新工科背景下应用物理学专业建设探索与实践

关丽，刘振洋，李盼来

摘    要：新一轮科技与产业变革推动新工科建设，也为应用物理学专业带来发展契机。应用物理学专业具有物理学科基础，同时具备面向应用的特征。在新工科建设背景下，高校应依托办学条件和学科优势，打破学科壁垒，强化理工交叉融合，发展特色专业方向。在夯实物理和数学基础的同时，面向新技术和产业发展需求，建设特色课程体系，强化创新和实践能力的培养。

关键词：新工科建设；应用物理学专业；学科交叉融合；课程体系

中图分类号：G640          文献标识码：A          文章编号：1002-4107（2023）06-0059-03

创新驱动发展，“中国制造2025”“一带一路”等国家重大发展战略的实施，迫切需要高等教育的改革与发展。2017年教育部推进“新工科”建设，发布《新工科研究与实践项目指南》（简称“北京指南”）[1]，鼓励高等院校积极探索建设“新工科”的发展路径，以适应新技术、新产业、新经济发展。在当前高等教育“新工科”建设的讨论中，从应用理科延伸出新工科被认为是一种可行的方案[2]。工科院校理科专业建设不仅能提升工科的师资水平，同时也会促进新工科专业的派生[3]。应用理科是新工科和理科之间的桥梁，新兴产业如人工智能、新能源、新材料等都是从物理、化学等理科专业发展出来的。应用物理学专业属于物理学科，是应用理科的代表，可以与工科、农科、医科、文科等多个学科交叉融合，谋求新形势下的新发展。

一、专业发展现状及面临的问题

在我国高等院校中，应用物理学专业和物理学专业同属物理学类专业，授理学学位。一般情况下，物理学类学生施行大类招生入学，待学完学科基础课后进行物理学和应用物理学专业分流。应用物理学专业具有物理学科基础，同时具备面向应用的特征，可涵盖较广泛的专业方向，尤其是偏工科的方向。这是因为应用理科具有工程“创造人所需的有用物”的基因，可以与工科产生交集[2]。应用物理学作为物理学与相关工科学科结合的桥梁，在新工科建设中发挥着重要作用。

（一）专业现状分析

本文以首批9个国家级一流本科应用物理学专业建设点院校为代表，依据学院官网以及文献提供的信息，分析我国应用物理学专业强化多学科交叉融合发展的现状。北京航空航天大学突出物理与航空航天、信息领域交叉融合的专业特色；大连理工大学的专业方向包括等离子体物理、理论物理、信息光电子学等；同济大学设有凝聚态物理学和声学两个专业方向；华南理工大学结合粤港澳大湾区的地缘优势及大科学装置群集优势，在坚实的数理基础上兼顾电子技术或现代光学与光电子技术[4]；西安交通大学设有凝聚态物理、量子信息与量子光学、原子分子物理等专业方向；西北大学在光电子技术、光电工程方向发展专业特色；安徽大学在材料物理、物质科学方向发展特色；青岛大学的应用物理学专业设有理论物理、光电材料、陶瓷新材料专业方向；福州大学突出物理与光电信息技术、固体微电子技术结合的专业特色。9所大学全部拥有物理学一级学科博士点，其中6个物理学科在全国第四轮学科评估中进入C+以上。

从首批国家级一流应用物理学专业的现状分析可以看出，学科是专业发展的基础，支撑师资队伍、科教平台和专业建设。国外顶尖高校也致力于探索应用物理学与工科融合的发展新途径。如哈佛大学的工程与应用科学学院与应用物理学深度交叉融合，以解决人类面临的重大挑战为目标，聚焦生物物理学和自组装、电磁学和纳电子学等研究方向[5]。加州理工学院的支柱学科——机械工程学科设置机械工程与应用物理学交叉产生的“结构和固体力学”课程等[6]。

（二）如何向工科延伸特色方向

应用物理学专业与许多相近工科学科之间具備交叉知识。应用理科向工科延伸是实现理科与工科深度交叉的重要基础，特别是在新工科发展起步阶段尤其重要。

据不完全统计，在目前全国建有应用物理学专业的高校中，“985”和“211”院校占比约为30%，地方高校约占70%。地方高校中综合性院校和理工科院校居多。与双一流高校相比，地方高校大多学科基础相对薄弱，科研经费投入较少，国家级的重大科技基础设施较少。因此，院校如何依托自身办学条件和学科优势，进一步打破学科壁垒，服务区域经济社会发展和新产业需求，走特色发展之路，是新工科背景下应用物理学专业发展必须思考的根本问题。

（三）如何强化应用理科生的实践能力

基础理科和应用理科的分工各有侧重，前者偏重于认识世界，后者偏重于改造世界。这种分工的差别对相应理科人才的知识、能力和素养结构等培养规格提出了不同的要求[7]。在新工科背景下，既要面向区域发展需求培养应用性强的人才，又要为基础学科研究储备人才。强化课程体系建设，落实育人根本任务。如何保证课程体系在夯实物理和数学基础的同时，提升强化学生的社会适应性，以产出为导向，强化实践创新能力培养，是在新工科建设背景下应用物理学专业发展面临的关键问题。

二、打破学科壁垒，多学科交叉融合

河北大学是教育部与河北省人民政府“部省合建”高校，是河北省重点支持的国家一流大学建设一层次高校，地处京津冀腹地，毗邻雄安新区。河北大学物理科学与技术学院拥有光学工程和物理学2个一级学科博士点，其中光学工程是河北省“世界一流”学科建设点。学科建有新能源光电器件国地联合工程实验室和省部共建光伏技术协同创新中心等7个省部级以上科研平台。物理学科现设有理论物理、等离子体物理、凝聚态物理和光学4个研究方向且发展均衡。其中量子场论圈图标量积分、等离子体斑图动力学与尘埃等离子体、精细光谱计算等领域的研究具有较高的学术影响力。光学工程优势学科方向为光电材料与器件、光伏科学与工程、光学诊断与光信息技术、发光材料与显示技术等。

河北大学应用物理学专业于1988年成立，2010年入选國家级特色专业，2021年度获批国家级一流本科专业建设点。专业坚持扎根河北、服务京津冀协同发展和雄安新区建设的战略定位，秉持“物理为基、应用为向、实践为强、科教融合”的培养理念，致力于培养物理基础扎实、实践能力突出，具备创新精神和国际视野的高素质复合型应用物理学专业人才。依托物理学和光学工程两大学科开展专业建设，其中物理学科为专业提供雄厚的师资力量、完善的课程体系和先进的教研平台；光学工程学科，践行理工融合，支撑专业走出面向产业的特色发展之路。

充分发挥“一理一工”两大学科优势，合力实施“本科生科研创新能力”提升计划，科研平台100%对本科生开放，遴选低年级优秀本科生进行“一对一”导师制培养；建立“本硕博”一体化培养模式。专业与保定国家大学科技园、乐凯集团、利福光电等地方科技企业合作，发展了发光与显示、红外物理与技术、传感技术等专业特色方向。与国内光伏龙头企业英利集团联合开发课程、编写教材，为企业定制培养专业人才。与保定市政府、英利、乐凯等单位合建光伏技术协同创新中心，开设“双创鲲鹏班”，政产学研协同育人。建设省级“河北大学——保定金迪科学仪器有限公司实践教育基地”为代表的校外实践基地和“创新实验室”“赫达实训”等校内实践基地，同时加强“双师型”教师队伍建设，聘请企业首席技术官来校兼职任教。“理工融合、科教融合、产教融合”的专业育人模式，为雄安新区和京津冀区域输送富有创新精神和实践能力的高素质专业人才。

三、特色课程体系，夯实基础面向应用

应用物理学专业的基础是物理，应用是专业发展方向。课程是实现培养目标和育人功能的基本要素，因此，夯实数理基础，强化创新实践，重点在课程体系建设。

应用物理学专业的核心课程体系包含理论课程和实验（践）课程两大部分。理论课程包括学科基础课和专业课两个层次。夯实物理学科基础需要保证理论课程包含机械运动、热、电磁和光、物理微观结构和量子等领域的现象和规律，凝聚态物理以及物理数学方法等知识领域[8]。

以5个首批国家级一流本科应用物理学专业为例，从文献或学院官网提供的培养方案分析该专业课程体系和培养方案特色。华南理工大学应用物理学专业立足粤港澳大湾区，在课程建设方面采取夯实学科基础课、专业方向模块化、实验课程贯通大学阶段、加强国际化培养等主要举措[4]。北京航空航天大学应用物理学专业坚持国际接轨、体现理工融合、重视实验实践以及本研一体化统筹设计等特色培养方案。青岛大学应物专业的专业基础及核心必修课分别占总学分的34%。同济大学应物专业的专业基础必修课和专业必修课共占总学分的40%。地方院校如桂林理工大学应用物理学专业的必修课中学科基础课和专业核心课分别占总必修课学分的37%和31%，实验课和实践课占总学分28%[9]。

河北大学应用物理学专业课程体系共计165学分，其中通识教育课程共58学分，占总学分35%；学科基础课程包括学科核心课和学科拓展课共58学分，占总学分的35%；专业发展课包括专业核心课和专业拓展课共计49学分，占总学分的30%。培养方案坚持“产出导向，理工融合，强化实践”的特色，从理论实践一体化能力培养以及信息化建设等方面开展工作。

（一）“理论和实践一体化”特色课程体系

普通高等学校本科专业类教学质量国家标准要求物理学类实验实践类学分（学时）占总学分（学时）的比例不低于25%[10]。河北大学应用物理学专业在保持普通物理实验、近代物理实验的学分课时不变的基础上，通过重构专业课、增设专业实践课，实现“实践+”应用物理学课程体系，在新版培养方案中实验实践类学分（学时）占总学分（学时）的比例为26.4%。重构专业课主要举措是将专业核心课重构为理论课与跟课实验相结合的模式，专业实验课增设专业基础实验，调整为专业基础实验和专业实验两个层次，帮助学生逐阶发展。在新工科背景下，基于专业人才培养目标，须强化学生实践能力培养。

设置实验课包括普通物理实验、近代物理实验、专业实验课；实践课包括物理学类专业学习概论、物理学史、初/高阶科研训练、初/高阶创新创业训练、LED照明设计与实践以及智能仪器设计与企业项目开发等；以理论加实验（践）模式开设的专业课共12门，占实验（践）类课程的46%，且覆盖所有层次的课程。面向低年级学生开设的学科核心课的实验（践）学分占该层次课程总学分的15%，面向高年级学生开设的专业核心课中的实验（践）学分增加为该层次总学分的43%。理论与实践一体化设计的课程体系帮助学生逐阶发展实践和创新能力。

（二）实验课程信息化建设

信息技术与教育教学深度融合，为实验实践教学带来了前所未有的生机。据统计，首批国家级虚拟仿真实验教学一流课程728门，其中物理学类15门。本专业利用“互联网+”信息技术建设虚拟实验和实践软/硬件平台，更新普通物理实验、近代物理实验、专业实验等实验内容，依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等现代信息技术，实现立体化教学，激发学生学习兴趣与自主能力。

以专业实验课中的“LED植物荧光粉制备虚拟仿真实验”为例。该项目基于LED产业链的关键技术提出，将6项国家级和省部级科研项目的手段、方法和成果进行了多维转化，获首批省级虚拟仿真实验教学一流课程。该虚拟仿真实验以Unity3D为开发平台，仿真模拟了高温固相反应法制备LED荧光粉的整个工艺流程，帮助学生熟练掌握荧光分光光度计和XRD衍射仪的使用方法，学会进行荧光粉发光性能和晶体结构测试。采用沉浸式教学，让学生仿真实操LED荧光粉的制备过程，在此过程中将操作规范、安全规范、大型仪器的使用等内容方法融入，进而加深对LED产业链关键技术的理解。

四、总结及展望

应用物理学专业的学科基础为物理学，物理为基础，应用则为特色。在新工科建设背景下，各个院校的应用物理学专业应依托自身办学条件和学科优势，找准定位，凝练特色，实现分类发展、特色发展。

未来面临的问题在于，在發展过程中需要夯实物理和数学基础，才能有力的向工科方向延伸，发展理工融合的新技术和新产业。如果舍弃了物理基础，一味追求向工科靠拢，则根基不稳、发展受限。因此，对专业课程体系和培养方案建设提出了更高的要求。

（1）学科基础课的学分和学时需满足学科知识和能力要求，以保证学生具备扎实的物理基础。（2）专业核心课的教学模式、课程结构、教学内容等均需要支撑和体现专业特色发展方向，专业核心课与学科基础课的学时学分比例须科学合理。（3）专业实践课需建立在学科优势的基础上，与人才培养目标同向同行，因地制宜，建设特色实践课，真正将学生实践和创新能力的培养落到实处。

在新工科背景下，以产出为导向的课程体系，探索信息化实验实践教学新生态，打造特色实践基地育人平台，以培养新工科背景下适应新产业、新技术和新经济发展的复合型高素质应用物理学专业人才。

参考文献：

[1]教育部.教育部办公厅关于推荐新工科研究与实践项目的通知[EB/OL].（2017-06-21）[2022-09-15].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/201707/t20170703_308464.html.

[2]王义遒.从应用理科到“新工科”[J].高等工程教育研究，2018（2）.

[3]张志庆，闫统江.工科院校建设新动能特色理科专业群的探索与实践[J].高等工程教育研究，2019（6）.

[4]文德华，邓文基，杨中民.理工融合协同育人建设一流应用物理学本科专业[J].物理与工程，2021（3）.

[5]原帅，贺飞.哈佛大学工学院发展战略及其对新工科建设的启示[J].高等工程教育研究，2018（2）.

[6]王红雨，马梦迪，闫广芬.世界一流工程学科研究生课程体系的生态布局与衍生逻辑——以加州理工学院机械工程学科为例[J].研究生教育研究，2020（4）.

[7]杨素红，朱红.高等理科人才分层分类培养的现状与策略[J].中国大学教学，2015（8）.

[8]教育部.普通高等学校本科专业类教学质量国家标准[S].2018：113.

[9]唐涛，李明，肖剑荣，等.新工科背景下地方高校应用物理学专业的课程体系[J].教育观察，2020（17）.

[责任编辑  巴登其其克]