新工科背景下建筑類高校大學物理教學改革探究

劉艷玲，古金霞，梁春恬，田 維，宋 峰

(1. 天津城建大學 理學院，天津 300384；2. 南開大學 物理科學學院，天津 300071)

伴隨著世界多極化格局深入調整和全球科技產業的深刻變革，新一輪科技革命和產業革命蓄勢待發. 2020年10月，十九屆五中全會通過了《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和二○三五年遠景目標的建議》，“十四五”規劃建議中提出了拓展投資空間、強基礎、補短板、兩新一重等“十四五”期間重要的投資方向. 新老基建共同發力，構建系統完備、高效實用、智能綠色、安全可靠的現代化基礎設施體系. 隨著數字經濟蓬勃發展，數字技術將繼續滲透到建筑的各個方面，徹底改變建筑與建筑物的交互方式，在新的經濟模型中打破了真實建筑物與虛擬建筑物之間的界限，智慧城市建設乘風破浪. 因此，新的經濟環境和新的產業結構升級對建筑類應用型人才的培養提出了新的挑戰[1].

在建筑類高校中，大學物理作為高等院校理工類各專業大學生的一門重要的公共基礎必修課，涉及土木工程、建筑類、能源與動力工程、環境工程及材料工程等各專業，是通往工程技術科學及自然科學的橋梁，是各分支學科、交叉學科和新興學科產生和發展的基礎，在培養學生的邏輯思維、創新能力及應用意識等方面起著不可替代的作用，已成為新工科專業技能的基礎[2,3]． 教育部將新工科的主要內容歸納為“五個新”，即工程教育的新理念、學科專業的新結構、人才培養的新模式、教育教學的新質量和分類發展的新體系[4].

長期以來，大學物理課程教學一直以教師課堂講授為主，其弊端也在不斷顯現，在科學技術及行業需求的驅動下，尤其需要教學改革創新，突出學生的中心地位，探索適合自身發展的教學改革之路. 網絡和信息技術的迅猛發展，新時代教育教學形勢的引導，為“大學物理”課程教學改革提供了可行的解決方案.

1 新工科背景下對建筑類人才提出的新要求

作為建筑類專業學生，承擔著實現未來“新基建”的重要使命和責任，智慧城市建設對建筑之間的信息互聯、互通提出了更高的要求，智慧建筑要求建筑、人和環境三者協調發展，因此，學生在擁有精深專業知識的同時，應具備良好的人文素養，掌握人類文化、人文思想、社會政治經濟制度知識；具備較強的實踐能力，克服學校人才培養與企業人才需求間的嚴重脫節；具備創造性、分析性、計算性、實驗性的科研創新能力，能運用掌握的知識去分析問題、發現問題、解決問題，滿足社會對人才創新能力的要求[5,6]. 在新工科背景下，如何讓廣大學生真正的掌握大學物理知識，并有效銜接各專業，是亟待解決的問題.

2 大學物理教學中的“痛點”

1) 課程難度較高，學生畏難情緒突顯

大學物理課程包含力學、熱學、光學、電磁學和近代物理五部分，教學內容涉獵寬泛且難度高，授課與解題時需要借助微積分、線性代數等知識，對高等數學的知識儲備要求高；學生往往把學習重心放在識記公式上，不注重各章節間的內在聯系，不理解研究物理問題的思路方法，覺得大學物理內容“新、多、難”，從而導致學生的學習積極性逐漸下降，甚至出現厭學情緒.

2) 授課學時受限，學生當堂掌握難保證

按照教育部高等學校大學物理課程教學指導委員會指導意見，建議大學物理課程學時數不少于126學時，可根據實際教學情況進行調整．因專業需求不同，我校大學物理課程分別設置了大學物理A(96學時)、大學物理B(80學時)和大學物理C(64學時)，局限于有限的授課學時，教師授課的進度勢必加快，學生開始學習時還可以跟上進度，積極性也較高，但隨著課程的加速推進，學生的課堂掌握度逐漸降低.

3) 教學模式單一，學生對課程認知不足

大學物理課程常見的教學模式是，教師在固定的課堂、固定的時間進行授課，學生“被迫學習”，學生一旦習慣于“教師講，學生聽”的教學模式，就容易形成思維定勢，引導學生創新思維、批判性思維訓練和科學精神的作用自然缺失[7]．同時，這種模式也在一定程度上造成了大學物理課程與后續專業課程的結合度、支撐性不足，讓學生產生大學物理課程學無所用的錯誤認知.

3 新工科背景下大學物理的教改探究

以學生為中心，以專業和產出為導向，秉承“物理-現象-應用”的教學思路，根據新時代高等教育及新工科對大學物理課程教學提出的新要求，采用精煉教學內容、更新課程體系、擴充教學資源、豐富教學方法、拓展教學形式、創新教學模式、優化教學組織、完善教學評價等方式方法，構建“課內與課外”“理論與實踐”“教學與育人”相結合的大學物理課程育人體系，實現大學物理課程知識技能、過程方法和情感價值的培養目標，實現對學生知識、能力和素養的協同培養. 如圖1所示.

圖1 大學物理創新教學育人體系

1) 精煉教學內容，更新課程體系

以學生為中心，根據不同專業對物理知識的需求確定教學內容體系，對不同專業提煉與專業知識聯系緊密且有工程實踐應用的題目，讓學生認識到大學物理課程的實用價值，從而激發學生對大學物理課程的重視.

2) 擴充教學資源，豐富教學方法

錄制特色微課：按照“教學目標→核心知識→典型例題”的邏輯對重點內容錄制微課30余個，加深學生對核心知識的理解.

趣味物理討論：如多普勒效應討論“如何尋找失聯的馬航？”；相對論討論“假如你坐宇宙飛船環球旅游，十年后回來你的雙胞胎妹妹多大？”；碳基有機太陽能板讓摩天大樓自發電將不再是夢想等，激發學生興趣.

建立作業庫：對應上課內容設置課后作業，提交后即刻在線批閱并給出詳細解題過程.

成果展示平臺：鼓勵學生利用所學知識開發小實驗，制作形象化動畫，進而參加科學普及活動，增強社會責任感.

設置自測題庫：學生可以根據自身情況進行自測，判識對課程的掌握度.

3) 拓展教學形式，創新教學模式

以“問題引入→知識講解→例題解析→拓展空間→課程思政”的思路進行課程設計，拓展教學形式．

問題引入：激發興趣，包括科技前沿、名人軼事、趣味話題等，特別是結合我校各專業的優秀科技成果和工程應用實例，讓學生真正的意識到物理學有所用、怎么用、服務誰、價值在哪里、與專業方向銜接點在哪？(見表1). 知識講解：夯實基礎，突出重點；典型例題：解析難點；拓展空間：學以致用(有限元多物理場耦合仿真模擬案例開發近20個，模式見圖2).

圖2 有限元模擬仿真光的楊氏雙縫干涉以及電介質的極化現象

采取三結合創新教學模式：

“課內與課外”相結合. 在移動互聯網絡環境下，實現課堂與課外并重，教師構建系統化和碎片化相結合的教學設計，學生在課前通過智能手機等移動終端學習教師提供的微課視頻和PPT，完成對知識的接納，課上通過提出問題、討論問題、解決問題完成對知識的吸收，課后運用線上線下多種學習和交流工具完成對知識的合并，從而實現知識內化，增強學生學習的熱情，提高學生的學習能力.

“理論與實踐”相結合. 通過“教師引導、學生主導、團隊合作”的方式，帶動學生參加各種創新創業類、科技活動類競賽和實踐活動，培養學生的自主學習能力和創新能力.

“教學與育人”相結合. 教學過程中有機結合物理的認知發展史和反映認知規律的典型案例，潛移默化地向學生傳遞正確的邏輯觀、思辨性、人生觀，實現對學生的價值引領，做到物理知識傳授的顯性教育和思政教育的隱性教育相統一.

4) 優化教學組織，完善教學評價

課前，教師提供自學內容，如：課程平臺篩選的在線視頻、章節重點內容、微視頻、課前測試等. 課中，情境設置導入新課內容；多媒體與板書結合授課；探討式互動；典型例題分析；工程應用案例；科技前沿滲透等. 課后，重點內容總結；知識面拓展；線上討論及答疑解惑；學習小組討論；項目式探究學習等.

教學評價上突出“過程化考核”，將線上平臺學生的課前預習、課堂互動、線上討論、課后作業、社會活動參與等分別設置各項權重，融入評價機制，過程評價組成做到有理有據、公平公正，學生的平時成績如圖3所示，平時成績=考勤(10%)+作業(10%)+章節測驗(10%)+課堂互動(20%)+討論(20%)+線下(30%).

表1 本校各專業科技攻關成果與大學物理知識點融入

續表

圖3 學習通成績權重設置

4 “大學物理”課程教學創新效果

4.1 擴展教學時空，突破授課學時限制

結合當前大數據時代信息技術、互聯網以及智能終端廣泛應用的背景，團隊依托超星學習通平臺開發了教學重點難點、微視頻解惑、典型例題回顧、一課一練、自測與鞏固等多個模塊，學生通過提前預習、在線練習和課后回顧等方式在網絡平臺自主學習，對于重難點，可以反復觀看視頻進行鞏固掌握或通過網絡平臺及時與教師溝通交流，突破了時間和空間限制，將學習和互動做到“時時、處處”可見.

4.2 解決“新、多、難”，激發學生主動性

統計分析全校各專業約1 700名學生近3年的大學物理卷面成績，如圖4所示，不及格率整體呈下降趨勢，平均分亦明顯提升.

圖4 近3年“大學物理”課程不及格率和平均分成績統計

4.3 以賽促學，提升學生創新能力

通過指導學生實踐項目與參加各類競賽，將“大學物理”課程的理論知識和實踐應用緊密聯系起來，踐行學科間交叉融合，激發學生學習主動性的同時引導學生創新能力，由“被動教”轉為“主動學”. 近三年，我團隊指導了天津市級、國家級5項大學生創新創業項目；全國大學物理實驗競賽(創新賽)、天津市普通高校大學生物理競賽、“挑戰杯”天津市大學生課外學術科技作品競賽、天津市大學生創客馬拉松大賽、中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽等各類競賽獲獎近四十余項.

5 結束語

在新基建+新工科時代的呼喚下，大學物理教學改革刻不容緩，本文結合大學物理教學中的“痛點”，借助互聯網+智能終端，采用適合學生時代特點的教學方式，解決“新、多、難”棘手問題，激發了學生主動性，擴展教學時空，突破授課學時限制，同時創新教學模式，以賽促學，讓學生真正的體會到物理學有所用，做到學以致用.