“新工科”背景下大学物理“金课”设计方案探索与实践
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作者:董梅峰 宋新祥 刘冰
摘要：培养具有创新能力的人才是新工科建设的目标。高校作为优质人才培养的基地，必须推行“创新”教育，而课程是人才培养过程中的核心要素和载体，因此创新教育最终要落实到每门课程的实际教学过程中。在教育部出台的《关于狠抓新时代全国高等教育本科教育工作会议精神落实的通知》（教高〔2018〕8号）文件中，明确指出：各高校要全面梳理各门课程的教学内容，淘汰“水课”、打造“金课”。将每门课程都打造成“金课”，可以说是对“新工科”人才培养目标的有力保障。作为工科院校的必修基础课，构建大学物理“金课”，是大学物理课程培养创新人才的重要使命。
关键词：新工科;金课;创新能力;大学物理;PREI教学模式
目前“新工科”建设是工科院校研究的重要内容，围绕“新工科”建设的“天大行动”中的“天大六问”，指出了培养人才的目标是培养具有创新创业意识、数字化思维和跨界整合能力的“新工科”人才。“新工科”中的“工科”是指工程学科，“新”包含三方面的涵义，即新兴、新型和新生。“金课”可以归结为“两性一度”：高阶性、创新性和挑战度。“金课”旨在全面提高高校人才培养能力，这和“新工科”人才培养的目标是一致的。因此“新工科”理念的实施和“金课”的标准在课程建设的各个方面是相通的，并且是相辅相成的，“金课”可以说是“新工科”人才培养的有力保障。在“新工科”背景下，我校大学物理课程组围绕“金课”的要求，从教学内容体系的构建、PREI教学模式的搭建、教学成效的考核等方面进行了相关改革和实践。
一、基于“新工科”内涵，梳理整合教材内容体系，构建具有“高阶性和挑战度”的教学内容体系
新生是指由不同学科交叉，包括现有不同工程学科的交叉复合、工程学科与其他学科的交叉融合等产生出来的新学科;新兴指新兴学科、新兴产业和研究方向，例如新能源、新材料、生物科學等，而这些新兴的研究方向都是由基础学科孕育的。大学物理作为新工科中的基础课，目前一些新生学科和新兴研究方向都与物理学科有着不可分割的联系，因此在大学物理教学过程中要进一步与新生学科和新兴研究方向交叉融合，构建具有“高阶性和挑战度”的大学物理“金课”教学内容体系。
1.教学内容体系在“知识、能力、素质”上要做到“高阶性”
“知识、能力、素质”是培养创新人才的三个重要维度，“金课”的高阶性就是指知识、能力、素质三个维度的有机融合，为了使大学物理知识、能力、素质三者有机融合，在教学内容体系的建设中要做到以下几点。
（1）知识维度要体现“宽、厚、专”
大学物理作为工科学生的必修基础课程，在知识横向层面上体现“宽”基础的特点，内容体系要包括力、热、电磁、光学、原子物理各个模块的知识点。在知识纵向层面上要体现“厚”基础的特点，知识体系要包括每一知识模块的发展演变，特别是与前沿物理领域的联系以及与“新学科”的交叉关系，并把每个模块与前沿研究领域的结合点作为教学中的引领与拓展内容。例如“天眼”与光学模块中圆孔衍射分辨率的知识可以相结合进行讲解。
知识体系也要体现“专”的特点，即不同专业要根据其专业需求配置不同层次的教学内容。因此在课程培养方案和教学内容设置时，结合我校办学指导思想和本科教育培养新体系，采取了“加强物理基础、面向专业需求”的培养方案，根据各个专业需求不同采取“内容分类分层”的教学内容设置。建立具有“按学科专业需求配置”的“大学物理模块化3类3层次”大学物理课程分类分层的教学内容。具体是把各个知识模块的知识点分为A、B、C三类，其中A类主要涉及大学物理的基本概念、基本理论、基本方法;B类是在A类内容的基础上加上对具体物理问题的分析、解决和应用拓展的内容;C类是在B类的基础上再加上按学科专业不同设计的物理案例、与前沿知识相联系的教学案例、跨学科的教学案例等。在上述分类的基础上，结合不同专业在不同的知识模块采取不同层次的分类分层教学。
（2）能力维度要体现“创新性”
创新能力是多种能力的综合，其中自主学习能力、科学思考能力、科学行动能力最为重要，在教学内容体系的建设中，通过构建能够点燃学生兴趣的教学内容体系，可以达到培养学生自主学习能力的目的。例如在大学物理知识点中梳理出能引发学生兴趣的案例，录制成微课，借助于线上云课堂平台的翻转课堂模块，采用翻转课堂的教学模式培养学生通过自主学习微课视频内容、解答微课视频中的问题以及通过查阅网络资源形成研究性问题带入课堂进行讨论研究的自主学习能力。
科学思考能力是指学生利用知识，通过独立思考和批判性思维解决实际问题的能力。科学的行动能力是对问题进行科学思考的基础上，形成科学解决方案的前提下，通过科学的途径来解决复杂问题、探索已有的物理规律或者创造新的物理规律的行动能力。如表1所示，在教学内容体系的构建过程中，梳理出一些具有批判性的物理问题，进行问题研究讨论式授课，培养学生的科学思考能力和科学行动能力。
（3）素质维度要体现“双素质”
大学生的素质教育要体现双素质：品德素质和对专业知识的科学研究素质。立德树人是教育的根本任务，是教育的中心环节，在教学内容体系中要有机融入课程思政的教学内容。结合立德树人的内涵和大学物理课程的特点，首先把物理规律体现出的人生良好品德融入教学，例如讲解物理上“过程量和状态量”关系时，可以把学生大学四年的过程和入学离校的状态有机的联系起来，培养学生重过程的脚踏实地实干精神和唯真唯实的良好品德;另外，把相关物理科学家的良好品德引入教学内容，作为学生立德的榜样，例如在讲大学物理量子理论知识模块中康普顿散射效应时，我国科学家吴有训在此领域有重大贡献，他在康普顿的指导下做了题目为“康普顿效应”博士论文。当“康普顿效应”这一伟大发现获得举世公认，诺贝尔奖评选委员会决定将“康普顿效应”的发现列入下一届物理学奖的名单时，康普顿教授决定除自己以外， 提名威尔逊和吴有训两个人同时受奖并把自己的意思诚恳地告知吴有训时， 吴有训连连摇手， 不安地说：“不行，不行，我的名字不应当放在里面，这是老师的功劳，我只是一名助手， 做了应该做的事情。”这展现了一个具有高尚品德的中国青年。大学物理中像吴有训这样刻苦钻研、坚持不懈并具有高尚品德的科学家的例子还有很多，引入教学后会大大促进立德树人的品德教育。 教学中尽量还原科学家探索物理规律的过程，展现科学家在研究思考问题时的批判性思维和科学研究素质，从而把科学家的精神和素质通过课堂教学内化于学生自身。另外科学研究素质的培养需要实际演练，在教学内容中设置科学研究性的课题供学生选择研究，从而达到培养其科学研究素质的目的，如表1所示。
2.教学内容体系在“知识、能力、素质”上要做到“挑战度”
要培养创新型人才，打造“金课”，课程内容体系必须具有一定的“挑战度”。挑战度是指课程内容要有一定难度，这个难度并不是为了难住学生而设置的“难题”和“怪题”，在大学物理课程内容体系中设置一些与前沿研究相关的难点、热点内容，比如目前物理学比较热门的前沿知识石墨烯的力、电、光学性质的研究，可以把该类问题纳入大学物理教学内容体系之中;再如在研究物理问题时学生比较习惯利用高等数学的知识去解决，而往往一些科学研究问题是无法利用高等数学的知识解出其解析解的，此时需要利用科学的计算方法如借助于计算机程序模拟仿真才能得到其结果，所以可以把计算机程序模拟物理问题纳入大学物理教学内容体系之中。总之，具有“挑战度”的知识内容必须根据课程的特点来设置，需要学生和教师一起完成。表1中列举了一部分研究性课题，通过这些具有“挑战度”的教学内容培养学生的创新能力。
二、基于“新工科”培养目标，变革教学模式，
采用混合式的PREI教学模式
“新工科”中的“新”也包括对培养模式的改革和创新。探索新的人才教学模式，为学生提供更加多样化的学习方式，重视学生的课堂互动式学习、课下的自主学习、个性化学习以及终身学习的过程，是新工科对教学模式的内在要求。笔者在教学中创新性地采取了四平台驱动式PREI教学模式，这四个平台分别为：云课堂平台、雨课堂平台、大学物理实验创新平台、软件虚拟数字化平台，如图1所示。
PREI（Problem Research Expand Innovation）是指“问题研究拓展创新”，PREI教学模式是案例教学、翻转课堂、线上线下教学、大班授课与第二课堂小组研讨等多种教学模式的有机融合，是通过学生对问题案例进行课前自主研究、主课堂教师引导研究、课外学生對问题继承与拓展的研究、教师在第二课堂对问题进行引导深化拓展交叉融合创新研究，从而达到夯实内化基础知识、培养创新能力的目的。PREI教学模式首先在课前把要研究的问题通过云课堂传递给学生，学生课前在云课堂平台“翻转课堂”模块进行视频自学和查阅中英文资料完成相关的课程作业，并上传到云课堂的“课程作业”模块，同时学生带着问题进入主课堂;教师通过批阅课程作业做好问题研究讨论课的引领工作。这样学生和教师都为课堂要研究讨论的问题做好了充分的准备，使得主课堂真正变成了辩论课堂。课中利用雨课堂平台进行讨论互动。上述的云课堂平台和雨课堂平台都承载着课前课后教学资源，两个平台均有手机接收终端，便于课堂内外随时查看，同时还便于学生课前课后自主学习以及和教师进行交互式学习。经过主课堂研讨后还需要进一步拓展创新的问题由科技小组的同学在第二课堂中通过“数字化平台”和“实验创新平台”进一步研究，其中数字化平台主要采用MATLAB仿真平台，实验创新平台主要在大学物理演示实验室进行。
基于四平台驱动式主课堂的PREI教学模式实施后，我们发现该教学模式有助于培养学生的创新能力、创新意识和批判性思维能力等。
三、基于“新工科”理念，变革传统的考核模式，采用“重过程”的多元化考核模式
采用多元化的考核模式，重点考核学生的创新能力等各种能力。
1.雨课堂和云课堂两个平台的考核
通过雨课堂对学生参与课堂互动、讨论、对当堂课知识点内化的情况进行考核（5%），课堂上根据所讲授讨论的问题及时展示学生的答题作品，通过雨课堂可以用手机查看优秀学生和预警学生，另外也可以查看所有学生对一个知识点的掌握程度，并且可以查看有哪几个学生理解错误，根据出错人数的多少，教师可以确定是否重新组织学生对该知识点进行讨论。
通过云课堂的“反转课堂”和“课程作业”模块，考核学生课前对课堂讨论研究的问题的预习情况（5%）。
2.在第二课堂考核科技小组各个成员在实验创新平台和数字化虚拟仿真平台操作的多种科研创新能力
在学期初，学生在第二课堂组成小于等于5人的科技小组，科技小组成员在教师的引导下通过大学物理演示实验室平台和数字化程序虚拟仿真平台进行课题研究创新工作，最终在学期末形成研究性报告和答辩PPT等资料，并组织学生进行PPT答辩，科技小组研究性成果占课程考核的30%。该项工作不仅考核学生的科学行动能力，更可以考核学生的实验操作设计能力和程序虚拟仿真能力，同时也可以考核学生自主查阅中英文资料、发现问题、研究问题、论文撰写、语言组织答辩等各种能力。
3.阶段性考核
在期中（10%）和期末（50%）通过理论考试，测试学生对大学物理各个知识模块的理解和掌握程度，以及利用知识处理问题的能力。试卷中的题目都有明确的知识点横向综合系数、知识点纵向深度系数、能力考核系数、整套试卷中各项比例权重等设置。
四、总结
上述教学内容体系、教学模式和考核模式实施后，在一个教学年中，一个教学班级共有30多人参加山东省大学物理竞赛，共获奖34项（获省级一等奖4项，二等奖9项，三等奖21项）;另外，学生把科技小组的作品拿去参加相关比赛并获奖，比如学生参加了机电杯和第十届山东省大学生科技节大赛，分别荣获山东省二等奖;还有一部分学生通过申请校级和国家级的大创项目，深入研究科技小组的研究课题，共有8个科技小组分别申请了校级和国家级的大创项目;还有一部分学生把大学物理课程学习过程中的想法申请了国家级实用新型专利共5项。
基于“新工科”理念打造的大学物理“金课”，学生的学习兴趣和参与课堂教学的意识大大提高，另外学生的自主学习和终生学习能力、发现问题的能力、研究问题的能力、解决问题的能力、实验动手能力、程序设计模拟仿真能力、语言组织能力等都得到了一定的提高。
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编辑∕宋博瑶
作者简介：董梅峰（1973-），女，山东惠民人，硕士，讲师，研究方向：大学物理、信息光学。
基金项目：中国石油大学（华东）教学研究与改革项目“四平台驱动《大学物理》问题研究拓展创新教学模式的实践”（JY-B201852）;中国石油大学（华东）教学研究与改革重点项目“新工科视域下大学物理课程体系的构建与实践”
（JY-A201820）;山东省教学研究与改革项目“面向新工科的数理公共基础课程体系构建与实践”（M2018B367）
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