近年来,随着教育部“卓越工程师教育培养计划”的推出,探讨高等工程教育新模式的深入,普通高校向应用型大学转型发展,以及高等学校工程专业认证的兴起等,我国工程教育改革不断得到深化.其中课程体系改革是工程教育改革的重要组成部分,以培养学生的技术技能和创新创业能力为目标的应用型大学,课程体系改革显得更为重要.本文在工程教育观指导下对应用型大学中基础课程“大学物理学”和“大学物理实验”课程的改革进行探讨.

1、大学物理学和大学物理实验课程教学现状分析

“大学物理学”和“大学物理实验”课程是理工科各专业学生必修的两门基础课.根据2010年版教育部高等学校物理与天文学教学指导委员会“理工科类大学物理课程教学基本要求”和“理工科类非物理专业基础物理实验教学基本要求”,大学物理学作为基础理论课程,主要是“培养学生树立科学的世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的探索精神和创新意识”.大学物理实验作为实训课程,主要是“培养学生的基本科学实验技能,提高学生的科学实验基本素质,使学生初步掌握实验科学的思想和方法.培养学生的科学思维和创新意识,使学生掌握实验研究的基本方法,提高学生的分析能力和创新能力”[1].在两个基本要求指导下,近十年来大学物理学和大学物理实验课程教学模式和教学方法不断的进行改革.

目前大多数高等院校开设的大学物理实验课程通常是按照“知识、技能、素质”要求分层次教学.物理实验分为基础性实验、提高性实验、综合性实验和设计性实验[2,3].大学物理实验是按照大循环过程在实验室中进行教学,即同时开设8～10个实验项目(一个学期开设的实验项目),若干个班级学生进入实验室,每周学生做一个实验,依次循环.作为大学物理实验教学改革,大学物理实验智能化教学模式、研究性教学模式等也正在探索和实践中[4,5].

大学物理学通常在多媒体教室教学.随着信息技术和通信技术的发展,基于互联网的教学平台的“交互式课堂教学”、“翻转课堂”和“微课”等现代化教学模式逐渐进入课堂,教学模式呈现多样化[6,7,8,9].根据新时代、新工科教育改革的需要,近年来,在大学物理教学内容中逐渐增加了现代工程技术的应用[10].

通过对大学物理实验和大学物理学的教学模式和教学内容不断地改革和创新,大学物理实验培养学生实验技能,大学物理学培养学生的理论分析、解决问题能力得到有效的提高.

2018年教育部、工业和信息化部、中国工程院在《关于加快建设发展新工科实施卓越工程师教育培养计划2.0的意见》中提出了“着力提升学生解决复杂工程问题的能力,加大课程整合力度,推广实施案例教学、项目式教学等研究性教学方法,注重综合性项目训练”的工程教育新理念和“推动学科交叉融合,促进理工结合”的创新工程教育教学组织模式.大学物理实验和大学物理学课程作为应用型大学的基础课程,分开设置、考核和评价与教育部、工业和信息化部、中国工程院的《2.0的意见》有所差距,有必要对大学物理实验和大学物理学课程进行整合,构建创新工程教育教学模式,提高学生解决复杂工程问题的能力.

2、构建物理理论、物理实验融为一体的大学物理课程体系

根据工程教育新理念和创新工程教育教学组织模式,结合应用型大学培养应用型人才的要求,以激发学生创新思想、分析和解决工程问题、培养学生实验技能为出发点,将大学物理理论、物理实验融为一体,并强化大学物理理论在工程中的应用.这不仅突出了物理学是以实验为基础的学科特征,而且有利于学生对知识的理解和应用能力的培养.

将大学物理理论、物理实验融为一体的课程暂命名为应用大学物理学.应用大学物理学既能满足2010年版的两个基本要求,又充分体现了工程教育的新理念和工程教育教学组织模式.

3、应用大学物理学课程特色

3.1 优化了大学物理学和大学物理实验教材内容

以物理理论应用于工程和物理实验为出发点,应用大学物理学教材简化了复杂的理论公式推导和证明,如气体分子运动论中的压强公式的推导、电磁学中真空、电介质和磁介质中的高斯定理、安培环路定理等理论证明等.这部分内容可用小字编排,作为教师选讲或学生课后自主学习内容.课堂上教学重点是要求学生能够掌握物理学知识并应用于工程和物理实验中.

在大学物理实验教材中有部分实验原理与大学物理学教材中理论内容重复,如“牛顿环测量透镜的曲率半径”和“用透射光栅测量光波的波长”的实验原理与大学物理学波动光学中内容重复;“夫兰克-赫兹实验”、“光电效应与普朗克常数测定”的实验原理与大学物理学量子物理基础中内容重复.应用大学物理学教材可以将这些内容安排在理论部分或实验部分.

3.2 应用大学物理学教材中物理理论和物理实验融为一体,强化了物理理论在工程中的地位和作用

在应用大学物理学教材中每一章都包括了物理理论知识和物理实验内容,并介绍物理理论在工程中应用的案例.在内容安排上每一章首先介绍物理学理论知识,再编写一节与物理学理论密切相关的工程应用案例,最后安排与物理理论相关的实验内容,每一个实验项目编写为一节内容.如在物理实验基础知识一章中介绍了误差理论和数据处理理论,安排了长度和密度等基本物理量测量的实验内容.在刚体与流体一章中介绍了角动量定理、角动量守恒定律和伯努利方程等理论,然后安排了角动量定理和角动量守恒定律在直升机中的应用,以及伯努利方程在喷雾器、水流抽气机中的应用,最后安排了“三线摆测量刚体的转动惯量”和“液体表面张力系数的测定”实验内容.在机械振动一章中介绍了机械振动理论和机械振动理论在干燥机、振动破碎机中的应用.在机械波一章中介绍了机械波理论和利用超声波的特性在超声探伤仪中的应用,安排了“弦线振动的研究”和“声速的测量”实验内容.在热力学基础一章中介绍了循环过程理论和循环过程理论在电冰箱和冷暖空调中的应用,安排了“空气比热容比CP/CV的测定”实验内容.在静电场一章中介绍了静电场理论和静电应用于静电复印、静电喷涂、静电杀菌等,安排了“非线性元件伏安特性的测量”和“电表的改装与校正”等实验内容.在电磁感应、电磁场一章中介绍了以电磁感应定律等基本理论和基于电磁感应定律而设计的各类发电机.在量子物理基础一章中介绍了量子物理基础理论知识和激光在工程技术中应用,安排了“基本电荷的测量”和“光电效应与普朗克常数的测定”等实验内容.物理理论与物理实验的紧密结合,并通过物理理论在工程中应用的典型案例,有利于激发学生的求知欲.在应用大学物理学教材中把设计性实验单独列为一章,安排了“用热敏电阻改装温度计”和“双缝干涉仪测量金属丝的杨氏模量”等15个设计性实验.学生通过设计性实验的学习,培养学生创新意识和创新能力.应用大学物理学教材将物理理论、物理实验融为一体,并单列一节介绍物理理论在工程中应用案例,强化了大学物理学在工程应用中的地位和作用.通过应用大学物理学课程的学习,基本实现物理理论、物理实验技能、工程应用和创新能力一体化培养.

3.3 应用大学物理学教学形式多样化

传统的大学物理实验课程一般是在实验室中完成,而大学物理学课程在教室中讲授.由于应用大学物理学教材是按照物理理论、物理实验融为一体进行编写,理论与实验紧密结合的内容可以在实验室中进行教学.如毕奥-萨伐尔定律理论内容与“亥姆霍兹线圈的磁场测定”实验内容紧密结合,可以在实验室中进行教学.学生通过毕奥-萨伐尔定律的学习和应用毕奥-萨伐尔定律计算载流圆线圈轴线上磁场,培养了学生理论分析问题和解决问题的能力,同时通过“亥姆霍兹线圈的磁场测定实验”的学习,不仅验证了理论正确性,加深对毕奥-萨伐尔定律、磁场叠加原理的理解,也培养了学生的实验技能.在应用大学物理学教材中,刚体转动惯量的理论与“用三线摆测刚体的转动惯量”实验、驻波理论与“弦线振动的研究”实验、气体的摩尔热容量理论与“空气比热容比CP/CV的测定”实验等都可以在实验室中进行教学.

在应用大学物理学课程中,有部分内容可以作为项目式教学在实验室中进行.如在迈克耳逊干涉仪理论教学中,通常用动画或视频演示干涉环纹的移动,以此激发学生的学习兴趣和加深对理论的理解,但实际上收效甚微,难以给学生留下深刻印象.但是将“迈克尔孙干涉仪的调节与使用”实验作为项目式教学内容,学生通过预习阶段学习迈克耳逊干涉仪产生的干涉原理,在实验操作阶段,不仅看到了干涉环纹的移动,而且通过干涉环纹的移动测量了光的波长.再通过用迈克尔孙干涉仪“测量透明介质的折射率”和“测量金属丝的杨氏模量”的设计性实验(学生每学期可以选择一个设计性实验)的学习,进一步扩大了理论知识的应用,培养了学生的创新意识和创新能力。

在应用大学物理学教材中光栅衍射理论与“用透射光栅测量光波波长”实验以及“用钢板尺测量激光的波长”设计性实验、光电效应理论与“光电效应与普朗克常数的测定”实验、玻尔的氢原子理论与“夫兰克-赫兹实验”等都可以按照这种模式进行组织教学.

3.4 应用大学物理学提高学生学习的主观能动性

在应用大学物理学教材中,有部分实验项目的实验原理不在实验内容中详细介绍,而是安排在相关的理论部分.这就杜绝了学生在撰写实验预习报告中抄写课本的行为,有效地提高了学生学习的主观能动性.现以“用牛顿环测量透镜的曲率半径”实验为例予以说明.

“用牛顿环测量透镜的曲率半径”实验教学通常分为实验前预习并撰写预习报告、实验室中在老师指导下实验操作、实验结束后学生进行数据处理并撰写实验报告三个阶段.实验前预习主要是学生自学“用牛顿环测量透镜的曲率半径”实验内容,写出预习报告.通过预习对实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤、数据处理等有一定的理解.由于大学物理实验通常是按照大循环过程进行安排,有大部分学生在没有学习波动光学理论时就开始学习“用牛顿环测量透镜的曲率半径”实验内容,即出现理论教学与实验教学不同步的现象.在“牛顿环”的实验原理中不仅有几何路程引起的光程差,还有半波损失引起的光程差的概念.这就要求学生不仅要学习“牛顿环”实验内容,而且还要学习与“牛顿环”实验相关的薄膜干涉理论.在使用传统的大学物理实验教材中,大多数学生是抄写实验教材内容,并没有真正理解和掌握“牛顿环”实验原理,也不清楚半波损失是什么.在实验室教学环节中,教师根据学生撰写的预习报告提出有关实验原理的问题,如“为什么在光程差公式Δ=2d+λ2Δ=2d+λ2中会出现λ2λ2”和“在牛顿环实验中为什么牛顿环中心是暗斑?”等问题时,很少有学生能够正确回答.在应用大学物理学教材中,与“牛顿环”实验相关的实验原理全部编写在薄膜干涉内容中.学生只有通过自学薄膜干涉的知识,在理解和掌握薄膜干涉基本原理的基础上才能正确写出“牛顿环”实验原理.由于学生真正是通过自学而掌握了“牛顿环”的实验原理,在回答教师提出上述与“牛顿环”实验原理有关的问题时,大部分学生都能够正确回答,真正达到了实验预习的目的.

在应用大学物理教材中,将实验原理编写在相关理论中的实验还有很多,如“光电效应与普朗克常数的测定”实验原理编写在“光电效应、爱因斯坦光量子假设”一节内容中.学生要真正能够理解和掌握“光电效应与普朗克常数的测定”实验原理,不仅要自学“光电效应、爱因斯坦光量子假设”一节内容,而且还必须要自学“黑体辐射、普朗克量子假设”一节的内容,否则无法理解普朗克常数的重要性和测量普朗克常数的意义.“夫兰克-赫兹实验”的实验原理编写在“玻尔的氢原子理论”一节内容中,学生必须通过自学“玻尔的氢原子理论”才能理解原子中能量是量子化的概念,正确撰写“夫兰克-赫兹实验”的实验原理.经过这种教学过程,促使学生课外学习,逐步培养了学生主动学习的习惯,提高了学生自学的能力.

3.5 应用大学物理学满足不同专业人才培养的要求

应用大学物理学教材是根据物理实验基本知识、力学、振动与波动、热学、电磁学、光学、近代物理学和设计性实验教学内容,分成8个模块编写.每一模块中既有物理理论,也有以物理理论为基础应用于工程的案例和物理实验.对于不同的专业,根据专业培养人才的特点,可以选择不同的模块学习或重点学习某些模块的内容,如电子信息、自动化类的专业重点学习电磁学内容;生物、化工类的专业重点学习热学、电磁学、光学的内容;机械制造类的专业重点学习力学、热学、电磁学的内容;土木、建筑类的专业重点学习力学的内容等.对于学时数不同的专业而言,在教学内容的选择上具有灵活和机动性,保证了各专业的学生必须学习的物理理论和应用能力的培养.

4、结语

普通本科高校向应用型大学转变是高等教育发展的一个方向.全国目前已有“300多所地方本科高校参与改革试点,大多数是学校整体转型,部分高校通过二级学院开展试点”[11].虽然教育部还没有颁发应用型大学课程标准或教学基本要求,但是近年来在高校中推广的工程教育新理念与教育新模式与应用型大学人才培养目标是高度一致的.我校作为教育部“卓越工程师教育培养计划”试点高校和广东省首批应用型大学试点高校,率先对理工类基础课程进行改革.应用大学物理学课程是以应用型人才培养为目标,结合工程教育新理念与教育新模式对大学物理实验和理论课程改革进行初步的探索,对于应用大学物理学的课程标准、教学内容和工程应用案例的选取,以及授课的方式还需要在实践中不断地改进和完善.

参考文献：

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张昌莘.工程教育观下大学物理理论和实验课程改革的探讨[J].大学物理,2020,39(07):45-48.

基金:广东石油化工学院“应用型人才培养精品工程项目”(214178)资助.