基于物理學(xué)史進(jìn)行創(chuàng)新性思維培養(yǎng)的教學(xué)探索*

黃志敏 張榮 張雷

(中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇 徐州 221116)

石禮偉

(中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇 徐州 221116;中國礦業(yè)大學(xué)教務(wù)部 江蘇 徐州 221116)

通識教育基礎(chǔ)課程《大學(xué)物理》的授課對象是非物理類專業(yè)本科低年級學(xué)生.這個階段的學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的認(rèn)知多處在“審-設(shè)-列-解-答”的層面，學(xué)習(xí)模式以刷題為主，學(xué)習(xí)熱情不高，重結(jié)果，輕過程，重分?jǐn)?shù)，輕能力.因此，迫切需要通過課程改革來激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，使學(xué)生在掌握物理基礎(chǔ)知識的同時獲得創(chuàng)新能力.

《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》(簡稱《實施意見》)給出了課程改革的指導(dǎo)意見：改革方法，課堂活起來.以提升教學(xué)效果為目的創(chuàng)新教學(xué)方法.強(qiáng)化課堂設(shè)計，解決好怎么講好課的問題，杜絕單純知識傳遞、忽視能力素質(zhì)培養(yǎng)的現(xiàn)象.強(qiáng)化現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，解決好教與學(xué)模式創(chuàng)新的問題，杜絕信息技術(shù)應(yīng)用的簡單化、形式化.強(qiáng)化師生互動、生生互動，解決好創(chuàng)新性、批判性思維培養(yǎng)的問題，杜絕教師滿堂灌、學(xué)生被動聽的現(xiàn)象[1].

該意見為課程改革指明了方向.我們以此為行動指南，進(jìn)行了一系列教學(xué)上的探索,確立了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維的教學(xué)目標(biāo)，提出了基于物理學(xué)史的《大學(xué)物理》課程思維引導(dǎo)型教學(xué)方法，形成了聚焦學(xué)生創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的教學(xué)模式.本文介紹了該教學(xué)模式的運(yùn)用思路，給出了教學(xué)實踐的具體實施步驟.

1 確定創(chuàng)新思維訓(xùn)練素材 規(guī)劃創(chuàng)新思維訓(xùn)練方案

我國高?！洞髮W(xué)物理》課程的教學(xué)目標(biāo)普遍是從知識、能力和素質(zhì)3個維度來設(shè)置的，這與《實施意見》是完全吻合的.那么，怎樣把三者有機(jī)融合，實現(xiàn)《大學(xué)物理》課程培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的功能？這需要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仔細(xì)梳理，充分發(fā)掘創(chuàng)新元素，設(shè)計創(chuàng)新思維訓(xùn)練方案.

眾所周知，知識的獲取是一個由淺入深，由局部到整體的過程.建立知識之間的聯(lián)系有助于發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)或規(guī)律[2].大學(xué)物理 “知識鏈”較長，各部分自成體系，但在研究方法上又彼此融會貫通.因此,怎樣以研究方法為主線把各部分知識有機(jī)整合，形成有序、連貫、完備的知識體系？是一個亟待解決的問題.在這方面，物理學(xué)史因其具有研究物理學(xué)的理論與方法發(fā)生、發(fā)展規(guī)律的特點而值得關(guān)注[3].

物理學(xué)史對學(xué)生了解物理學(xué)的發(fā)展歷程，學(xué)習(xí)物理學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式，樹立科學(xué)的世界觀具有重要的意義.知識是傳授方法的媒質(zhì)，方法是學(xué)習(xí)的目標(biāo)所在.掌握了科學(xué)的研究方法，就可以去探索更多的未知領(lǐng)域，進(jìn)而引發(fā)更加深入的思考與反思，實現(xiàn)真正的“深層學(xué)習(xí)”[4].教師要把理論誕生的歷史背景、物理學(xué)家的靈感突現(xiàn)、研究方法的巧妙運(yùn)用、研究結(jié)果的抽象提煉過程充分融合，凝練出研究過程中的理論創(chuàng)新、方法創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，把物理學(xué)史的內(nèi)容打造成一個個蘊(yùn)含著豐富創(chuàng)新思想的教學(xué)模塊.在此基礎(chǔ)上，以科研創(chuàng)新為主線，以思維訓(xùn)練為依托，將上述教學(xué)模塊有機(jī)組合，構(gòu)建循序漸進(jìn)的創(chuàng)新思維培養(yǎng)方式，引導(dǎo)學(xué)生在思考中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中思考.

經(jīng)過充分討論和試點，我們提出了“用豐碩的研究成果激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，用艱辛的研究過程鼓舞斗志，用獨到的研究視角開拓眼界，用巧妙的研究方法訓(xùn)練創(chuàng)新思維”的教學(xué)方案.

2 動態(tài)設(shè)置教學(xué)目標(biāo) 分階段開展創(chuàng)新思維訓(xùn)練

創(chuàng)新思維習(xí)慣的養(yǎng)成需要不斷調(diào)整，逐漸深化.因此，教學(xué)活動的開展也要順應(yīng)這個特點，循序漸進(jìn)，各有側(cè)重.綜合考慮學(xué)生的認(rèn)知水平和接受能力，可以把教學(xué)活動劃分為知識積累、思維訓(xùn)練、思維引導(dǎo)3個階段.

2.1 知識積累階段

開課伊始，學(xué)生的物理水平參差不齊.因此，這個階段的教學(xué)目的是基本知識與研究方法的掌握，教學(xué)重點是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，建立科學(xué)的思維方式，教學(xué)方法宜采用類比法.教師通過對物理理論形成歷程的講解，從知識發(fā)展和研究方法的角度對相關(guān)知識點進(jìn)行橫向類比分析，使學(xué)生能夠把當(dāng)下的學(xué)習(xí)內(nèi)容和以前掌握的知識建立起關(guān)聯(lián)，充分意識到研究方法的普適性，逐步學(xué)會對問題進(jìn)行歸類，根據(jù)問題的特點來選擇有效的研究方法.此處可以借助思維導(dǎo)圖把物理學(xué)家的創(chuàng)新思維具體化，實現(xiàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容精細(xì)化，知識結(jié)構(gòu)模塊化，思維過程可視化.

例如，在講解剛體定軸轉(zhuǎn)動定律時，先回顧伽利略在研究慣性問題時所運(yùn)用的觀察、實驗與理論分析相結(jié)合，將實際現(xiàn)象抽象成理想情況等思想方法[5]，讓學(xué)生意識到看問題要看清最本質(zhì)的理想情況，從而找到不同問題之間的內(nèi)在聯(lián)系.然后引導(dǎo)學(xué)生思考：平動與剛體的定軸轉(zhuǎn)動在研究方法上是否會存在一定的相似性？指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖1中“復(fù)習(xí)”部分的內(nèi)容大膽推測，仿照填寫 “討論”部分的內(nèi)容，直至寫出剛體定軸轉(zhuǎn)動定律.這種教學(xué)方式不僅有助于加深概念理解，還能教會學(xué)生怎樣思考，使學(xué)生真正地參與到教學(xué)活動中來.

圖1 知識積累階段教學(xué)示例思維導(dǎo)圖

這里采用了類比聯(lián)想創(chuàng)新思維方法中的“綜攝法”來開展教學(xué)活動[6]，讓學(xué)生通過用經(jīng)典的研究方法去解決新問題的親身實踐，來實現(xiàn)思維上的“觸類旁通，異中求同”.

2.2 思維訓(xùn)練階段

上一階段的學(xué)習(xí)使學(xué)生對基礎(chǔ)知識和基本研究方法有了一定的認(rèn)識.因此，這個階段的教學(xué)目的是科學(xué)思維方法的掌握，教學(xué)重點是思維能力的提升，包括問題歸類，建立物理模型，選擇研究方法等，宜采用啟發(fā)式的教學(xué)方法.教師應(yīng)側(cè)重于講清楚物理學(xué)家在對實際問題進(jìn)行抽象時的思維過程，便于學(xué)生模仿練習(xí).在物理模型建立以后，可以采用聯(lián)想教學(xué)法，采取翻轉(zhuǎn)課堂的形式，引導(dǎo)學(xué)生對新建立的物理模型進(jìn)行研究探索.這種教學(xué)方式能夠讓學(xué)生自己動手開展研究，進(jìn)而引發(fā)深層次的思考，使學(xué)生從被動的“聽”轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥摹跋搿?

例如，在引入穩(wěn)恒電流的磁場時，可以利用磁場和靜電場的相似性，對學(xué)生進(jìn)行知識遷移思維訓(xùn)練.教師從早期的磁現(xiàn)象講到電流磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和研究，引導(dǎo)學(xué)生思考磁現(xiàn)象的本質(zhì)是什么.接著通過安培分子電流假說的介紹，讓學(xué)生了解物質(zhì)磁性的本源是電荷的運(yùn)動[7].在此基礎(chǔ)上提出第一個問題：“靜電場是由靜止的電荷激發(fā)的，那么電荷運(yùn)動時激發(fā)的磁場該怎樣描述？這個場是否與運(yùn)動速度有關(guān)？”利用圖2，教師先帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)靜電場的性質(zhì)，然后通過翻轉(zhuǎn)課堂組織各組學(xué)生通過討論并填寫“討論Ⅰ”部分的5個空格.進(jìn)一步提問：“推測出了單個運(yùn)動點電荷激發(fā)的磁場，下一步該怎么進(jìn)行？”仿照質(zhì)點運(yùn)動學(xué)中由單個質(zhì)點到質(zhì)點系的研究思路，引導(dǎo)學(xué)生探討當(dāng)大量點電荷以相同的速度運(yùn)動時，其周圍空間產(chǎn)生磁場的表達(dá)形式.這個環(huán)節(jié)中，教師先給出電流元模型(見“討論Ⅱ”)，各小組充分討論，直至推導(dǎo)出最終結(jié)果.這種教學(xué)方式可以激發(fā)思維潛能，教會學(xué)生怎樣深入開展研究.尤其是當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的猜想被一個個證實的時候，不僅可以顯著增強(qiáng)自信心，還能潛移默化地學(xué)會科學(xué)思維的方法，領(lǐng)略創(chuàng)新思維的精髓.

圖2 思維訓(xùn)練階段教學(xué)示例思維導(dǎo)圖

這里采用了創(chuàng)新方法——“中山正和法”中的辯證思考模式“假說檢定”來開展教學(xué)活動[6].教師帶領(lǐng)學(xué)生 “剝繭抽絲，探尋本質(zhì)”，讓學(xué)生通過親身思考和實踐來體會基于邏輯推理的聯(lián)想發(fā)散的具體應(yīng)用.

2.3 思維引導(dǎo)階段

前面的學(xué)習(xí)使學(xué)生初步學(xué)會了科學(xué)的思維方式，掌握了科學(xué)的研究方法.因此，這個階段的教學(xué)目的是訓(xùn)練學(xué)生自主思考，教學(xué)重點是自主思考，自主探索的引導(dǎo)，宜采用討論式教學(xué)方法.要增強(qiáng)課堂感染力，激發(fā)學(xué)習(xí)興奮點，提高課堂參與度，調(diào)動學(xué)習(xí)積極性，讓學(xué)生有代入感和參與感，在自主研究中深度體驗科學(xué)研究的完整過程，不斷改進(jìn)自己的思維方式.

教師要深挖物理理論的形成背景和研究過程，埋設(shè)關(guān)鍵問題，將授課內(nèi)容劃分為“由現(xiàn)象提出問題，由經(jīng)驗提出猜想，由實驗判斷正誤，由分析得出結(jié)論”4個部分.授課時應(yīng)側(cè)重于物理理論形成背景的介紹，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)預(yù)設(shè)的問題，從而自主完成上述4個部分的內(nèi)容.課堂教學(xué)可以采用辯論賽的形式，使每位學(xué)生都能真正地參與到課堂中來.

例如，在講解康普頓效應(yīng)時，如圖3所示，教師先介紹關(guān)于γ射線吸收和散射性質(zhì)的實驗研究，特別指出那些用經(jīng)典理論無法解釋的實驗現(xiàn)象.同時，介紹這期間愛因斯坦光量子理論，并將光的波粒二象性的思想傳遞給學(xué)生，讓學(xué)生感到γ射線散射實驗中所發(fā)現(xiàn)的不尋常現(xiàn)象和光的波粒二象性之間似乎存在著某種聯(lián)系，引發(fā)其好奇心.隨后，詳細(xì)介紹1919年以后康普頓利用γ射線和X射線所開展的散射實驗研究，回顧康普頓經(jīng)歷重重失敗，最終考慮相對論效應(yīng)[8]，成功解釋散射后波長變長的實驗現(xiàn)象的曲折過程(“歷史回顧”部分).

在完成了穿越時空的科學(xué)之旅后，教師介紹康普頓效應(yīng)的重要意義以及康普頓由此所獲得的榮譽(yù)(“巔峰重現(xiàn)”部分)來進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的好奇心：是什么樣的理論推導(dǎo)會取得這么偉大的成就？

在充分調(diào)動起學(xué)生思考的熱情之后，教師組織學(xué)生分組討論物理模型的構(gòu)建，計算散射光子與入射光子波長之間的差值Δλ，寫出解決思路和方案(“經(jīng)典復(fù)刻”部分)，展開辯論直至得到正確的結(jié)論，實現(xiàn)一個完整地利用已有知識解決新問題的過程.

通過這種教學(xué)方式，教師帶領(lǐng)學(xué)生“品味物理，重溫經(jīng)典”，使學(xué)生獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗，從而對學(xué)生的自主思維能力進(jìn)行全面系統(tǒng)地訓(xùn)練.

上述創(chuàng)新性思維訓(xùn)練過程可以用圖4來概括.

圖3 思維引導(dǎo)階段教學(xué)示例思維導(dǎo)圖

圖4 創(chuàng)新性思維訓(xùn)練過程導(dǎo)圖

3 結(jié)束語

綜上所述，在“用有趣的科學(xué)探索導(dǎo)入課程，用縝密的邏輯思維貫穿課程，用巧妙的研究方法主導(dǎo)課程，用清晰的思維導(dǎo)圖鞏固課程”的思想指導(dǎo)下，以物理學(xué)史為載體，將創(chuàng)新性思維培養(yǎng)貫穿教學(xué)始終，使學(xué)生通過親身實踐體會物理理論誕生的艱辛過程，形成“抽象實際問題→確定研究參量→建立物理模型→尋找變量關(guān)系→歸納總結(jié)結(jié)論”的思維習(xí)慣和處理問題的方式.這種教學(xué)模式能讓學(xué)生真正實現(xiàn)“遇到問題有解決思路，分析問題有多重角度，解決問題有有效方法，總結(jié)問題有清晰脈絡(luò)”.對創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)是一個有力的促進(jìn)，對學(xué)生參加國際青年物理學(xué)家競賽、“挑戰(zhàn)杯”等各類科技學(xué)術(shù)競賽均能起到有效的推動作用，對學(xué)生未來的研究工作也將起到積極的輔助作用，為新工科背景下基礎(chǔ)物理教學(xué)的改革創(chuàng)新提供了一種思路和方法.

對學(xué)生的創(chuàng)新性思維培養(yǎng)是一個長期的過程，不能一蹴而就，應(yīng)該循序漸近，緊持不懈.在平時課堂教學(xué)過程中，可通過設(shè)問、課堂練習(xí)等教學(xué)環(huán)節(jié)有意識地訓(xùn)練、引導(dǎo)，也可利用布置作業(yè)、學(xué)生的課外學(xué)習(xí)活動加以引導(dǎo).相信在師生的共同努力下，學(xué)生的創(chuàng)新性思維能力一定會有顯著的提高.