劉艷玲，古金霞，梁春恬，田 維，宋 峰

(1. 天津城建大學(xué) 理學(xué)院，天津 300384；2. 南開大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071)

伴隨著世界多極化格局深入調(diào)整和全球科技產(chǎn)業(yè)的深刻變革，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命蓄勢待發(fā). 2020年10月，十九屆五中全會通過了《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二○三五年遠景目標的建議》，“十四五”規(guī)劃建議中提出了拓展投資空間、強基礎(chǔ)、補短板、兩新一重等“十四五”期間重要的投資方向. 新老基建共同發(fā)力，構(gòu)建系統(tǒng)完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現(xiàn)代化基礎(chǔ)設(shè)施體系. 隨著數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展，數(shù)字技術(shù)將繼續(xù)滲透到建筑的各個方面，徹底改變建筑與建筑物的交互方式，在新的經(jīng)濟模型中打破了真實建筑物與虛擬建筑物之間的界限，智慧城市建設(shè)乘風(fēng)破浪. 因此，新的經(jīng)濟環(huán)境和新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級對建筑類應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提出了新的挑戰(zhàn)[1].

在建筑類高校中，大學(xué)物理作為高等院校理工類各專業(yè)大學(xué)生的一門重要的公共基礎(chǔ)必修課，涉及土木工程、建筑類、能源與動力工程、環(huán)境工程及材料工程等各專業(yè)，是通往工程技術(shù)科學(xué)及自然科學(xué)的橋梁，是各分支學(xué)科、交叉學(xué)科和新興學(xué)科產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)，在培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維、創(chuàng)新能力及應(yīng)用意識等方面起著不可替代的作用，已成為新工科專業(yè)技能的基礎(chǔ)[2,3]． 教育部將新工科的主要內(nèi)容歸納為“五個新”，即工程教育的新理念、學(xué)科專業(yè)的新結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)的新模式、教育教學(xué)的新質(zhì)量和分類發(fā)展的新體系[4].

長期以來，大學(xué)物理課程教學(xué)一直以教師課堂講授為主，其弊端也在不斷顯現(xiàn)，在科學(xué)技術(shù)及行業(yè)需求的驅(qū)動下，尤其需要教學(xué)改革創(chuàng)新，突出學(xué)生的中心地位，探索適合自身發(fā)展的教學(xué)改革之路. 網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，新時代教育教學(xué)形勢的引導(dǎo)，為“大學(xué)物理”課程教學(xué)改革提供了可行的解決方案.

1 新工科背景下對建筑類人才提出的新要求

作為建筑類專業(yè)學(xué)生，承擔(dān)著實現(xiàn)未來“新基建”的重要使命和責(zé)任，智慧城市建設(shè)對建筑之間的信息互聯(lián)、互通提出了更高的要求，智慧建筑要求建筑、人和環(huán)境三者協(xié)調(diào)發(fā)展，因此，學(xué)生在擁有精深專業(yè)知識的同時，應(yīng)具備良好的人文素養(yǎng)，掌握人類文化、人文思想、社會政治經(jīng)濟制度知識；具備較強的實踐能力，克服學(xué)校人才培養(yǎng)與企業(yè)人才需求間的嚴重脫節(jié)；具備創(chuàng)造性、分析性、計算性、實驗性的科研創(chuàng)新能力，能運用掌握的知識去分析問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，滿足社會對人才創(chuàng)新能力的要求[5,6]. 在新工科背景下，如何讓廣大學(xué)生真正的掌握大學(xué)物理知識，并有效銜接各專業(yè)，是亟待解決的問題.

2 大學(xué)物理教學(xué)中的“痛點”

1) 課程難度較高，學(xué)生畏難情緒突顯

大學(xué)物理課程包含力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)和近代物理五部分，教學(xué)內(nèi)容涉獵寬泛且難度高，授課與解題時需要借助微積分、線性代數(shù)等知識，對高等數(shù)學(xué)的知識儲備要求高；學(xué)生往往把學(xué)習(xí)重心放在識記公式上，不注重各章節(jié)間的內(nèi)在聯(lián)系，不理解研究物理問題的思路方法，覺得大學(xué)物理內(nèi)容“新、多、難”，從而導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性逐漸下降，甚至出現(xiàn)厭學(xué)情緒.

2) 授課學(xué)時受限，學(xué)生當(dāng)堂掌握難保證

按照教育部高等學(xué)校大學(xué)物理課程教學(xué)指導(dǎo)委員會指導(dǎo)意見，建議大學(xué)物理課程學(xué)時數(shù)不少于126學(xué)時，可根據(jù)實際教學(xué)情況進行調(diào)整．因?qū)I(yè)需求不同，我校大學(xué)物理課程分別設(shè)置了大學(xué)物理A(96學(xué)時)、大學(xué)物理B(80學(xué)時)和大學(xué)物理C(64學(xué)時)，局限于有限的授課學(xué)時，教師授課的進度勢必加快，學(xué)生開始學(xué)習(xí)時還可以跟上進度，積極性也較高，但隨著課程的加速推進，學(xué)生的課堂掌握度逐漸降低.

3) 教學(xué)模式單一，學(xué)生對課程認知不足

大學(xué)物理課程常見的教學(xué)模式是，教師在固定的課堂、固定的時間進行授課，學(xué)生“被迫學(xué)習(xí)”，學(xué)生一旦習(xí)慣于“教師講，學(xué)生聽”的教學(xué)模式，就容易形成思維定勢，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維、批判性思維訓(xùn)練和科學(xué)精神的作用自然缺失[7]．同時，這種模式也在一定程度上造成了大學(xué)物理課程與后續(xù)專業(yè)課程的結(jié)合度、支撐性不足，讓學(xué)生產(chǎn)生大學(xué)物理課程學(xué)無所用的錯誤認知.

3 新工科背景下大學(xué)物理的教改探究

以學(xué)生為中心，以專業(yè)和產(chǎn)出為導(dǎo)向，秉承“物理-現(xiàn)象-應(yīng)用”的教學(xué)思路，根據(jù)新時代高等教育及新工科對大學(xué)物理課程教學(xué)提出的新要求，采用精煉教學(xué)內(nèi)容、更新課程體系、擴充教學(xué)資源、豐富教學(xué)方法、拓展教學(xué)形式、創(chuàng)新教學(xué)模式、優(yōu)化教學(xué)組織、完善教學(xué)評價等方式方法，構(gòu)建“課內(nèi)與課外”“理論與實踐”“教學(xué)與育人”相結(jié)合的大學(xué)物理課程育人體系，實現(xiàn)大學(xué)物理課程知識技能、過程方法和情感價值的培養(yǎng)目標，實現(xiàn)對學(xué)生知識、能力和素養(yǎng)的協(xié)同培養(yǎng). 如圖1所示.

圖1 大學(xué)物理創(chuàng)新教學(xué)育人體系

1) 精煉教學(xué)內(nèi)容，更新課程體系

以學(xué)生為中心，根據(jù)不同專業(yè)對物理知識的需求確定教學(xué)內(nèi)容體系，對不同專業(yè)提煉與專業(yè)知識聯(lián)系緊密且有工程實踐應(yīng)用的題目，讓學(xué)生認識到大學(xué)物理課程的實用價值，從而激發(fā)學(xué)生對大學(xué)物理課程的重視.

2) 擴充教學(xué)資源，豐富教學(xué)方法

錄制特色微課：按照“教學(xué)目標→核心知識→典型例題”的邏輯對重點內(nèi)容錄制微課30余個，加深學(xué)生對核心知識的理解.

趣味物理討論：如多普勒效應(yīng)討論“如何尋找失聯(lián)的馬航？”；相對論討論“假如你坐宇宙飛船環(huán)球旅游，十年后回來你的雙胞胎妹妹多大？”；碳基有機太陽能板讓摩天大樓自發(fā)電將不再是夢想等，激發(fā)學(xué)生興趣.

建立作業(yè)庫：對應(yīng)上課內(nèi)容設(shè)置課后作業(yè)，提交后即刻在線批閱并給出詳細解題過程.

成果展示平臺：鼓勵學(xué)生利用所學(xué)知識開發(fā)小實驗，制作形象化動畫，進而參加科學(xué)普及活動，增強社會責(zé)任感.

設(shè)置自測題庫：學(xué)生可以根據(jù)自身情況進行自測，判識對課程的掌握度.

3) 拓展教學(xué)形式，創(chuàng)新教學(xué)模式

以“問題引入→知識講解→例題解析→拓展空間→課程思政”的思路進行課程設(shè)計，拓展教學(xué)形式．

問題引入：激發(fā)興趣，包括科技前沿、名人軼事、趣味話題等，特別是結(jié)合我校各專業(yè)的優(yōu)秀科技成果和工程應(yīng)用實例，讓學(xué)生真正的意識到物理學(xué)有所用、怎么用、服務(wù)誰、價值在哪里、與專業(yè)方向銜接點在哪？(見表1). 知識講解：夯實基礎(chǔ)，突出重點；典型例題：解析難點；拓展空間：學(xué)以致用(有限元多物理場耦合仿真模擬案例開發(fā)近20個，模式見圖2).

圖2 有限元模擬仿真光的楊氏雙縫干涉以及電介質(zhì)的極化現(xiàn)象

采取三結(jié)合創(chuàng)新教學(xué)模式：

“課內(nèi)與課外”相結(jié)合. 在移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，實現(xiàn)課堂與課外并重，教師構(gòu)建系統(tǒng)化和碎片化相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計，學(xué)生在課前通過智能手機等移動終端學(xué)習(xí)教師提供的微課視頻和PPT，完成對知識的接納，課上通過提出問題、討論問題、解決問題完成對知識的吸收，課后運用線上線下多種學(xué)習(xí)和交流工具完成對知識的合并，從而實現(xiàn)知識內(nèi)化，增強學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.

“理論與實踐”相結(jié)合. 通過“教師引導(dǎo)、學(xué)生主導(dǎo)、團隊合作”的方式，帶動學(xué)生參加各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)類、科技活動類競賽和實踐活動，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力.

“教學(xué)與育人”相結(jié)合. 教學(xué)過程中有機結(jié)合物理的認知發(fā)展史和反映認知規(guī)律的典型案例，潛移默化地向?qū)W生傳遞正確的邏輯觀、思辨性、人生觀，實現(xiàn)對學(xué)生的價值引領(lǐng)，做到物理知識傳授的顯性教育和思政教育的隱性教育相統(tǒng)一.

4) 優(yōu)化教學(xué)組織，完善教學(xué)評價

課前，教師提供自學(xué)內(nèi)容，如：課程平臺篩選的在線視頻、章節(jié)重點內(nèi)容、微視頻、課前測試等. 課中，情境設(shè)置導(dǎo)入新課內(nèi)容；多媒體與板書結(jié)合授課；探討式互動；典型例題分析；工程應(yīng)用案例；科技前沿滲透等. 課后，重點內(nèi)容總結(jié)；知識面拓展；線上討論及答疑解惑；學(xué)習(xí)小組討論；項目式探究學(xué)習(xí)等.

教學(xué)評價上突出“過程化考核”，將線上平臺學(xué)生的課前預(yù)習(xí)、課堂互動、線上討論、課后作業(yè)、社會活動參與等分別設(shè)置各項權(quán)重，融入評價機制，過程評價組成做到有理有據(jù)、公平公正，學(xué)生的平時成績?nèi)鐖D3所示，平時成績=考勤(10%)+作業(yè)(10%)+章節(jié)測驗(10%)+課堂互動(20%)+討論(20%)+線下(30%).

表1 本校各專業(yè)科技攻關(guān)成果與大學(xué)物理知識點融入

續(xù)表

圖3 學(xué)習(xí)通成績權(quán)重設(shè)置

4 “大學(xué)物理”課程教學(xué)創(chuàng)新效果

4.1 擴展教學(xué)時空，突破授課學(xué)時限制

結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)時代信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)以及智能終端廣泛應(yīng)用的背景，團隊依托超星學(xué)習(xí)通平臺開發(fā)了教學(xué)重點難點、微視頻解惑、典型例題回顧、一課一練、自測與鞏固等多個模塊，學(xué)生通過提前預(yù)習(xí)、在線練習(xí)和課后回顧等方式在網(wǎng)絡(luò)平臺自主學(xué)習(xí)，對于重難點，可以反復(fù)觀看視頻進行鞏固掌握或通過網(wǎng)絡(luò)平臺及時與教師溝通交流，突破了時間和空間限制，將學(xué)習(xí)和互動做到“時時、處處”可見.

4.2 解決“新、多、難”，激發(fā)學(xué)生主動性

統(tǒng)計分析全校各專業(yè)約1 700名學(xué)生近3年的大學(xué)物理卷面成績，如圖4所示，不及格率整體呈下降趨勢，平均分亦明顯提升.

圖4 近3年“大學(xué)物理”課程不及格率和平均分成績統(tǒng)計

4.3 以賽促學(xué)，提升學(xué)生創(chuàng)新能力

通過指導(dǎo)學(xué)生實踐項目與參加各類競賽，將“大學(xué)物理”課程的理論知識和實踐應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，踐行學(xué)科間交叉融合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性的同時引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新能力，由“被動教”轉(zhuǎn)為“主動學(xué)”. 近三年，我團隊指導(dǎo)了天津市級、國家級5項大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目；全國大學(xué)物理實驗競賽(創(chuàng)新賽)、天津市普通高校大學(xué)生物理競賽、“挑戰(zhàn)杯”天津市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽、天津市大學(xué)生創(chuàng)客馬拉松大賽、中國國際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等各類競賽獲獎近四十余項.

5 結(jié)束語

在新基建+新工科時代的呼喚下，大學(xué)物理教學(xué)改革刻不容緩，本文結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)中的“痛點”，借助互聯(lián)網(wǎng)+智能終端，采用適合學(xué)生時代特點的教學(xué)方式，解決“新、多、難”棘手問題，激發(fā)了學(xué)生主動性，擴展教學(xué)時空，突破授課學(xué)時限制，同時創(chuàng)新教學(xué)模式，以賽促學(xué)，讓學(xué)生真正的體會到物理學(xué)有所用，做到學(xué)以致用.