吳 玲，邵春強(qiáng)，石小燕，尤素萍

（杭州電子科技大學(xué)理學(xué)院 浙江 杭州 310018）

近年來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)，培養(yǎng)造就了一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國際競爭提供智力和人才支撐，既是當(dāng)務(wù)之急，也是長遠(yuǎn)之策。加快卓越工程師培養(yǎng)，提升國家“硬實力”，解決“卡脖子”問題，是新工科建設(shè)的核心。

本文以杭州電子科技大學(xué)為例，該校是實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的高校之一，對本科公共物理基礎(chǔ)課程的教學(xué)改革提出了新的更高的要求。在新工科背景下，大學(xué)物理的教育功能也從注重學(xué)生對基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論和基本技能的掌握，擴(kuò)展為全面提高學(xué)生的工程實踐與應(yīng)用的綜合能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。為適應(yīng)新工科建設(shè)與發(fā)展，充分發(fā)揮大學(xué)物理課程在新工科中的地位和作用，本文引入成果導(dǎo)向教育（Outcome Based Education，簡稱OBE，也稱為產(chǎn)出導(dǎo)向教育）理念，研究新工科背景下大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容的改革與實踐。

1 基于OBE理念開展教學(xué)內(nèi)容改革

OBE理念是一種以學(xué)生“學(xué)習(xí)成果”為導(dǎo)向的教育理念?！度A盛頓協(xié)議》作為國際上最具影響力的工程教育互認(rèn)協(xié)議，已將OBE理念貫穿于工程教育認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的始終。我國始終把握高等教育發(fā)展的最先進(jìn)理念，基于OBE理念樹立了“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的本科教育新理念，在本科階段工程教育領(lǐng)域產(chǎn)出了較為豐富的研究成果[1]。這些研究成果多是從專業(yè)人才培養(yǎng)方案或課程目標(biāo)達(dá)成評價等方面就某一層面單一闡述OBE理念的實踐研究，而對如何應(yīng)用OBE理念指導(dǎo)大學(xué)課程教學(xué)設(shè)計的實踐研究則較為薄弱。

大學(xué)物理課程是學(xué)生學(xué)習(xí)工程技術(shù)知識的基礎(chǔ)，同時也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要途徑。國內(nèi)高校積極引入OBE理念，開展了大學(xué)物理課程的教學(xué)改革。相關(guān)研究成果主要集中在理論研究、教學(xué)模式改革實踐、評價體系等方面[2-4]，基于OBE理念的教學(xué)內(nèi)容改革研究較少。近年來，國內(nèi)多家高校開展了面向“新工科”的大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革研究，并取得了良好的教學(xué)效果[5-6]。

教材是教學(xué)內(nèi)容的主要載體。不論國內(nèi)還是國外，都不乏經(jīng)典、精品，然而教材不等同于教學(xué)內(nèi)容。根據(jù)OBE的“反向設(shè)計”理念，相應(yīng)的教學(xué)改革需要根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計課程的學(xué)生學(xué)習(xí)成果，重新設(shè)計考評方法、設(shè)計教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計教學(xué)活動等，各個環(huán)節(jié)相互支撐。

2 大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容改革的探索

2.1 教學(xué)內(nèi)容的改革需要完成從“教什么”到“學(xué)什么”的轉(zhuǎn)變

傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程內(nèi)容主要基于教材，知識更新速度落后于科技發(fā)展；追求完整的知識體系，注重知識的傳授，即“教什么”。OBE理念強(qiáng)調(diào)的不是老師講了多少，而是學(xué)生學(xué)會了多少，掌握了多少。基于OBE理念，課程設(shè)計是“至上而下”反向設(shè)計的，以最終目標(biāo)（學(xué)生學(xué)習(xí)成果）為起點，反向進(jìn)行課程設(shè)計，教學(xué)內(nèi)容根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)來選擇，注重學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，即“學(xué)什么”。為此課程內(nèi)容應(yīng)反映前沿性和時代性，加強(qiáng)理論與工程應(yīng)用、科學(xué)問題的結(jié)合；通過課程內(nèi)容改革，合理增加課程難度，拓展課程深度，激發(fā)學(xué)生的興趣和潛能。如何改革課程內(nèi)容，完成從“教什么”到“學(xué)什么”的轉(zhuǎn)變，支撐基于OBE理念的課程教學(xué)目標(biāo)，讓學(xué)習(xí)真正激發(fā)學(xué)生的興趣和潛能，是本課題組開展課程教學(xué)內(nèi)容改革需要解決的主要問題。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化整合

教育部在《關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科實施卓越工程師教育培養(yǎng)計劃2.0的意見》中提到“樹立工程教育新理念，……著力提升學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力，加大課程整合力度”，據(jù)此，我校大學(xué)物理課程教學(xué)目標(biāo)確定為知識、能力和素養(yǎng)三個層次。其中，能力目標(biāo)包括三個內(nèi)容：具有獨立獲取和應(yīng)用知識的能力；具備科學(xué)觀察和思維的能力，能應(yīng)用物理學(xué)知識解決日常及工程應(yīng)用中的簡單問題；具備分析問題和解決問題的能力，能利用物理學(xué)知識對科學(xué)及工程問題進(jìn)行分析、討論和制訂研究方案。

結(jié)合新工科專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)和大學(xué)物理課程教學(xué)目標(biāo)，本課題組將大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化整合為兩大部分：“物理學(xué)原理”和“應(yīng)用類專題”?！拔锢韺W(xué)原理”部分由基本的、核心的原理構(gòu)成；“應(yīng)用類專題”部分將除核心原理以外的知識點模塊化，并結(jié)合實際應(yīng)用，形成“工程應(yīng)用和科學(xué)問題”專題，構(gòu)建以科學(xué)問題和工程應(yīng)用實例為大框架、理論知識填充的知識結(jié)構(gòu)。

例如質(zhì)點力學(xué)這章的教學(xué)內(nèi)容，“物理學(xué)原理”包括力學(xué)的基本概念、牛頓運動定律、動量定理和動量守恒定律、動能定理和機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律；“應(yīng)用類專題”為“嫦娥工程”，這一專題應(yīng)用力學(xué)原理，從發(fā)射、環(huán)繞、變軌、著陸、返回五個方面展開簡要分析?！版隙鸸こ獭钡摹鞍l(fā)射”部分從兩方面討論了火箭的速度，一是火箭獲得的速度與火箭質(zhì)量的關(guān)系；二是第一、第二、第三宇宙速度的推導(dǎo)?！碍h(huán)繞”部分則由開普勒行星運動三定律引出角動量的定義以及角動量守恒定律。

又如穩(wěn)恒磁場這章的教學(xué)內(nèi)容，“物理學(xué)原理”包括穩(wěn)恒磁場的高斯定理和安培環(huán)路定理；“應(yīng)用類專題”包括磁約束、霍爾效應(yīng)、直流電動機(jī)和磁性材料及其應(yīng)用。其中“磁約束”這節(jié)內(nèi)容圍繞“如何利用磁場來約束高溫的等離子體”，描述了磁約束的原理（帶電粒子在電場和磁場中的受力），詳細(xì)討論均勻磁場和非均勻磁場中的磁約束，介紹了實現(xiàn)磁約束的裝置以及與磁約束相關(guān)的自然現(xiàn)象。

改革后的教學(xué)內(nèi)容具有以下特點：第一，注重知識的區(qū)分度?！拔锢韺W(xué)原理”的內(nèi)容是依據(jù)教學(xué)過程的甄選和反復(fù)實踐而確定下來的，既突出核心原理，又保證知識體系的完整和內(nèi)容的基本框架不變?！皯?yīng)用類專題”是依據(jù)課程教學(xué)目標(biāo)，將除核心原理以外的大學(xué)物理知識點模塊化后，融入工程應(yīng)用實例和科學(xué)問題中而形成。

第二，強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的應(yīng)用性?！肮こ虘?yīng)用和科學(xué)問題”專題選取了利用大學(xué)物理知識可以分析的、與技術(shù)應(yīng)用發(fā)展和科學(xué)前沿相關(guān)的內(nèi)容，旨在拓寬學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，適用于分層次教學(xué)。在注重內(nèi)容應(yīng)用性的同時，也具有一定的學(xué)習(xí)挑戰(zhàn)性。

第三，體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的可教性。課程教學(xué)內(nèi)容的物理學(xué)原理部分選取時充分考慮課時，遴選核心知識點突出重點，精選例題加深原理的理解，設(shè)置思考題引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)?！肮こ虘?yīng)用和科學(xué)問題”專題部分，選題時立足于引導(dǎo)學(xué)生提升學(xué)習(xí)興趣，注重學(xué)生創(chuàng)新能力及綜合能力的培養(yǎng)，內(nèi)容難度適中，適用于以學(xué)生為主的研究性學(xué)習(xí)。

2.3 拓展加深“應(yīng)用類專題”，開展研究性教學(xué)

傳統(tǒng)的教學(xué)強(qiáng)調(diào)知識的吸收而未能創(chuàng)造條件讓學(xué)生在實踐中去探索、發(fā)現(xiàn)?；贠BE理念以學(xué)生學(xué)習(xí)為基本邏輯展開教學(xué)，要求教師在充分了解學(xué)生特點的基礎(chǔ)上，全面設(shè)計教學(xué)活動和教學(xué)環(huán)節(jié)，探索新型教學(xué)模式。教育部關(guān)于加快建設(shè)發(fā)展新工科的意見中也提出“推廣實施案例教學(xué)、項目式教學(xué)等研究性教學(xué)方法，注重綜合性項目訓(xùn)練”。如何通過創(chuàng)新教學(xué)模式，強(qiáng)化創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)，是大學(xué)物理課程改革中需要解決的又一重要課題。

為滿足實施研究性教學(xué)的需求，本課題組將“應(yīng)用類專題”分為三個層次：通識模塊、專業(yè)限選模塊、學(xué)生自選模塊?！巴ㄗR模塊”是由教學(xué)大綱要求掌握的知識點設(shè)計而成的工程應(yīng)用實例或科學(xué)問題組成，例如質(zhì)點力學(xué)中“嫦娥工程的發(fā)射和環(huán)繞過程”，穩(wěn)恒磁場中的“磁約束”?！皩I(yè)限選模塊”是根據(jù)專業(yè)特點設(shè)計的典型案例，例如靜電學(xué)中的“口罩的防護(hù)學(xué)問”，研究駐極體材料在口罩中的應(yīng)用，涉及的教學(xué)內(nèi)容為“靜電場中的電介質(zhì)”。在教學(xué)中引入我國在防疫抗疫中科技工作者的貢獻(xiàn)案例并對此進(jìn)行分析與討論，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義情懷，樹立攀登科學(xué)技術(shù)高峰的信心，擔(dān)負(fù)起民族復(fù)興的重任。

“學(xué)生自選模塊”則由歷屆學(xué)生的自主選題組成，每學(xué)期會評選優(yōu)秀研究課題并加入此模塊。自主選題是學(xué)生在大學(xué)物理課教學(xué)內(nèi)容的范圍內(nèi)根據(jù)自己的興趣、特長等自由選擇的研究課題，例如“EMP（Electromagnetic pulse，電磁脈沖）從原理到防御”屬于電磁學(xué)的研究內(nèi)容，學(xué)生由娃娃機(jī)的破解和電磁武器引入電磁脈沖的工作原理，制作了一個產(chǎn)生電磁脈沖的簡易裝置，并成功攻擊毀壞了一些小型電子設(shè)備（電子手表，電子鬧鐘）。又例如“《流浪地球》的數(shù)值模擬”，學(xué)生應(yīng)用力學(xué)知識通過Matlab模擬了電影《流浪地球》的多個場景。

“應(yīng)用類專題”的教學(xué)內(nèi)容以學(xué)生自主開展研究性學(xué)習(xí)為主，教師全程引導(dǎo)。在教學(xué)過程中，學(xué)生自主組隊選題，先進(jìn)行調(diào)研，收集資料，確定具體的研究內(nèi)容；然后開展研究工作；取得研究成果以后在課堂上進(jìn)行展示，成果展示環(huán)節(jié)中設(shè)置提問和回答，對研究內(nèi)容進(jìn)行深入的討論。學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)中體驗“發(fā)現(xiàn)問題-提出問題-分析問題-解決問題”的科學(xué)研究過程，提高了學(xué)習(xí)興趣，初步培養(yǎng)了科學(xué)研究能力，能應(yīng)用物理知識解決問題，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的信心。

在大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容改革的歷程中，本課題組最初是針對專業(yè)特點調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，在理論知識講解中引入工程應(yīng)用實例，后來通過設(shè)置“工程應(yīng)用和科學(xué)問題”專題開展研討式教學(xué)，經(jīng)過多年的教學(xué)改革實踐，形成了由“物理學(xué)原理”和“應(yīng)用類專題”組成的教學(xué)內(nèi)容。同時，我校增設(shè)了“物理學(xué)原理及工程應(yīng)用”課程，其與大學(xué)物理課程平行設(shè)置，旨在拓展大學(xué)物理課程的深度與廣度，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，滿足新工科人才培養(yǎng)的需求。

2.4 教學(xué)內(nèi)容、考評方法、教學(xué)活動相互支撐

在整個課程教學(xué)環(huán)節(jié)中，教學(xué)內(nèi)容不是孤立的，為實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)，取得理想的學(xué)習(xí)成果，教學(xué)內(nèi)容、考評方法、教學(xué)活動都需要精心設(shè)計，相互支撐。在改革實踐中，本課題組為線上線下混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂等教學(xué)模式，整合教學(xué)資源，形成集教材、視頻、習(xí)題、研究性項目、實驗等多種內(nèi)容為一體的教學(xué)內(nèi)容體系。

為構(gòu)建科學(xué)有效的考核體系，支撐教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成，需要以產(chǎn)出為導(dǎo)向，增大學(xué)習(xí)過程考核成績在課程總成績中的比重；細(xì)分形成性評價指標(biāo)，通過作業(yè)、研討式學(xué)習(xí)、學(xué)習(xí)活動參與等環(huán)節(jié)的綜合表現(xiàn)對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行評價。

3 結(jié)語

新工科建設(shè)對大學(xué)物理課程教學(xué)提出了更高的要求，物理學(xué)科將更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用性和與其他學(xué)科的關(guān)聯(lián)性?；贠BE理念的大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容的改革，堅持“學(xué)生中心、產(chǎn)出導(dǎo)向、持續(xù)改進(jìn)”的教育理念，注重實踐研究，改革后的教學(xué)內(nèi)容突出核心原理、強(qiáng)化理論與工程應(yīng)用和科學(xué)問題案例的結(jié)合。大學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容改革的研究成果將有助于優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，提高教學(xué)質(zhì)量，持續(xù)改進(jìn)，提高高校人才培養(yǎng)的目標(biāo)達(dá)成度，可為創(chuàng)新工程應(yīng)用型人才的培養(yǎng)提供可借鑒的實踐經(jīng)驗。