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“新工科”背景下大学物理教学现状及改革措施

所属栏目:物理论文 发布日期:2021-01-06 10:09 热度:

   面对新工业革命的新机遇,聚焦国家发展新需求,谋划工程教育新发展,2017年2月18日教育部在复旦大学召开了高等工程教育研讨会,对新时期工程人才的培养进行了讨论,提出了“新工科”建设[1]。接着2月20日发布《关于开展“新工科”研究与实践的通知》[2],指出地方高校应对接地方经济社会发展需要和企业技术创新要求,培养出创新性和应用型人才,推动传统工科专业改造升级。“新工科”的提出,反映出现有的高等工程教育培养的人才不能满足新时期经济发展的需求,需要寻求高等工程教育的创新与变革[3]。高等工程教育的创新与变革离不开课堂教学的创新与改革。大学物理作为“新工科”专业必修的一门通识性基础课,主要培养工科学生的科学思维方式和研究问题的方法,使学生具备一定的科学素养、创新能力,为今后专业领域广度和深度的发展打下基础[4];同时,大学物理又可为后续相关专业课程的学习提供一定的理论基础。然而,地方高校大学物理的教学现状与“新工科”的要求不相吻合,大学物理没有发挥在“新工科”中应有的地位和作用,对“新工科”背景下大学物理的教学内容和教学手段进行改革迫在眉睫。本文分析了应用型本科院校大学物理教学现状,指出“新工科”背景下大学物理的教学任务,对“新工科”专业大学物理教学改革提出了几点思考。

“新工科”背景下大学物理教学现状及改革措施

  1大学物理教学现状

  1.1内容多、课时少

  大学物理内容繁多,分上下两册,知识面分布广,包含力学、机械振动与机械波、电磁学、热学、光学及近代物理六大部分。教育部高等学校大学物理教学指导委员颁布的《理工科大学物理课程教学基本要求》规定,建议大学物理的最低教学课时不低于126课时。近年来,地方高校工科专业培养方案改革,加大了学生的专业实践课时,大学物理理论课时严重削减,很多学校大学物理只开设一个学期,周学时为2—4节。

  1.2“理论无用”、兴趣缺乏

  大学物理是高中物理的拓展和延伸,它们在内容和知识点方面具有很大的相似性。作为一门理论基础课,大学物理有很多严密的理论公式推导,推导过程繁杂,要求较扎实的高等数学知识,工科学生对这些基础理论的学习感到枯燥无味,提不起学习兴趣,认为学这些理论无用。另外,由于课时少,一般只讲授力学、热学和电磁学部分,这部分内容学生较为熟悉,无新鲜感,也难以激发他们的学习兴趣。在实际授课过程中,老师未考虑不同专业对大学物理知识的实际需求不同这一特点,使得讲授内容与专业知识严重脱节,学生认为学习大学物理对他们的专业学习没有帮助,缺乏学习兴趣。

  1.3教学模式、考核方式单一

  目前,许多教师仍然采用高中物理的授课模式,一支粉笔+PPT讲授,以讲解知识点、公式推导和解题技巧为主。课堂上教师个人单声道表演,课后对学生的要求还是搞“题海战术”。对学生的考核一般由平时成绩和考试成绩两部分构成,平时成绩由考勤和平时作业组成。无论平时作业还是期中、期末考试,学生始终离不开解题、知识点的背诵记忆,这种评价方式难以激发学生的学习兴趣和求知欲,对学生的综合素质和创新能力的培养没有提高。

  2“新工科”背景下大学物理的教学任务

  笔者认为在“新工科”建设中大学物理具有两大主要任务:(1)对学生进行通识教育,利用物理学发展过程中的一系列方法论、科学世界观,培养学生的科学素养和批判性思维,利用物理科学家锐意进取、锲而不舍的创新精神和献身科学、不计名利的高尚情操感染学生,培养学生的社会责任感、创新精神和求知欲;(2)物理学中的基本原理和实验方法是学习其他学科和工程技术的基础,打破大学物理与其他学科之间的界限,实现与各新工科专业课程的交叉融合,是大学物理教育工作者面临的一个重要课题。

  3“新工科”背景下大学物理的教学改革措施

  3.1以“新工科”专业为导向,构建大学物理课程新体系

  大学物理内容体系分为力学、机械振动与机械波、电磁学、热学、光学及近代物理六大部分,为应对课时少的困难,传统的教学内容改革都是对每个模块的内容进行删减,讲授的内容也是点到为止,与专业知识实际需求严重脱节。“新工科”背景下,以专业为导向,按照压缩经典、加强现代、拓宽工程应用的原则,对大学物理教学内容进行整合,构建大学物理课程新体系。重构大学物理课程新体系不搞过去的“压缩式”,而是采用“增删式”,与专业相关的模块,对其内容进行拓展,使得讲授内容与专业基础课或专业课接轨。每个专业修读1—3个与专业相关的模块,被选中的模块又按照物理基础理论和物理理论在工程中的应用分为A、B两个层次。A层次与高中物理有较多重复的物理基础理论可进行压缩,拓宽与专业相关的内容。以电子信息专业为例,在学习机械振动及机械波这一模块时,可引入振荡电路和电磁波。简谐振动与简谐波的运动特征及方程求解可简单介绍,重点讲授与专业相关的谐振电路、电磁振荡及电磁波,通过与机械振动和机械波形象类比,可加深学生理解这些电路的物理本质。B层次内容要求把相关的物理基础理论嵌入到工程应用中,实行理论与工程应用交叉融合,这对大学物理教师提出了较高的要求,大学物理教师不仅要懂物理理论,还要懂专业知识。以力学模块为例,可以把质点和刚体的受力平衡知识引申到工程力学中的构件(杆)静力平衡和工程中实际物体(如桥梁,需考虑形变,不能利用质点和刚体模型)的受力分析,把工程中的实际物体看成有限个“质元”(物理中的质点系模型),引入工程力学“有限元”分析思想,并介绍有限元分析软件AN-SYS在工程结构中的应用,当然这些引申内容只能点到为止,重在讲述物理基本理论在工程中的应用,不能取代相关专业课,否则就越俎代庖了。对于未被选中的模块(与专业相关度不大),以专题讲座的形式对学生进行通识教育,通过大量的图片和资料实现情景教学,再现近100年物理学的发展情景,激发学生的学习兴趣和求知欲望,让物理大师求真求实的刻苦钻研、勇于创新的精神感染学生,激励学生的爱国热情和质疑、创新精神。

  3.2“新工科”背景下,探索大学物理教学新模式

  “新工科”建设重在培养综合性的创新人才,这就要求课堂教学要以学生为中心,发挥学生的主观能动性。探究式教学被认为是一种能够调动学生的积极性、培养学生的创新思维和实现多学科交叉融合的教学方式[5]。传统的探究性教学以物理问题或实验现象导入教学内容,这种导入方式难以激发学生的兴趣。为了破解这种教与学的僵局,应从以下三方面继续改进大学物理探究式教学模式:(1)基于真实物理情景导入研究问题。“互联网+”可使受时间和空间限制的课堂活动延伸到课堂外,借助视频、动画和图片创设物理情景,寓物理问题于真实情境之中,激发学生的学习兴趣和求知欲。比如学习“刚体转动”这一章,老师可先布置学生观看电影《冰雪公主》和一些与刚体转动相关的物理问题,学生课余时间带着问题观看电影。(2)课堂上以研究问题为主线,采用交流-辩论-归纳的伙伴式学习方式。教师首先对影片中涉及的物理知识片段进行回放,结合研究问题,引导学生交流、辩论,最后在老师的指导下由学生归纳出结论。例如《冰雪公主》中的主人公肢体收缩与伸展对转动惯量有什么影响,为什么肢体伸展时转速下降,收缩时转速上升。主人公身上发生的现象是否具有普遍性?通过学生你一言我一语的讨论,掌握转动惯量、角动量等物理量概念,理解角动量守恒定律并能解释生活中的现象。(3)采用现代化教学手段。传统的教学方式老师只能在课堂上对学生进行管理,学生课余时间的学习全凭自觉。使用教学软件“学习通”APP,教师可以随时随地布置在线作业、发布通知,学生也可以随时随地在线学习,并且老师可以对学生课余在线学习情况进行掌控。比如,老师布置了在线作业(观看电影《冰雪公主》),通过设置问题,老师可以掌握每位同学观看和回答问题的情况,了解学生的预习效果。“学习通”APP还可以实现课堂教学签到、抢答问题、上传作业,可对每位同学进行精准管理。

  3.3“新工科”背景下,建立多元化的评价方式

  传统的评价方式过于单一,主要以考试分数和平时分数为主,这种考核方式难以激发学生的创新能力,只能提高学生的解题能力,使学生迷恋于分数。对于“新工科”专业人才,更为重要的是应用理论知识解决工程实践问题的能力,这就要求平时加大实践方面的考核。平时成绩可由原来的20%上升到50%,平时成绩除了传统的常规性考核外(如平时作业、出勤情况和课堂表现),还可布置一些开放性的题目和撰写一两篇与物理相关的工程应用方面的论文(占30%),来加强学习态度、学习过程和应用知识能力方面的考核。期末试卷除了考核学生必须掌握的知识点外,还要加大学生应用物理知识解决实际问题能力的考核,把知识和能力两者结合起来考核。

  3.4教学改革成效分析

  实施教学改革后,74.4%同学认为大学物理结合专业分模块、分层次教学能激发学生的求知欲;大部分同学认为探究式教学采用视频、图片等方式创设真实物理情景能将枯燥难懂的物理知识讲得生动、易懂。通过“学习通”APP在线讨论互动,可以推动学生的学习由被动变主动,引导学生自主学习,提高学习效果。例如,老师在“学习通”APP讨论区发布了“对比机械振动与振荡电路”这一问题,引起了学生的激烈讨论。从学生讨论、互动的过程来看,大部分学生开始并不能准确地回答问题,甚至少部分同学随意回答问题来应付老师,而老师要善于抓住学生的“只言片语”,抓住问题不放,循循引导。图1为学生的得分统计图(6个问题,每个5分)。从图中可以看出,分数基本符合正态分布,22.5%同学得分较低0-6分,其原因是参加讨论次数少,回答问题随意;得分19分以上的同学为8人,占总人数的20%。学生整体得分较低的原因是根据学生首次回答问题给分,有相当部分学生经老师引导、自主学习后多次回复问题而未获得加分,针对这种情况,以后对学生每一次回复都进行加分,以便鼓励他们查阅资料、自主学习,逐步培养他们自主学习的习惯。老师与学生多次互动讨论,还可增进师生之间的感情,打破传统教学的“师生感情淡漠”这种局面。从讨论互动过程来看,学生开始比较被动,甚至“冷漠”,经过与教师的一番互动,最终接纳了老师的问题并踊跃发言。当讨论问题完美解决时,部分学生给老师点赞、送红花,还发表一些感谢的言语,这种肯定对于老师也是一种莫大的鼓励。使用“学习通”APP与学生讨论互动过程中需注意以下几点:(1)发布的问题要比较宽泛并且富有一定的启发性,让师生有话可说;(2)教师要及时关注学生的发言,并及时回复加以引导,通过点赞、送小红花给予学生鼓励;(3)晚上十点之后,学生讨论较为活跃,教师可在这一时间段加强与学生的互动。

  4结语

  “新工科”建设的宗旨是培养新时代综合性的创新工程人才,高等工程教育应顺应“新工科”建设做出变革。高等工程教育变革离不开各学科教学改革,探索“新工科”背景下大学物理新的教学方法是一项系统性工程,需要大学物理教师勇于创新和大胆实践。“新工科”背景下大学物理教学的成功改革必然会推动其他专业课的教学改革,甚至“新工科”的发展。

  参考文献:

  [1]胡波,冯辉,韩伟力,等.加快新工科建设,推进工程教育改革创新:“综合性高校工程教育发展发展战略研讨会”综述[J].复旦教育论坛,2017,15(2):20-27.

  [2]教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知[EB/OL].(2017-02-20)[2019-08-10].

  [3]赵继,谢寅波.新工科建设与工程教育创新[J].高等工程教育研究,2018(5):13-17.

  [4]江锡顺.新工科大学物理课程教学改革措施与实践[J].滁州学院学报,2018,20(5):120-122.

  [5]鱼海涛,王亚民,张涛.新工科背景下的大学物理PBL教学:以刚体的动量矩守恒定律为例[J].物理与工程,2018,28(Z1):33-36.

  《“新工科”背景下大学物理教学现状及改革措施》来源:《上饶师范学院学报》,作者:姜贵文 郭俊萍 刘保华 柳仕飞 吴奇成 何星 毛杰键

文章标题:“新工科”背景下大学物理教学现状及改革措施

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