材料类专业大学物理教学创新设计体系构建

摘 要 大学物理作为材料类专业学生的重要基础课程，在整个本科阶段的培养方案中起承上启下的作用。目前关于线上线下结合方式开展材料类专业大学物理课程建设方面的研究还鲜有报道，本文通过多年的教学实践，总结了针对材料类专业大学物理课程教学改革的教学内容体系、授课模式以及考核方式，教学效果得到学生的好评。希望该教学方法能够适应更多院校材料类专业学生的大学物理课程教学，推动大学物理课程在理工科专业学生培养中的显示度。

关键词 大学物理;材料类;课程设计;课程思政

大学物理课程作为理工类非物理专业的学科基础课，是专业课程学习前的一门重要课程，不仅扩展了高等数学的科学应用，而且对涉及力学、电磁学、热学、光学的专业课程起铺垫作用[1]。材料类专业作为一门高校广泛开设、社会认可度高的专业门类，其学生培养过程中均涉及到大学物理课程。目前，全国开设材料类专业的高校多达200余所。2022年普通高等学校本科专业目录显示，材料类专业包括材料科学与工程、材料物理、材料化学、冶金工程、金属材料工程、无机非金属材料工程、高分子材料与工程、复合材料与工程、粉体材料科学与工程、宝石及材料工艺学、焊接技术与工程、功能材料、纳米材料与技术、新能源材料与器件、材料设计科学与工程、复合材料成型工程、智能材料与结构和光电信息材料与器件等18个专业。因此，针对大学物理课程在材料类专业学生培养中的研究对于高校学生和专业教师均具有显著意义。一方面，大学物理在高中物理体系的基础上，扩展了力学、热学、光学、电磁学、近代物理领域的适用性;另一方面，大学物理针对材料类专业后续专业课程如《晶体学基础》《材料科学基础》等起到了重要的铺垫作用[2]。同时，《理工科类大学物理课程教学基本要求 理工科类大学物理实验课程教学基本要求》2023版中明确增加了“课程思政”等方面的内容，对于材料类专业课程体系的建设具有重要指导意义[3]。因此，大学物理课程在材料类专业学生整个大学培养阶段起到承前启后的作用。在“新工科”背景下，针对材料类专业学生的大学物理课程建设与改革将对于学生的培养与社会的接轨起到重要作用。

目前，针对于材料类专业大学物理课程的改革研究主要集中在课程内容的调整方面[4-6]。如增加物理学史部分的内容，介绍材料学前沿知识内容[7]，或者针对大学物理课程内容中涉及到材料学研究部分的内容给予专门的介绍和铺垫[8]。部分专家学者也根据本校材料科学与工程专业大学物理课程开展情况总结了该课程的教学体系构建基本思想[9]。然而，调研发现，目前针对材料类专业学生，开展线上线下结合的大学物理课程的研究工作较少[10-11]。本研究团队在前期的教学改革过程中重点突出了物理理论与演示实验结合对于学生培养的重要性。因此，作者结合本校大学物理开设的经验，基于材料类专业的授课特点，进行了针对性的教学创新设计体系构建。主要是为了增强大学物理课程的趣味性和实用性，提高材料类专业学生对于大学物理课程的认可度，培养大学生的家国情怀和社会使命及责任感，最终达到为社会和企业输送合格人才的目的。

1 重构教学内容体系

1.1 优化物理思维体系，为专业课夯实基础

物理学作为自然科学学科，其各部分研究内容间具有严密的逻辑链条。大学物理课程中力、热、光、电、磁、量子物理和相对论部分的知识不是高中物理的简单扩展，其授课内容为材料类专业学生的学术潜质培养、科学思维体系构建均奠定了坚实的基础。例如，光的衍射是大学物理中重要的章节内容，其重点介绍了单缝夫琅禾费衍射中利用半波带法计算衍射产生的明暗条纹的基本原理，并进一步介绍了光栅衍射中明暗条纹的计算方式。光的衍射在材料学中的重要应用则是利用X射线衍射计算晶体的面间距结构。其中，明暗条纹的产生原理以及晶面间距与入射光波长间的关系将两部分知识联系在一起。大学物理热学中的热力学三大定律内容的学习为材料类专业学生《物理化学》课程的学习奠定重要基础。热学中涉及到气体变化过程中体积、压强、温度随着循环过程的变化关系等理论，在大学物理课程中重点培养学生思考物理过程、物理参量的相互影响关系。这部分内容是《物理化学》课程的基础，为后续学习焓、吉布斯自由能等知识奠定了基础。不仅如此，后续课程中仍有许多大学物理知识与材料类专业课间存在承前启后的关系。现针对笔者多年的教学经验，将大学物理课程与材料类专业后续课程的关联进行总结如表1所示。通过该部分章节内容的总结，可以在授课过程中为学生梳理出各个课程间的关系，让学生感受到各学期开设的课程并不仅仅是书面知识，更重要的是让学生体会到在课程衔接中，处处体现了教学的逻辑性、科学性和关联性。最终让学生理解基础课不仅可以为专业课奠定基础，也能够为专业的学习指明方向。

1.2 引入课程思政，坚持三全育人

大学物理课程思政建设是新时代中国高等教育理论创新和实践创新的重要表现形式。课程思政是全员、全程、全方位育人目标的重要举措。大学物理课程作为自然科学课程，其中包含了诸如科学创新的探索精神、爱国精神、家国情怀等。通过在大学物理课程中引入与材料学相关的思政元素，将为大学生的人才培养提供更为全面的引领作用[12]。例如，在刚体的角动量定理与角动量守恒定律内容中可通过介绍力矩陀螺仪利用角动量守恒的原理进行工作，并进一步引出其在神舟飞船与中国空间站的精准对接中的重要作用，向同学们展示基础物理知识在国家重大工程中的重要作用，培养学生的爱国精神和民族自豪感。表2展示了作者在授课过程中把大学物理教学内容与课程思政进行融合的部分案例。希望通过这些案例的引入为材料类专业的学生以及同仁教师以启迪和展示。

1.3 拓展前沿知识，培养能力迁移思想

大学物理主要授课内容是经过近百年科学研究得出的经典理论，对于后续科学研究起到铺垫作用。但是，如何将经典的理论与当下热门的前沿知识结合起来，吸引学生的关注度和注意力，将是课程的重要改革方向。本次面向材料类专业学生的大学物理课程体系创新设计中，将大学物理部分课程内容结合材料学专业的特点，在课程内容中全方位地融入前沿知识点，引导学生知识能力迁移和创新思维的培养。针对此部分内容，开展的案例工作如表3所示。例如：在介绍电容器部分知识的时候，可以结合材料类专业的特点，扩展超级电容器的电极材料以及能量存储方面的最新研究进展。这部分内容不仅是当下的热点和前沿，同样也与材料类专业的学生发展方向紧密结合。希望通过前沿知识的扩展，能够进一步增加学生对于大学物理以及材料学专业的全方位认识以及对于新知识的求知欲。

2 转变教学模式，革新人才培养模式

针对大学物理课程中教学内容与材料类专业的其他课程间存在相辅相成、承前启后等诸多关联性，适时适度地开展教学模式的转变，以适应“新工科”背景下材料类专业的人才培养模式。课程主要采用线上线下结合的方式开展。线上平台选用学习通平台，在课程设置时，根据章节安排在构建课程中引入课程背景、知识拓展、知识应用、课程思政等相关链接视频。根据课程开展情况提前一天对授课学生进行开放。所设置的线上课程视频均控制在20分钟以内，避免长时间的视频内容造成的视觉疲劳和逆反心态。线下教学主要梳理重要知识点，重点关注课程内容的重点、难点知识，同时将课前视频与课程知识点进行紧密结合。课程中在讨论区设置适当的讨论题目，对学生进行分组讨论。教师需要适时地观察学生的回答情况，并进行总结。在此教学过程中，充分发挥PBL教学方法在课堂中的重要作用。如在刚体的角动量定理和角动量守恒定律内容讲解时，课前设置神州系列飞船与空间站的对接视频，以及空间站外观结构的讲解视频。本部分重点突出物理知识在科技前沿的应用性，并与课程思政结合，培养学生民族自豪感和民族自信心。在课堂讨论环节，重点给学生展示奥运期间双人花样滑冰与跳水等比赛项目中运动员身体调整与控制转速间的关系。一方面引导学生思考奥运赛场上实例与物理理论知识间的关系，活跃课堂气氛，激发学生的求知欲和想象能力;另一方面，通过奥运赛场的拼搏精神激励学生勇于克服困难、善于打硬仗等思政元素。最后在课程尾声总结部分，需要为学生点出刚体的角动量定理和角动量守恒定律知识不仅在大学物理课程中学习，也在今后的课程如《理论力学》等课程中涉及到，建立不同课程间的衔接和过渡。

3 考核模式改变

针对本课程体系下大学物理课程采用线上线下相结合的授课方式，其考核模式同样有别于传统的以考试为主的授课模式。其主要目的是关注过程化、增强能力化以及全面培养化的综合考查模式。基于此，考核模式主要包括：签到、课堂互动、课程音视频、章节检测、分组任务、课堂讨论、作业、考试，如图1所示。其中：签到5%，课堂互动5%，课程音视频15%，章节检测5%，分组任务10%，课堂讨论5%，作业10%，考试45%。在该考核方式下，学生能转变初、高中思维中学习物理知识与做题的循环模式，将物理知识与实际生活中的实例、专业课知识紧密地结合在一起，同时也实现了课程思政的育人目标。大学期间的课程学习更倾向于传授知识与知识的灵活运用，而不仅仅是通过盲目地做题来决定学生最终的分数。同时，结合大学期间丰富的学科竞赛资源，我校同样培养学生积极参加各类物理学科竞赛，如偏重于大学物理理论知识的“全国部分地区大学生物理竞赛”以及偏重于实验物理的“物理实验竞赛”“物理学术竞赛”“大学生光电设计竞赛”等一系列的竞赛内容。竞赛活动的开展是对课堂知识的扩展和应用，并进一步将竞赛成绩与期末考试之间建立关系，鼓励学生参与竞赛的积极性。据统计，我校近三年来获得国家级竞赛奖项17项;华北地区奖项56项;北京市级奖项39项。课程结课后，多位同学表达了对于课程模式的肯定，并希望更多课程能够采用此类授课方式。

4 结语

鉴于大学物理课程在材料类专业课程体系中的重要性，我们有针对性地开展大学物理课程内容的重构：通过强化大学物理课程与专业课间的内在知识和逻辑关系，突出大学物理课程的重要根基作用;通过引入大学物理中蕴含的课程思政元素，实现对学生润物无声的思政引导，实现三全育人的培养目的;通过科技前沿成果的展示，将大学物理教学知识与最新的科研成果紧密结合，为大学生的科学素养培育奠定基础。基于教学创新设计体系的构建，重点培养学生对于知识的理解、贯通，培育学生的科学素养和人文素养。最终实现学生对于大学物理课程的喜爱，乐于学习以大学物理为代表的自然学科，为学生的后续学习、科研、工作助力起航。

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