阶1 的内容融入到基础部分，但是为了在规定学时下完成教学任务，将采用调整原先部分纯理论案例的措施，替换为适量的相应知识点在目前高新科技中的应用案例。这部分进阶1 内容只能适量，但是作为基础课程，需要夯实所有理工科专业学生物理学基础知识，不能分专业，这一点也是其他高水平院校统一认可的，同时，这也为我们本科生的进一步深造打好坚实的物理基础。进阶2 部分，为了避免必修学分上的冲突，我们拟采用选修课的形式开设，总共分2 大模块：进阶2 大学物理I（力学+波动学+热学），进阶2 大学物理II（电学磁学+光学+近现代物理），每个模块分别设立2 个学分的学时。这2 大模块可供全校所有学生选修，亦不分专业，这样，既可以满足各个分院在强基础要求上进一步强化各自相关领域模块的要求，也可以满足不同专业学生自身的兴趣和进一步深造/转专业等的知识需求。

学生修读大学物理基础+进阶1 课程之前，必须有高等数学基础知识，基础+进阶1 为必修课程，进阶2 为后续高难度的选修课程，选修每个进阶2 模块之前必须修完相应内容基础+进阶1 的必修课程。不限定学生修读学期，但建议在选修学期内修读。

教学改革，首先要改包括相应课程的教学团队老师。大学物理在我国高等院校都是以全校学科基础课形式开设，因此，教学团队必须要有足够数量的老师，年龄梯队、职称分布合理，要由教授、副教授和讲师合理组成，老、中、青相结合。同时，要定期适时邀请青年教师加入教学团队，并对其进行岗前培训，达到课程团队要求后上岗，使得大学物理团队形成可持续发展势头；此外，定时适时安排教师参与各类教学交流活动，同时，也邀请各类教学名师来学校交流；在条件允许情况下尽量开展演示实验和仿真演示实验的制备；建立大学物理网站，以便补充教材内容和增加交流平台。