大學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新思維培養(yǎng)的探索實(shí)踐

劉 鴻

（成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106）

【探索與實(shí)踐】

大學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新思維培養(yǎng)的探索實(shí)踐

劉 鴻

（成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106）

結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐，以傳授學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)為載體、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和方法為宗旨，從理解概念、掌握方法和質(zhì)疑問(wèn)題三個(gè)方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，對(duì)于促進(jìn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

大學(xué)物理教學(xué)；創(chuàng)新思維；科學(xué)思想和方法；基礎(chǔ)知識(shí)

大學(xué)物理是高等院校理工科學(xué)生的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，描述了物質(zhì)世界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，蘊(yùn)涵了豐富的科學(xué)思想和方法，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。物理思想是物理學(xué)的精髓，巴甫洛夫認(rèn)為：“重要的是科學(xué)方法、科學(xué)思想的總結(jié)，認(rèn)識(shí)一個(gè)科學(xué)家的思想和方法，遠(yuǎn)比認(rèn)識(shí)他的成果價(jià)值更大?！盵1]本文結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐，從理解概念、掌握方法和質(zhì)疑問(wèn)題等方面，探索傳授學(xué)生物理思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

一、理解概念 奠定基礎(chǔ)

物理學(xué)是由物理概念、物理規(guī)律、物理理論所構(gòu)成的完整科學(xué)體系。物理概念是物理學(xué)體系的基本要素，正確理解概念是處理物理問(wèn)題的基礎(chǔ)，即掌握概念的內(nèi)涵和外延的準(zhǔn)確信息，是正確分析解決問(wèn)題的依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。

對(duì)于開(kāi)始學(xué)習(xí)大學(xué)物理的學(xué)生，中學(xué)階段學(xué)到的矢量概念是：標(biāo)量只有大小，沒(méi)有方向；矢量既有大小，又有方向。在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，首先要求學(xué)生回顧已學(xué)到的矢量概念，并且用來(lái)判斷電流、電動(dòng)勢(shì)是否是矢量時(shí)，即使學(xué)生記住了電流和電動(dòng)勢(shì)是標(biāo)量，但是發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)論與他們掌握的矢量概念之間存在矛盾，在此基礎(chǔ)上給予學(xué)生完整的矢量概念的內(nèi)涵信息，矢量既有大小，又有方向，而且矢量的加法滿足平行四邊形法則。因此不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為有方向的量就是矢量，無(wú)方向的量就是標(biāo)量，而應(yīng)從“是否遵循平行四邊形法則相加（合成）”來(lái)區(qū)分矢量和標(biāo)量，電流、電動(dòng)勢(shì)有大小和方向，但不按照平行四邊形法則相加（合成），而是按照代數(shù)運(yùn)算法則相加（合成），因此不是矢量，是標(biāo)量。進(jìn)一步對(duì)學(xué)生提出“平行四邊形法則的解析表達(dá)式是什么”這一問(wèn)題，幫助他們將平行四邊形法則與余弦定理以及勾股定理聯(lián)系起來(lái)，從而使學(xué)生優(yōu)化自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高學(xué)習(xí)應(yīng)用知識(shí)的能力。這個(gè)過(guò)程重要的是給予學(xué)生一個(gè)如何完整理解概念內(nèi)涵并且應(yīng)用的示范，使學(xué)生體會(huì)到正確理解概念是獨(dú)立思考、邏輯推理、創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題的基礎(chǔ)，在后面的學(xué)習(xí)中自覺(jué)地正確理解每一個(gè)物理概念和及時(shí)優(yōu)化自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

物理概念是對(duì)物理現(xiàn)象認(rèn)識(shí)達(dá)到某一程度的總結(jié)，為了使學(xué)生準(zhǔn)確理解物理概念，必須給學(xué)生講清楚認(rèn)識(shí)該物理現(xiàn)象的背景和物理概念的來(lái)龍去脈，特別是物理概念的內(nèi)涵和意義，這個(gè)過(guò)程是培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)分析問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。例如，學(xué)生熟悉的動(dòng)能概念，是由牛頓定律導(dǎo)出動(dòng)能定理時(shí)總結(jié)出來(lái)的，適用于一切低速物體，包括微觀粒子；學(xué)生雖然熟悉這個(gè)物理量，然而這個(gè)物理概念是抽象的、主觀的，但在內(nèi)容上則是具體的、客觀的，它是描述由物體的運(yùn)動(dòng)決定的做功能力的物理量。又如電場(chǎng)強(qiáng)度概念，是描述空間電場(chǎng)中任一點(diǎn)處的單位正電荷受到力的強(qiáng)弱和方向的物理量，它描述了電場(chǎng)的性質(zhì)；由于電場(chǎng)力不能描述電場(chǎng)本身的性質(zhì)，因此電場(chǎng)強(qiáng)度概念由實(shí)驗(yàn)結(jié)合對(duì)該物理現(xiàn)象的分析推理確定。

最為經(jīng)典的物理概念是大學(xué)物理中存在的許多理想物理模型，例如“質(zhì)點(diǎn)”、“剛體”、“理想流體”、“彈簧振子”、“理想氣體”、“點(diǎn)電荷”等等。理想物理模型具有高度抽象性和簡(jiǎn)單性，實(shí)質(zhì)是突出物理現(xiàn)象本質(zhì)的主要特征，簡(jiǎn)化問(wèn)題。以“剛體”為例，運(yùn)動(dòng)中形狀和大小都保持不變的物體稱為剛體；實(shí)際問(wèn)題中，當(dāng)物體的形變很小可忽略時(shí)，就將物體視為剛體。有的問(wèn)題中海綿也可以視為剛體，但有的問(wèn)題中即使是鋼鐵物體也不能視為剛體，能否在處理問(wèn)題時(shí)把物體看作是剛體，體現(xiàn)了抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想。剛體的提出包含了解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)的一種思路，即由簡(jiǎn)到繁、由一般到特殊的循序漸進(jìn)的思想方法。理想物理模型中包含的這些思想是物理學(xué)中解決問(wèn)題的最根本的方法。通過(guò)學(xué)習(xí)系列的理想物理模型，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和方法，培養(yǎng)科學(xué)的抽象思維能力[2]，有利于奠定學(xué)生的創(chuàng)新思維基礎(chǔ)。

二、掌握方法 靈活運(yùn)用

在中學(xué)物理中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些較簡(jiǎn)單的思維方法，例如觀察、實(shí)驗(yàn)、抽象、形象、歸納、演繹、類(lèi)比、分類(lèi)等，大學(xué)物理注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的物理思維和處理復(fù)雜物理問(wèn)題的能力。

大學(xué)物理中一些基本的物理概念和物理規(guī)律是由實(shí)驗(yàn)直接確定的，一些物理概念和物理規(guī)律是由已有的規(guī)律出發(fā)，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的。因此觀察和實(shí)驗(yàn)、分析推理和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)是必須傳授給學(xué)生的基本方法，這也是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是和嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。例如，庫(kù)侖的扭秤實(shí)驗(yàn)確定了庫(kù)侖定律，類(lèi)似的由實(shí)驗(yàn)確定的物理規(guī)律有電荷守恒定律、畢奧-薩伐爾定律等等，由實(shí)驗(yàn)確定的物理概念有電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等等；由實(shí)驗(yàn)確定的物理概念和物理規(guī)律都離不開(kāi)對(duì)實(shí)驗(yàn)資料的分析推理和數(shù)學(xué)處理。又如，動(dòng)量定理、功能原理、電磁場(chǎng)的高斯定理和環(huán)路定理等等是通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的物理規(guī)律，動(dòng)能、勢(shì)能、電勢(shì)等等也是通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的物理概念。在這些內(nèi)容的教學(xué)過(guò)程中，注重培養(yǎng)學(xué)生尊重觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀念、示范以數(shù)學(xué)為工具的定量科學(xué)方法。

靈活運(yùn)用以數(shù)學(xué)為工具的定量科學(xué)方法。由于大學(xué)物理研究復(fù)雜的物理對(duì)象，通常難以直接應(yīng)用初等數(shù)學(xué)描述分析解決問(wèn)題，必須應(yīng)用微積分方法。微積分思想方法是一種辯證的思想和分析方法，包含了有限與無(wú)限的對(duì)立統(tǒng)一，近似與精確的對(duì)立統(tǒng)一[3]。對(duì)于復(fù)雜的物理問(wèn)題，在時(shí)間、空間范圍內(nèi)分割復(fù)雜物理對(duì)象為無(wú)限小的物理對(duì)象，稱為微分；通過(guò)微分后，可以將復(fù)雜轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單，高級(jí)轉(zhuǎn)化為基本，化變量為常量，化非均勻?yàn)榫鶆?，化曲線為直線，從而變與不變實(shí)現(xiàn)了辯證轉(zhuǎn)換。在微分（時(shí)間、空間）范圍內(nèi)，抓住物理對(duì)象的主要矛盾而忽略次要矛盾，把復(fù)雜物理對(duì)象近似為簡(jiǎn)單、基本、可描述分析的物理對(duì)象，進(jìn)行近似處理；然后把無(wú)限多個(gè)描述分析的微分物理對(duì)象集中累積起來(lái)，就得到復(fù)雜的物理問(wèn)題的結(jié)果，即完成積分。微積分方法中有限向無(wú)限的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了由近似到精確的分析過(guò)程。例如，求解變力沿曲線路徑做功，無(wú)限分割曲線路徑（即將曲線路徑微分），則在分割的小范圍內(nèi)認(rèn)為是恒力沿直線路徑做功，然后求和（即積分），就可以求出變力在整個(gè)曲線路徑范圍內(nèi)做的總功。在大學(xué)物理中，對(duì)于“旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量”、“旋轉(zhuǎn)物體受到的阻力矩”、“帶電物體產(chǎn)生的靜電場(chǎng)”、“非均勻變化磁場(chǎng)在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”等等較復(fù)雜的物理問(wèn)題，都需要靈活運(yùn)用微積分方法，通過(guò)這些學(xué)習(xí)內(nèi)容的積累，有利于奠定學(xué)生的創(chuàng)新思維基礎(chǔ)。

三、質(zhì)疑問(wèn)題 開(kāi)拓思路

在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，鼓勵(lì)學(xué)生突破傳統(tǒng)思維模式，敢于對(duì)現(xiàn)有理論提出質(zhì)疑，學(xué)會(huì)從不同角度看問(wèn)題，進(jìn)行創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練。

當(dāng)已有的物理理論解釋不了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，就需要人們敢于突破傳統(tǒng)觀念的束縛，大膽地提出自己的見(jiàn)解，從而形成新的物理理論。例如物理學(xué)中的假設(shè)理論：愛(ài)因斯坦在提出“相對(duì)性”和“光速不變”兩條假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了狹義相對(duì)論；普朗克提出“能量子”假設(shè)，創(chuàng)立了量子理論；愛(ài)因斯坦提出的“光量子”假設(shè)，解釋了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)；德布羅意提出物質(zhì)波的假設(shè)等。通過(guò)學(xué)習(xí)“假設(shè)理論”，培養(yǎng)學(xué)生以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)，在牢固的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出質(zhì)疑、進(jìn)行論證，敢于突破傳統(tǒng)觀念，提出自己見(jiàn)解的能力。

在大學(xué)物理教學(xué)中，依據(jù)教師自身的科研經(jīng)歷現(xiàn)身說(shuō)法，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，提高教學(xué)質(zhì)量，從而體現(xiàn)“以科研促進(jìn)教學(xué)，以教學(xué)帶動(dòng)科研”。例如，作者研究高增益砷化鎵（GaAs）光導(dǎo)開(kāi)關(guān)（PCSS）的物理機(jī)理，理解其物理機(jī)理的難點(diǎn)在于理解實(shí)驗(yàn)觀察到的鎖定（lock-on）現(xiàn)象，高增益GaAs PCSS的lock-on效應(yīng)與電流絲（即電流通道，亦稱流注）的出現(xiàn)密切相關(guān)，該項(xiàng)研究工作需要具備半導(dǎo)體物理中《耿效應(yīng)電子學(xué)》和《氣體放電》理論的知識(shí)。理論研究提出了多個(gè)解釋lock-on效應(yīng)的物理模型，這些理論研究要么主要應(yīng)用耿效應(yīng)電子學(xué)中的高場(chǎng)疇理論，要么主要應(yīng)用相對(duì)成熟的流注理論，這些物理模型都只能解釋高增益GaAs PCSS某一方面或某一過(guò)程的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在國(guó)際國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)術(shù)界難以達(dá)到統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。高場(chǎng)疇和流注是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的物理現(xiàn)象，物理性質(zhì)完全不同。作者將高場(chǎng)疇理論和流注理論結(jié)合起來(lái)，提出了疇電子概念，建立了疇電子崩理論[4-6]，在科研工作中必須以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為出發(fā)點(diǎn)和作為檢驗(yàn)理論的標(biāo)準(zhǔn)。以此激勵(lì)學(xué)生學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)、掌握方法、成長(zhǎng)思想，為自己的創(chuàng)新思維奠定基礎(chǔ)。

四、總結(jié)

在大學(xué)物理教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中，在傳授學(xué)生經(jīng)典物理基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，探索了從理解概念、掌握方法和質(zhì)疑問(wèn)題三個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生奠定創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。

[1]巴甫洛夫全集：第5卷[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1959.

[2]饒黃云，符五久，大學(xué)物理教學(xué)中的物理思想和方法的滲透[J]，東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）.2007，（26）.

[3]黎定國(guó)，鄧玲娜，劉義保，潘小青，大學(xué)物理中微積分思想和方法教學(xué)淺談[J]，大學(xué)物理.2005，（24）.

[4]劉鴻，阮成禮，鄭理.砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的疇電子崩理論分析[J].科學(xué)通報(bào).2011，（56）.

[5]劉鴻，阮成禮.本征砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)中的流注模型[J].科學(xué)通報(bào).2008，（53）

[6]劉鴻，鄭理，阮成禮，等.砷化鎵光導(dǎo)開(kāi)關(guān)中電流絲的自發(fā)輻射效應(yīng)[J].中國(guó)科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué).2014，（44）.

G642.0

A

1674-9324（2014）30-0205-02

1.四川省高等教育“質(zhì)量工程”“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”；2.成都學(xué)院（成都大學(xué)）2012年教學(xué)改革項(xiàng)目“《大學(xué)物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)》及題庫(kù)編撰”編號(hào)：cdjg2012017

劉鴻（1961-），男，重慶人，四川師范大學(xué)教育學(xué)碩士，電子科技大學(xué)理學(xué)博士，副教授。研究方向：無(wú)線電物理，大學(xué)物理教學(xué)。