冯伟
[摘 要] 大学物理作为高等学校理工科的公共基础课， 是培养新工科学科发展和建设所需要的复合型、综合性创新人才的重要基础。对此课程进行深入思考和改革，探索新工科学科发展中物理学如何更好地发挥先导和基础作用，以适应新时代的需求。
[关 键 词] 新工科;大学物理;教学改革
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2020）32-0214-02
一、“新工科”背景下的大学物理学
2017年2月以来，教育部积极推进新工科建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”，并发布了《关于开展新工科研究与实践的通知》《关于推进新工科研究与实践项目的通知》，全国各高校都开始重视新工科建设，逐步开展了“新工科”背景下的相关教学改革[1，2]。随着对“新工科”大致内涵达到基本的共识，形成了新型学科专业、新生学科专业和新兴学科专业三类新工科学科专业基本结构[3]。
物理学是自然科学中最基本、最重要的基础科学，是研究物质运动普遍规律和物质基本结构的科学，是工程科学和技术的基础。近年来由物理学孕育的新科技在引领未来技术、发展新兴产业中起到了重要作用。大学物理学是物理学的基础部分，是工科各专业学生的主要基础课程之一，主旨是培养学生掌握科学研究方法、思维方式和能力，增强学生的科技创新意识，全面提高学生的科学素养。新工科具有现代科学、技术和工程相互交叉融合的特性，新工科学科的发展和建设需要有很好理工科基础的复合型、综合性创新人才。在新工科学科发展中，物理学的先导和基础作用将更加显着和重要，大学物理学课程改革就具有尤其重要的现实意义。
大学物理学课程经过多年的教学实践，已经形成了完备的教学体系和与各传统学科专业密切相关的基本架构。然而，现有课程内容比较传统和过于经典，教学内容涵盖力学、电磁学、热学、光学和近代物理基础，对与新科技相对应的基本内容涉及较少。为了与新工科的发展相同步和匹配，大学物理学课程内容亟待解决的关键问题是如何建立针对新工科专业的大学物理学基础课程体系，需要引入与之相关的新概念、新现象和新方法的知识内容，例如与人工智能、大数据、云计算、物联网等新科技相关的基本物理概念和内涵。大学物理课程体系还需要融入侧重近代物理和高新技术物理进展的相关知识。2018年“地平线报告”指出高等教育中技术的重大发展将主要体现为：分析技术、创客空间、自适应学习技术、人工智能、混合现实、机器人等。而新兴领域与技术都强烈地依赖近代物理和高新技术，通过探索和建立新的课程体系，进一步确定与新工科各专业相匹配的大学物理学基础课程体系的具体内容，探索理科在技术前沿的应用，推动理科向工科延伸应用，促进理、工、医等多学科相互交叉、融合与发展。
二、大学物理学课程建设思路和举措
（一）强调“新工科”学科体系建设下物理学的内涵，重视物理学的理念、思路和作用
“新工科”学科形成体现了新科技的发展与其学科建设的需求，面对不断涌现的新技术与新科学，宏观上我们需要建立系统的学科体系和完善的人才培养理念与模式，强化交叉学科、多学科科学素质和科学基础的培养。基础学科最重要的学科——物理学，是现代工程科学与技术的重要支撑，学生通过广泛和深入的课程学习，掌握其中所蕴含的科学原理、逻辑体系和知识内涵，从而具备融会贯通的自主学习能力、科学创新的思维逻辑和解决实际问题的能力。
当前，物理与工程科学技术的交融越来越密切。物理的最新科研成果直接促进了大数据统计、新型智能制造、网络科技、人工智能等高新技术的蓬勃发展。物理学的相关概念、方法和手段在其中发挥了重要作用。例如，热门的“物联网工程”专业，主要涉及物品的特征识别、传感传入物联网、物品的互通对话、人与物、物与物之间的信息沟通和对话，呈现出分布式和智能化等特征，需要通过射频识别、全球定位、视频、音频、激光扫描等各种传感器技术来实现，这些内容深刻涉及物理学中典型概念和内涵的运用，如机械振动、机械波、电磁波、激光和量子物理等基本知识。此外，在智能制造、大数据处理、人工智能等专业方向同样深刻涉及物理学中的经典和量子特性等方面，与物理学密切相关。未来科学和技术的进步，将更极大地依赖物理学以及与之相关的交叉学科的发展。
（二）增加物理学史知识介绍，加强科学思想教育
物理学史蕴含着丰富的科学思维和科学精神，增加物理学史教学有助于学生科学人生观的树立，激发其学习主动性和创造性思维的培养[1]。通过了解和学习物理学史，学生可以加深对物理学的理解，更重要的是从中得到教益和启迪。如通过光学历史的发展介绍，把握人们对光的本性认识的这根红线，有助于人们对光学的发展脉络有清晰的认识，同时对突破与创新会有更深刻的了解：什么样的背景下，当时的理论出现了什么样的矛盾，遇到了什么样的困难，这位科学家为什么能够提出这样的新的想法和理论……带着这些问题去了解物理学史，把物理基础知识教学与物理学发展简史有机结合，带动学生透过理论看到科学家的思想发展基础和历程，借鉴物理大师对物理现象和知识独特的思维方法，有利于树立学生正确的科学思想，培养学生的创新性意识，为促进物理学以及与之相关的交叉学科的发展提供土壤。
（三）传播和普及近代物理学和高新技术新进展
新工科所仰赖的各种新兴突破性技术，如“量子计算、新能源、材料科学、纳米技术……”和未来技术中的“光子与量子芯片技术、光物质科学与能源技术、仿生智能材料科学与技术……”都强烈地依赖近代物理和高新技术物理的新的进展。在大学物理课程体系中，将近代物理和高新技术物理的进展融合包纳进来，有效地传递给各个工科学科及在校学生。与工科特别是理科衍生的新工科合作探讨如何开展近代物理和高新技术物理与相关专业有机结合教学，形成理工之间的合作与结合，推动物理与材料、能源、通讯、人工智能、环境、医学等领域交叉融合，培育新兴工科领域及其相关专业。
（四）因专业制宜，分层次开展大学物理课程教学
为了紧密结合新工科各专业需求，我们走访了不同的工科学院，听取了专业教师对大学物理基础课程的意见和建议，在基础学科与工科专业之间架构起了有效沟通的桥梁。根据各专业对物理学中力学、热学、光学、电磁学和近代物理各部分知识的依赖程度，大学物理课程教学可以按照专业特征进行大类划分，如信息类、材料类、医学类等，分层次开展教学[4]。
1.对于物联网、新能源、网络通信等专业方向，着重加强电磁学、光学、原子物理和核物理等特性方面的内容和要求，并同时引入量子力学、固体物理等知识，为学生后续的专业学习起到知识衔接的作用。
2.对于大数据、云计算、人工智能、虚拟现实、新材料等专业方向，强调力学部分内容，加强热力学统计物理和光学部分。
3.对于医学和生物医药等对物理知识要求不高的其他专业，加强相关生物物理和生物信息学相关统计和动力学方面的选讲内容。
任课教师可在上述课程体系分类的基础上，针对不同专业的特色和各专业的需求，因需施教。如机械自动化专业，可选择在电磁感应这一章与专业应用相结合，融入电感型传感器、磁电型传感器、涡流型传感器等，加深学生对光、电、热、力以及机械物理量之间的转换关系的理解。另外，大学物理课程举例讲授要结合本专业特点融入阐述，如对机电专业的学生，可以结合电容式加速度传感器讲解电容器。
（五）调整和创新大学物理课程教学方式、考核方式
根据新工科学科发展的特点，除了需要调整大学物理的课程体系和教学内容外，教学方式也要力求适应新工科专业的需求，采用多种教学方式，如启发性教学、激励性教学、实践性教学等。特别地，对于“新工科”各专业，加强与之相对应的实验、实习、课程设计等实践环节，培养学生科学研究的精神和创新能力，使学生更好地掌握物理的研究思想和方法，为后续的“新工科”专业课程的学习打好基础。考核方式除了采取传统的考试模式外，可以增加开放性课题考核，将物理知识与专业应用相结合，培养学生的创新型思想，增强学生的主动学习和实践应用能力。而对那些大学物理课程内容调整幅度较大的新型学科专业，采取独立出卷和考核的方式，给予教师充分的自由度和灵活性，更好地充分考核学生对科学原理、逻辑体系和知识内涵的掌握和解决实际问题的能力。一年一度开展大学物理知识与实践竞赛，侧重考核学生灵活应用科学原理、解决工程问题的思维方式和动手实践能力。
（六）结合先进教育技术手段，提高课堂的效率与参与度
随着网络时代的来临，信息与知识的主要承载形式慢慢由纸质媒体转移到网络。未来的一切教与学活动都将围绕互联网进行，信息在互联网上流动，知识在互联网上成型。一些企业已纷纷开发出各种在线学习平台并陆续开发了手机移动端功能，一批手机课堂教学应用平台也脱颖而出，手机投屏成为最受教师欢迎的功能之一[5]。受限于大学物理课程有限的课时，我们可以有效结合互联网，采用先进的教育技术手段，手机课堂教学平台走进教室，将线下教学与线上活动有机结合。翻转学习讲课时穿插提问、播放视频动画、分组讨论、案例分析、活动和练习等多种手段，让学生始终保持高度的注意力。鼓励学生在课堂上就某些具体问题通过网络查找补充材料。利用微信公众平台或者手机课堂教学应用平台布置作业、点名，有效利用课堂时间，减轻一线基础课教师的负担，更能突破教材大纲、连通课堂网络、消弭学科边界、培养创新人才，为新工科发展提供坚实基础和人才保障。
参考文献：
[1]“新工科”建设复旦共识[J].高等工程教育研究，2017（1）.
[2]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究，2017（2）.
[3]钟登华.新工科建设的内涵与行动[J].高等工程教育研究，2017（3）.
[4]李海英，唐笑年，何越，等.新工科背景下“大学物理”课程建设的思考[J].物理与工程，2018（S1）.
[5]张玉强.新工科视域下大学物理课程教学改革思考[J].高师理科学刊，2019（2）.
◎编辑 马燕萍
