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(shè)的目標(biāo)。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(guò)程中的核心要素和載體，因此創(chuàng)新教育最終要落實(shí)到每門(mén)課程的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中。在教育部出臺(tái)的《關(guān)于狠抓新時(shí)代全國(guó)高等教育本科教育工作會(huì)議精神落實(shí)的通知》（教高〔2018〕8號(hào)）文件中，明確指出：各高校要全面梳理各門(mén)課程的教學(xué)內(nèi)容，淘汰“水課”、打造“金課”。將每門(mén)課程都打造成“金課”，可以說(shuō)是對(duì)“新工科”人才培養(yǎng)目標(biāo)的有力保障。作為工科院校的必修基礎(chǔ)課，構(gòu)建大學(xué)物理“金課”，是大學(xué)物理課程培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要使命。

關(guān)鍵詞：新工科;金課;創(chuàng)新能力;大學(xué)物理;PREI教學(xué)模式

目前“新工科”建設(shè)是工科院校研究的重要內(nèi)容，圍繞“新工科”建設(shè)的“天大行動(dòng)”中的“天大六問(wèn)”，指出了培養(yǎng)人才的目標(biāo)是培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)、數(shù)字化思維和跨界整合能力的“新工科”人才。“新工科”中的“工科”是指工程學(xué)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?！敖鹫n”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(biāo)是一致的。因此“新工科”理念的實(shí)施和“金課”的標(biāo)準(zhǔn)在課程建設(shè)的各個(gè)方面是相通的，并且是相輔相成的，“金課”可以說(shuō)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(xué)物理課程組圍繞“金課”的要求，從教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建、PREI教學(xué)模式的搭建、教學(xué)成效的考核等方面進(jìn)行了相關(guān)改革和實(shí)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(xué)內(nèi)容體系

新生是指由不同學(xué)科交叉，包括現(xiàn)有不同工程學(xué)科的交叉復(fù)合、工程學(xué)科與其他學(xué)科的交叉融合等產(chǎn)生出來(lái)的新學(xué)科;新興指新興學(xué)科、新興產(chǎn)業(yè)和研究方向，例如新能源、新材料、生物科學(xué)等，而這些新興的研究方向都是由基礎(chǔ)學(xué)科孕育的。大學(xué)物理作為新工科中的基礎(chǔ)課，目前一些新生學(xué)科和新興研究方向都與物理學(xué)科有著不可分割的聯(lián)系，因此在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中要進(jìn)一步與新生學(xué)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(xué)物理“金課”教學(xué)內(nèi)容體系。

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

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

（1）知識(shí)維度要體現(xiàn)“寬、厚、?！?/p>

大學(xué)物理作為工科學(xué)生的必修基礎(chǔ)課程，在知識(shí)橫向?qū)用嫔象w現(xiàn)“寬”基礎(chǔ)的特點(diǎn)，內(nèi)容體系要包括力、熱、電磁、光學(xué)、原子物理各個(gè)模塊的知識(shí)點(diǎn)。在知識(shí)縱向?qū)用嫔弦w現(xiàn)“厚”基礎(chǔ)的特點(diǎn)，知識(shí)體系要包括每一知識(shí)模塊的發(fā)展演變，特別是與前沿物理領(lǐng)域的聯(lián)系以及與“新學(xué)科”的交叉關(guān)系，并把每個(gè)模塊與前沿研究領(lǐng)域的結(jié)合點(diǎn)作為教學(xué)中的引領(lǐng)與拓展內(nèi)容。例如“天眼”與光學(xué)模塊中圓孔衍射分辨率的知識(shí)可以相結(jié)合進(jìn)行講解。

知識(shí)體系也要體現(xiàn)“專”的特點(diǎn)，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(xué)內(nèi)容。因此在課程培養(yǎng)方案和教學(xué)內(nèi)容設(shè)置時(shí)，結(jié)合我校辦學(xué)指導(dǎo)思想和本科教育培養(yǎng)新體系，采取了“加強(qiáng)物理基礎(chǔ)、面向?qū)I(yè)需求”的培養(yǎng)方案，根據(jù)各個(gè)專業(yè)需求不同采取“內(nèi)容分類分層”的教學(xué)內(nèi)容設(shè)置。建立具有“按學(xué)科專業(yè)需求配置”的“大學(xué)物理模塊化3類3層次”大學(xué)物理課程分類分層的教學(xué)內(nèi)容。具體是把各個(gè)知識(shí)模塊的知識(shí)點(diǎn)分為A、B、C三類，其中A類主要涉及大學(xué)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(chǔ)上加上對(duì)具體物理問(wèn)題的分析、解決和應(yīng)用拓展的內(nèi)容;C類是在B類的基礎(chǔ)上再加上按學(xué)科專業(yè)不同設(shè)計(jì)的物理案例、與前沿知識(shí)相聯(lián)系的教學(xué)案例、跨學(xué)科的教學(xué)案例等。在上述分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同專業(yè)在不同的知識(shí)模塊采取不同層次的分類分層教學(xué)。

（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(xué)習(xí)能力、科學(xué)思考能力、科學(xué)行動(dòng)能力最為重要，在教學(xué)內(nèi)容體系的建設(shè)中，通過(guò)構(gòu)建能夠點(diǎn)燃學(xué)生興趣的教學(xué)內(nèi)容體系，可以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的目的。例如在大學(xué)物理知識(shí)點(diǎn)中梳理出能引發(fā)學(xué)生興趣的案例，錄制成微課，借助于線上云課堂平臺(tái)的翻轉(zhuǎn)課堂模塊，采用翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式培養(yǎng)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)微課視頻內(nèi)容、解答微課視頻中的問(wèn)題以及通過(guò)查閱網(wǎng)絡(luò)資源形成研究性問(wèn)題帶入課堂進(jìn)行討論研究的自主學(xué)習(xí)能力。

科學(xué)思考能力是指學(xué)生利用知識(shí)，通過(guò)獨(dú)立思考和批判性思維解決實(shí)際問(wèn)題的能力?？茖W(xué)的行動(dòng)能力是對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)思考的基礎(chǔ)上，形成科學(xué)解決方案的前提下，通過(guò)科學(xué)的途徑來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)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(dòng)能力。如表1所示，在教學(xué)內(nèi)容體系的構(gòu)建過(guò)程中，梳理出一些具有批判性的物理問(wèn)題，進(jìn)行問(wèn)題研究討論式授課，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思考能力和科學(xué)行動(dòng)能力。

（3）素質(zhì)維度要體現(xiàn)“雙素質(zhì)”

大學(xué)生的素質(zhì)教育要體現(xiàn)雙素質(zhì)：品德素質(zhì)和對(duì)專業(yè)知識(shí)的科學(xué)研究素質(zhì)。立德樹(shù)人是教育的根本任務(wù)，是教育的中心環(huán)節(jié)，在教學(xué)內(nèi)容體系中要有機(jī)融入課程思政的教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合立德樹(shù)人的內(nèi)涵和大學(xué)物理課程的特點(diǎn)，首先把物理規(guī)律體現(xiàn)出的人生良好品德融入教學(xué)，例如講解物理上“過(guò)程量和狀態(tài)量”關(guān)系時(shí)，可以把學(xué)生大學(xué)四年的過(guò)程和入學(xué)離校的狀態(tài)有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，培養(yǎng)學(xué)生重過(guò)程的腳踏實(shí)地實(shí)干精神和唯真唯實(shí)的良好品德;另外，把相關(guān)物理科學(xué)家的良好品德引入教學(xué)內(nèi)容，作為學(xué)生立德的榜樣，例如在講大學(xué)物理量子理論知識(shí)模塊中康普頓散射效應(yīng)時(shí)，我國(guó)科學(xué)家吳有訓(xùn)在此領(lǐng)域有重大貢獻(xiàn)，他在康普頓的指導(dǎo)下做了題目為“康普頓效應(yīng)”博士論文。當(dāng)“康普頓效應(yīng)”這一偉大發(fā)現(xiàn)獲得舉世公認(rèn)，諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)選委員會(huì)決定將“康普頓效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)列入下一屆物理學(xué)獎(jiǎng)的名單時(shí)，康普頓教授決定除自己以外， 提名威爾遜和吳有訓(xùn)兩個(gè)人同時(shí)受獎(jiǎng)并把自己的意思誠(chéng)懇地告知吳有訓(xùn)時(shí)， 吳有訓(xùn)連連搖手， 不安地說(shuō)：“不行，不行，我的名字不應(yīng)當(dāng)放在里面，這是老師的功勞，我只是一名助手， 做了應(yīng)該做的事情?！边@展現(xiàn)了一個(gè)具有高尚品德的中國(guó)青年。大學(xué)物理中像吳有訓(xùn)這樣刻苦鉆研、堅(jiān)持不懈并具有高尚品德的科學(xué)家的例子還有很多，引入教學(xué)后會(huì)大大促進(jìn)立德樹(shù)人的品德教育。

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

2.教學(xué)內(nèi)容體系在“知識(shí)、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(gè)難度并不是為了難住學(xué)生而設(shè)置的“難題”和“怪題”，在大學(xué)物理課程內(nèi)容體系中設(shè)置一些與前沿研究相關(guān)的難點(diǎn)、熱點(diǎn)內(nèi)容，比如目前物理學(xué)比較熱門(mén)的前沿知識(shí)石墨烯的力、電、光學(xué)性質(zhì)的研究，可以把該類問(wèn)題納入大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容體系之中;再如在研究物理問(wèn)題時(shí)學(xué)生比較習(xí)慣利用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)去解決，而往往一些科學(xué)研究問(wèn)題是無(wú)法利用高等數(shù)學(xué)的知識(shí)解出其解析解的，此時(shí)需要利用科學(xué)的計(jì)算方法如借助于計(jì)算機(jī)程序模擬仿真才能得到其結(jié)果，所以可以把計(jì)算機(jī)程序模擬物理問(wèn)題納入大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容體系之中?？傊?，具有“挑戰(zhàn)度”的知識(shí)內(nèi)容必須根據(jù)課程的特點(diǎn)來(lái)設(shè)置，需要學(xué)生和教師一起完成。表1中列舉了一部分研究性課題，通過(guò)這些具有“挑戰(zhàn)度”的教學(xué)內(nèi)容培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

二、基于“新工科”培養(yǎng)目標(biāo)，變革教學(xué)模式，

采用混合式的PREI教學(xué)模式

“新工科”中的“新”也包括對(duì)培養(yǎng)模式的改革和創(chuàng)新。探索新的人才教學(xué)模式，為學(xué)生提供更加多樣化的學(xué)習(xí)方式，重視學(xué)生的課堂互動(dòng)式學(xué)習(xí)、課下的自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)以及終身學(xué)習(xí)的過(guò)程，是新工科對(duì)教學(xué)模式的內(nèi)在要求。筆者在教學(xué)中創(chuàng)新性地采取了四平臺(tái)驅(qū)動(dòng)式PREI教學(xué)模式，這四個(gè)平臺(tái)分別為：云課堂平臺(tái)、雨課堂平臺(tái)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)、軟件虛擬數(shù)字化平臺(tái)，如圖1所示。

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

基于四平臺(tái)驅(qū)動(dòng)式主課堂的PREI教學(xué)模式實(shí)施后，我們發(fā)現(xiàn)該教學(xué)模式有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、創(chuàng)新意識(shí)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(guò)程”的多元化考核模式

采用多元化的考核模式，重點(diǎn)考核學(xué)生的創(chuàng)新能力等各種能力。

1.雨課堂和云課堂兩個(gè)平臺(tái)的考核

通過(guò)雨課堂對(duì)學(xué)生參與課堂互動(dòng)、討論、對(duì)當(dāng)堂課知識(shí)點(diǎn)內(nèi)化的情況進(jìn)行考核（5%），課堂上根據(jù)所講授討論的問(wèn)題及時(shí)展示學(xué)生的答題作品，通過(guò)雨課堂可以用手機(jī)查看優(yōu)秀學(xué)生和預(yù)警學(xué)生，另外也可以查看所有學(xué)生對(duì)一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，并且可以查看有哪幾個(gè)學(xué)生理解錯(cuò)誤，根據(jù)出錯(cuò)人數(shù)的多少，教師可以確定是否重新組織學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行討論。

通過(guò)云課堂的“反轉(zhuǎn)課堂”和“課程作業(yè)”模塊，考核學(xué)生課前對(duì)課堂討論研究的問(wèn)題的預(yù)習(xí)情況（5%）。

2.在第二課堂考核科技小組各個(gè)成員在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新平臺(tái)和數(shù)字化虛擬仿真平臺(tái)操作的多種科研創(chuàng)新能力

在學(xué)期初，學(xué)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(dǎo)下通過(guò)大學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)和數(shù)字化程序虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行課題研究創(chuàng)新工作，最終在學(xué)期末形成研究性報(bào)告和答辯PPT等資料，并組織學(xué)生進(jìn)行PPT答辯，科技小組研究性成果占課程考核的30%。該項(xiàng)工作不僅考核學(xué)生的科學(xué)行動(dòng)能力，更可以考核學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作設(shè)計(jì)能力和程序虛擬仿真能力，同時(shí)也可以考核學(xué)生自主查閱中英文資料、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、研究問(wèn)題、論文撰寫(xiě)、語(yǔ)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(guò)理論考試，測(cè)試學(xué)生對(duì)大學(xué)物理各個(gè)知識(shí)模塊的理解和掌握程度，以及利用知識(shí)處理問(wèn)題的能力。試卷中的題目都有明確的知識(shí)點(diǎn)橫向綜合系數(shù)、知識(shí)點(diǎn)縱向深度系數(shù)、能力考核系數(shù)、整套試卷中各項(xiàng)比例權(quán)重等設(shè)置。

四、總結(jié)

上述教學(xué)內(nèi)容體系、教學(xué)模式和考核模式實(shí)施后，在一個(gè)教學(xué)年中，一個(gè)教學(xué)班級(jí)共有30多人參加山東省大學(xué)物理競(jìng)賽，共獲獎(jiǎng)34項(xiàng)（獲省級(jí)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)，二等獎(jiǎng)9項(xiàng)，三等獎(jiǎng)21項(xiàng)）;另外，學(xué)生把科技小組的作品拿去參加相關(guān)比賽并獲獎(jiǎng)，比如學(xué)生參加了機(jī)電杯和第十屆山東省大學(xué)生科技節(jié)大賽，分別榮獲山東省二等獎(jiǎng);還有一部分學(xué)生通過(guò)申請(qǐng)校級(jí)和國(guó)家級(jí)的大創(chuàng)項(xiàng)目，深入研究科技小組的研究課題，共有8個(gè)科技小組分別申請(qǐng)了校級(jí)和國(guó)家級(jí)的大創(chuàng)項(xiàng)目;還有一部分學(xué)生把大學(xué)物理課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的想法申請(qǐng)了國(guó)家級(jí)實(shí)用新型專利共5項(xiàng)。

基于“新工科”理念打造的大學(xué)物理“金課”，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與課堂教學(xué)的意識(shí)大大提高，另外學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)能力、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力、研究問(wèn)題的能力、解決問(wèn)題的能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力、程序設(shè)計(jì)模擬仿真能力、語(yǔ)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(jiǎn)介：董梅峰（1973-），女，山東惠民人，碩士，講師，研究方向：大學(xué)物理、信息光學(xué)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油大學(xué)（華東）教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“四平臺(tái)驅(qū)動(dòng)《大學(xué)物理》問(wèn)題研究拓展創(chuàng)新教學(xué)模式的實(shí)踐”（JY-B201852）;中國(guó)石油大學(xué)（華東）教學(xué)研究與改革重點(diǎn)項(xiàng)目“新工科視域下大學(xué)物理課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐”

（JY-A201820）;山東省教學(xué)研究與改革項(xiàng)目“面向新工科的數(shù)理公共基礎(chǔ)課程體系構(gòu)建與實(shí)踐”（M2018B367）