科学网—施大宁｜适应工程教育变革建设未来物理课程-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-5-12 08:37
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施大宁教授
施大宁 ，南京航空航天大学教授，国家级教学名师。教育部大学物理课程教学指导委员会副主任；教育部全国虚拟教研室物理类学科协作组组长。从事大学物理教学、理论物理研究和高等教育管理工作，分别获2014年、2022年国家级教学成果一、二等奖；2002年国家自然科学二等奖。
2025年5月，教育部在武汉召开第三次世界数字教育大会，发布了《中国智慧教育白皮书》。白皮书明确指出，中国教育数字化已从联结为先、内容为本、合作为要的3C发展理念到集成化、智能化、国际化的3I战略方向，演进至当前新阶段、新标准和新途径的3N时期。提出了满足智慧要求的“四个未来”建设任务：培育未来教师、打造未来课堂、建设未来学校、创设未来学习中心。
“四个未来”虽然没有提到未来课程，但课程作为人才培养的基本单元，直接决定智慧教育变革的落地成效，是“四个未来”建设任务的逻辑起点。围绕未来课程建设，教师的角色定位、能力要求将迎来系统性转变。提升教师未来教育胜任力，关键在于两大核心路径：一是深化产、科、教深度融合，推动教育紧密对接产业需求与科研前沿；二是强化教师人工智能（AI）素养，在未来课堂中构建师生人机协同、深度融合的教学生态。
报告所探讨的未来物理课程，仅限工科院校的普通物理课程，不涉及物理学类专业的专业课程。面向未来，工科物理课程改革必须立足三大时代背景。
背景一：高等教育普及化时代
高等教育普及化是以毛入学率为唯一指标的结构性转变。2019年，我国高等教育毛入学率达到51.6%，标志着正式进入高等教育普及化阶段，实现了历史性跨越。这里需明确一点，高考录取率不是高等教育毛入学率，定义完全不同。当前我国高考录取率已超越90%，如江苏省达98%，基本实现“愿学尽学”。根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要》与“十五五”规划，我国高等教育毛入学率预计2030年达65%，2035年达70%，高等教育将成为全民基本素养。
根据第七次全国人口普查高考招生数据，2003年出生人口约1373万，他们17岁参加2020年高考时，当年全日制专科以上招生967万、非全日制招生600余万，已经超越2003年出生人口数。三年后，2024年研究生招生135万，占该年龄段人口比例为9.88%。
对比历史数据，1996年高考的学生大多出生于1979年，约1974万，当年全日制本科、非全日制专科招生占比分别为4.99%（97万人）、4.89%（95万人），二者合计恰好9.88%；当年研究生招生12万，占比仅0.66%。
两个碰巧的9.88%数据说明：除顶尖高校外，高等学校教学对象已从“精英筛选”转向“全民普及”，脱离生源特征与教育发展阶段谈课程建设、教材改革，必然缺乏现实根基。因此，当下高等教育必须转变理念，不能身在普及化阶段，思维和理念仍停留在精英化阶段，必须直面普及化阶段学生的真实状态，构建适配的教学方式。
基于此，课程建设要坚持以学生为中心、因材施教，同时强化实践导向，这在工科院校尤为关键。自1991年推行学术学位与专业学位分类培养以来，2017年专业学位硕士与学术学位硕士招生规模达到1:1；当前专业学位研究生占比已超过学术学位研究生一倍。这表明，高层次人才培养日益凸显应用导向和注重实践能力培养，这也一定是本科教育教学改革必须遵循的重要指南。
Martin Trow指出，从精英化、大众化到普及化，高等教育呈现典型特征是：课程由高度结构化和系统化转向柔性化和阶段化；学生来源更加多元，更重视学习体验与成长路径；学校与社会的边界呈现模糊化等等。背离这些特征，教育改革与课程建设难以落地见效。
因此我认为未来课程建设应遵循三项基本原则：从结构化知识传授，转向以学生为中心的能力培养；从统一标准化教学，转向因材施教下的自主学习；从以课堂为主的传统模式，转向产教融合下的创新实践。
背景二：人工智能第三次浪潮
人工智能历经三次浪潮，当前正处于第三次高峰期。社会上不乏“人工智能将颠覆教育”的观点，我对此持审慎态度。人工智能的本质是技术理性的产物，不可能颠覆以人本主义为核心的教育。
传统教育的“教与学”主体都是碳基生命（人类）。自AlphaGo战胜人类棋手，在硅基材料为基础的机器上出现了“智慧的涌现（Emergence）”，这是一个时代的标志。“涌现”成为一种范式的概念源自物理学家安P.W. Anderson 1972年在Science上的一篇科技散文《More is different》，意思是参与一个系统的个体越来越多，这个系统会在不同层次上展现出新的属性，而这种新的属性往往是出乎意料的，是组成系统的那些个体所满足的客观规律解释不了的。涌现现象在自然界不稀奇（比如相变现象），大家也并没有感到太多的惊奇。但为什么人工智能领域内出现涌现性就令我们紧张？因为这种现象发生在数字空间，是人造的空间。AlphaGo使人类感到当对自己设计发明的机器都不能把握时，标志着我们正步入碳基生命演化+硅基智慧涌现的“生智复合体”时代。这意味未来教育必然走向人机协同，教师、学生、虚拟教师、虚拟学生共同构成教学主体。真实空间、虚拟空间、社会空间通过互联网和不断发展的信息技术深度融合，形成跨时空、无边界的大教育格局，这是未来课程“教与学”的主体形态。
未来物理课程的教学目标，必须实现从知识中心向能力中心转变，最终迈向思维中心。首先要培养学生科学思维成为终身学习能力的基础，善于提出问题并进行思考是创新的起点。第二是培养学生的批判性思维，课程设计要具有质疑精神。第三要培养学生敬畏自然的价值观。终身学习能力是职业化的功利性教育，批判性思维是人本化的素质教育，而人与自然和谐发展等价值观是超越性教育。学完物理课程，如果学生仍不会提问、不敢质疑、对自然无敬畏，便是物理教育的目标落空。
未来物理课程的教学模式必然是“师生机”三元一体。普遍认为AI赋能课程建设一般分为嵌入模式、辅助模式和智能体模式。现在的课堂教学场景运用还主要处在嵌入模式，即教师是主导，完成任务设置到任务结束的自主设计， AI只是助力教学过程。在不远的教学场景中，一定是教师设定目标任务，学习过程由AI辅助完成。未来一定是智能体模式，教师只需设定任务、提供资源、监督结果，绝大部分工作由AI完成。必须指出，当前人工智能不具备自我意识，生命智能依然是最高级智能，AI本质是技术理性工具，为教育模式创新提供支撑，而非替代教育本身。
背景三：工程教育的第四次范式变革
工程教育的发展的范式经过四个阶段：技术范式目标是培养产业工人，服务自动化生产线；科学范式是把科学引入工程教育，目标是培养工程科学家，标志性成就是曼哈顿计划和阿波罗登月计划。上个世纪70年代开始，因为半导体技术的发展和硅谷的出现，信息时代产业迭代加快了，学校自身培养不了引领行业发展的工程卓越人才，所以提出要回归工程，即工程范式。2017起中美两国大学不约而同地开启新工科建设（MIT称为新工程教育转型）。新工科的意义不是建设新的工科专业，而是建设创新型的工科专业。新工科建设的本质是创新，途径是融合。不论是国外还是国内，新工科建设的聚焦点都是创新性的课程设计。
MIT新工程教育转型（NEET）项目，以新机器系统工程人才培养为目标，从注重传授知识和技能转向11种工程创新思维能力培养。打破传统的各门专业课程为主体的教学框架，以进阶式项目（Project）为核心，通过“串编（Threads）”方式打破专业知识壁垒，形成全新的产-科-教的课程方案。欧林工学院采用模块化的课程方案，学生培养全过程开展产-科-教融合的项目式教学，以设计思维找到问题，学科融合解决问题，注重学生商业意识和创新创业能力培养。天津大学和电子科技大学的新工科建设方案，显著的特点也是贯通式、项目式的课程设计，全面开展产-科-教融合的课程建设。工科院校物理课程建设，必须紧扣工程教育第四次变革的核心逻辑，变革脱离工程实践、孤立讲授物理知识的传统模式，倡导将物理知识融入工程项目，实现学以致用。
未来工科物理课程的建设的思考
面向未来，如何让物理课程适配学生变化和时代需求？正如人工智能专家Alan Kay所言：“预测未来最好的方法，就是去创造它。”未来物理课程的形态，必然由一线教育者在实践中创造，我个人的一点思考如图1：
图1：未来工科物理课程建设的思考
首先，要以科学思维和工程思维为导向，建设进阶式、挑战式项目式课程体系，替代传统课堂讲授。项目式课程不是物理实验课，必须以真实工程项目为载体，以导、学、做、思、创贯通教学全过程，将物理知识点融入项目研发中。学生在完成项目过程中，自主掌握科学知识，提升创新能力。
其次，人工智能深度融入教学全流程，构建人机协同教学空间。打破学科壁垒，构建知识图谱、能力图谱、思维图谱、课程思政图谱一体化的教学智能体。结合不同工科专业的培养方案，选择差异化物理教学内容，同时推动基础物理与专业核心课深度融合，让物理成为工程创新的底层支撑。
第三，拓展教育教学实践场景，突破教室边界，打造线上线下融合、校内校外协同的无边界课堂。引入游戏化学习机制，以任务闯关、成果评比等形式，激发学生学习兴趣，提升学生参与度与主动性。
总之，“四个未来”不是一句口号，必须体现在学生培养成效上，这个效果就是他“应对未来的能力”。这是评价今天教育教学改革工作的终极证据。我们必须立足高等教育普及化时代、顺应智慧教育发展要求、紧扣工程教育变革主题，以学生为中心、以创新为路径、以实践为抓手，打造真正适配未来工程人才培养的工科物理课程。
根据作者在2025新时代高校物理教学改革与创新交流会大会报告录音整理
本文发表于《物理与工程》2026年第3期。
DOI:10.27024/j. wlygc.2026.04.07.is
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