培養原創性思維的大學物理教學思考與實踐

李紅 楊新建

(中國石油大學(華東)理學院 山東 青島 266580)

創新型人才應該具有強烈的社會感和優秀的思維[1]，能夠進行以科學為根基的探究式學習[2]，能夠站在國際學術的前沿，了解與把握科學的最新進展[3].這樣的人才培養客觀上要求大學物理教學不能單純地進行理論知識和實驗技能的傳授，更要注重對學生科學思維方法和創新素質的培養.

筆者所在教研組在多年的教學實踐中，堅持以“實驗和物理學史”為主線，學生學習從實驗開始，由現象引出問題，通過討論解決問題.課堂講解從學史入手，由物理學家解決問題的過程提煉學術研究的方法，傳授思想創新的要義，鼓勵原創性思維.

1 以實驗為主線 強調合作 動手動腦 討論與反思

常規的教學思路一般是,學生課前預習教材內容—教師課堂演示實驗—教師講解教材內容—學生課下練習或者進演示實驗室參觀體驗.這樣的過程是為了讓學生先了解理論知識，再通過親自做實驗，將理論加以應用.但筆者多年的教學經驗得出，這樣的過程效果并不理想.由于受到學時、教學任務和實驗條件的限制，很多耗時長或者儀器較大的實驗不能當堂演示,而演示效果較好的實驗，教師演示時也要面向整個課堂，且“速戰速決”,致使學生觀察實驗現象不充分或者根本沒有實驗體驗，在這樣的情況下，學習理論知識不積極.在對理論一知半解的情況下，走入實驗室也沒了稀奇感和探索欲，很多學生只是走馬觀花.但如果課前先讓學生進入實驗室預習或者自己制作演示儀器，再走入課堂進行理論部分的學習，情況將大有改觀.我們的嘗試如下.

1.1 課前預習

在此階段，以小組合作實驗為主，教材理論內容為輔.我們將每學期需要演示的實驗分成三類.

(1)耗時較長，或儀器形體較大，或實驗現象不適合集體觀察，這類實驗只能在實驗室完成.比如，庫侖扭秤、圓錐爬坡、低氣壓下輝光放電、雅格布天梯、魚洗、窺視無窮等.

(2)演示儀器不易制作但集體演示效果較好.比如,角速度合成、進動演示儀、縱駐波、伽爾頓板、雙折射、夢幻球等，這類實驗要求教師在課堂上演示，同時要求學生在實驗室完成.

(3)原理簡單、儀器便于制作.比如,向心力、角動量守恒、摩擦起電、薄膜干涉等，這類實驗原則上鼓勵學生自行設計，自制儀器驗證或者演示，也可以進入實驗室操作.

學期初，將本學期所有實驗及相關的儀器名稱印發給學生，并把學生以宿舍為單位分組(學習小組一旦成立，一般情況不再更改).上新課的前一周，標出相應的實驗，需要在實驗室完成的實驗，要求各學習小組就儀器的操作展開調研和學習，撰寫學習報告(每小組一份，無格式要求，寫清楚即可)，經檢查合格后,便可進入實驗室做實驗.就實驗現象、實驗數據和出現的問題及相關思考撰寫簡單的實驗報告，并預習與實驗相關的理論知識.便于自制儀器演示的實驗，要求寫出具體的設計方案，較復雜元件可借用實驗室的使用，整個組裝過程也可在實驗室完成.

1.2 課堂學習

在課堂學習中，圍繞實驗和問題展開，以學生討論為主，教師講解為輔.通過親自操作或者制作儀器，認真觀察實驗現象，預習與實驗相關的理論知識，再走入課堂的學生會有很多問題急于解決，他們渴望獲取知識，更渴望發表自己的看法和感想.我們通常先將需要演示的實驗演示一遍，重點不在激發學生的學習興趣，而在培養學生的實驗素養.

(1)要遵守實驗規程，按步驟進行，不隨便操作；

(2)要愛護實驗儀器，按要求選取，不隨意拼湊；

(3)要尊重實驗事實，不偽造現象，不更改數據；

(4)要關注實驗細節，不輕易放過偶然現象[4].

然后和學生進一步就實驗現象提煉出要討論或者待解決的問題，再放手讓學生在本學習小組內進行討論，給出解決問題的方案或者思路.通過各小組代表發言，探討出最合理的解決問題的方法,并引導學生獨立展開對教材內容的學習,最后,教師就理論部分的難點和重點問題加以闡述.

例如，關于光的雙折射現象，學生通過做實驗已經清楚兩束透射光不相干的實驗事實，教師再次演示實驗后，和學生共同分析得出要解決的問題，即兩束透射光的性質如何？不相干的原因是什么？光在水、空氣中為什么不發生雙折射現象？在方解石一類的晶體中到底發生了什么？學生通過討論得出相關的結論，并展開對教材內容的學習.最后,教師就其中比較繁瑣的數學推導加以解釋，同時介紹前人對光是橫波還是縱波的研究過程，使學生明白類比不是論證，通過類比方法所做出的假設(如這里將光波與聲波類比，認為光波也是縱波)或結論最終必須通過實驗以及在今后的實踐中得到檢驗[5]，培養學生嚴謹求真的科學態度和敢于挑戰常規思維的精神.

1.3 課后作業

對于課后作業,以學生總結反思為主,習題練習為輔.經過課前的實驗操作，課堂的討論、分析，學生最需要的就是好好地理解和充分地思考.如果這時候教師按常規方法，布置大量的、繁瑣的習題，不但不會起到鞏固所學知識的目的，還可能將學生剛剛燃起的求知欲抹煞掉.所以，我們要培養和保護學生的探索精神和創新意識，就必須給他們足夠自由思考的時間，讓他們如古人一樣長時間的“格物”,追問光的本性、物質的構成……

如上，整個教學思路變為學生課前動手做實驗并預習理論知識—師生就實驗現象提煉出待解決的問題—學生討論并給出解決問題的思路—師生探討總結出最合理的解決問題的方法—教師講解難點、重點內容—學生課下反思、練習或者再次進實驗室體驗.這樣,目標明確的學習，不僅鍛煉了學生動手、動腦、查閱文獻和與人合作的能力，而且使學生體驗到了共同合作發現問題、提出問題和解決問題的快樂.正如物理學家費曼所言：“在對科學的學習中，你學會通過實驗和誤差處理問題，養成一種獨創精神和自由的探索精神，這比科學本身的價值更巨大.你還要問自己有沒有更好的方法來做.”

2 以物理學史為主線 注重過程 鼓勵創新

2.1 講學史注重過程 突出科學思維方法

闡明概念的提出史和定律的建立史，提煉科學家研究問題的方法，引導學生嘗試“模仿性”創新.

物理概念和定律本身及其提出和建立過程的重要性毋庸置疑，然而，學生對概念和定律的重視還僅限于應用的層面.比如，很多學生都能夠熟練掌握和運用理想氣體的內能公式，但對該公式的理論基礎“能量均分定理”卻不能給出準確地描述.造成這種現象的原因是多方面的，其中教師的授課方式和教學側重點起著重要的引導作用.如果教師授課采用機械地“擺知識和羅列公式”，給其然不講其所以然，學生自然會效仿之.因此，我們嘗試以物理學史為主線，例如，物理學家為什么要提出這些概念,建立這些定律?其提出或建立過程如何?該概念或定律的提出解決了怎樣的物理問題?力求講清楚每一個物理概念或定律的來龍去脈.

例如，學生通過驗證性的實驗已經掌握了畢奧-薩伐爾定律的內容及其應用，這時，我們就其建立過程再展開講解.

(1)史實:奧斯特發現了電流的磁效應之后，安培進一步定性研究了通電直導線之間的相互作用及通電螺線管對磁極的作用.

(2)問題：電流磁效應的定量結果如何？

(3)解決過程：畢奧和薩伐爾通過實驗發現,載流長直導線施加在磁針磁極上的力反比于磁極與導線間的距離，法國數學物理學家拉普拉斯理論得出每個電流元施加在磁極上的作用力的規律公式

其中f(θ)是未知函數，畢奧、薩伐爾再次用實驗證實這個函數確實存在并確定其具體形式為sinθ，給出了原始的畢奧-薩伐爾定律的數學形式

后人修正為電流元產生的磁感強度大小

同時，引導學生提煉出該過程中所蘊含的研究方法是明確研究問題—實驗觀察—理論分析(提出假說或建立模型)—實驗驗證，進一步修正或完善理論.

通過以上的講解使學生充分了解物理學家獨立的思考過程和互相合作的工作過程，從中體會交流與合作的重要性，學習他們發現問題、分析問題和解決問題的思維方法.在學習的過程中適時引導學生加以應用，嘗試“模仿性”創新.例如，在講簡諧振動時，讓各學習小組用上面的研究方法研究單擺的運動，學生們會很快給出答案即待研究問題——建立單擺做簡諧振動的運動方程；巧妙設計實驗——選取輕質擺繩，盡量減小摩擦；理論分析——提出角振幅、角頻率和初相位的概念，給出簡諧振動的運動方程和單擺的周期公式；實驗驗證，進一步完善理論——給出單擺擺角小于5°的限制條件.

2.2 注重對物理本質問題的思考和前沿問題點撥 鼓勵學生嘗試原創性創新

筆者在從事教學的過程中經常問學生：“物理學最迷人的地方是什么？”學生會很傳統地回答：“物理定律、物理思想和方法、物理學家的探索精神……”.誠然，這是我們一直向學生或試圖向學生展示，并希望學生能夠真正體會到的.然而，筆者認為物理學最令人著迷和癡狂的地方是人們對物質世界本性所做的深深地思考，“電荷是什么？夸克有沒有結構？西格斯粒子真的存在嗎？高溫超導的機理是什么？怎樣才能找到暗物質、暗能量？……”注重對這些物理本質問題的發問，并適時進行前沿問題點撥.例如,講完經典力學的內容之后，介紹一下人們為統一四大作用力所做的努力，包括標準模型和玄理論，講完熱學之后，簡單介紹黑洞熱力學的相關研究進展等等，可以啟迪學生進行原創性思考.土木工程專業的一名學生在學習完狹義相對論后，不無遺憾地對筆者說：“老師，我要是當初選擇理科就好了，可以專門研究光速問題.”筆者鼓勵他利用課余時間進行這方面的調研和思考，他通過研究分析得到，高速物體質量增加源于內能的減小，并撰寫科技論文一篇.

啟發學生關心物理本質問題，在模仿性創新的基礎上，勇于嘗試思想性、原創性創新，這正是大學物理教學的真正價值所在.

3 考核方式兼顧學生的科學素質和人文素質

為了加大對學生原創性思維的培養力度，進一步鼓勵合作與創新，鞏固以實驗和物理學史為主線的教學成果，我們嘗試對學生的考核多元化，兼顧科學素質和人文素質.具體操作如下(總評結果以百分計).

3.1 理論知識測試 考核與考查相結合

通過對大學物理的學習，學生不僅要受到物理學文化的熏陶，還要掌握必要的物理知識.因此，對物理理論知識的測評可以采取考核與考查相結合的方法.考核采用閉卷形式，重在測試學生對物理基本概念和定理、定律的理解及其簡單應用.考查采用提交論文的形式，學生可以就某個物理熱點問題(科研或教學均可)，或者有爭議的假說，或者自己感興趣的課題展開調研，論述自己的見解和想法.兩種方法考評的結果各占總評的20%.第二種方式雖然有一定的難度卻頗受學生的青睞，他們撰寫的論文題材豐富，有科技類、教育類、發明制作、好書推薦等等.其中不乏較優秀的論文，如“鐵磁半導體/d-波超導結的自旋極化輸運”、“粗糙界面對鐵磁半導體/d-波超導結隧道譜的影響”、“物理學的人文文化對大學生創新人格塑造的影響”等已經分別在《低溫與超導》、《低溫物理學報》和《物理通報》等刊物上發表.學生一致反映,通過調研和撰寫論文，開拓了眼界，鍛煉了思維，彌補了知識的欠缺.

3.2 實驗技能測試 操作與制作相結合

通過課前預習實驗和課后反思，學生們已經養成了由現象提出問題，遇到問題到實驗室進行解決的思維模式，所以，大學物理教學也要包括對學生實驗技能的考評.考評分兩種，一是利用演示室中的儀器，被考核學生獨自操作，分析實驗現象，介紹實驗原理，處理實驗數據，主考教師現場打分；二是自制實驗儀器(該想法得益于文獻[6]的啟發)，學期末各學習小組自由選擇演示題目，自行設計，自己組裝、調試儀器，準備充分后提出答辯申請.主考教師根據學生演示及答辯情況為小組打分.兩種方法考評的結果各占總評的20%.對于構思巧妙的設計不僅可以申請國家專利(如利用干涉消聲制成的靜音鼠標，利用靜電除塵原理制作板擦等)，還可以將研究過程撰寫成科技論文，為將來從事科學研究奠定基礎，學生從中也獲益匪淺.

3.3 綜合素質測試 自評與互評相結合

學生的綜合素質測評包括科學素質和人文素養兩個方面，主要針對學生在文獻調研、合作實驗、課堂討論、課余反思中的表現展開，采用學生自評和學習小組內互評的方式，兩種方法考評的結果各占總評的10%.多數學生都能給自己和同學客觀公正的評價，有的學生還主動進行個人總結，將自己的學習心得、不足之處和努力方向都寫得清清楚楚，令人欣慰.

參考文獻

1 楊叔子. 時代的必然趨勢：科學文化與人文文化交融. 中國高教研究, 2004(8): 8～13

2 羅星凱，李萍昌. 探究式學習：含義、特征和核心要素. 教育研究，2001(12): 52

3 朱崇實. 研究型大學的責任：培養創新型人才. 中國高等教育, 2011(7): 4～5

4 曹福軍. 如何培養學生的實驗素養. 唐山師專學報, 1998(5): 14

5 倪光炯，王炎森. 物理與文化——物理思想與人文精神的融合. 北京：高等教育出版社，2009. 75

6 郭力, 石少波. 演示實驗制作促進動手動腦的大學物理探索式學習的改革嘗試. 大學物理, 2010(3): 50～52