當(dāng)今世界面臨著無數(shù)的社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)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(jìn)大學(xué)物理教學(xué)，才能更好地解決這些重要問題呢？
編譯 | 姬揚(yáng)（中國科學(xué)院半導(dǎo)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(yuǎn)程醫(yī)療、數(shù)字支付和工業(yè)自動(dòng)化等新技術(shù)發(fā)展迅猛，我們還必須努力發(fā)展經(jīng)濟(jì)、減少碳排放、應(yīng)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(xué)必須給學(xué)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(xué)工作者善于把高水平的科學(xué)知識、計(jì)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(xué)科技能，例如有效的溝通、團(tuán)隊(duì)合作、創(chuàng)造力以及為復(fù)雜問題尋找跨學(xué)科解決方案的能力。傳統(tǒng)的物理教學(xué)往往忽視了這樣的事實(shí)：許多畢業(yè)生將來并不從事學(xué)術(shù)研究，而是進(jìn)入制造業(yè)、能源、金融和教學(xué)等領(lǐng)域，在那里應(yīng)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(xué)畢業(yè)生擁有正確的技能組合，英國物理學(xué)會(huì)?(IOP)?在2022年修訂了其學(xué)位認(rèn)證框架，鼓勵(lì)大學(xué)設(shè)計(jì)更靈活的物理教學(xué)，在強(qiáng)調(diào)知識和技能的同時(shí)，還要突出跨專業(yè)的技能。新框架希望確保物理學(xué)的畢業(yè)生為將來的工作做好準(zhǔn)備，能夠結(jié)合技術(shù)和跨專業(yè)技能，適應(yīng)許多不同的職業(yè)。新框架還鼓勵(lì)大學(xué)以創(chuàng)新的方式開展教學(xué)和評估。例如，進(jìn)入金融技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全或IT領(lǐng)域的物理學(xué)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(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)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(xiàng)目都是為了吸引更加多樣化的學(xué)生，更貼切地符合雇主的需求。他們不僅要關(guān)注學(xué)生學(xué)的內(nèi)容，更要關(guān)注對學(xué)生的教學(xué)和評估。
但是，如果能從頭開始設(shè)計(jì)，物理教學(xué)應(yīng)該是什么樣子呢？如何重新設(shè)計(jì)物理課程，才能更切合物理學(xué)生和雇主需要的技能？從新冠疫情期間的教學(xué)方式中可以汲取哪些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)呢？哪些改變很有效，哪些改變沒有用呢？
在英國物理學(xué)會(huì)的支持下，英國東南物理網(wǎng)絡(luò)?(SEPnet)?和白玫瑰工業(yè)物理學(xué)院?(WRIPA)?在2021年組織了一系列網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，討論這些問題。這里總結(jié)了未來物理教學(xué)需要回答的5個(gè)重要問題。
(1) 怎么教學(xué)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(gè)特定的科學(xué)領(lǐng)域。但負(fù)責(zé)招募工作的人經(jīng)常說，物理學(xué)的畢業(yè)生不善于回答開放性的問題。這個(gè)缺點(diǎn)可能是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的物理教學(xué)具有“模塊化”的性質(zhì)，每項(xiàng)評估只測試學(xué)生對特定主題的了解。
以光學(xué)為例。學(xué)生們通常學(xué)的和考的內(nèi)容是衍射和干涉測量學(xué)，這種教學(xué)方法強(qiáng)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(xué)在機(jī)器人、先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)和醫(yī)療保健等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
另類的方法是給學(xué)生同時(shí)介紹一些主題，基于所有的學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行評估。這樣可以讓學(xué)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(jī)構(gòu)提供了基于問題的學(xué)習(xí)?(problem-based learning，PBL)?課程。學(xué)生們以小組的形式解決現(xiàn)實(shí)世界的問題，包括四個(gè)關(guān)鍵的學(xué)習(xí)原則：從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)知識，而不是死記硬背?(“建設(shè)性學(xué)習(xí)”)；將知識和技能應(yīng)用于社會(huì)挑戰(zhàn)?(“在相關(guān)背景下學(xué)習(xí)”)?；還有“集體學(xué)習(xí)”?(學(xué)生們互相學(xué)習(xí))?和“自主學(xué)習(xí)”?(自我教育)?。
就未來的物理教學(xué)而言，PBL課程意味著學(xué)生每學(xué)期參加一個(gè)小組項(xiàng)目，應(yīng)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(xué)生們將培養(yǎng)各種技能，如項(xiàng)目管理、報(bào)告寫作、溝通和協(xié)作，以及學(xué)習(xí)創(chuàng)造性地思考。
物理教育者可以向工程教育的同事們學(xué)習(xí)。人們常常認(rèn)為，物理學(xué)工作者一定要留在學(xué)術(shù)界，所以學(xué)生們努力取得優(yōu)異成績，而大學(xué)把學(xué)術(shù)卓越當(dāng)作衡量能力的唯一重要指標(biāo)。然而，在大學(xué)以外，成功需要的不只是學(xué)術(shù)能力。
工程師們更了解工作的現(xiàn)實(shí)性。除了講授科學(xué)原則應(yīng)用的教學(xué)方法，許多工程教育還努力幫助學(xué)生與工業(yè)界接觸和為從事各種職業(yè)做準(zhǔn)備。物理教學(xué)應(yīng)該確保我們的畢業(yè)生具備企業(yè)需要的技能。
(2) 如何應(yīng)對學(xué)生們不同的學(xué)習(xí)方式？
大學(xué)教學(xué)，特別是純科學(xué)教學(xué)，喜歡傳統(tǒng)的教學(xué)方式。然而，新冠疫情迫使各個(gè)系嘗試不同的方法，包括在線會(huì)議。這并不順利，有些學(xué)生抱怨教學(xué)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(xué)生似乎更專注，也更有可能在聊天框中提問。數(shù)字化教學(xué)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(qiáng)學(xué)習(xí)。但是這樣學(xué)生又會(huì)覺得很難選擇和優(yōu)先考慮自己需要的資源。還有一些學(xué)生并不參與在線學(xué)習(xí)，“人在心不在”。沒有面對面的互動(dòng)，學(xué)生就會(huì)喪失與同學(xué)互動(dòng)和開展社交的能力。
大學(xué)生的學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(dǎo)課變得更加重要。這非常適合團(tuán)隊(duì)一起努力解決現(xiàn)實(shí)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(xué)生，學(xué)界也在發(fā)生變化。隨著教職員和學(xué)生重返校園，學(xué)界承認(rèn)混合教學(xué)形式有好處，可以吸引更多的本科生。“網(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(xué)生的個(gè)人學(xué)習(xí)需求和偏好。
(3) 如何評估學(xué)生應(yīng)對挑戰(zhàn)和應(yīng)用知識的能力？
傳統(tǒng)上，物理專業(yè)的學(xué)生都是“閉卷”考試，考察對某個(gè)特定科目的掌握程度。但隨著新冠疫情期間在線教學(xué)的增加，教師被迫嘗試新方法來更好地了解學(xué)生的能力和潛力。例如，通過定期在線測驗(yàn)和“游戲化”來持續(xù)評估，以衡量進(jìn)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(xué)內(nèi)容，以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)風(fēng)格。還可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)深度?(他們在不同環(huán)境下遷移和應(yīng)用知識的能力)?來評估他們，而不是僅僅根據(jù)他們重復(fù)信息的能力。
掌握技能。小學(xué)生只有熟練掌握舊任務(wù)以后，才能開始學(xué)習(xí)新任務(wù)
小學(xué)就有這種學(xué)習(xí)模式，把不同年齡的學(xué)生分成不同的小組，根據(jù)他們完成任務(wù)的能力，而不是按照年齡分級。學(xué)生必須在單元測試中表現(xiàn)優(yōu)秀，才能開始新的任務(wù)。掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容意味著對主題有深刻的理解，時(shí)間長了也不會(huì)忘記。
相比之下，大學(xué)生通常只要通過傳統(tǒng)的“總結(jié)性”考試，就可以學(xué)習(xí)新的課程。這種方法的問題是，學(xué)生往往只是學(xué)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(yīng)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(shí)和信息。
如果把小學(xué)的模式用在大學(xué)的環(huán)境中，學(xué)生們將繼續(xù)學(xué)習(xí)和測試的循環(huán)，直至達(dá)到掌握的標(biāo)準(zhǔn)。不能達(dá)到這種更深層次理解的學(xué)生，將通過教師輔導(dǎo)、同學(xué)幫助或小組討論得到額外的支持。
(4) 技術(shù)可以用來加強(qiáng)或取代實(shí)驗(yàn)室工作嗎？
當(dāng)涉及到實(shí)驗(yàn)工作時(shí)，大學(xué)生通常在實(shí)驗(yàn)室里，面對面地做特定的、眾所周知的實(shí)驗(yàn)。除了培養(yǎng)實(shí)用技能，這些實(shí)驗(yàn)課程有助于學(xué)生們計(jì)劃和管理他們的時(shí)間，并允許小組工作和社會(huì)互動(dòng)。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(luò)世界里做實(shí)驗(yàn)。
有些大學(xué)的資源比較好，能夠?yàn)閷W(xué)生提供個(gè)人的工具包，而另一些大學(xué)依靠視頻演示。有一個(gè)系?(他們希望匿名)?為一些學(xué)生提供了既保持距離、又能面對面的實(shí)驗(yàn)室課程，并為其他學(xué)生設(shè)立在線的虛擬實(shí)驗(yàn)室。這種方法雖然很花錢也具有挑戰(zhàn)性，但確實(shí)提供了有趣的結(jié)果。
以前有人認(rèn)為，學(xué)生在網(wǎng)上做實(shí)驗(yàn)，得到的經(jīng)驗(yàn)不如那些在實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。但事實(shí)證明，這些學(xué)生也很喜歡獨(dú)立工作——尤其是當(dāng)他們?nèi)匀豢梢耘c他人溝通、通過聊天論壇交流想法時(shí)。因此，這個(gè)系決定繼續(xù)采用這種方法開展數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
自新冠疫情以來，虛擬實(shí)驗(yàn)變得越來越普遍(左)，但是實(shí)驗(yàn)室里的面對面教學(xué)可以幫助學(xué)生(包括殘疾的學(xué)生)一起做實(shí)驗(yàn)(右)
對于一些有特定學(xué)習(xí)風(fēng)格或需求的學(xué)生來說，虛擬實(shí)驗(yàn)室更有效。開放大學(xué)?(The Open University)?發(fā)現(xiàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)的方法可以讓學(xué)生從自己的錯(cuò)誤中學(xué)習(xí)。在面對面的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，通常沒有時(shí)間像在現(xiàn)實(shí)研究中那樣犯錯(cuò)誤或重復(fù)實(shí)驗(yàn)。虛擬平臺(tái)提供了這種靈活性，而且可以實(shí)時(shí)地提供關(guān)于錯(cuò)誤的反饋。
對未來的物理教學(xué)來說，混合方法?(虛擬實(shí)驗(yàn)和面對面的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合)?似乎至關(guān)重要。學(xué)生們在上課前可以上網(wǎng)計(jì)劃他們的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室里的時(shí)間就更有效，還可以多個(gè)小組協(xié)同工作。既可以從實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和社會(huì)交往中獲益，也能提高其獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。
對大學(xué)來說，減少在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間也更合算，可以為其他活動(dòng)騰出重要的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，特別是在物理教學(xué)的開始階段，可能對大學(xué)至關(guān)重要。
(5) 如何吸引和支持多元化的物理學(xué)生和教學(xué)人員群體？
大多數(shù)企業(yè)都明白，多樣化和包容性的勞動(dòng)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(xué)也需要這樣做。高等教育的競爭非常激烈，在衡量和評估學(xué)位課程方面，畢業(yè)生的就業(yè)成功和學(xué)生的滿意程度越來越重要。大學(xué)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(xué)生，并讓他們能夠充分發(fā)揮自己的潛力。
具體來說，大學(xué)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(huì)經(jīng)濟(jì)背景較低的群體。教學(xué)人員需要接受培訓(xùn)，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(xué)生在上大學(xué)時(shí)的學(xué)習(xí)需求信息，鼓勵(lì)學(xué)生自己申報(bào)他們的任何殘疾。
物理教學(xué)也需要做更多的工作來吸引來自不同背景的學(xué)生，通過擴(kuò)大入學(xué)機(jī)會(huì)來吸引最優(yōu)秀的人才。目前已經(jīng)取得了一些進(jìn)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(huì)和政策。
未來的大學(xué)物理教學(xué)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(rèn)識的提高，大學(xué)物理教學(xué)也需要發(fā)展。
越來越多的雇主希望畢業(yè)生有良好的團(tuán)隊(duì)合作能力和解決問題的能力，而嚴(yán)格的物理教學(xué)可以提供這些技能。企業(yè)并不希望物理教學(xué)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(xué)生在工作中應(yīng)用他們的知識做更好的準(zhǔn)備。
此外，整個(gè)高等教育系統(tǒng)正在建立新的教學(xué)方式，吸引和滿足所有學(xué)生的需要。這些課程設(shè)計(jì)的新方法?(以及英國物理學(xué)會(huì)認(rèn)證程序的變化)?提供了關(guān)于物理教學(xué)如何發(fā)展的想法，以使每個(gè)學(xué)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(xué)會(huì)期刊網(wǎng)”。
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