flash期末作业成品_基于“新工科”的工科物理作业模式研究
中國工程院院士、天津大學校長鐘登華先生對新工科的內涵是：“以立德樹人為引領，以應對變化、塑造未來為建設理念，以繼承與創新、交叉與融合、協調與共享為主要途徑，培養未來多元化、創新型卓越工程人才。”?[2]在此內涵背景下，以“新工科”為核心的課程教學改革，至少應該落實以學生為中心的理念，知識體系導向性重構、加大學生選擇空間，增強師生互動，改革教學方法和考核方式，推進信息技術和教育教學深度融合為切入點。作業是評估學生學習效果、鞏固所學知識的基本工具和考核方式，因此對傳統作業模式進行主動適應性改革是必要的。
1 改革傳統作業模式的必要性
根據“新工科”理念，要求在教學中要把握新工科人才的核心素養，注重培養學生設計思維、工程思維、批判性思維和數字化思維，溝通協商能力和工程領導能力等[3]。作為教學中不可或缺的作業設計環節，傳統作業模式已不能與“新工科”內涵要求相適應。
首先，從傳統作業的目的性上看，傳統作業的基本目的是通過對某一公理、定理、定律或推論的驗證或簡單應用，來完成對學生學習效果進行鞏固和評估。當然，我們不能否認傳統作業的這一根本目的，但是這個目的是單一的。根據新工科人才的核心素養內涵，培養學生設計思維、工程思維、批判性思維，以及數字化思維也是教學目的。學生僅完成傳統作業，這些能力則不能很好反映，教師也很難通過傳統作業對學生這些能力做出客觀評估。
其次，從傳統作業設計的內容上看，局限于對某一公理、定理、定律或推論的驗證或簡單應用，這樣的作業在今天看來其內容是不夠豐富的。在互聯網時代，基礎課程、通識課程中的經典作業題目，在網絡平臺上隨處可見。因此，在作業安排中，如果僅限于對經典題目的布置，則缺少作業吸引力，缺少挑戰性，已經不能很好地激發學生學習興趣，特別是對于那些自學能力較強的學生。千篇一律的作業內容，也不能適應學生碎片化、多元化、個性化等學習行為的轉變。
最后，從傳統作業設計的載體上看，一般局限于在紙介上推演，學生完成作業的形式是單一的，至少在信息化與傳統教學深度融合方面，存在提升的空間。受單一完成手段限制，傳統作業題目的解題過程，存在過度簡化的情形，表現在經常是對其中的一個特例進行解答。學生批判性思維和數字化思維的培養受到限制。
2 基于“新工科”的工科物理課程作業模式
基于傳統作業模式改革的必要性，我們提出“新工科”的工科物理課程作業模式，這一模式以從具體課程角度盡可能地體現新工科人才的核心素養為首要，真正實現以學生為中心。從作業的頂層思想、內容設計、載體形式等方面，完成新模式的構建。
2.1 圍繞核心知識點構建作業綜合體
無論是傳統作業模式，還是“新工科”的工科物理課程作業模式，都應圍繞核心知識點來設計作業題目。不同的是“新工科”作業模式的每一例題目都應該設計成一個目的多元的作業綜合體，使學生在完成作業過程中能從多個方面得到鍛煉或收獲，也可以根據自身的學習興趣關注題目的不同側面。
我們這里的“目的多元”指的是教師預設的、學生通過完成一個或若干個具體的作業題目過程中，能夠實現知識鞏固、靈活運用、視野拓展、技能鍛煉、工程意識培養等多重教學目標的總稱，具體實現目標的數量是依據知識點重要性以及知識點在課程內容體系中的位置來確定。根據新工科人才核心素養要求，筆者認為作業綜合體應包括以下細分目標：
(1) 通過解答題目能夠鞏固知識技能；
(2) 學生能了解作業題目的工程背景；
(3) 學生能夠受到作業題目的啟發；
(4) 可以嘗試利用數學仿真軟件建立模型；
(5) 緊密聯系接續課程(對接專業)；
(6) 圍繞題目的探索性認知。
以核心知識點電容器與電容為例，簡述這一設計過程。可以從智能手機待機時間長短這一公眾話題導入，為作業題目預設工程背景。作業題目的選擇可以圍繞計算電容和討論影響電容值的參數進行設計或選取[4]。結合學生接續課程，我們設計了一例關于在電路中存在多個電容器、電介質插入而計算等效電容的作業題目，題目可以進行數學運算推理，也可以利用數學軟件進行仿真推演和圖形化，達到鞏固知識技能和滿足部分學生嘗試利用編程解決問題的目的。同時為學生布置文獻查閱任務，以平行板電容器為突破口，討論影響電容的參量，讓學生了解當前科學研究的切入方向、技術上的突破、市場價值的開啟等，就是圍繞選取合適的材料、優化參數展開的，而在3個影響電容的參量當中，增加表面積和減小極板間距是一個重要切入點。
最后，結合雙電層型超級電容器(Electrical Double-Layer Capacitor)案例，引導學生討論在科學研究、技術發明、工程實踐中，“發現”一些基本物理原理在創造物質財富方面的價值[5-7]，形成文本報告。
2.2 基于作業綜合體構建新媒體作業形式
從傳統作業設計的載體上看，一般局限于在紙介上推演，學生完成作業的形式是單一的。紙介版作業還存在學生相互抄襲的現象，教師僅憑作業不能對學生學習狀況進行客觀評價。為使學生在完成作業綜合體過程中，達到預期目標，教師需要為學生設計一套多種媒體相融合的新媒體形式。即圍繞核心知識點和學生核心素養要求，構建起視頻演說、文本報告、設計方案、數字仿真等形式組合的數字化作業體系。
首先，實施了視頻作業辦法，即要求學生將要完成的作業錄制成一個獨立的演說視頻。為了保證實施效果，我們制定詳細的實施辦法。辦法中包括實施方案的意義、實施的范圍、錄制要求、激勵與約束措施等細則。在實施過程中，看到學生獨立完成一次視頻作業，需要對題目所涉及的基礎知識和技能熟練掌握，同時也必須具備一定的推演和表達能力，以及團隊協作、組織編排等能力。教師通過調閱學生遞交的視頻作業，能夠得到學生的學習狀況的真實信息。
第二，增加能充分體現主觀性的文本報告、設計方案環節。在作業中，我們給學生一份指導性提綱。學生緊密結合自己的專業學習，尋找物理學知識與所學專業課程的緊密聯系[8，9]；或者緊密結合生產生活實際，尋找物理學原理在生活與工程實際中的應用，最終形成一份圍繞核心知識點的簡短讀書報告。此外，很多經典的作業題目其實來源于工程實際，或者可以找到工程背景，但幾經抽象、演變其工程色彩淡化，以至完全脫離了工程背景。因此，我們為一些經典題目進行了工程背景的預設或說明；圍繞作業題目，深入挖掘其思想性、啟發性，賦予其工程色彩，主動適應學生碎片化、多元化、個性化等學習行為的改變，幫助學生樹立探索意識。
第三，為學生設計虛擬仿真計算環節。熟練掌握一門數學仿真軟件對理工科學生來說也是十分必要。然而，工科物理開設在低年級，學生接觸到的數學軟件和程序編寫能力十分有限。在作業布置中，我們選擇一些能夠使用flash，模塊化、Matlab GUI工具箱式的編程的作業題目[10-12]，鼓勵學生制作一些學生樂見的動畫或小仿真程序，融入虛擬仿真實驗或數學參數化分析，利于學生對作業題目的深入理解、所學知識的全景透視，實現討論和結論的可視化，對培養數學思維、數字思維有益。
2.3 圍繞學生志趣制定作業質量評價辦法
學生的志趣不同，使得他們在完成新媒體作業過程中，側重會有所不同。基本功扎實、語言表達能力強的學生，在視頻演說環節會表現良好；計算機仿真能力強的學生，則會在數字模擬環節表現出色；而文字表達能力強的學生則在文本報告環節會有與眾不同的表現……。因此，建立起體現學生志趣的作業質量評價辦法是必要的。為此，我們建立起多種媒體作業形式全面覆蓋、志趣權重各異的分類評價辦法或標準。全面覆蓋是“新工科”人才核心素養的必然要求，而志趣權重各異則是因材施教、突出學生志趣的必然選擇。學生在滿足最基本的學習要求基礎上，可以自主選擇評價辦法的類別。
2.4 不同評價方式的標準對接
為實現分類評價標準的對接，首先，我們在平時成績考核這一環節制定了若干細分標準。這些細分標準制定的原則是：
(1) 保持每名同學平時考核總分不變；
(2) 每一細分標準中均包含基礎和自選兩大模塊。
(3) 基礎模塊對所有學生是相同的，以保證學生獲得圍繞核心知識點的基本知識、基本思想和方法；自選模塊則由學生根據自己的志趣，自由選擇其中如視頻演說、文本報告、設計方案、數字仿真等細目，以突出因材施教和促進志趣發展。
(4)平時成績由學生在基礎模塊取得的成績和自選模塊取得的成績組成。其中，自選模塊的成績，根據學生選擇的細目數量，加權計入，即保證每位同學都能將自己的擅長作為成績評價的一項依據。
第二，我們在學期末考試試題設計方面，進行了同步改革，例如，我們為考試題目營造工程背景，學生通過閱讀背景材料獲得解答題目所需要的信息，實現平時作業與期末考試有效銜接。
第三，我們積極利用各種學生能力培養與鍛煉平臺，如校內堅持20多年的大學物理科技創新活動、大學物理學術競賽、東北地區大學生光電設計競賽、全國青年科普創新實驗暨作品大賽等，鼓勵學生參加這些比賽，獲得理論與實踐結合、綜合鍛煉的機會。
3 基于“新工科”的工科物理課程作業模式的改革成效
我們進行教學對比試驗，通過對理工科大學物理課程作業模式的改革，在試驗班中分別進行了橫向和縱向比較。2016級全校理工科合計106個自然班，兩個學期教學任務，選取不同專業8個自然班進行了教學實驗。為了相對客觀說明問題，我們以卷面成績進行統計，并將實施作業模式的改革班級標記為A、B、C、D、E、F、G、H。
其中為了橫向比較，A、B、C、D 4個自然班兩個學期均實施作業模式改革。兩個學期的期末考試卷面成績表明，A、B、C 3個自然班均位列前3名，D自然班第一個學期排第6名，第二個學期排第5名；兩個學期縱向比較，盡管名次基本穩定，但第二學期的平均成績明顯提高。
為了縱向比較，E、F、G、H這4個自然班，第一學期采用傳統的作業模式，第二學期采用新模式。統計兩個學期期末卷面成績發現，E班從第一學期的第75名，上升至第17名；F班從第90名上升至第32名；G班從第89名上升至第64名；只有H班排名沒有變化，仍位于第80名。僅從卷面成績上看，似乎H班沒有取得預期效果，但事實上是H班參加物理學術競賽、設計方案等環節的獲獎比例數是最高的，超過50%(其他班級10%左右)。
對8個自然班第二學期期末考試卷面成績超過90分的學生數進行統計，達到25人，全校合計有97人，試驗班的優秀率顯著高于傳統班；如果將平時成績計入，特別是將參加物理學術競賽、設計方案等成績計入后，試驗班總評優秀率更是上升到全校優秀率的1/3，且全部位于前列。
通過問卷調查發現，學生對新作業模式非常歡迎，90%以上學生對視頻演說形式的作業印象深刻，完成一道題的講解，除了基本知識和技能得到鞏固外，還能在語言表達、縝密思維等方面得到有效鍛煉，這種感受甚至是終身難忘的；70%以上的學生認可設計方案和數字仿真形式的作業，覺得這一形式新穎，對計算機基礎應用和編程很有幫助；參加各類競賽獲獎的學生認為新形式的物理作業，對他們的文筆表達和科學論述起到非常有效的鍛煉作用，能讓他們對競賽不再陌生和畏懼。
4 結語
“新工科”對基礎課程教學改革影響是全方位的，對課程教學的影響剛剛開始顯現，作為評估反饋學生學習效果的作業環節，為了主動適應“新工科”人才核心素養內涵需求，筆者認為應該從作業目的的多元性、內容豐富性、完成手段的多樣性等角度切入研究，構建新媒體作業形式。僅以實施的視頻作業辦法為例，筆者認為視頻作業是教育信息化背景下，對學生學習、思維、組織、表達、設計、審美，以及團隊合作等綜合能力，進行訓練和考查的理想載體，是促進學生主動學習、主動思考、創意設計的重要媒介。一般而言，一名學生(或幾名學生組成的團隊)成功完成一份較理想的視頻作業，前面所述的這些能力所對應環節是必須經歷的。站在教師角度，教師通過審閱學生所提交的視頻作業，能夠對學生的這些能力進行評估和學習效果評價，從而對教學過程做出更加科學的判斷，而學生能夠獲得交叉與融合、數字化思維、溝通協商、自主學習等能力。這些正是“新工科”人才核心素養內涵需求的客觀要求。參考文獻
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基金項目:?黑龍江省教育科學規劃重點課題“基于共享云端服務的大學物理融媒體教學總成設計研究”資助(GJB1319132)；河北省高等學校人文社會科學研究項目“分形理論在創新人才培養中的應用研究”資助(GH191002)；黑龍江科技大學青年才俊計劃資助。
作者簡介:?李海寶，男，副教授，主要從事基礎物理教學與研究工作，dadibank@vip.163.com。
引文格式:?李海寶，熊紅彥，李海燕，等. 基于“新工科”的工科物理作業模式研究[J]. 物理與工程，2019，29(4)：59-63.
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總結
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