基于新工科课程思政的大学物理课程互联网+实验演示教学改革

摘要：为深入贯彻党的二十大报告明确提出的“推进教育数字化”要求，本文研究了“互联网+”大学物理实验演示教学，建立了一个与真实世界中的实验室实时交互的数字孪生实验室，充分融入课程思政，精准映射物理世界中的实验仪器，将科学实验活动全状态可视化，实现真实信息和虚拟场景实时叠加的虚实融合。通过远程实境数字物理实验室，推动实验室建设、管理和运营的协同化和智能化，在资源分配上兼顾效率和公平，实现实验教育资源的最优配置，助力基础实验数字化改革。

1.背景

为深入贯彻党的二十大报告明确提出的“推进教育数字化”要求，落实教育数字化战略行动部署，以高等教育数字化、智能化引领中国式高等教育现代化建设，支撑高等教育高质量发展。2022年12月，在世界慕课与在线教育大会上正式发布了世界首份高等教育数字化报告——《无限的可能：世界高等教育数字化发展报告》并提出“数字革命加快高等教育系统性变革”。2023年2月，在教育部与中国联合国教科文组织全国委员会举办的世界数字教育大会上《中国智慧教育蓝皮书（2022）》正式发布并指出：智慧教育将融合物理空间、社会空间和数字空间，创新教育教学场景，促进人技融合。在以上最新政策推动下和智能物联网、人工智能等产业发展下，远程实境数字物理实验室已经成为高校物理实验室建设发展的趋势。

“互联网+”时代的到来，让高等教育进入一场基于信息化技术的快速变革中。2018年教育部出台的《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》中明确指出：要推进现代信息技术与教育教学深度融合，推动形成“互联网+高等教育”新形态，以现代信息技术推动高等教育质量提升的“变轨超车”。同年，浙江省教育厅出台《关于加快建设高水平本科教育的实施意见》，意见指出要“实施‘互联网+教学’计划”，并在2019年发布《关于加快推进普通高校“互联网+教学”的指导意见》。

另一方面，“新工科”是国家教育部为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展等一系列国家战略，积极推进的建设工程。新工科人才培养的质量标准是培养多样化、创新型卓越工程科技人才，要求工作于基础课教学一线的教师能够了解技术的最新发展，紧跟科技发展的步伐，及时将研究成果转化为教学内容，向学生介绍与课程相关的研究新进展、实践发展新经验，提高课程兴趣度，培养学生的工程思维、批判性思维和数字化思维，促进全面发展，自主终身学习能力。

基于以上背景，《大学物理》课程改革势在必行。如何通过“互联网+”让《大学物理》课程真正“辐射”到每一名学生，成为新时代《大学物理》课程教育的新使命。

2. 课程现状与痛点

1）教学内容缺乏时代特色

《大学物理》课程的主要多是几百年前经典物理的定理和规律。如果没有将学科发展和影响世界进步的前沿案例融入教学内容中，就会使得课程内容陈旧、枯燥，与实际应用脱节。教学内容自然将与学生熟悉的生活环境产生明显距离感，不利于教学工作的实施与发展，更会导致学生学习的内生动力不足，学习兴趣难以激发。同时，也不符合“新工科”背景下人才适应“新时代、新环境、新形势”的需求。

另一方面，过多过深的定量计算加重了学生负担。美国著名的物理学家费曼曾指出：“对学习物理的人来说，重要的不是如何正规严格的解微分方程，而是猜出它们的解并理解其物理意义。”而目前本课程的教学相对注重严格的数学推导却很难理解其中的物理意义，也难以深刻感受科学家为科学的奉献精神和严谨的科学态度。

2）教学方法相对单一

当前在《工程物理基础》课程教学中，多数教师还在采用传统的灌输讲授式教学方法。尽管教师会通过视频、多媒体课件等提出问题，结合板书的手段进行教学指导，引导学生对物理公式形成理解，促使学生全面掌握相关内容，提升学生的学习能力。但是，在教学过程中还存在学生单向接受知识的现象，不能确保各方面的物理教学指导效果，无法提升整体的教学效果，对该课程教育会造成不利影响。

3）教学模式受传统课堂局限

目前，《大学物理》课程的教学模式大多采用传统的单一线下课堂教学模式。这种教学模式的主要问题在于课堂的主体依然是教师，学生难以发挥自主性成为课堂的主体。这就造成学生的课堂参与感较低，自主探究和学习能力培养不足，更不利于对学生创造力的开发。此外，大班化教学模式不利针对不同学生的基础和个性，实现因材施教。因此，如何合理地结合线上资源，实现课堂翻转，让学生成为课堂的主体，并且为不同学生定制不同课程方案是本课堂继续改革的痛点问题。

综上所述，在互联网+教学和新工科课程建设的背景下，《大学物理》课程改革势在必行。如何让《大学物理》课程内容展现时代特色，教学模式多样生动，教学效果所有提升？是本课题急需解决的问题。

3. 改革思路

教学内容上，本项目通过引入大量物理演示案例，从物理现象到本质，感性的理想方法，将抽象的概念具象化，将遥远的科学故事拉近到眼前，将前沿高端的科技成果带入课堂，从而启迪学生思维，显示物理原理，验证理论，创造出“教师爱讲，学生爱学”的教学内容。对比枯燥的公式和定理，课堂实物演示将赋予几百年前的物理概念新的时代血液，让物理课堂保持最鲜活的生命力。

教学模式上，突破原本单一的线下教学模式，采用线上线下相结合的形式。开发一种适合教师与学生互动的线上教学平台，教师可在平台上云端发布相关物理现象演示视频，学生可观看、讨论、提问，从而激发学生积极性，提高教学效果。

教学方法上，引导学生成为课堂主体，让学生不仅观察实验现象，并且能够利用所学物理知识，动手实现相关现象，甚至能够以团队形式设计物理创新实验，培养学生团队协作和创新精神，实现翻转课堂。

4. 改革方案

（1）线下课堂物理现象演示，焕活教学内容

本项目通过引入大量物理演示案例，将原本枯燥的物理公式和定理直观化，让学生不会一看到物理公式就产生抗拒心里。演示主要分为实物演示和虚拟仿真演示两个方面。通过建立物理现象与物理概念之间的联系，实现从抽象到具象的转化。同时，采用符合新时代特色的案例与演示，拉近与学生之间的距离，带动课堂氛围。

（2）线上云课堂现象演示，丰富教学模式

本科目采取线上线下相结合的方式，引入“互联网+”云端物理演示课堂，学生可以随时从手机/电脑端直观地观察相关现象以及所对应的物理概念。本项目将原创制作实验演示课堂，以短视频形式展示物理现象，并在物理现象展示结尾设计问题。同时，设计大学物理“互联网+”云端课堂APP，帮助学生在5～10分钟左右时间快速了解物理现象，能够带着问题进入课堂，激发学生学习积极性，构建高效课堂，激发学生创新精神。

（3）融合STEAM课堂，创新教学方法

融入STEAM课堂环节，学生将在每一章最后，利用本章学习内容，以团队小组为单位完成一个STEAM项目。学生通过自主项目探究，不仅能够将所学物理课程内容运用实践，更能够在科学素养、技术能力、工程实践、数学知识、以及人文精神等多个方面都实现隐形的融合教育。这些能力的培养也是“新工科”背景下培育“创新型、复合型、应用型”人才所必备的核心技能。

5. 总结

本研究首次提出线上线下相结合的物理实验演示课堂。当前大多大学物理课堂将理论与实验课程拆分，造成学生在学习理论知识时感到枯燥难懂，而在学习实验课程时又无法联系理论课程的知识点。本项目将物理现象以实物、虚拟仿真、线上云课堂等多种方式展现给学生，充分展现物理中的美学，调动学生积极性，提升教学效果。其次，本研究创新性地融合STEAM课堂。学生在STEAM课堂的环境下，能够充分发挥主观能动性，将所学快速转化为所用，并能够与物理创新实验相结合，在课堂内为学生参加相关学科竞赛打下基础。同时，促进学生科学素养、技术能力、工程实践、数学知识、以及人文精神等多个方面的隐形融合教育，培育“创新型、复合型、应用型”的新工科人才。

感谢：浙江省2020年高校课程思政教学项目的资助。

作者简介：沈艳婷，女，1989年3月出生，汉族，浙江湖州人，副教授，博士，新型二维材料的超低频拉曼光谱研究。

基金项目：1.浙江省教育厅 省级课程思政教学项目‘’大学物理“三维·四性·三省”的课程思政创新教学研究”2022172。2.浙江省教育厅 省级课程思政教学项目“思政课程与课程思政协同育人的路径研究”2022173