摘 要 本文通過在大學(xué)物理教學(xué)中引入基于數(shù)值仿真的科學(xué)研究方法，創(chuàng)新大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，以深化學(xué)生對物理基本概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維。在教學(xué)過程中，結(jié)合大學(xué)物理典型知識點設(shè)計數(shù)值仿真研究案例，并通過實踐教學(xué)的方式，引導(dǎo)學(xué)生積極參與數(shù)值仿真實驗，深入探索物理現(xiàn)象的規(guī)律和原理。通過科學(xué)、系統(tǒng)地引入基于數(shù)值仿真的研究方法，創(chuàng)新了大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，有效提升了學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，充分發(fā)揮了新工科背景下物理基礎(chǔ)課程在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的地位和作用。

關(guān)鍵詞 創(chuàng)新人才培養(yǎng);大學(xué)物理;數(shù)值仿真;MATLAB

當(dāng)今，世界新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正處于蓄勢待發(fā)、快速迭代的關(guān)鍵階段。2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，“新工科”這一概念的提出獲得了廣泛共識，先后形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”和“北京指南”。新工科教育改革中最重要的內(nèi)涵是“高等教育應(yīng)注重激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維”[1]。大學(xué)物理課程作為全國高等學(xué)校理工科本科生必修的一門自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，為學(xué)生畢業(yè)達(dá)成度提供了重要支撐，在培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)素養(yǎng)”和“創(chuàng)新意識”方面具有不可替代的作用，因此大學(xué)物理課程的教學(xué)改革是高校對創(chuàng)新人才培養(yǎng)改革的重點環(huán)節(jié)[2]。

長期以來，大學(xué)物理課程教學(xué)的課堂講授和考評模式較為單一、固化，特別是缺乏針對性的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和實踐環(huán)節(jié)，同時由于大學(xué)物理課程中存在大量的物理公式和物理概念，使得學(xué)生感到“物理難懂、學(xué)著沒勁”，因此無法調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和進(jìn)行思考的積極性，學(xué)生的創(chuàng)新潛質(zhì)更是難以激發(fā)。上述問題是高等學(xué)校大學(xué)物理教學(xué)中的共性問題，因此處在自然科學(xué)基礎(chǔ)教育核心地位的大學(xué)物理課程教學(xué)的改革勢在必行[2]。近年來，如何通過大學(xué)物理課程的教學(xué)改革培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識一直是我們教學(xué)改革實踐的重點目標(biāo)。

經(jīng)過近年的大學(xué)物理教學(xué)改革實踐，我們基于線上線下混合教學(xué)模式，在大學(xué)物理教學(xué)中形成了一種“在線學(xué)習(xí)+課堂總結(jié)討論+課外研究實踐”的完整教學(xué)體系[3]，其中“課外研究實踐”環(huán)節(jié)是該教學(xué)體系中的關(guān)鍵一環(huán)，通過該環(huán)節(jié)的設(shè)計有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)中學(xué)生“實踐環(huán)節(jié)”的缺失。根據(jù)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)進(jìn)度，在教學(xué)過程中科學(xué)、系統(tǒng)地引入基于數(shù)值分析（主要選用Matlab仿真軟件）的研究型學(xué)習(xí)，在教師的引導(dǎo)下，指導(dǎo)學(xué)生開展研究實踐。Matlab是美國MathWorks公司開發(fā)的一套數(shù)值計算和可視化軟件，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和豐富的作圖功能，同時該軟件又易學(xué)易懂，已成為了科技人員從事科學(xué)研究和工程計算的重要工具，因此大學(xué)物理課程作為培養(yǎng)未來基礎(chǔ)拔尖人才和工程技術(shù)人員的重要基礎(chǔ)課程有必要結(jié)合課程內(nèi)容讓學(xué)生接觸這一工具，這是基于物理基礎(chǔ)課程培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的“突破點”之一[4-7]。

近年來，我們在大學(xué)物理普通教學(xué)班（大班）和拔尖班（小班）中均成功實踐了基于數(shù)值仿真的“課外研究實踐”模式，教學(xué)班學(xué)生全員參與研究實踐。研究實踐的題目由教師發(fā)布或?qū)W生自選，教師引導(dǎo)學(xué)生通過物理建模，對實際物理問題進(jìn)行定量描述;通過圖像技術(shù)，對物理過程進(jìn)行直觀表現(xiàn)。教學(xué)改革實踐證明，在大學(xué)物理課程中引入基于數(shù)值仿真的研究型學(xué)習(xí)是完全可行的，學(xué)生的接受程度很高。實踐證明，基于數(shù)值仿真的“課外研究實踐”有助于將學(xué)生從繁雜的公式和運(yùn)算中解放出來，而把精力放在對物理概念和問題的思考、研究上，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及解決問題的能力，點燃了學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的“星星之火”，為學(xué)生后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展“開窗口、留接口”，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)帶來了強(qiáng)大動力和重要技術(shù)支撐。

1 教學(xué)改革思路及措施

在大學(xué)物理教學(xué)改革實踐中始終秉承以“學(xué)生發(fā)展為中心，能力培養(yǎng)為導(dǎo)向”的教育理念，通過在大學(xué)物理教學(xué)中引入基于數(shù)值仿真的研究實踐提升教學(xué)內(nèi)容的高階性和挑戰(zhàn)度，引導(dǎo)學(xué)生實踐知識探究、思辨與拓展。通過研究實踐使學(xué)生掌握數(shù)值模擬的科學(xué)研究方法，掌握一種“科研級別”的解決分析問題的工具，拓寬學(xué)生視野，提升學(xué)生分析問題和解決問題的能力，促進(jìn)知識、能力、素質(zhì)三者的有機(jī)結(jié)合。

在教學(xué)實踐中，學(xué)期初由任課教師和助教對學(xué)生進(jìn)行Matlab軟件的簡要介紹，通常會指導(dǎo)學(xué)生從例如拋物線作圖、指數(shù)函數(shù)等簡單的問題開始仿真，并在整個教學(xué)過程中與學(xué)生保持溝通。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度在超星平臺上向?qū)W生發(fā)布數(shù)值仿真實踐題目。實踐題目可由教師設(shè)計發(fā)布，也可由學(xué)生依據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容自行設(shè)定。實踐題目涵蓋了大學(xué)物理課程中的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、振動波動、波動光學(xué)以及近代物理的重要基本概念和典型物理問題。實踐環(huán)節(jié)學(xué)生全員參與，并計入平時成績。學(xué)生在超星平臺上提交實踐作業(yè)（含建模、編程及相關(guān)分析討論），由教師或助教進(jìn)行批閱。學(xué)期中和學(xué)期末教師組織學(xué)生進(jìn)行實踐項目的展示、交流，師生現(xiàn)場點評、討論。