面向未來的大學物理教學_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！03-31 09:41
當今世界面臨着無數的社會、環境和經濟問題，解決它們往往需要結合許多不同的知識和專業技能。我們為什麼以及怎麼樣改進大學物理教學，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 ）
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。遠程醫療、數字支付和工業自動化等新技術發展迅猛，我們還必須努力發展經濟、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，大學必須給學生傳授正確的知識與技能，以便他們創造和開發下一代技術、解決未來的問題。物理學工作者善於把高水平的科學知識、計算能力和解決問題的技能結合起來，能夠很好地滿足高科技行業的廣泛需求。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、創造力以及為複雜問題尋找跨學科解決方案的能力。傳統的物理教學往往忽視了這樣的事實：許多畢業生將來並不從事學術研究，而是進入製造業、能源、金融和教學等領域，在那裏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，在強調知識和技能的同時，還要突出跨專業的技能。新框架希望確保物理學的畢業生為將來的工作做好準備，能夠結合技術和跨專業技能，適應許多不同的職業。新框架還鼓勵大學以創新的方式開展教學和評估。例如，進入金融技術、網絡安全或IT領域的物理學工作者不僅要有核心的物理專業知識，還需要具備數據科學和機器學習的技能。
全新教育模式的出現正在挑戰傳統的課程體系。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，更貼切地符合僱主的需求。他們不僅要關注學生學的內容，更要關注對學生的教學和評估。
但是，如果能從頭開始設計，物理教學應該是什麼樣子呢？如何重新設計物理課程，才能更切合物理學生和僱主需要的技能？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，英國東南物理網絡 (SEPnet) 和白玫瑰工業物理學院 (WRIPA) 在2021年組織了一系列網絡研討會，討論這些問題。這裏總結了未來物理教學需要回答的5個重要問題。
(1) 怎麼教學生解決開放性的新問題？
僱主希望畢業生解決的問題可能並不明確，也不屬於某個特定的科學領域。但負責招募工作的人經常説，物理學的畢業生不善於回答開放性的問題。這個缺點可能是因為傳統的物理教學具有“模塊化”的性質，每項評估只測試學生對特定主題的瞭解。
以光學為例。學生們通常學的和考的內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，卻不瞭解光學在機器人、先進的駕駛員輔助系統和醫療保健等領域有廣泛應用。
另類的方法是給學生同時介紹一些主題，基於所有的學習內容進行評估。這樣可以讓學生在不同的領域建立新的聯繫，更有創造性地思考和解決不熟悉的問題。
一些機構提供了基於問題的學習 (problem-based learning，PBL) 課程。學生們以小組的形式解決現實世界的問題，包括四個關鍵的學習原則：從經驗中學習知識，而不是死記硬背 (“建設性學習”)；將知識和技能應用於社會挑戰 (“在相關背景下學習”) ；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課程意味着學生每學期參加一個小組項目，應用他們的知識來解決基於全球挑戰 (可能由企業提出) 的研究或技術問題。為了解決開放性的問題，學生們將培養各種技能，如項目管理、報告寫作、溝通和協作，以及學習創造性地思考。
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界，所以學生們努力取得優異成績，而大學把學術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能力。
工程師們更瞭解工作的現實性。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界接觸和為從事各種職業做準備。物理教學應該確保我們的畢業生具備企業需要的技能。
(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。這並不順利，有些學生抱怨教學質量很差。
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，有助於加強學習。但是這樣學生又會覺得很難選擇和優先考慮自己需要的資源。還有一些學生並不參與在線學習，“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。對於師生面對面的交流來説，輔導課變得更加重要。這非常適合團隊一起努力解決現實世界中的問題，提高他們的就業能力和社交技能。
不僅僅是學生，學界也在發生變化。隨着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。“網課”可以包括面對面的和虛擬的課程，講授的內容相同，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和應用知識的能力？
傳統上，物理專業的學生都是“閉卷”考試，考察對某個特定科目的掌握程度。但隨着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瞭解學生的能力和潛力。例如，通過定期在線測驗和“遊戲化”來持續評估，以衡量進展並發現理解方面的差距。將來可能用不同的在線方法評估相同的教學內容，以適應學生的學習風格。還可以根據學生的學習深度 (他們在不同環境下遷移和應用知識的能力) 來評估他們，而不是僅僅根據他們重複信息的能力。
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優秀，才能開始新的任務。掌握學習內容意味着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的“總結性”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，他們經常忘記這些信息，也不能將其應用到不同的環境中。但僱主希望畢業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境中，學生們將繼續學習和測試的循環，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裏，面對面地做特定的、眾所周知的實驗。除了培養實用技能，這些實驗課程有助於學生們計劃和管理他們的時間，並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，迅速轉移到網絡世界裏做實驗。
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，併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性，但確實提供了有趣的結果。
以前有人認為，學生在網上做實驗，得到的經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——尤其是當他們仍然可以與他人溝通、通過聊天論壇交流想法時。因此，這個系決定繼續採用這種方法開展數字化的實驗教學。
對於一些有特定學習風格或需求的學生來説，虛擬實驗室更有效。開放大學 (The Open University) 發現，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裏，通常沒有時間像在現實研究中那樣犯錯誤或重複實驗。虛擬平台提供了這種靈活性，而且可以實時地提供關於錯誤的反饋。
對未來的物理教學來説，混合方法 (虛擬實驗和面對面的實驗相結合) 似乎至關重要。學生們在上課前可以上網計劃他們的實驗，在實驗室裏的時間就更有效，還可以多個小組協同工作。既可以從實驗室的實際經驗和社會交往中獲益，也能提高其獨立學習的能力。
對大學來説，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，可能對大學至關重要。
(5) 如何吸引和支持多元化的物理學生和教學人員羣體？
大多數企業都明白，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，以吸引最優秀的畢業生，並審查他們的招聘流程和工作環境，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，畢業生的就業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境，更好地吸引和支持來自各種背景的、有才華的學生，並讓他們能夠充分發揮自己的潛力。
具體來説，大學需要為代表性不足的羣體做更多的工作，包括殘疾人、來自少數族裔社區的羣體和那些社會經濟背景較低的羣體。教學人員需要接受培訓，以便他們能夠發現問題，併為本科生提供相關的幫助和支持。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秀的人才。目前已經取得了一些進展，大多數物理系已經建立完善了平等、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麼呢？
隨着就業市場的變化、數字技術的發展和對多樣性問題認識的提高，大學物理教學也需要發展。
越來越多的僱主希望畢業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。企業並不希望物理教學被“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) 提供了關於物理教學如何發展的想法，以使每個學生掌握未來就業市場所需的技能和知識。
本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會期刊網”。
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