當今世界面臨著無數(shù)的社會、環(huán)境和經(jīng)濟問題，解決它們往往需要結(jié)合許多不同的知識和專業(yè)技能。我們?yōu)槭裁匆约霸趺礃痈倪M大學物理教學，才能更好地解決這些重要問題呢？

編譯 | 姬揚（中國科學院半導體研究所 ）

(資料圖)

編譯來源 |?Veronica Benson，Andrew Mizumori Hirst，William Wakeham. Physics World，2023，(2)：32

文章來源 |?選自《物理》2023年第3期

世界總是在不斷地變化，今天更是如此。遠程醫(yī)療、數(shù)字支付和工業(yè)自動化等新技術(shù)發(fā)展迅猛，我們還必須努力發(fā)展經(jīng)濟、減少碳排放、應對人口老齡化問題以及利用人工智能的力量。

為了迎接這些挑戰(zhàn)，大學必須給學生傳授正確的知識與技能，以便他們創(chuàng)造和開發(fā)下一代技術(shù)、解決未來的問題。物理學工作者善于把高水平的科學知識、計算能力和解決問題的技能結(jié)合起來，能夠很好地滿足高科技行業(yè)的廣泛需求。但是他們往往缺乏更廣泛的跨學科技能，例如有效的溝通、團隊合作、創(chuàng)造力以及為復雜問題尋找跨學科解決方案的能力。傳統(tǒng)的物理教學往往忽視了這樣的事實：許多畢業(yè)生將來并不從事學術(shù)研究，而是進入制造業(yè)、能源、金融和教學等領(lǐng)域，在那里應用知識的方式和他們受到的教育不一樣。

為了確保有足夠多的物理學畢業(yè)生擁有正確的技能組合，英國物理學會?(IOP)?在2022年修訂了其學位認證框架，鼓勵大學設計更靈活的物理教學，在強調(diào)知識和技能的同時，還要突出跨專業(yè)的技能。新框架希望確保物理學的畢業(yè)生為將來的工作做好準備，能夠結(jié)合技術(shù)和跨專業(yè)技能，適應許多不同的職業(yè)。新框架還鼓勵大學以創(chuàng)新的方式開展教學和評估。例如，進入金融技術(shù)、網(wǎng)絡安全或IT領(lǐng)域的物理學工作者不僅要有核心的物理專業(yè)知識，還需要具備數(shù)據(jù)科學和機器學習的技能。

全新教育模式的出現(xiàn)正在挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的課程體系。斯坦福的“Stanford2025”、曼徹斯特的“UA92”和倫敦的“01 Founders”等項目都是為了吸引更加多樣化的學生，更貼切地符合雇主的需求。他們不僅要關(guān)注學生學的內(nèi)容，更要關(guān)注對學生的教學和評估。

但是，如果能從頭開始設計，物理教學應該是什么樣子呢？如何重新設計物理課程，才能更切合物理學生和雇主需要的技能？從新冠疫情期間的教學方式中可以汲取哪些經(jīng)驗教訓呢？哪些改變很有效，哪些改變沒有用呢？

在英國物理學會的支持下，英國東南物理網(wǎng)絡?(SEPnet)?和白玫瑰工業(yè)物理學院?(WRIPA)?在2021年組織了一系列網(wǎng)絡研討會，討論這些問題。這里總結(jié)了未來物理教學需要回答的5個重要問題。

(1) 怎么教學生解決開放性的新問題？

雇主希望畢業(yè)生解決的問題可能并不明確，也不屬于某個特定的科學領(lǐng)域。但負責招募工作的人經(jīng)常說，物理學的畢業(yè)生不善于回答開放性的問題。這個缺點可能是因為傳統(tǒng)的物理教學具有“模塊化”的性質(zhì)，每項評估只測試學生對特定主題的了解。

以光學為例。學生們通常學的和考的內(nèi)容是衍射和干涉測量學，這種教學方法強化“單方面思維”，使得他們只知道如何解決特定的問題，卻不了解光學在機器人、先進的駕駛員輔助系統(tǒng)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域有廣泛應用。

另類的方法是給學生同時介紹一些主題，基于所有的學習內(nèi)容進行評估。這樣可以讓學生在不同的領(lǐng)域建立新的聯(lián)系，更有創(chuàng)造性地思考和解決不熟悉的問題。

一些機構(gòu)提供了基于問題的學習?(problem-based learning，PBL)?課程。學生們以小組的形式解決現(xiàn)實世界的問題，包括四個關(guān)鍵的學習原則：從經(jīng)驗中學習知識，而不是死記硬背?(“建設性學習”)；將知識和技能應用于社會挑戰(zhàn)?(“在相關(guān)背景下學習”)?；還有“集體學習”?(學生們互相學習)?和“自主學習”?(自我教育)?。

就未來的物理教學而言，PBL課程意味著學生每學期參加一個小組項目，應用他們的知識來解決基于全球挑戰(zhàn)?(可能由企業(yè)提出)?的研究或技術(shù)問題。為了解決開放性的問題，學生們將培養(yǎng)各種技能，如項目管理、報告寫作、溝通和協(xié)作，以及學習創(chuàng)造性地思考。

物理教育者可以向工程教育的同事們學習。人們常常認為，物理學工作者一定要留在學術(shù)界，所以學生們努力取得優(yōu)異成績，而大學把學術(shù)卓越當作衡量能力的唯一重要指標。然而，在大學以外，成功需要的不只是學術(shù)能力。

工程師們更了解工作的現(xiàn)實性。除了講授科學原則應用的教學方法，許多工程教育還努力幫助學生與工業(yè)界接觸和為從事各種職業(yè)做準備。物理教學應該確保我們的畢業(yè)生具備企業(yè)需要的技能。

(2) 如何應對學生們不同的學習方式？

大學教學，特別是純科學教學，喜歡傳統(tǒng)的教學方式。然而，新冠疫情迫使各個系嘗試不同的方法，包括在線會議。這并不順利，有些學生抱怨教學質(zhì)量很差。

但也有一些好處。例如，與面對面授課相比，一些學生似乎更專注，也更有可能在聊天框中提問。數(shù)字化教學還可以幫助一些殘疾或需要長期通勤的人。更重要的是，在線講座可以記錄和回看，有助于加強學習。但是這樣學生又會覺得很難選擇和優(yōu)先考慮自己需要的資源。還有一些學生并不參與在線學習，“人在心不在”。沒有面對面的互動，學生就會喪失與同學互動和開展社交的能力。

大學生的學習方式也發(fā)生了變化。他們很少使用教科書，圖書館變成了學習的場所，而非獲取資料的地方。對于師生面對面的交流來說，輔導課變得更加重要。這非常適合團隊一起努力解決現(xiàn)實世界中的問題，提高他們的就業(yè)能力和社交技能。

不僅僅是學生，學界也在發(fā)生變化。隨著教職員和學生重返校園，學界承認混合教學形式有好處，可以吸引更多的本科生?！熬W(wǎng)課”可以包括面對面的和虛擬的課程，講授的內(nèi)容相同，但能滿足更多學生的個人學習需求和偏好。

(3) 如何評估學生應對挑戰(zhàn)和應用知識的能力？

傳統(tǒng)上，物理專業(yè)的學生都是“閉卷”考試，考察對某個特定科目的掌握程度。但隨著新冠疫情期間在線教學的增加，教師被迫嘗試新方法來更好地了解學生的能力和潛力。例如，通過定期在線測驗和“游戲化”來持續(xù)評估，以衡量進展并發(fā)現(xiàn)理解方面的差距。將來可能用不同的在線方法評估相同的教學內(nèi)容，以適應學生的學習風格。還可以根據(jù)學生的學習深度?(他們在不同環(huán)境下遷移和應用知識的能力)?來評估他們，而不是僅僅根據(jù)他們重復信息的能力。

掌握技能。小學生只有熟練掌握舊任務以后，才能開始學習新任務

小學就有這種學習模式，把不同年齡的學生分成不同的小組，根據(jù)他們完成任務的能力，而不是按照年齡分級。學生必須在單元測試中表現(xiàn)優(yōu)秀，才能開始新的任務。掌握學習內(nèi)容意味著對主題有深刻的理解，時間長了也不會忘記。

相比之下，大學生通常只要通過傳統(tǒng)的“總結(jié)性”考試，就可以學習新的課程。這種方法的問題是，學生往往只是學到了一些膚淺的知識。此外，他們經(jīng)常忘記這些信息，也不能將其應用到不同的環(huán)境中。但雇主希望畢業(yè)生不僅僅是記住事實和信息。

如果把小學的模式用在大學的環(huán)境中，學生們將繼續(xù)學習和測試的循環(huán)，直至達到掌握的標準。不能達到這種更深層次理解的學生，將通過教師輔導、同學幫助或小組討論得到額外的支持。

(4) 技術(shù)可以用來加強或取代實驗室工作嗎？

當涉及到實驗工作時，大學生通常在實驗室里，面對面地做特定的、眾所周知的實驗。除了培養(yǎng)實用技能，這些實驗課程有助于學生們計劃和管理他們的時間，并允許小組工作和社會互動。然而，疫情迫使物理系重新評估這種方法，迅速轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡世界里做實驗。

有些大學的資源比較好，能夠為學生提供個人的工具包，而另一些大學依靠視頻演示。有一個系?(他們希望匿名)?為一些學生提供了既保持距離、又能面對面的實驗室課程，并為其他學生設立在線的虛擬實驗室。這種方法雖然很花錢也具有挑戰(zhàn)性，但確實提供了有趣的結(jié)果。

以前有人認為，學生在網(wǎng)上做實驗，得到的經(jīng)驗不如那些在實驗室的學生。但事實證明，這些學生也很喜歡獨立工作——尤其是當他們?nèi)匀豢梢耘c他人溝通、通過聊天論壇交流想法時。因此，這個系決定繼續(xù)采用這種方法開展數(shù)字化的實驗教學。

自新冠疫情以來，虛擬實驗變得越來越普遍(左)，但是實驗室里的面對面教學可以幫助學生(包括殘疾的學生)一起做實驗(右)

對于一些有特定學習風格或需求的學生來說，虛擬實驗室更有效。開放大學?(The Open University)?發(fā)現(xiàn)，虛擬實驗的方法可以讓學生從自己的錯誤中學習。在面對面的教學實驗室里，通常沒有時間像在現(xiàn)實研究中那樣犯錯誤或重復實驗。虛擬平臺提供了這種靈活性，而且可以實時地提供關(guān)于錯誤的反饋。

對未來的物理教學來說，混合方法?(虛擬實驗和面對面的實驗相結(jié)合)?似乎至關(guān)重要。學生們在上課前可以上網(wǎng)計劃他們的實驗，在實驗室里的時間就更有效，還可以多個小組協(xié)同工作。既可以從實驗室的實際經(jīng)驗和社會交往中獲益，也能提高其獨立學習的能力。

對大學來說，減少在實驗室的時間也更合算，可以為其他活動騰出重要的實驗室空間。我們知道，物理教育的課程體系很昂貴，引入高質(zhì)量的虛擬實驗，特別是在物理教學的開始階段，可能對大學至關(guān)重要。

(5) 如何吸引和支持多元化的物理學生和教學人員群體？

大多數(shù)企業(yè)都明白，多樣化和包容性的勞動力可以帶來更好的想法、決策和成功。他們意識到，必須建立更廣泛的人才庫，以吸引最優(yōu)秀的畢業(yè)生，并審查他們的招聘流程和工作環(huán)境，以確保他們更具包容性。

大學也需要這樣做。高等教育的競爭非常激烈，在衡量和評估學位課程方面，畢業(yè)生的就業(yè)成功和學生的滿意程度越來越重要。大學需要確保提供真正包容的環(huán)境，更好地吸引和支持來自各種背景的、有才華的學生，并讓他們能夠充分發(fā)揮自己的潛力。

具體來說，大學需要為代表性不足的群體做更多的工作，包括殘疾人、來自少數(shù)族裔社區(qū)的群體和那些社會經(jīng)濟背景較低的群體。教學人員需要接受培訓，以便他們能夠發(fā)現(xiàn)問題，并為本科生提供相關(guān)的幫助和支持。我們還需要找方法來分享學生在上大學時的學習需求信息，鼓勵學生自己申報他們的任何殘疾。

物理教學也需要做更多的工作來吸引來自不同背景的學生，通過擴大入學機會來吸引最優(yōu)秀的人才。目前已經(jīng)取得了一些進展，大多數(shù)物理系已經(jīng)建立完善了平等、多樣性與包容?(EDI)?的委員會和政策。

未來的大學物理教學能提供什么呢？

隨著就業(yè)市場的變化、數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和對多樣性問題認識的提高，大學物理教學也需要發(fā)展。

越來越多的雇主希望畢業(yè)生有良好的團隊合作能力和解決問題的能力，而嚴格的物理教學可以提供這些技能。企業(yè)并不希望物理教學被“簡化”。相反，教育工作者要考慮怎樣把這些技能融入到課程中，為學生在工作中應用他們的知識做更好的準備。

此外，整個高等教育系統(tǒng)正在建立新的教學方式，吸引和滿足所有學生的需要。這些課程設計的新方法?(以及英國物理學會認證程序的變化)?提供了關(guān)于物理教學如何發(fā)展的想法，以使每個學生掌握未來就業(yè)市場所需的技能和知識。

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號“中國物理學會期刊網(wǎng)”。

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