《新工科背景下数学物理方法课程改革》
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摘 要 “新工科”建设是我国针对未来产业发展和人才需求的战略性布局.面向信息、新能源、新材料产业的物理类工科专业高端人才是为社会所急需的.在此类工程科技人才的知识体系中,“数学物理方法”课程正是连接高等数学、普通物理与专业课程的重要桥梁,可以培养学生对物理或工程问题进行数学建模并求解的能力.它本身的交叉学科属性,如能引入合理的创新工程教育方式与手段,对“新工科”人才的培养势必起到重要的推动作用.面对“新工科”的需求,本文对“数学物理方法”课程改革提出了探索性的思考.
关键词 新工科 数学物理方法 人才培养
新一轮科技革命和产业革命即将到来,提升国家竞争力的核心是培养一大批引领未来技术与产业发展的卓越工程科技人才.2017年2月以来,教育部积极推进新工科建设.“新工科”提出产业需求是人才培养的导向.信息、新能源和新材料是我国重点要发展的产业,急需大量物理类工科专业人才.围绕此类人才培养定位,有与之匹配的课程体系设置.其中,“数学物理方法”课程的作用是深化拓展数理基础,使学生在面对物理问题或工程问题时,可以将问题转化为数学语言,建立合适的模型并利用恰当的方式求解.因此,该课程对夯实学生的专业理论基础起到重要的支撑作用.在“新工科”背景下,“数学物理方法”课程在物理类工科专业人才培养中有着特殊的作用.本文分析了“数学物理方法”课程普遍存在的问题,并结合“新工科”的培养目标,对该课程的改革提出了几点探索性的思考和建议.
1“数学物理方法”教学普遍存在的问题
1.1经典教材的篇幅与工科教学需要的矛盾
梁昆淼和郭敦仁分别编写的《数学物理方法》是经典教材的代表,教材主要包含两大部分内容,其一是单变量的复变函数论及其应用,其二是数学物理方程（包含特殊函数）.之后陆续出版的数学物理方法教材从编排框架上都沿袭了经典教材.经典教材的叙述非常详尽,逻辑严密,也因此具有较大的篇幅.此类教材更加适合于纯物理专业的教学.而针对物理类工科专业的少学时数学物理方法教材,特别是能够符合“新工科”培养目标要求的教材,还急需建设.
1.2教学内容深度和广度与有限的学时数的矛盾
“数学物理方法”课程,“它既是数学课程,又是物理课程.”它的教学内容从复变函数论部分延伸到数学物理方程.近些年来,随着专业建设以及课程的整合,基础课和专业基础课的学时数通常都是“只减不增”.在教学实践中,受到学时数和教学进度的限制,教师的教学设计很難做到“以学生为中心”,任课教师大部分时候考虑的是“能不能讲完”,而不是“能不能讲好”.
1.3知识的传授方式与能力培养之间的矛盾
在“数学物理方法”课程中,最常见的是传统的“粉笔+黑板”模式,其原因是和课程本身的特性有关.由于课程涉及到的数学推导繁多,为了帮助学生掌握必要的知识,教师通过黑板板书演绎,牵引学生的注意力,让所教授的内容更容易被接受.显然,这种传统的知识传授方式是以教师讲授为中心的.而学生才是学习的主体.教师要让学生真正参与到课程中来,让他们从低阶的“知道了”“理解了”过度到高阶的“会用了”“会创造了”,才能符合“新工科”对学生能力培养的要求.
1.4考核方式与培养目标达成之间的矛盾
以一次期末考试为主导的考评制度难以促进学生把功夫下在平时,还会让学生感受到较大的压力.以我校“数学物理方法”课程为例,总评成绩等于平时成绩*15%+期末考试成绩*85%.平时成绩由出勤、作业和平时表现构成.由总评成绩的构成可以看出,期末考试的结果起到决定性作用.目前的评价方式催生了“轻过程、重结果”和“轻平时、重考试”的学习模式.这显然与我们的培养目标背道而驰.我们要培养学生的终身学习能力,而不是应试能力.
2关于“数学物理方法”改革的思考和建议
2.1基于课程在“新工科“人才培养体系中的作用,对教材和教学内容进行优化
培养适应社会主义经济发展的新型人才,就是要培养大学生具备提出问题和处理问题的能力,只有这样他们才能在新一轮的技术革命中起到作用.学生的基础宽厚,才能适应实际工作中的多种需要.以我校材料物理专业为例,它是由材料科学与物理学交叉形成的学科,专业课程体系除了交叉融合特性外,还加入了民航特色元素.在“新工科”的背景下,我们建立了民航特色“五维”复合型创新人才培养体系.“数学物理方法”课程属于专业理论教育子系统中的物理类学科专业课,连接数理化机电基础课与材料类学科专业课.“理工交叉“正是该专业的优势.“数学物理方法”课程正处于学科的交叉点上,宽厚的数理基础是物理和材料学科共同的需要.考虑到专业的特性,“数学物理方法”课程的教材以及内容要在保持传统内容的总体框架的基础上进行改革.我们建议的改革方向有如下几点：要突出重点,把重点的内容讲深讲透,舍弃部分相对次要的内容;要整合知识单元,缩减知识点;要避繁就简,强化数学思想和对概念的理解,简化推导;要精选例题和习题,做到少而精;要加强以实例代替抽象阐述,引导学生入门;要改变课程内容过于传统的现状,引入能体现其应用价值的新技术和新知识;要配合开展实验教学,采用数值计算方法和计算机应用软件来实现数学建模和求解的全过程.所有的改革都必须要围绕课程在“新工科”人才培养体系中的作用而展开.
2.2基于课程目标的达成,对教育理念、方式和手段进行创新
“新工科”的“新”具体体现在新理念、新标准、新模式、新方法、新技术、新文化.对于一门课程,“新“不仅仅要体现在内容,也应该体现在教育理念、方式和手段上.
“新工科”的教育必须是“以学生为中心”的.教育的目的是学而不是教.教师要引导学生自主架构知识,培养学生主动学习、自主学习、终身学习的能力.在“数学物理方法”课程中,学生普遍反应“课程内容多,进度快,经常跟不上老师的节奏”“课程中数学推导非常多,内容不易理解”,都从侧面反应教师侧重于知识的灌输,而忽视了学生思维模式的转变和知识构建的过程,而后者才是促进学生发展的根本.因此,结合“数学物理方法”课程的特点,教师首要任务是把基本知识和方法的框架体系帮助学生搭建起来,对重点知识要配合精选实例讲深讲透,要求学生能够熟练掌握.并以此为基础进行知识拓展,对次要知识和前沿知识可以放低对深度和细致度的要求,针对不同层次的学生给予一定的自由度,且不拘泥于课堂教学.
“新工科”的教育必须是“开放式”的.45分钟的课堂不应该成为教育的唯一“阵地”,教师要改变观念,把封闭课堂向开放课堂转变.在信息化教育高速发展的时代,教师要能够整合优秀资源为我所用,并以“学生发展为中心”提供个性化的学习方案.其中,教学平台的建设是对课堂有效的拓展与补充.网络将学生、教师通过课程有机的联系起来.虽然网上的教学资源非常丰富,但结合学校和专业特点,自建资源更贴合师生需求.在我校,我们尝试采用自建服务器（http：//10.5.12.30：5000/）搭建了“数学物理方法”课程的在线知识平台（见图一）,已经初步投入使用.教师将教学资源分类整理并入库,其中包括自建的习题库.此外,将学生的课堂作业实现了电子化,能够实时传输到服务器,方便师生间的互动.网络平台使学生的课后学习更加丰富化和自主化,也更加符合90后、00后大学生的学习习惯,有利于培养他们的自主学习能力.此外,教师还可以通过教学平台发布一些与课程相关的信息,如讲座、竞赛、开放性讨论等,而这些可以成为“开放式”学习的方式.
“新工科”的教育必须是“面向产出“的.教师要明确通过课程的学习,学生应该得到什么样的学习成果,以及为什么要让学生得到这些学习成果.课程目标的达成是毕业目标达成、培养目标达成的基础.“数学物理方法”课程是在高等数学的基础上,培养学生处理复杂物理问题或工程问题时的建模能力和求解能力.可以說它本身就具有高阶性和挑战性.因此,基于问题的教学更加适合本课程.教师在教学设计中应始终围绕“如何解决问题”而展开,具体的教学方法可以是启发（提问）式、讨论式、应用（案例）式,从而提高学生在课堂上的参与度,开拓他们的思维,培养他们的创新意识和能力,为培养物理类高级工程人才服务.
2.3基于“新工科”人才能力达成,对评价方式进行完善和优化
在“新工科“的背景下,课程的评价方式应该从传统的“对学习结果的评价”转变成为“促进学习的评价”,注重过程性评价.数学物理方法课程除期末闭卷考试外,要增加过程性评价方法,及时向学生提供反馈,帮助他们改善学习方法.并通过评价方法引导学生从“追求分数”到“追求自我能力提升”的转变.过程性评价按时间节点可分为：课前预习、课堂表现、课后作业、阶段性测验、期中测评几个部分.过程性评价按形式可分为：传统课后习题、阶段性小结、个案研究、分组讨论、课程论文等.多节点、多维度的评价方式才能将考、教、学有机的结合起来.此外,考虑到学生的差异性,不可一刀切,保持基本要求有共性的基础上,鼓励优秀的学生进行更深入的学习,配合网络教学平台,采用自学加讨论的方式,并以额外的方式进行考核,给予鼓励.
3结语
随着科学技术的飞速发展,产业也随之迅速升级更新,工程科技人才想要适应社会发展的需要,就必须具备创新能力,前瞻能力和学习能力.而这些能力的达成,一定是建立在宽厚的数理基础之上的.“数学物理方法”课程在“新工科”背景下需要进行全面、系统、深入的改革来提升教学效果,它对培养能够引领技术与产业发展的卓越工程科技人才尤为重要.
参考文献
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[2] 梁昆淼.数学物理方法（第3版）[M].北京：高等教育出版社,1998：1-4.
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工学和课程改革引用文献:
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