科研思維融入電磁學(xué)教學(xué)的探討

吳青峰

摘 要 本文針對(duì)當(dāng)前本科教學(xué)中科研思維訓(xùn)練不足的問題，提出了在電磁學(xué)教學(xué)中融入科研思維訓(xùn)練的具體方法和思路，并將此應(yīng)用于奧斯特實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐中。本研究對(duì)于探討電磁學(xué)教學(xué)模式改革，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 電磁學(xué) 科研思維 教學(xué)模式 奧斯特實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G424? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2020.12.073

AbstractAiming at the problem of insufficient scientific research thinking training in undergraduate teaching， this paper proposes specific methods and ideas for integrating scientific research thinking training into electromagnetics teaching， and applies this to the teaching practice of Oersted Experiment. This research has certain guiding significance for exploring the reform of electromagnetic teaching mode.

Keywords electromagnetics; scientific thinking; teaching mode; Oersted experiment

現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，對(duì)人才培養(yǎng)提出了更高的要求。人才培養(yǎng)的核心不再局限于僅僅掌握基礎(chǔ)理論和基本技能，還要求他們具備一定的科研創(chuàng)新能力。當(dāng)前，各大高校在本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面采取了多種措施，比如開展課堂教學(xué)改革，為大學(xué)生提供增強(qiáng)科研創(chuàng)新能力的平臺(tái)和比賽，鼓勵(lì)和支持學(xué)生參與創(chuàng)新項(xiàng)目等。[1-4]實(shí)踐表明，高校開展的這些舉措對(duì)培養(yǎng)大學(xué)生科研創(chuàng)新能力具有一定的作用，但總體上，大學(xué)生的創(chuàng)新能力還亟待進(jìn)一步提高。[5]

科技發(fā)展史表明，科學(xué)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)依賴于合理且充分的科研思維和創(chuàng)新思維的訓(xùn)練。科研思維是指?jìng)€(gè)體在一定的科學(xué)方法指導(dǎo)下進(jìn)行思考的過程，它能在較大的程度上保證創(chuàng)新過程的合理性和有效性。然而，當(dāng)前的教學(xué)模式缺少對(duì)學(xué)生科研思維的培養(yǎng)，特別是低年級(jí)學(xué)生難以接受到科研思維的鍛煉。傳統(tǒng)的教學(xué)模式多以教師為中心，采用“滿堂灌”式教學(xué)。教師注重對(duì)概念和理論的講解，而學(xué)生則側(cè)重于知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶。這種教學(xué)模式無法激發(fā)學(xué)生的科研興趣，更不能有效鍛煉他們的科研思維。因此，改革現(xiàn)有教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力是課堂教學(xué)中急需解決的問題。電磁學(xué)作為物理專業(yè)以及部分工科專業(yè)的核心課程，若能在課程教學(xué)中融入科研思維的培養(yǎng)，不僅有利于學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，而且可以幫助學(xué)生培養(yǎng)良好的科研創(chuàng)新能力。事實(shí)上，電磁學(xué)課程中的知識(shí)內(nèi)容，均是在前人深入研究的基礎(chǔ)上，并經(jīng)過系統(tǒng)總結(jié)而得到，換而言之，這些知識(shí)被發(fā)現(xiàn)或創(chuàng)造的過程本身就已經(jīng)包含了科研的思維和方法。[6]因而，如果能有意識(shí)地在電磁學(xué)教學(xué)中還原這一科學(xué)思維過程，便能夠讓學(xué)生較好地了解、熟悉進(jìn)而掌握相應(yīng)的科研思維。筆者在奧斯特實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過程中，對(duì)學(xué)生科研思維的培養(yǎng)進(jìn)行了初步的探討和嘗試，提出在教學(xué)中加強(qiáng)科研思維訓(xùn)練的思路和方法。

1 教學(xué)中科研思維的訓(xùn)練

為了便于學(xué)生的學(xué)習(xí)，電磁學(xué)教材對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了條理化和系統(tǒng)化。傳統(tǒng)的教學(xué)方式偏重于讓學(xué)生理解并掌握這些知識(shí)，進(jìn)而構(gòu)建完整的知識(shí)體系，并在可能的情況下能夠利用基本原理和方法解決去實(shí)際問題。這種傳統(tǒng)的教學(xué)模式雖然讓學(xué)生掌握了相關(guān)的電磁學(xué)知識(shí)，卻未能讓其接受到電磁理論本身被發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造過程中所采用的科學(xué)思維和方法，從而影響其科研思維的培養(yǎng)。

那么，如何在電磁學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的科研思維？首先，教師在備課過程中先將需要講授的知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的問題羅列出來，并將其凝練成相應(yīng)的科學(xué)問題。然后，理清解決問題的思路和方法。在實(shí)際的教學(xué)過程中，針對(duì)某一科學(xué)問題，教師可以逐步還原該問題的解決思路和方法，最后將其引導(dǎo)到需要講授的知識(shí)點(diǎn)上。

由于課堂時(shí)間有限，我們?cè)谶€原知識(shí)被發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)造的過程中，可以基于不同情況采取不同的講授方式：第一種是“步步為營，層層深入”的探索引導(dǎo)方式;第二種是結(jié)合電磁學(xué)發(fā)展史講故事的形式。對(duì)于前一種教學(xué)方式，可以將凝練出的科學(xué)問題與學(xué)生已掌握的相關(guān)知識(shí)或熟悉的物理現(xiàn)象聯(lián)系起來，引導(dǎo)他們思考解決該問題的可能途徑，然后逐個(gè)方向去引導(dǎo)他們尋找解決問題的具體方法。舍棄那些不能解決問題的方向，留下可以解決問題的正確思路和方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生歸納出相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)。這種教學(xué)方式，比較適合于教學(xué)時(shí)間相對(duì)充裕的環(huán)節(jié)，它能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)參與課堂教學(xué)的積極性，激發(fā)學(xué)生的思考熱情。如果能夠長期堅(jiān)持采用該教學(xué)方式，將能夠使學(xué)生的科研思維得到有效的訓(xùn)練。

對(duì)于后一種教學(xué)方式，適用于授課時(shí)間相對(duì)不充裕的情況。在提煉出科學(xué)問題之后，通過介紹性的方式還原問題的分析解決過程。例如，可以結(jié)合電磁學(xué)的發(fā)展史，通過講述當(dāng)年的科研故事來說明當(dāng)時(shí)的科學(xué)家是如何思考這個(gè)問題的，如何走到了錯(cuò)誤的方向，最終又是如何回到了解決問題的正確道路上來的。通過科研故事的講述，既能夠提高課堂的趣味性，又能讓學(xué)生從中深刻體會(huì)到科學(xué)研究過程中的曲折，以及蘊(yùn)含其中的科學(xué)思維、方法和經(jīng)驗(yàn)。

通過以上兩種方式的結(jié)合，可以讓學(xué)生了解和熟悉電磁學(xué)理論在建立過程中相關(guān)的科研思維，并在潛移默化中得到科研思維的鍛煉。

2 科研思維融入教學(xué)實(shí)例

在電磁學(xué)的發(fā)展史上，奧斯特實(shí)驗(yàn)具有非常重要的地位，它揭示了“電”與“磁”之間不可分割的聯(lián)系，從而宣告電磁學(xué)作為一個(gè)統(tǒng)一學(xué)科的誕生。奧斯特實(shí)驗(yàn)給后續(xù)研究者帶來很大啟發(fā)，由此導(dǎo)致了一系列電磁規(guī)律（如畢奧薩伐爾定律和安培定律）的發(fā)現(xiàn)。這些電磁學(xué)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)過程，本身包含了科學(xué)研究的思維與方法。因此，在講授的過程中，將科研思維融入其中，可以幫助學(xué)生進(jìn)行有效的科研思維訓(xùn)練。為此，我們?cè)诮虒W(xué)過程中進(jìn)行了一些嘗試和探索。

奧斯特實(shí)驗(yàn)研究了電流對(duì)磁針的作用。在講授該內(nèi)容時(shí)，我們可以提出這樣的問題：在歷史上很長一段時(shí)期里，“磁”和“電”的研究一直彼此獨(dú)立發(fā)展，為什么奧斯特提出研究電流對(duì)磁針的作用？

提出問題后，從科研思維訓(xùn)練的角度引導(dǎo)學(xué)生思考、討論，并回答該問題。然后，我們結(jié)合電磁學(xué)的發(fā)展史，給學(xué)生講解奧斯特當(dāng)時(shí)的研究思路。奧斯特之所以研究電流對(duì)磁針的作用，是受康德哲學(xué)關(guān)于“自然力”統(tǒng)一觀點(diǎn)的影響，相信電與磁之間存在某種聯(lián)系，從而進(jìn)行了這一研究。上述過程，既培養(yǎng)了學(xué)生提出研究課題的能力，同時(shí)又幫助學(xué)生了解當(dāng)時(shí)科學(xué)家的思維過程，有利于建立正確的科學(xué)思維。

奧斯特實(shí)驗(yàn)給后續(xù)的研究者帶來極大的啟發(fā)，在此基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步提問：如果你是當(dāng)時(shí)的研究者，在了解了奧斯特實(shí)驗(yàn)后，你會(huì)提出哪些有待進(jìn)一步研究的科學(xué)問題？引導(dǎo)學(xué)生思考：

（1）奧斯特實(shí)驗(yàn)告訴我們電流元與磁極之間存在相互作用，但是沒有給出定量規(guī)律，那么，電流與磁極作用的定量規(guī)律是什么？（畢奧—薩伐爾的研究課題）

（2）電流與磁之間存在作用，那么這種作用的本質(zhì)是什么？（安培的研究課題）

（3）電流與磁之間存在非接觸的相互作用，該作用的傳遞媒介是什么？（場(chǎng)作用觀點(diǎn)）

在此過程中，可以通過講述相關(guān)研究者的科研故事來說明當(dāng)時(shí)研究者是怎么來思考這些問題的。例如，在奧斯特公開了其研究成果后，畢奧-薩伐爾認(rèn)為，既然電流對(duì)磁針會(huì)產(chǎn)生力的作用，那么需要進(jìn)一步找出電流對(duì)磁極作用的定量規(guī)律。于是，他們通過研究，最終得到了畢奧—薩伐爾定律。此外，關(guān)于電流與磁針作用的本質(zhì)，安培在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深刻的思考，認(rèn)為一切磁現(xiàn)象的本質(zhì)源于電流，所有電流與磁的作用可看作電流與電流的作用，于是他提出研究任意兩個(gè)電流元之間的作用規(guī)律，并由此總結(jié)出安培定律。

上述過程，圍繞奧斯特實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，同時(shí)又兼顧科研思維的訓(xùn)練。若在時(shí)間允許的條件下，可以讓學(xué)生自行查閱文獻(xiàn)資料，鼓勵(lì)他們積極表達(dá)自己的思考和見解。教師在回答問題的過程中，可以與學(xué)生開展恰當(dāng)?shù)挠懻?。更進(jìn)一步，學(xué)生和老師還可以通過進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證各自的觀點(diǎn)。通過這一過程，最后得出課本上的結(jié)論。

3 結(jié)語

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力是教學(xué)的重要任務(wù)之一。然而，由于傳統(tǒng)的本科教學(xué)模式的缺陷，導(dǎo)致本科生接受的科研思維訓(xùn)練不足。如何讓學(xué)生具備良好的科研思維，是有效培養(yǎng)創(chuàng)新人才的關(guān)鍵所在。在電磁學(xué)教學(xué)中加強(qiáng)科研思維的訓(xùn)練，需要將講授的知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的問題還原成科學(xué)問題，然后通過逐步引導(dǎo)，讓學(xué)生重新探索或體驗(yàn)這一問題的解決過程，藉此讓學(xué)生得到科研思維的鍛煉。實(shí)踐表明，該教學(xué)方式受到學(xué)生的歡迎，對(duì)培養(yǎng)他們的科研思維具有較大幫助。

參考文獻(xiàn)

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