何軍 潘長(zhǎng)寧 柳聞鵑
【摘要】發(fā)揮大學(xué)物理課程在培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理在跨界復(fù)合人才培養(yǎng)上的支撐指導(dǎo)作用,是目前我國(guó)高等學(xué)校新工科建設(shè)面臨的緊迫任務(wù)。文章從新工科背景下大學(xué)物理“教什么”“怎么教”兩個(gè)核心層面,探討了跨界人才培養(yǎng)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)提出的要求與改革,以期促進(jìn)大學(xué)物理整體教學(xué)水平不斷提高。
【關(guān)鍵詞】新工科;大學(xué)物理教學(xué);教學(xué)改革
近年來(lái),國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展不斷產(chǎn)生新的需求,國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日新月異,國(guó)家對(duì)工程人才的要求越來(lái)越高,需求越來(lái)越大,工程教育改革迫在眉睫。新工科建設(shè)在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。2017年2月18日,教育部在復(fù)旦大學(xué)召開(kāi)高等工程教育發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì),會(huì)上新工科建設(shè)“復(fù)旦共識(shí)”的達(dá)成標(biāo)志著我國(guó)工程教育改革是一場(chǎng)眾望所歸的集體行動(dòng);4月8日,教育部在天津大學(xué)召開(kāi)新工科建設(shè)研討會(huì),明確了新工科建設(shè)行動(dòng)路線,即“天大行動(dòng)”,正式拉開(kāi)了新階段全國(guó)范圍工程教育改革的帷幕。時(shí)下,“新工科”已成為改革話語(yǔ)中最為醒目的關(guān)鍵詞。新工科的內(nèi)涵是以立德樹(shù)人為引領(lǐng),以應(yīng)對(duì)變化、塑造未來(lái)為建設(shè)理念,以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑,以期培養(yǎng)未來(lái)多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才。這就決定了新工科建設(shè)將更加依賴于大學(xué)物理等理論基礎(chǔ)課程的教學(xué)創(chuàng)新。大學(xué)物理是工科學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程,由于物理學(xué)在自然科學(xué)和工程技術(shù)應(yīng)用中的先導(dǎo)地位以及它與哲學(xué)、社會(huì)科學(xué)的聯(lián)系,使得物理學(xué)在培養(yǎng)創(chuàng)新人才方面具有獨(dú)特的作用。雖然近些年隨著大學(xué)物理教學(xué)改革的不斷深入,大學(xué)物理教學(xué)在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段等方面都有了很大的改進(jìn)和提高,但是仍存在許多不足,無(wú)法滿足新工科背景下人才培養(yǎng)的需要。在教學(xué)內(nèi)容上,盡管加強(qiáng)了近現(xiàn)代物理內(nèi)容的教學(xué),但在用現(xiàn)代物理觀點(diǎn)審視和改革經(jīng)典物理,用普通物理方法闡述近代物理,在經(jīng)典物理中增加應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容等方面明顯不足,無(wú)法真正貫徹和實(shí)現(xiàn)“普通物理現(xiàn)代化和現(xiàn)代物理普通化”的思想,更不利于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力。在教學(xué)方法和手段上,盡管嘗試采用了參與式、討論式、滲透式等多種先進(jìn)的教學(xué)方法,采用電子教案、錄像和演示實(shí)驗(yàn)等教學(xué)手段,但總體上仍以“灌輸式”方法為主,整體教學(xué)效果并不理想。針對(duì)大學(xué)物理教學(xué)的現(xiàn)狀,如何在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和手段、教師工程素質(zhì)等方面進(jìn)行全方位改革,真正發(fā)揮大學(xué)物理課程在培養(yǎng)和提高學(xué)生創(chuàng)新能力和科學(xué)素質(zhì)方面的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理在跨界復(fù)合人才培養(yǎng)上的支撐指導(dǎo)作用,是目前我國(guó)高等學(xué)校新工科建設(shè)面臨的緊迫任務(wù)。因此,本文將以湖南工業(yè)大學(xué)為例,從大學(xué)物理“教什么”“怎么教”兩個(gè)核心層面,探討新工科背景下跨界人才培養(yǎng)對(duì)大學(xué)物理教學(xué)提出的要求及與之相適應(yīng)的改革,以促進(jìn)大學(xué)物理整體教學(xué)水平不斷創(chuàng)新提高。
(一)構(gòu)建大學(xué)物理課程體系模塊化
湖南工業(yè)大學(xué)是以包裝教育為特色的偏工科類綜合性大學(xué),建立了以工為主,工、理、管、文、經(jīng)、法、教育、藝術(shù)等協(xié)調(diào)發(fā)展的學(xué)科體系。目前,學(xué)校已經(jīng)試點(diǎn)啟動(dòng)了工程教育認(rèn)證,各個(gè)專業(yè)對(duì)大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容具有不同的需求。如何在有限的課時(shí)內(nèi)滿足新工科專業(yè)的教學(xué)需求是一個(gè)急需解決的課題。本著因材施教的原則,我們根據(jù)各工科專業(yè)對(duì)力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)以及波動(dòng)光學(xué)等不同知識(shí)的依賴程度,將大學(xué)物理課程體系劃分成了三大模塊。
1.電類模塊。該模塊重點(diǎn)傳授電磁學(xué)方面的知識(shí),尤其重視量子物理、固體等基礎(chǔ)知識(shí),旨在幫助學(xué)生更好地進(jìn)行知識(shí)銜接。當(dāng)然,針對(duì)該類專業(yè)的學(xué)生,授課的時(shí)候會(huì)適當(dāng)減少力學(xué)、熱學(xué)部分的內(nèi)容。該模塊一般適應(yīng)選修的專業(yè)有自動(dòng)化、信息、通信、物理學(xué)、電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)等對(duì)物理知識(shí)要求高的電類專業(yè)。
2.非電類模塊A。該模塊的教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)該放在力學(xué)方面的知識(shí)尤其是剛體部分,強(qiáng)化振動(dòng)、波動(dòng)光學(xué)等內(nèi)容。該模塊一般適應(yīng)選修的專業(yè)有土木工程、生物醫(yī)學(xué)工程、暖通工程以及數(shù)學(xué)等多個(gè)專業(yè),這些專業(yè)對(duì)物理知識(shí)的要求也比較高,但對(duì)電磁學(xué)方面的知識(shí)要求并不那么突出。
3.非電類模塊B。該模塊的課堂教學(xué)中沒(méi)有熱學(xué)以及近代物理等知識(shí),我們適當(dāng)?shù)卦黾恿私榻B守恒、對(duì)稱等物理美學(xué)知識(shí),同時(shí)刪掉了教授難度較大的物理知識(shí),以減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)。該模塊一般適應(yīng)選修的專業(yè)有數(shù)字媒體、藝術(shù)設(shè)計(jì)等。
(二)將實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程有機(jī)地融入理論課教學(xué)
物理學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),在大學(xué)物理理論課堂中當(dāng)然要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的比重,要讓學(xué)生體會(huì)到實(shí)驗(yàn)的思想、思路和過(guò)程。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì),目前大多數(shù)高校中傳統(tǒng)的大學(xué)物理理論課教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課教學(xué)基本是脫節(jié)的,無(wú)法滿足新工科人才培養(yǎng)的要求。譬如,學(xué)生本學(xué)期在學(xué)習(xí)力學(xué)或熱學(xué)知識(shí),可能做的是電磁學(xué)或光學(xué)實(shí)驗(yàn)。另外,實(shí)驗(yàn)大多以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主,明顯缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此,為滿足新工科人才培養(yǎng)要求,我們提出“講好科學(xué)實(shí)驗(yàn),做好演示實(shí)驗(yàn),開(kāi)發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)”的理念,要求教師將大學(xué)物理理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)融合。這有利于培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣和科學(xué)精神,而良好的思維習(xí)慣和科學(xué)精神正是新工科跨界人才不可或缺的。
(三)重視“理工融合”的教育理念,教學(xué)中引入工程實(shí)例
單純的理科教育和工科教育都無(wú)法培養(yǎng)出多學(xué)科交叉的復(fù)合型人才。正因如此,越來(lái)越多的教育工作者重視“理工融合”的教育理念。譬如鐘登華院士、楊叔子院士、夏建國(guó)教授等對(duì)“理工融合”的教育理念進(jìn)行了許多研究,特別是在新工科背景下做了若干頗富指導(dǎo)性的研究工作,提出了一些具體的改革措施。體現(xiàn)物理教學(xué)價(jià)值的一個(gè)重要方面,就是它對(duì)工程技術(shù)的支撐作用。因此,我們重視“理工融合”的教育理念,既重視傳授理論知識(shí),更注重培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力,在教學(xué)中注重將自然科學(xué)前沿進(jìn)展、工程實(shí)際和其他相關(guān)學(xué)科知識(shí)等有機(jī)聯(lián)系在一起,把學(xué)生引向未知世界及領(lǐng)域,激發(fā)其勇于探索和不斷創(chuàng)新的意識(shí)和興趣,加強(qiáng)學(xué)生素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)教育。例如,在講授剛體力學(xué)時(shí),引入土木工程的實(shí)例;在向印刷工程學(xué)生講解靜電場(chǎng)時(shí),介紹靜電除塵、噴墨打印的工作原理;在向電類專業(yè)學(xué)生講解電磁感應(yīng)時(shí),簡(jiǎn)單介紹銀行磁卡的工作原理等。
(一)引入深度學(xué)習(xí)的智慧教學(xué)模式
深度學(xué)習(xí)是指學(xué)習(xí)者使用高級(jí)認(rèn)知技能(如分析、綜合、解決問(wèn)題和元認(rèn)知的能力)處理信息并構(gòu)建長(zhǎng)期而深刻的理解。它指導(dǎo)學(xué)生對(duì)新思想進(jìn)行批判性分析,并將新思想與已知的概念和原理相關(guān)聯(lián),然后應(yīng)用于解決新的情境中的問(wèn)題。深度學(xué)習(xí)者是自主的學(xué)習(xí)者,也是合作型的學(xué)習(xí)者,具有較高的元認(rèn)知和學(xué)習(xí)技能。引入深度學(xué)習(xí)的智慧教學(xué)模式,從以教師為中心的教學(xué)方法向以學(xué)生為中心并引導(dǎo)其自主學(xué)習(xí)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變,有利于學(xué)生提高理解能力和思維技能。這樣,學(xué)生學(xué)到的不再是死記硬背的知識(shí),而是能夠應(yīng)對(duì)真實(shí)、復(fù)雜和快速變化世界的知識(shí)和技能,這正是新工科跨界人才所需的。
(二)實(shí)施指導(dǎo)性探究式教學(xué)模式
探究式教學(xué)是當(dāng)前人們比較認(rèn)同的一種教學(xué)模式。但在教學(xué)實(shí)踐中人們發(fā)現(xiàn)單純的開(kāi)放探究式教學(xué)往往存在學(xué)生思維過(guò)于發(fā)散,耗時(shí)太多,效果低等特點(diǎn),若把它變成指導(dǎo)探究式教學(xué)模式,則可較大程度地避免其不足。指導(dǎo)探究式教學(xué)模式是指教師有意設(shè)置框架,并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究,以達(dá)到教學(xué)目的。我們提出在新工科人才培養(yǎng)過(guò)程中建立探究式教學(xué)新秩序,營(yíng)造融洽的課堂氛圍,讓學(xué)生在輕松、愉快的課堂討論中獨(dú)立地探索,大膽自由發(fā)表見(jiàn)解,自主探究和自由創(chuàng)作。在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn),這樣培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生創(chuàng)新能力較強(qiáng),參加競(jìng)賽、大學(xué)生創(chuàng)新性訓(xùn)練計(jì)劃等創(chuàng)新性活動(dòng)的積極性更高。眾所周知,創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是新工科人才培養(yǎng)的核心。
(三)搭建以課題、項(xiàng)目為核心的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐平臺(tái)
在完成教學(xué)任務(wù)后,開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,為部分學(xué)生創(chuàng)造條件,鼓勵(lì)其對(duì)某一知識(shí)點(diǎn)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步探索。引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自身興趣和專業(yè)特點(diǎn)自主選題,選題要求盡量貼近工程應(yīng)用實(shí)際。同時(shí)也鼓勵(lì)教師結(jié)合自己的研究課題給出相關(guān)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)題目,面向全體本科學(xué)生,以開(kāi)拓思維,培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目的,開(kāi)展大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目。在學(xué)生完成項(xiàng)目的過(guò)程中,指導(dǎo)教師只能適度參與,對(duì)于項(xiàng)目的合理性及可行性只提供建議和指引,并指導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。每一個(gè)項(xiàng)目組建立一個(gè)微信群,當(dāng)學(xué)生在項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中遇到困難時(shí),教師可以及時(shí)給予適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)與幫助,及時(shí)解答學(xué)生提出的問(wèn)題。
總之,傳統(tǒng)的講授式教學(xué)已不能滿足新工科跨界人才培養(yǎng)的要求。我們?cè)谛鹿た票尘跋聫拇髮W(xué)物理“教什么”“怎么教”兩個(gè)核心層面探討了大學(xué)物理教學(xué)改革的一些可行性舉措,以期促進(jìn)大學(xué)物理整體教學(xué)水平不斷創(chuàng)新提高。
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