“新工科”背景下大學物理“金課”設計方案探索與實踐

董梅峰　宋新祥　劉冰

摘要：培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是新工科建設的目標。高校作為優(yōu)質(zhì)人才培養(yǎng)的基地，必須推行“創(chuàng)新”教育，而課程是人才培養(yǎng)過程中的核心要素和載體，因此創(chuàng)新教育最終要落實到每門課程的實際教學過程中。在教育部出臺的《關于狠抓新時代全國高等教育本科教育工作會議精神落實的通知》（教高〔2018〕8號）文件中，明確指出：各高校要全面梳理各門課程的教學內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”。將每門課程都打造成“金課”，可以說是對“新工科”人才培養(yǎng)目標的有力保障。作為工科院校的必修基礎課，構(gòu)建大學物理“金課”，是大學物理課程培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要使命。

關鍵詞：新工科;金課;創(chuàng)新能力;大學物理;PREI教學模式

目前“新工科”建設是工科院校研究的重要內(nèi)容，圍繞“新工科”建設的“天大行動”中的“天大六問”，指出了培養(yǎng)人才的目標是培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識、數(shù)字化思維和跨界整合能力的“新工科”人才?！靶鹿た啤敝械摹肮た啤笔侵腹こ虒W科，“新”包含三方面的涵義，即新興、新型和新生?！敖鹫n”可以歸結(jié)為“兩性一度”：高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度。“金課”旨在全面提高高校人才培養(yǎng)能力，這和“新工科”人才培養(yǎng)的目標是一致的。因此“新工科”理念的實施和“金課”的標準在課程建設的各個方面是相通的，并且是相輔相成的，“金課”可以說是“新工科”人才培養(yǎng)的有力保障。在“新工科”背景下，我校大學物理課程組圍繞“金課”的要求，從教學內(nèi)容體系的構(gòu)建、PREI教學模式的搭建、教學成效的考核等方面進行了相關改革和實踐。

一、基于“新工科”內(nèi)涵，梳理整合教材內(nèi)容體系，構(gòu)建具有“高階性和挑戰(zhàn)度”的教學內(nèi)容體系

新生是指由不同學科交叉，包括現(xiàn)有不同工程學科的交叉復合、工程學科與其他學科的交叉融合等產(chǎn)生出來的新學科;新興指新興學科、新興產(chǎn)業(yè)和研究方向，例如新能源、新材料、生物科學等，而這些新興的研究方向都是由基礎學科孕育的。大學物理作為新工科中的基礎課，目前一些新生學科和新興研究方向都與物理學科有著不可分割的聯(lián)系，因此在大學物理教學過程中要進一步與新生學科和新興研究方向交叉融合，構(gòu)建具有“高階性和挑戰(zhàn)度”的大學物理“金課”教學內(nèi)容體系。

1.教學內(nèi)容體系在“知識、能力、素質(zhì)”上要做到“高階性”

“知識、能力、素質(zhì)”是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的三個重要維度，“金課”的高階性就是指知識、能力、素質(zhì)三個維度的有機融合，為了使大學物理知識、能力、素質(zhì)三者有機融合，在教學內(nèi)容體系的建設中要做到以下幾點。

（1）知識維度要體現(xiàn)“寬、厚、?！?/p>

大學物理作為工科學生的必修基礎課程，在知識橫向?qū)用嫔象w現(xiàn)“寬”基礎的特點，內(nèi)容體系要包括力、熱、電磁、光學、原子物理各個模塊的知識點。在知識縱向?qū)用嫔弦w現(xiàn)“厚”基礎的特點，知識體系要包括每一知識模塊的發(fā)展演變，特別是與前沿物理領域的聯(lián)系以及與“新學科”的交叉關系，并把每個模塊與前沿研究領域的結(jié)合點作為教學中的引領與拓展內(nèi)容。例如“天眼”與光學模塊中圓孔衍射分辨率的知識可以相結(jié)合進行講解。

知識體系也要體現(xiàn)“?！钡奶攸c，即不同專業(yè)要根據(jù)其專業(yè)需求配置不同層次的教學內(nèi)容。因此在課程培養(yǎng)方案和教學內(nèi)容設置時，結(jié)合我校辦學指導思想和本科教育培養(yǎng)新體系，采取了“加強物理基礎、面向?qū)I(yè)需求”的培養(yǎng)方案，根據(jù)各個專業(yè)需求不同采取“內(nèi)容分類分層”的教學內(nèi)容設置。建立具有“按學科專業(yè)需求配置”的“大學物理模塊化3類3層次”大學物理課程分類分層的教學內(nèi)容。具體是把各個知識模塊的知識點分為A、B、C三類，其中A類主要涉及大學物理的基本概念、基本理論、基本方法;B類是在A類內(nèi)容的基礎上加上對具體物理問題的分析、解決和應用拓展的內(nèi)容;C類是在B類的基礎上再加上按學科專業(yè)不同設計的物理案例、與前沿知識相聯(lián)系的教學案例、跨學科的教學案例等。在上述分類的基礎上，結(jié)合不同專業(yè)在不同的知識模塊采取不同層次的分類分層教學。

（2）能力維度要體現(xiàn)“創(chuàng)新性”

創(chuàng)新能力是多種能力的綜合，其中自主學習能力、科學思考能力、科學行動能力最為重要，在教學內(nèi)容體系的建設中，通過構(gòu)建能夠點燃學生興趣的教學內(nèi)容體系，可以達到培養(yǎng)學生自主學習能力的目的。例如在大學物理知識點中梳理出能引發(fā)學生興趣的案例，錄制成微課，借助于線上云課堂平臺的翻轉(zhuǎn)課堂模塊，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學模式培養(yǎng)學生通過自主學習微課視頻內(nèi)容、解答微課視頻中的問題以及通過查閱網(wǎng)絡資源形成研究性問題帶入課堂進行討論研究的自主學習能力。

科學思考能力是指學生利用知識，通過獨立思考和批判性思維解決實際問題的能力。科學的行動能力是對問題進行科學思考的基礎上，形成科學解決方案的前提下，通過科學的途徑來解決復雜問題、探索已有的物理規(guī)律或者創(chuàng)造新的物理規(guī)律的行動能力。如表1所示，在教學內(nèi)容體系的構(gòu)建過程中，梳理出一些具有批判性的物理問題，進行問題研究討論式授課，培養(yǎng)學生的科學思考能力和科學行動能力。

（3）素質(zhì)維度要體現(xiàn)“雙素質(zhì)”

大學生的素質(zhì)教育要體現(xiàn)雙素質(zhì)：品德素質(zhì)和對專業(yè)知識的科學研究素質(zhì)。立德樹人是教育的根本任務，是教育的中心環(huán)節(jié)，在教學內(nèi)容體系中要有機融入課程思政的教學內(nèi)容。結(jié)合立德樹人的內(nèi)涵和大學物理課程的特點，首先把物理規(guī)律體現(xiàn)出的人生良好品德融入教學，例如講解物理上“過程量和狀態(tài)量”關系時，可以把學生大學四年的過程和入學離校的狀態(tài)有機的聯(lián)系起來，培養(yǎng)學生重過程的腳踏實地實干精神和唯真唯實的良好品德;另外，把相關物理科學家的良好品德引入教學內(nèi)容，作為學生立德的榜樣，例如在講大學物理量子理論知識模塊中康普頓散射效應時，我國科學家吳有訓在此領域有重大貢獻，他在康普頓的指導下做了題目為“康普頓效應”博士論文。當“康普頓效應”這一偉大發(fā)現(xiàn)獲得舉世公認，諾貝爾獎評選委員會決定將“康普頓效應”的發(fā)現(xiàn)列入下一屆物理學獎的名單時，康普頓教授決定除自己以外， 提名威爾遜和吳有訓兩個人同時受獎并把自己的意思誠懇地告知吳有訓時， 吳有訓連連搖手， 不安地說：“不行，不行，我的名字不應當放在里面，這是老師的功勞，我只是一名助手， 做了應該做的事情?！边@展現(xiàn)了一個具有高尚品德的中國青年。大學物理中像吳有訓這樣刻苦鉆研、堅持不懈并具有高尚品德的科學家的例子還有很多，引入教學后會大大促進立德樹人的品德教育。

教學中盡量還原科學家探索物理規(guī)律的過程，展現(xiàn)科學家在研究思考問題時的批判性思維和科學研究素質(zhì)，從而把科學家的精神和素質(zhì)通過課堂教學內(nèi)化于學生自身。另外科學研究素質(zhì)的培養(yǎng)需要實際演練，在教學內(nèi)容中設置科學研究性的課題供學生選擇研究，從而達到培養(yǎng)其科學研究素質(zhì)的目的，如表1所示。

2.教學內(nèi)容體系在“知識、能力、素質(zhì)”上要做到“挑戰(zhàn)度”

要培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，打造“金課”，課程內(nèi)容體系必須具有一定的“挑戰(zhàn)度”。挑戰(zhàn)度是指課程內(nèi)容要有一定難度，這個難度并不是為了難住學生而設置的“難題”和“怪題”，在大學物理課程內(nèi)容體系中設置一些與前沿研究相關的難點、熱點內(nèi)容，比如目前物理學比較熱門的前沿知識石墨烯的力、電、光學性質(zhì)的研究，可以把該類問題納入大學物理教學內(nèi)容體系之中;再如在研究物理問題時學生比較習慣利用高等數(shù)學的知識去解決，而往往一些科學研究問題是無法利用高等數(shù)學的知識解出其解析解的，此時需要利用科學的計算方法如借助于計算機程序模擬仿真才能得到其結(jié)果，所以可以把計算機程序模擬物理問題納入大學物理教學內(nèi)容體系之中?？傊哂小疤魬?zhàn)度”的知識內(nèi)容必須根據(jù)課程的特點來設置，需要學生和教師一起完成。表1中列舉了一部分研究性課題，通過這些具有“挑戰(zhàn)度”的教學內(nèi)容培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

二、基于“新工科”培養(yǎng)目標，變革教學模式，

采用混合式的PREI教學模式

“新工科”中的“新”也包括對培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新。探索新的人才教學模式，為學生提供更加多樣化的學習方式，重視學生的課堂互動式學習、課下的自主學習、個性化學習以及終身學習的過程，是新工科對教學模式的內(nèi)在要求。筆者在教學中創(chuàng)新性地采取了四平臺驅(qū)動式PREI教學模式，這四個平臺分別為：云課堂平臺、雨課堂平臺、大學物理實驗創(chuàng)新平臺、軟件虛擬數(shù)字化平臺，如圖1所示。

PREI（Problem Research Expand Innovation）是指“問題研究拓展創(chuàng)新”，PREI教學模式是案例教學、翻轉(zhuǎn)課堂、線上線下教學、大班授課與第二課堂小組研討等多種教學模式的有機融合，是通過學生對問題案例進行課前自主研究、主課堂教師引導研究、課外學生對問題繼承與拓展的研究、教師在第二課堂對問題進行引導深化拓展交叉融合創(chuàng)新研究，從而達到夯實內(nèi)化基礎知識、培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的。PREI教學模式首先在課前把要研究的問題通過云課堂傳遞給學生，學生課前在云課堂平臺“翻轉(zhuǎn)課堂”模塊進行視頻自學和查閱中英文資料完成相關的課程作業(yè)，并上傳到云課堂的“課程作業(yè)”模塊，同時學生帶著問題進入主課堂;教師通過批閱課程作業(yè)做好問題研究討論課的引領工作。這樣學生和教師都為課堂要研究討論的問題做好了充分的準備，使得主課堂真正變成了辯論課堂。課中利用雨課堂平臺進行討論互動。上述的云課堂平臺和雨課堂平臺都承載著課前課后教學資源，兩個平臺均有手機接收終端，便于課堂內(nèi)外隨時查看，同時還便于學生課前課后自主學習以及和教師進行交互式學習。經(jīng)過主課堂研討后還需要進一步拓展創(chuàng)新的問題由科技小組的同學在第二課堂中通過“數(shù)字化平臺”和“實驗創(chuàng)新平臺”進一步研究，其中數(shù)字化平臺主要采用MATLAB仿真平臺，實驗創(chuàng)新平臺主要在大學物理演示實驗室進行。

基于四平臺驅(qū)動式主課堂的PREI教學模式實施后，我們發(fā)現(xiàn)該教學模式有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識和批判性思維能力等。

三、基于“新工科”理念，變革傳統(tǒng)的考核模式，采用“重過程”的多元化考核模式

采用多元化的考核模式，重點考核學生的創(chuàng)新能力等各種能力。

1.雨課堂和云課堂兩個平臺的考核

通過雨課堂對學生參與課堂互動、討論、對當堂課知識點內(nèi)化的情況進行考核（5%），課堂上根據(jù)所講授討論的問題及時展示學生的答題作品，通過雨課堂可以用手機查看優(yōu)秀學生和預警學生，另外也可以查看所有學生對一個知識點的掌握程度，并且可以查看有哪幾個學生理解錯誤，根據(jù)出錯人數(shù)的多少，教師可以確定是否重新組織學生對該知識點進行討論。

通過云課堂的“反轉(zhuǎn)課堂”和“課程作業(yè)”模塊，考核學生課前對課堂討論研究的問題的預習情況（5%）。

2.在第二課堂考核科技小組各個成員在實驗創(chuàng)新平臺和數(shù)字化虛擬仿真平臺操作的多種科研創(chuàng)新能力

在學期初，學生在第二課堂組成小于等于5人的科技小組，科技小組成員在教師的引導下通過大學物理演示實驗室平臺和數(shù)字化程序虛擬仿真平臺進行課題研究創(chuàng)新工作，最終在學期末形成研究性報告和答辯PPT等資料，并組織學生進行PPT答辯，科技小組研究性成果占課程考核的30%。該項工作不僅考核學生的科學行動能力，更可以考核學生的實驗操作設計能力和程序虛擬仿真能力，同時也可以考核學生自主查閱中英文資料、發(fā)現(xiàn)問題、研究問題、論文撰寫、語言組織答辯等各種能力。

3.階段性考核

在期中（10%）和期末（50%）通過理論考試，測試學生對大學物理各個知識模塊的理解和掌握程度，以及利用知識處理問題的能力。試卷中的題目都有明確的知識點橫向綜合系數(shù)、知識點縱向深度系數(shù)、能力考核系數(shù)、整套試卷中各項比例權重等設置。

四、總結(jié)

上述教學內(nèi)容體系、教學模式和考核模式實施后，在一個教學年中，一個教學班級共有30多人參加山東省大學物理競賽，共獲獎34項（獲省級一等獎4項，二等獎9項，三等獎21項）;另外，學生把科技小組的作品拿去參加相關比賽并獲獎，比如學生參加了機電杯和第十屆山東省大學生科技節(jié)大賽，分別榮獲山東省二等獎;還有一部分學生通過申請校級和國家級的大創(chuàng)項目，深入研究科技小組的研究課題，共有8個科技小組分別申請了校級和國家級的大創(chuàng)項目;還有一部分學生把大學物理課程學習過程中的想法申請了國家級實用新型專利共5項。

基于“新工科”理念打造的大學物理“金課”，學生的學習興趣和參與課堂教學的意識大大提高，另外學生的自主學習和終生學習能力、發(fā)現(xiàn)問題的能力、研究問題的能力、解決問題的能力、實驗動手能力、程序設計模擬仿真能力、語言組織能力等都得到了一定的提高。

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編輯∕宋博瑤

作者簡介：董梅峰（1973-），女，山東惠民人，碩士，講師，研究方向：大學物理、信息光學。

基金項目：中國石油大學（華東）教學研究與改革項目“四平臺驅(qū)動《大學物理》問題研究拓展創(chuàng)新教學模式的實踐”（JY-B201852）;中國石油大學（華東）教學研究與改革重點項目“新工科視域下大學物理課程體系的構(gòu)建與實踐”

（JY-A201820）;山東省教學研究與改革項目“面向新工科的數(shù)理公共基礎課程體系構(gòu)建與實踐”（M2018B367）