徐銘澤 張挺聳

摘 ?要：新工科以新一代信息技術(shù)為核心，以創(chuàng)新和突破為目標，注重學科交叉融合和跨界整合，旨在解決工程技術(shù)人才培養(yǎng)與生產(chǎn)和創(chuàng)新實踐相脫節(jié)的問題?！按髮W物理學”作為一門通識教育課程，與各工科專業(yè)有著千絲萬縷的聯(lián)系，對于工科的發(fā)展起著非常重要的作用。大學物理學教學需要順應(yīng)新工科的發(fā)展形勢，樹立“以工程能力為核心”的工科大學物理學教學理念，建立學科交叉融合的大學物理學教學觀念，打造具有新工科觀念的大學物理學教師隊伍，探索“產(chǎn)學研”深度結(jié)合的大學物理學教學模式，為新工科人才的培養(yǎng)做出貢獻。

關(guān)鍵詞：新工科;交叉學科;人才培養(yǎng);教學改革

中圖分類號：G420 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1673-7164（2022）02-0129-04

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，科技的日新月異，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟形式對傳統(tǒng)的工科領(lǐng)域產(chǎn)生了較大的沖擊。研究表明，我國的工程類教育在世界范圍內(nèi)首屈一指，國內(nèi)高校工科在校學生占高校總?cè)藬?shù)的30%以上，但實際上我國的工科專業(yè)教育仍存在著一些問題亟待解決，如工科教學和理科教學之間的界限較為模糊、傳統(tǒng)的工程教育與新興產(chǎn)業(yè)之間存在脫節(jié)。而且資料統(tǒng)計顯示，到21世紀20年代，我國一些信息技術(shù)及電力產(chǎn)業(yè)的人才缺口現(xiàn)象將會非常嚴重[1]。為了應(yīng)對新一輪的科技變革，我國教育部提出了建設(shè)“新工科”的計劃，先后召開了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”三次會議，旨在探索工程教育的中國模式[2]。

在“新工科”中，“工科”是指工程學科，“新”包含三方面含義，即新興、新型和新生[3]。新工科以創(chuàng)新和突破為目標，以交叉融合為手段來培養(yǎng)“新工科”人才。中科院院士、復旦大學常務(wù)副校長包信和指出，新工科背景下所要培育的人才應(yīng)是復合型、綜合性人才，應(yīng)具有廣泛的學科交叉背景。學生要具備整合能力、全球性視野、領(lǐng)導能力、實踐能力，成為人文科學和工程領(lǐng)域的領(lǐng)袖人物[4]。培養(yǎng)富有創(chuàng)新精神和實踐能力的各類交叉學科人才已經(jīng)成為我國的重要戰(zhàn)略目標。

高校的人才培養(yǎng)和課程設(shè)置緊密相關(guān)，因此，要培養(yǎng)優(yōu)秀的新工科人才，必然要從提高課程質(zhì)量和優(yōu)化課程內(nèi)容入手。大學物理學作為一門通識教育課程，和工科專業(yè)有著緊密聯(lián)系：18世紀60年代開始的第一次工業(yè)技術(shù)革命以蒸汽機應(yīng)用為標志，它是牛頓力學和熱力學發(fā)展的結(jié)果;19世紀70年代開始的第二次工業(yè)技術(shù)革命以電力的廣泛應(yīng)用和無線電通信為標志，它是電磁學發(fā)展的結(jié)果;20世紀40年代興起并一直延續(xù)至今的第三次工業(yè)技術(shù)革命是相對論和量子論發(fā)展的結(jié)果。由此可見，大學物理學對于工科的發(fā)展起著非常重要的作用，為了適應(yīng)“新工科”的建設(shè)，大學物理學教學改革也勢在必行。

一、新工科背景下大學物理學課程亟待解決的問題

（一）理科和工科的大學物理學教學內(nèi)容

長期以來，工科與理科的大學物理學教學內(nèi)容差別較小。理科教學是將力學、熱學、電磁學、光學及量子力學分為不同的課程分別教授，而工科教學只是將這些內(nèi)容合并到一門課程中教授，在內(nèi)容上僅縮減了一部分知識，并沒有太大的區(qū)別。物理學教學普遍存在重理論輕實踐的現(xiàn)象，對工程類人才培養(yǎng)目標的定位不夠準確。工科人才的培養(yǎng)目標與理科人才不同，需要在實踐中解決復雜的工程應(yīng)用問題，而不應(yīng)按照培養(yǎng)科學家的模式培養(yǎng)工程技術(shù)人才。實踐教學的缺失會影響學生利用理論知識解決實際問題的能力，降低了物理學對工科專業(yè)的影響，也會使工科學生產(chǎn)生不重視實踐環(huán)節(jié)的想法，從而降低了學生理論聯(lián)系實際的能力。

（二）物理學教學缺乏與其他學科之間的交叉融合

當今世界的發(fā)展趨勢以及我國未來發(fā)展規(guī)劃表明，學科之間的交叉融合已經(jīng)勢在必行，但目前我國學科交叉融合發(fā)展還處于初級階段。高校中各個院系仍采用單一學科建制，學科與學科之間的交叉融合仍然不夠完善，從課程建設(shè)方面有所體現(xiàn)。以“大學物理學”課程為例，理工科的各個專業(yè)都將大學物理學課程作為一門公共基礎(chǔ)課，雖然從形式上實現(xiàn)了物理學科和各學科之間的交叉融合，但是課程內(nèi)容還需進一步調(diào)整。盡管大學物理學在課程內(nèi)容上較為完整和系統(tǒng)，但沒有從培養(yǎng)交叉學科人才的角度來通盤考慮，各個院系的大學物理學教學大體一致，沒有體現(xiàn)出各個專業(yè)之間的特色和區(qū)別，所教授的理論內(nèi)容并沒有根基各個專業(yè)的特點來有所側(cè)重并刪減。使得學生難以從學科交叉的角度來掌握與自身專業(yè)密切相關(guān)的物理知識，不利于將學科交叉的思想融入學生的學習觀念中。

（三）教師本身缺乏學科交叉的觀念

教師在整個教學體系中依然起著主導的作用，無論是在講解知識抑或在傳授思維模式上，都起著決定性作用。部分教師自身沒有參加過關(guān)于“新工科”理念的培訓，或者本身的科研方向沒有“學科交叉”的因素，使得其自身不具備學科交叉的理念，不能很好地把握“新工科”背景下人才培養(yǎng)的模式及授課的思路。此外，企業(yè)所需人才和學校培養(yǎng)人才之間存在著“不對接”的現(xiàn)象，這也是“新工科”背景下國家和社會暨需解決的問題，需要教師改良教育思路，優(yōu)化陳舊的教育模式。當前部分教師對當今企業(yè)的發(fā)展趨勢以及企業(yè)所需人才的類型缺乏了解，無法根據(jù)實際情況改革課程，無法解決企業(yè)用人和學校培育人才之間存在偏差的問題。

（四）“產(chǎn)學研”模式有待進一步強化

科技的進步與當今社會的發(fā)展已經(jīng)密不可分，國家也越來越重視科技成果轉(zhuǎn)化及人才培養(yǎng)模式優(yōu)化的問題。以推動科學研究面向產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新需求，形成科技發(fā)展與產(chǎn)業(yè)發(fā)展共同進步局面的“產(chǎn)學研”模式，在此背景下應(yīng)運而生[5]。但就目前的發(fā)展狀況來看，科研和教學之間的結(jié)合有待進一步加強，雖然有很多高校已經(jīng)開始讓本科生接觸科研訓練，但是訓練范圍依然有限。從課程內(nèi)容上看，如何讓更多的學生在學習基礎(chǔ)知識的同時，了解和接觸科技前沿以及將理論知識進行實際應(yīng)用，這也是當前需要解決的問題;從課程設(shè)置上看，如何讓學生真正將所學內(nèi)容和相關(guān)產(chǎn)業(yè)進行有機的結(jié)合，也是物理學教學需要面臨的挑戰(zhàn)。

二、新工科背景下交叉學科發(fā)展的現(xiàn)狀及其對物理學教學改革的啟示

新工科建設(shè)正在全國范圍內(nèi)如火如荼地展開，并將引領(lǐng)我國高等教育的改革和發(fā)展[6]。新工科突出的是“創(chuàng)新”和“改造”，培養(yǎng)新工科人才所采用的方式主要是多學科的交叉融合，不同學科之間的交叉融合不是簡單的疊加與拼湊，而是基于當前和未來經(jīng)濟、產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展需要，在各學科之間產(chǎn)生了前所未有的內(nèi)在的邏輯關(guān)系，促使各學科在知識、理論、方法、技術(shù)和手段等方面相互滲透、有機結(jié)合和相互融合，進而形成滿足當前和未來需要的新的綜合學科[7]。

多學科之間的交叉融合是當今世界發(fā)展的趨勢，國外的眾多高校都非常注重學科之間的交叉融合，德國的博士研究生培養(yǎng)模式進行了一系列改革，要求各高校必須以聯(lián)系較為緊密的兩個或多個相關(guān)交叉學科為基本單位，共同組建研究生院，以便培養(yǎng)復合型交叉學科人才，經(jīng)過長時間的完善和調(diào)整，效果非常顯著[8]。我國對交叉人才培養(yǎng)也極為重視，在《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》等重要文件中都強調(diào)了發(fā)展交叉學科對國家科技、科學發(fā)展的重要性，并做出了相應(yīng)的戰(zhàn)略部署。近年來，國內(nèi)眾多高校也紛紛響應(yīng)國家號召，成立了一系列的交叉學科研究機構(gòu)及學院，如清華大學成立的交叉信息研究院、北京大學成立的“元培”學院、吉林大學成立的“唐敖慶班”等。

國內(nèi)外的著名高校都非常注重交叉學科的建設(shè)及新型人才的培養(yǎng)，但是如何在基礎(chǔ)課程中培養(yǎng)學生的交叉學科觀念，如何在新工科的背景下優(yōu)化基礎(chǔ)課程的內(nèi)容，還有進一步調(diào)整的空間。本文在新工科及交叉學科人才培養(yǎng)模式的背景下，旨在以大學物理學教育改革為個案，梳理物理學和各學科之間的聯(lián)系，從授課思路的優(yōu)化、課程模式的建設(shè)、實踐教學的改革及產(chǎn)學研體系的建立等方面入手，融匯國內(nèi)、外教育模式的優(yōu)點，對新形勢下的知識，大學物理學教學改革的方向做出了適當探索。

三、新工科背景下大學物理學的教學改革策略

（一）樹立以工程能力為核心的工科大學物理學教學理念

新工科背景下，高校最重要的工作就是培養(yǎng)工科學生工程意識及工程能力，并使之將其應(yīng)用到具體項目的實踐中。而要實現(xiàn)這些目標，就需要合理調(diào)整課程內(nèi)容及授課思路。從物理學發(fā)展進程上來看，近代物理學內(nèi)容與工程技術(shù)之間的聯(lián)系較為緊密，但目前的授課思路更偏重于經(jīng)典物理的內(nèi)容，關(guān)于物理知識在工程技術(shù)中的應(yīng)用依然較為稀缺，高校應(yīng)調(diào)整授課內(nèi)容的分配比例，尤其在工科的大學物理學教學中，應(yīng)加強近代物理學教學內(nèi)容的比重，將工程知識與物理學教學有機結(jié)合在一起。在具體的物理學授課中，把實際的工程問題抽象成可供研究的物理模型，增加實驗課程的內(nèi)容，加強學生的動手能力，減少理論驗證性的實驗，多加入設(shè)計性的實驗，從而提高學生的創(chuàng)新能力。

（二）建立學科交叉融合的大學物理學教學觀念

自然科學之間的交叉融合已經(jīng)成為現(xiàn)代科學發(fā)展的必然趨勢，科學上新理論、新發(fā)明的產(chǎn)生往往出現(xiàn)在相關(guān)學科的交叉點上，學科交叉為科學技術(shù)提供了一種產(chǎn)生新知識的方式，能為新的科研思路帶來靈感，能夠更深刻地理解各種科學現(xiàn)象的本質(zhì)，近百年來超過半數(shù)的諾貝爾自然科學獎都頒發(fā)給了學科交叉項目，表明了學科交叉的價值。因此，在以創(chuàng)新為目的的新工科背景下，高校要打破傳統(tǒng)的單一學科制人才培養(yǎng)模式，建立以學科交叉為主的融合發(fā)展模式。大學物理學作為一門通識教育課程，是學生步入大學校園后首先接觸的課程，有利于為學生打下良好的交叉學科觀念。在課程設(shè)置上，要根據(jù)不同專業(yè)特色，采用互動課堂、案例教學、實踐教學及專題報告等多樣化的教學形式，對教學內(nèi)容進行調(diào)整和優(yōu)化，進行針對性教學。例如為光電信息系的學生授課時，教師應(yīng)緊密結(jié)合光電信息系的特色，著重講解物理學中的光學、電學方面的知識，并且為光電專業(yè)的學生講解物理知識和其專業(yè)前沿科技之間的聯(lián)系，在提高學習興趣的又能滲透學科交叉的理念。在實踐教學環(huán)節(jié)中，對不同專業(yè)的學生“區(qū)別對待”，多安排一些和該專業(yè)學生所學內(nèi)容相關(guān)的創(chuàng)新實驗課程，讓學生在實踐中感受學科交叉的魅力。

（三）培養(yǎng)具有新工科觀念的大學物理學教師隊伍

百年大計，教育為本;教育大計，教師為本。教師對于文化知識的傳承起著舉足輕重的作用，我國自古以來都非常注重對教師能力和素質(zhì)的培養(yǎng)。而隨著“金課行動”“雙師型教師構(gòu)想”及“新工科計劃”等一系列舉措的提出，當今社會對教師的要求越來越高，對于高校教師來說，國家需要的不再是能夠單純傳授書本知識的“教書匠”型教師，而是需要能夠不斷創(chuàng)新和突破，能及時把握當今科技發(fā)展趨勢，并最終為學生指明前進方向的“靈魂導師”。新工科理念首先要求的是創(chuàng)新和突破，對于高校教師來說，即將創(chuàng)新性的科研成果融入實際教學當中，這就要求高校教師必須要有一定的科研能力，而且及時將自己所掌握的“研”轉(zhuǎn)換成學生所需要的“學”，將新理論、新觀念、新方法融入理論教學及實驗教學中。再者，新工科理念注重的是多學科的交叉融合，這就要求教師需要具備學科交叉的觀念，甚至擁有交叉學科的知識背景。對于大學物理學教師來說，最低要求應(yīng)該是了解自己所教專業(yè)與物理學之間的聯(lián)系，積極與該專業(yè)的專業(yè)課教師研討科研及教學問題，及時調(diào)整授課章節(jié)的比重，在課程內(nèi)容和思維模式上做到學科交叉。新工科思想的最終目標是為新興產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)具有實踐能力的優(yōu)秀人才，而為了解決企業(yè)用人和學校培育人才之間的差異，需要教師親自去企業(yè)進行訪學和調(diào)研，最終明確企業(yè)所需人才的特質(zhì)，并按照這一思路去優(yōu)化教學內(nèi)容和教學模式。

（四）探索“產(chǎn)學研”深度結(jié)合的大學物理學教學模式

在新工科背景下，如何將科研和教學相結(jié)合，以及如何將教學和生產(chǎn)實踐相結(jié)合，引起了人們廣泛的關(guān)注。很多學者提出將本科生引進到科研團隊中進行科研訓練，并將科研成果應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中，以達到“產(chǎn)學研”相結(jié)合的目的。

這種做法取得了較好的成效，并在很大范圍內(nèi)得到了推廣，但并不是所有的學生都有加入科研團隊的機會，面向?qū)W生的范圍依然有限。為了拓寬產(chǎn)學研模式的受眾，還應(yīng)將這一模式融入日常的教學中。在教師層面，不僅要讓教師去企業(yè)中做“訪問學者”，也要讓企業(yè)專家參與到教學中，在理論教學環(huán)節(jié)中，教師和企業(yè)專家共同制訂合理的教學計劃，在大學物理學教學中引入大量的生產(chǎn)實踐案例，并在特定的章節(jié)中，讓企業(yè)專家親自從工程實踐的角度來為學生授課，實現(xiàn)教學和實踐之間的無縫銜接，使學校教師和企業(yè)專家之間達成“走出去，引進來”的效果。在學生層面，除了繼續(xù)將本科生引入科學團隊之外，應(yīng)改進實驗環(huán)節(jié)的學習模式，多增加一些和企業(yè)相關(guān)的設(shè)計性創(chuàng)新實驗，以生產(chǎn)實踐中的儀器和測試工具為參照物，讓學生以團隊協(xié)作的模式，應(yīng)用所學的相關(guān)物理知識，在基礎(chǔ)實驗裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計新型的測量儀器和工具或開發(fā)新的測量方法。

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（薦稿人：匡尚奇，長春理工大學理學院副教授）

（責任編輯：汪旦旦）