“新工科”背景下“大学物理”教学改革的探索与实践

周 雪，杨 旭

（重庆工商大学 人工智能学院，重庆 400067）

2017年以来，教育部积极推进“新工科”建设，先后发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》[1-3]。在“新工科”背景下，高等院校要培养具有扎实专业知识的工程技术人才，增强人才的创新能力，以满足各项新技术、新模式、新产业飞速发展对人才的需求[4-5]。当前，技术的发展日新月异，理工科专业的划分也越来越细致，但普遍存在专业性更强、应用性更强、创新性更强等特点。面对该学科发展趋势，各理工科专业课程的知识深度、应用性、创新性相继提高，理工科学生需要扎实的物理知识作为支撑，才能在后续的专业知识学习中融会贯通。因此，“大学物理”课程是各学科学生学习专业知识的基础，更是新工科人才培养的关键。“新工科”背景下的“大学物理”课程，不仅要让学生掌握基础的物理知识，更要结合当前的科技发展形势，让学生了解物理学与各学科的交叉融合所产生的新技术、新方法，培养学生创新思维，进而培养具有新思维模式的应用型人才。

目前，“大学物理”课程通常在本科一年级开设，分两学期进行授课，多采用传统的授课方式，授课过程以老师讲述为主。首先，初入大学校园的学生刚刚经历完高考，部分学生心态放松，加之智能手机、互联网、游戏产业飞速发展，部分学生很难抵抗众多娱乐形式的诱惑，导致对课程的重视程度不够，对学习产生懈怠心理，进而出现上课注意力不集中、玩手机等现象。其次，部分学生习惯了中学阶段的学习方式，喜欢固定的知识点和解题思路，不善于独立思考，对知识不求甚解，导致学生在面对复杂的专业知识和具有较强应用性的实际问题时束手无策，不利于创新型、应用型人才的培养。最后，学生在中学期间有家长和老师每天督促学习，进入本科阶段，许多学生没有养成自主学习的习惯，而本科一年级、二年级是引导学生养成良好学习习惯的重要时期。因此，在“大学物理”课程中开展教学改革，提升课堂效率与物理知识的学习效果，引导学生培养独立思维模式与自主学习习惯是“新工科”建设的需要。

1 工科“大学物理”的知识体系和课程属性

“大学物理”是所有工科均需开设的基础必修课，在本科教学体系中，“大学物理”课程通常在本科一年级下学期开始开设，分成上、下册进行授课，持续一学年。因此，“大学物理”课程具有开设时间早、课程周期长、受众广的特点。“大学物理”课程包含力学、热学、电学、光学、原子物理及量子力学基础等多学科内容，知识范围广，涉及大部分自然科学的基础知识点，是理工科学生打基础的关键课程。理工科学生学好“大学物理”，对后续专业课程知识的学习和理解有很大的帮助[6-8]。例如机械类专业的学生一般需要学习“电工与电子技术”“机械原理”“工程力学”“工程制图”等专业课程。这些课程的专业性强，一般直接进入主题，需要学生有初步的力学、电学知识作为基础；对于通信、测控专业的学生，可能会开设“电工原理”“测控技术与系统”“数字图像处理”“光电检测技术”等专业课程。这些课程以“大学物理”中的力学、电磁学、光学知识作为基础，甚至需要初步的原子、量子知识。因此，“大学物理”在工科各学科中起至关重要的作用，是工科类专业学生学习专业知识的基础。

2 工科“大学物理”课程实施改革的必要性

2.1 引导学生培养独立思考意识和自主学习习惯

“大学物理”课程的开设时间通常为本科一年级至二年级，正是学生学习模式和生活模式从中学向大学转变的关键时期，是学生培养独立思维和自主学习习惯的关键时期。在中学的学习模式下，学生通常不用过多思考，知识点由老师反复总结和强调，解题思路比较固定，养成了“按套路做题”的习惯，缺乏独立思考的意识，许多学生进入大学后产生了懈怠的心理。这些问题的苗头通常出现在本科一年级至二年级阶段，因此，本科初期对学生思维模式的转变与良好学习习惯的养成至关重要。

“大学物理”课程的开设时间正好处于这一关键时期，传统的教学模式授课形式单一、课堂比较枯燥，学生很容易被游戏、手机等娱乐形式吸引。因此，在教学过程中开展课程改革，改变传统的教学模式，结合“对分课堂”“翻转课堂”等创新课程模式，提升课堂的趣味性，引导学生积极参与课堂、独立思考、自主学习十分必要[9-10]。

2.2 提升课堂效率和专业知识学习效果

“大学物理”课程的授课内容包含各物理学科的基础知识，内容多、体系比较复杂。传统的授课过程通常采用单一的讲述式教学，只关注知识的讲解，比较枯燥，学生的注意力容易分散，学习积极性不高。开展课程改革可以在知识的讲授过程中穿插时事热点、人物事迹、前沿技术，也可以充分利用新闻、短视频、网络调研测试等灵活的授课形式，实现“寓教于乐”，充分活跃课堂气氛，提高学生的课堂积极性与参与度，对加强知识理解、提升授课效果具有促进作用。

3 “大学物理”课程改革的方案探索

3.1 联系时事热点，学习榜样故事，提升课堂吸引力

“大学物理”的授课内容主要是物理学的基础知识，理论性强、逻辑性强，传统的授课过程只注重知识的讲授，很容易使学生感到枯燥，出现注意力不集中、走神的现象。为改善这一问题、提升课堂的吸引力，教师可以在授课过程中，结合所讲授的内容，紧密联系当前的时事热点，让学生了解最新的科学技术与物理知识的联系以及物理知识的最新应用进展。例如在讲授力学部分的质点动力学相关知识时，教师可以引导学生分析航天器的3种宇宙速度，联系我国航天事业的发展现状：2021年6月17日，神舟十二号载人飞船顺利发射，将聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员送入太空，执行飞行任务的长征二号F遥十二运载火箭在此前基础上共进行了109项技术状态更改，将可靠性从指标要求的0.97提升到0.989 4，再次刷新了自身纪录。我国航天事业的发展离不开扎实的物理知识和精密的工程技术，教师在授课过程中要引导学生看到基础知识的重要性，只有具备扎实的基础，才能在各自的专业技术领域实现突破。

在讲授原子与量子物理的相关知识时，由于此时课程已进入尾声，加之这部分内容在考试中所占分值不高，很多学生会放弃这部分的学习。然而，现今的技术发展很多都是以原子分子物理、量子物理为基础的，材料、通信、测控、电子等相关专业的学生都应具备原子、量子物理的相关知识作为专业学习的基础。在授课时，为提升课堂的吸引力，教师可以为学生介绍钱学森、邓稼先等“两弹一星”功勋奖章获得者背后的故事，也可以结合短视频等形式，在较短的时间内让学生了解科学家遇到问题时如何思考、如何解决，引导学生在求知的路上不怕困难、勇于追求真理。

3.2 结合前沿技术，拓宽科学视野，提升课堂创新性

“大学物理”课程内容相对固定，传统的教学模式通常只是照本宣科，知识的更新速度慢，原理和公式的推导较多，理论性、逻辑性强。在授课过程中，如果只注重公式、原理的推导和讲解，很容易使学生感到枯燥，继而失去学习兴趣。实际上，很多科学技术的最新发展都是基础物理原理的应用和创新。因此，对课程内容进行适当的引申，结合对应的物理知识为学生介绍最新的成果发展和创新技术，不但可以活跃课堂气氛、提升课堂效果，还可以开拓学生的眼界。例如在讲授光学部分圆孔衍射的相关知识时，教师可以介绍光学仪器的分辨率：其与仪器的孔径成正比，与光波的波长成反比。因此，在进行天文观测时，为提高分辨率，通常会采用孔径较大的望远镜，这也是我国“天眼”口径大的原因。中国“天眼”坐落于我国贵州省，于2008年开始建设，历时8年，于2016年完工，直径500 m，是目前世界上最大的单口径射电天文望远镜，可接收110亿光年外的微弱信号。预计在未来的20～30年内，“天眼”将一直保持领先水平，这也是我国在天文、航天领域的重大突破。在讲解稳恒磁场时，教师可以讲解安培力的相关知识，这里可以引入安培力的典型应用—磁悬浮列车，为学生介绍磁悬浮列车的原理，也可以为学生介绍我国高铁技术的发展：截至2017年，我国的高铁里程已达2.65万km，占世界高铁总里程的65.00%。短短20多年的发展时间，我国高铁技术就已经达到了世界领先水平。再比如教授磁介质的内容时，教师可以介绍磁介质火车票：目前，磁介质火车票在我国得到广泛应用，人们常见的正面浅蓝色、背面黑色的硬质车票即磁介质火车票，其内部磁条由液体磁性材料涂覆而成，为信息载体，大大提高了检验效率。

3.3 利用灵活的手段，丰富授课形式，提升课堂参与度

改变传统课堂中教师主导的“填鸭式”教学模式，拓展教学手段，可以充分利用现今的网络技术手段，提升学生在课堂的参与度。针对学生逃课、注意力不集中等问题，教师可以通过短视频、移动客户端等与学生互动，利用短视频在较短时间内为学生展示前沿技术、榜样故事、科学原理等，也可以对较难的知识点进行视频讲解、原理剖析。例如在讲授波动光学内容时，讲完光的干涉、衍射现象的基本原理后，通常还有很多学生无法理解，这时配合短视频为学生展示具体的现象，能让学生“眼见为实”，真正理解干涉和衍射的实质。同时，对于一些重难点部分，教师可以采取知识竞赛、答题问卷等方式，及时了解学生的学习状态和相关知识掌握程度，以便及时调整授课进度和教学方式。

3.4 重视实验环节，理论与实验相结合，提升学生动手能力

工科类专业在本科低年级阶段，除了开设“大学物理”课程以外，也会开设“大学物理实验”课程作为通识类必修课程。然而，调研发现，目前大多数高校“大学物理”课程与“大学物理实验”课程是两门独立的课程，实验课程通常有独立的授课教师，授课进度也与“大学物理”课程不匹配。例如许多学校将“大学物理实验”分为力学、热学、电学、光学等模块，但在“大学物理”中，光学通常是最后一部分内容，很多学生在应用迈克尔逊干涉仪、分光光度计调节等开展光学实验时，还未学习光学部分知识，并不了解干涉的原理，因此不能很好地理解实验内容，甚至很多学生不够重视“大学物理”实验课程，觉得实验课不重要且学分少，存在侥幸心理，企图蒙混过关。针对这一问题，首先需要改变学生的思维。实际上，本科期间大多数知识都是书本上的知识，学生动手操作实践的机会并不多，而且大学物理实验中的内容都是物理学中非常经典和重要的知识，学生应该把握机会，从实验中了解原理，加强学习，提升操作能力。此外，“大学物理”课程授课教师在课程内容安排过程中，也应该注重理论与实验的结合和匹配，在讲授实验对应的知识时，突出原理，让学生充分理解理论内容，进而在实验操作过程中加深理解，促进对知识的学习。

3.5 组织小组讨论，开展科学调研，引导学生自主学习

本科阶段的学习模式与中学不同，没有家长与老师的监督，很多学生会变得懒散。“大学物理”课程内容丰富，很多自然现象都包含基本的物理知识。为调动学生的学习兴趣、培养其自主学习习惯和团队协作精神，可以将学生分组，每组选择一个自然现象或者物理知识作为小课题进行拓展研究，让学生利用互联网、图书馆等资源，查阅该现象的物理原理以及该原理的应用或技术发展现状，做一个小报告或发言。这一内容可以让学生自由发挥，不设评价考核、不过多占用课堂时间，不但可以培养学生的团队合作能力，还能提高学生的科学素养。比如针对“天空为什么是蓝色的”这一问题，学生通过光学部分的学习了解到：波长较短的蓝色更容易被大气中的尘埃、颗粒散射，因此，天空是蓝色的。然后，学生进一步了解到：波长较长的可见光在大气中的透射性更强，因此，红绿灯以红灯为“停”的标志。再比如针对“极光为什么只在两极出现而不在赤道出现”这一问题，通过查阅资料，结合电磁场的相关知识，学生可以了解到：极光是太阳喷射的带电粒子被地球磁场阻止所形成的现象，由于地球的两个磁极分别对应南极和北极，磁场在两极形成漏斗状的凹陷，带电粒子沉入凹陷的两极地区、轰击大气层，发出绚丽的光芒形成极光。因为带电粒子无法到达赤道，所以赤道地区没有极光现象。基于这些知识，学生可以进一步了解等离子体的相关知识。在电磁场、光学相关知识的授课过程中，教师还可以让学生对3D电影成像、遥感技术等目前已被广泛应用的技术原理和相关知识进行了解和学习。

4 “大学物理”课程改革的实施效果分析

4.1 课堂更活跃，授课效果更好，期末成绩明显提升

本研究以重庆工商大学2019级和2020级机械类“大学物理”授课为例，对“大学物理”课程改革的实施效果进行了对比分析。2019级机械专业的“大学物理”课程采用的还是传统的授课模式，而在2020级机械专业的授课过程中实施了课程改革。由于物理知识相对复杂枯燥，2019级学生在课程学习过程中注意力不够集中，课堂活跃度和学习积极性较低；实施了课程改革的2020级“大学物理”课堂更活跃，学生注意力更集中，学习积极性较高。期末成绩如图1所示，实施课程改革的2020级学生期末及格率较2019级提升约10.00%，平均分也提高了5.7分。从成绩分布上看，处于80～100分优秀分数段的学生提升了9.87%，处于70～79分良好分数段的学生比例也明显增加。说明实施课程改革能够较好地提升课堂效率和学生的学习积极性。

图1 实施课程改革前后“大学物理”课程成绩对比

4.2 学生满意度较高

本研究对开展课程改革的2020级学生的课堂满意度进行了线上问卷调查，结果如图2所示。由图2可知，97.50%的学生认为开展课程改革后课堂效果更好，课堂氛围更活跃，师生的互动性更强，有助于答疑解惑。教学改革后的课程信息更丰富多样，学生的科学素养更高，对科学的兴趣更强，更有助于激发学生的学习动力。此外，通过课程改革，学生的自主学习能力更强，这也是课程通过率明显提升的原因之一。

图2 实施课程改革后学生满意度调查