新工科背景下建筑类高校“大学物理”课程改革探索

付沙威，陶荟春，满玉春

当今世界新一轮的科技和产业变革加速进行，国家发展需要更多灵活和适应性强的人才［1］.2016年，根据国家发展战略新思想、国际竞争新经济格局和产业形势以及立德育人新要求，“新工科”这一概念被提出，成为我国高等工程教育发展的新方向［2-3］.新工科强调应对变化和塑造未来，需要继承与创新、交叉与融合、协助与共享，其建设的精髓在于“新”，在于提升大学生的创新能力和创造能力.适应国家发展需要的新工科人才不仅要有精深的专业知识和良好的科学素养，更要具备多元化的认知和创新能力.建筑类专业的课程内容涵盖巨大的知识框架，从自然科学、理论技术到人文、生态均有涉及，因此，融入新工科背景的课程建设是培养建筑类新工科人才的重要途径.

物理学是自然科学的基础，是工程技术发展的主要源泉.物理学的理论研究取得重大突破，必将为工程技术带来巨大进步.从牛顿力学和热力学的发展推动的第一次技术革命，到电磁学理论的发展推动的第二次技术革命，再到相对论和量子力学的发展推动的第三次技术革命，均已证明物理学的重要地位.“大学物理”课程作为一门重要的自然科学通识课，是理工科专业的必修基础课，在培养应用型人才的知识框架中具有基础性作用，对培养学生的创新思维、实践能力和科学素养均有十分重要的意义.对于地方建筑类高校来说，人才培养目标主要定位于培养适应建筑行业需求的应用型高级专门人才，因此，“大学物理”课程建设与改革具有自身的特点.本文结合多年课程改革实践，探讨了“大学物理”课程改革存在的关键问题，并提出改进举措，以期为新工科背景下建筑类高校课程建设研究提供参考和借鉴.

1 高校“大学物理”课程改革述评

1.1 课程改革取得的成果

自新工科概念提出以来，各大高校尤其是工科类高校积极探索新工科背景下的“大学物理”课程改革，并取得了很多可借鉴的研究成果［4-8］.

（1）课程内容改革实行模块化.目前“大学物理”课程在高校培养方案中的地位逐渐被弱化，尤其是在应用型高校，重视专业课教学，而基础课学时被大幅压缩.很多理工科院校将“大学物理”课程内容划分成多个模块，着重讲授与专业相关的模块，而专业不涉及的模块作为一般讲授或兴趣阅读，更加注重专业适用性.一方面缓解学时少而授课内容多的矛盾，另一方面减轻学生的学习强度.

（2）课堂教学创新探索多元化.通过引入物理学史、名人传记或应用实例等方式，把经典的物理内容讲活，增强课堂趣味性；增加近现代物理的内容，使教学内容更接地气，更加“贴近生活、贴近现代、贴近社会”；通过与实验或竞赛相结合，调动学生参与大学物理基础课学习的积极性.通过实现全方位、多元化的教学创新，改善基础物理单一的教学样态，使学生易于接受、乐于接受，在接受中受到熏陶、感染和锻炼.

（3）教学手段应用注重混合化.现代教育技术的飞速发展使基础课的教学手段日益丰富，采用多媒体教学或动画演示等形式进行教学手段创新，直观形象地展现知识点，易于学生理解.高校网络教学平台应用已经非常普遍，教师可以实施线上线下混合式教学，利用慕课资源或翻转课堂创新课堂教学模式，开阔学生视野，拓展学生知识面；通过线上预习、练习、复习、讨论等环节扩充教学时间，延伸教学空间，缓解课上压力.

1.2 课程教学存在的问题

尽管“大学物理”课程改革一直在如火如荼地推进，但距离新工科的目标与要求还有很大的距离，在培养未来多元化、创新型卓越建筑类工程人才的过程中存在明显不足，服务于新工科人才培养的基础性和重要性地位发挥还不够充分.解析主要原因如下：

（1）人才培养体系尚不完备，理论联系实际的教学方法浮于表面.教师仍过于强调物理理论教学，淡化了物理模型的构建、思维方式的培养以及与其他后续课程或专业技术的衔接，不利于培养学生的知识迁移能力和工程应用综合能力，导致学生在学习后续专业课程或是解决工程中实际问题的能力明显欠缺.“大学物理”是理工科专业公认的“硬课”，恰恰是“硬”在知识链长、逻辑性强、涉及面广、含金量大，其中有些内容在后续课程中不再涉及，但对于培养“有用的人”而言又必不可少［9］.

（2）学生主体地位不够突出，启发式、讨论式等教学手段仍流于形式.尽管教师在教学过程中采用动画视频、演示实验及翻转课堂等教学手段，也只是为了让学生更易理解知识点，根深蒂固重理论的教学思想必然导致以教师为主导的传统教学模式.填鸭式灌输理论知识使学生真正掌握学以致用的物理方法较少，导致学生认为“大学物理”课程对专业学习没有帮助，学习态度不端正.

（3）学生学习意愿不强烈，基础课教学改革赋能增效的作用发挥仍不充分.教学改革研究注重教学内容和方法.开设线上教学、虚拟仿真实验等增强教学灵活性和趣味性，学生也只是按照教师的要求完成浏览任务或机械地获取数据，取得期末成绩，而不愿深入思考理论知识与实际应用的相互关系，缺乏探究意识和独立解决问题的实践能力.学生对课程没有足够的参与度和重视度，再好的教学手段都不能提高教学效果.

（4）网络作用发挥不显著，互联网辅助教学缺乏监管和融会贯通.线上教学给予学生很宽泛的学习时间和丰富的知识内容，但那些主观能动性不强、自我学习意识差和学习兴趣薄弱的学生并不会将网络教学平台作为有力的学习工具，受益较少.网络教学平台主要呈现课件、习题讲解、讨论和章节测试，与课上教学明显脱离，而网络平台监管形式的局限也让很多学生怠慢.

鉴于此，“大学物理”课程的创新改革仍然任重道远，“大学物理”教师应寻求更为合适的课程革新途径，力求在理念和方法上均有所突破，更加贴近新工科建筑类卓越人才培养的要求，为后续专业课程和实践应用提供知识和能力的铺垫.

2 建筑类高校“大学物理”课程改革路径探索

笔者结合所在的地方建筑类高校新工科人才培养新要求，以有效地培养学生综合素质、应用和创新能力为目标，采用理论与实际教学相结合的方法，合理重构“大学物理”课程的教学内容，建立促进学生全面发展的评价体系，创设能够有效引导学生主动参与的教育环境，注重教学实际成效，激发学生学习的积极性，培养学生掌握和运用知识的态度和能力，使每一位学生都可以获得充分的发展性成长.

2.1 以教学理念变革开拓课程改革思路

在实践教学中，改变以往课程过于注重知识传授的倾向，强调物理思想和方法的掌握，所有知识点的推论或解题可以归结为几类方法，如特殊性转向普遍性的方法、矢量方向判断的方法以及模型方法等，这样学生学习有了窍门，而不是机械地记忆知识点，解题也不会无从下手或不能举一反三.授人以鱼不如授人以渔，这样的教学方法减轻了繁重的授课任务，最重要的是能够培养学生科学的物理思维，提高学生对“大学物理”课程的兴趣和重视程度，积极主动地学习，形成学习的良性循环，对培养具备发现问题、分析问题和解决问题能力的新型建筑类人才打下坚实的基础.另外，采用小组学习的方法带动全体学生学习效果的提升，每组不超过10人，物理成绩较好的学生占三分之一，成绩中等的学生占三分之一，厌学或弃学的学生占三分之一.每一小知识模块讲授完后，小组成员需要在一起总结复习，相互学习，每人提交一份知识点总结并必须掌握重点习题，每人拟出一道考题，汇总后与其他小组交换，相互考查，这样可以避免学生因课上没理解、落课、学习意识薄弱等因素造成的学习跟不上，甚至弃学，起到督促和帮助的作用，有效提高教学效果.

2.2 以课程体系重构支撑课程改革落地

教学内容的先进性和现代化是课程改革的主旋律，针对地方高校建筑类专业的不同特点以及后继相关课程的要求，全面优化“大学物理”课程教学内容，把内容的硬核和专业需求有机结合，凸显专业知识之下的物理基础作用，特别是支撑专业新进展、新技术发展的物理原理，进而从底层加深对本专业进步与创新的理解.“大学物理”课程可以划分为多个模块，包括力学、光学、热学、电磁学以及近代物理，在建筑类新工科人才培养的教学中，我们没有将某一个模块完全抛弃，而是重点讲授与专业和后续课程相关的基础知识，其余的知识弱化讲授或作为自学内容，这样既可以让学生把握重点，了解基础学科与专业之间的联系，又可以对学生进行全面和系统的培养，有利于学生的知识牵引.例如土木、道路等专业重点讲授力学和光学，给排水、环境等专业重点讲授热学，电气、计算机等专业重点讲授电磁学和近代物理.此外，在教学过程中还引入与专业有关的工程知识，例如河流拐弯处堤坝的建设与力学的联系、热泵效能提高与热学的联系、地下金属管线探测与电磁学的联系、增透膜与光学的联系以及量子传输与近代物理的联系等.在夯实物理基础知识的前提下，拓宽知识内容，探讨物理原理与前沿科学或自然现象等的关联，建立理论知识与工程实践之间的相互关系.通过引导学生对实际工程技术中的案例分析，培养其分析复杂工程问题的能力，提高解决问题的能力，从而为培养新型建筑类人才打下较好的理论和能力基础.

2.3 以网络教学融合延展课程改革链条

笔者所在高校引入的在线教育综合平台为网络教学提供有力的支持和保障，大力推进互联网技术与课堂教学的融合.通过改进和完善网络教学内容，从以往呈现概念、公式和习题转向体现知识结构关联和教学逻辑思维，现已逐步实现教师教学方式、学生学习方式、师生互动方式的变革，不是简单地将课件、讲稿、习题讲解和拓展知识上传到网络平台由学生自己查看，而是融合了课前预习提纲和小问答、课上教师提问检验和练习题提交以及课后答疑、复习问答和测试，将网络教学真正与课堂教学融合.建立丰富的试题库，单元测试题目随机，学生需要在规定时间完成作答，有效防止抄袭.为充分发挥网络教学平台的优势，给学生提供丰富多彩的教育环境，成为有力的学习工具，我们还利用网络教学平台设置与建筑类专业相关的研讨题目，例如转动惯性对结构稳定性的影响，温度传感器的设计，霍尔效应的应用，干涉降噪等，加强基础理论教学与实践应用的相互融合，有效提高了学生学习物理和运用物理知识的积极性，进一步培养学生的科研素质、团队协作能力和创新能力.

2.4 以评价体系完善夯实课程改革成效

科学评价是教学改革的指挥棒，将课程评价融入教学全过程.改革评价体系，体现过程性评价，多方面、多角度地考察学生，合理评估学生的学习表现.期末成绩仍然由平时成绩和试卷成绩组成，平时成绩占30%，试卷成绩占70%.平时成绩不再只以传统的作业、出勤为考核依据，课前复习提问和授课提问是反映学生学习情况的重要依据，将其纳入平时成绩的考核，对学生起到督促的作用.在授课过程中，教师发现有学生没有认真听讲，就一定会提问，如果学生回答不出，那么一定教会这个学生，长此以往，不认真听讲的学生一方面觉得不能再蒙混过关，另一方面觉得耽误同班同学的正常授课而难为情，同样也为平时成绩而担忧，从而主动认真地听讲.在教学实践中，教师发现学生上课听讲更认真，笔记更详细，学生给老师的反馈是“从未这么认真地听课”.平时成绩也包含学生对网络教学平台的访问、教学资料的查阅、参与提问和讨论的次数、单元测试的结果.此外，习题或者期末考试试卷的题目更侧重对运用物理知识解决实际问题能力的考核，并且不同专业的试卷题目也不相同.通过知识点应用解题的训练，让学生认识到“大学物理”课程的重要性和趣味性，逐步让学生了解学习“大学物理”课程除了掌握考核知识，还应体现获取知识的能力、分析解决问题的能力和创新能力.

通过上述改革，我们发现学生的学习兴趣显著提高了，学生的课堂参与度从以往不足一半增加到近三分之二，并且全部学生都能够运用网络教学平台.从章节测试和期末考试结果也发现，学生对知识点的掌握较扎实，运用较灵活，期末考试及格率从以往不足65%提升到约75%.此外，学生参与学术或实验竞赛的积极性也增强，在这一过程中，学生的进步是明显可见的，对问题的分析和解决能力逐渐提高，研究报告的撰写和答辩逐渐规范，学生已具备基本的科学素养.

3 结语

基于不同建筑类专业的培养目标，构建多元化的“大学物理”课程体系和评价体系，提升基础课教学与专业人才培养的契合度，有力扭转物理基础课和专业课衔接不紧密的两张皮现象，有效改善学生对基础课学习动力不足、可有可无的现状.通过实施与新工科相适应的课程改革，学生的学习兴趣明显提高，科学素养和创新能力得到提升，有望成为符合新时代要求的建筑类新型人才.

新工科背景下的“大学物理”课程改革既不能孤芳自赏、自我陶醉，也不能自暴自弃、随波逐流，要真正做到知识、能力、素质三位一体是需要花大力气的，需要教师不断“充电”，与时俱进更新观念、拓宽视野、持续发力，在“硬核”课程改革中成就“硬课”的口碑.