大學物理教學中培養學生創新能力的探討*

余曉光 周運志

(井岡山大學數理學院 江西 吉安 343009)

科學技術是國家強盛之基，創新是民族進步之魂[1].16世紀以來，物理學在探索未知的物質結構和運動規律中不斷突破人類認識傳統及局限，推動著科學、技術、產業革命與創新發展，極大地推動了人類文明的進步.同時，物理學的研究方法和世界觀也是其他學科的重大財富.教育部2010年頒布了高等學校物理學與應用物理學本科指導性規范[2]，首次提出了培養學生“具有創造性思維能力、獨立思考及批判性思維能力、初步的科學研究能力和一定的科技開發能力”的創新能力要求.為此，物理教師必須全方位轉變教育教學觀念，把培養學生具有科學精神、科學素養、科學作風和創新意識，具備一定的獨立獲取知識的能力、實踐能力和研究能力，作為教育改革的核心.

本文將在探討創新能力及其結構基礎上，重點從實踐上探討在大學物理教學中構建知識結構體系從而培養學生的創新能力.

1 創新能力

1.1 創新能力的內涵

創新能力就是創造力，它是人的一種高層次的心理素質，是一種提供首創性和價值性產物的能力[3].其本質特征是“提供首創性和價值性的產物”.

創新能力的水平有高低之分.馬斯洛把創新能力分為兩種——“特殊才能的創新能力”和“自我實現的創新能力”.前者指科學家、藝術家等杰出人物的創新能力，其產物是整個人類社會之首創；后者指自我開發意義上的創新能力，其產物對他人和社會來說不一定是首創，但對創新者來說是全新的.科學家們的“特殊才能的創新能力”和普通人的“自我實現的創新能力”，在程度上雖有所差異，但在性質上是互通的.

1.2 創新能力的結構

美國創造性社會心理學家特麗薩·艾曼貝爾認為創新能力由以下幾個主要成分構成[3].

1.2.1 領域技能

領域技能是指一套解決某個特定問題或從事某項特定工作的認知途徑，它包括3個方面：

(1)諳熟該領域的實際知識，如事實、原理、范例、行動方案等；

(2)具有某特定領域所需要的專門技能，如實驗技術、寫作技巧、作曲能力等；

(3)有關領域的特殊“天賦”.

1.2.2 創造性思維

創造性思維是創新能力的核心，它有兩種基本方式：發散思維和收斂思維.發散思維是一種尋求多種答案的思維方式，其特點是大膽假設；收斂思維是一種尋求惟一正確答案的思維形式，其特點是小心求證.要先發散，后收斂.從發散到收斂，再從收斂到發散，多次反復，多次循環，直到問題解決.

1.2.3 工作動機

動機是個體維持和發動活動的心理傾向.它是激勵人們去達到行動目標的主觀原因.動機有內部動機和外部動機之分.內部動機指向于工作本身，創造性活動本身就是一種目的.外部動機指向于工作以外的目標，如物質獎勵、他人的評價等.

在組成創新能力的3個成分中，領域技能和創造性思維，決定著一個人“能做什么”，而工作動機則決定著這個人“將做什么”.

1.3 創新能力結構框架

關于創新能力是怎樣影響創造過程的，艾曼貝爾提出了一個創新能力結構框架[3],如圖1所示.

圖1 創新能力結構框架

在這個框架中，創新能力的3種成分和創造過程的5個階段共同構建了一個創造活動的運轉模式.

創新能力結構框架表明，創造過程可分為5個階段：第一階段為提出問題或明確要完成的任務；第二階段是準備，也就是準備反應或準備產生解決辦法；第三階段是產生反應；第四階段是驗證反應；第五階段是結果，即以第四階段的驗證為基礎，最后作出決定.

艾曼貝爾建構的這個框架表明要想有所創造，任何人都須從3個方面著手：一是要學習專業知識技能，這決定著反應正確與否；二是要訓練思維的靈活多變，熟練運用創造性技能，這決定著產品和反應的新穎程度；三是要自覺地培養創新意識和創造動機，它將決定問題的提出或作何反應，而且也會影響產品和反應的新穎程度和正確程度.這3個方面，正是創造性教學的基本任務.

2 大學物理課程和教學在培養學生創新能力中的重要功能和途徑

在創新能力的培養過程中，各門課程都會發揮其應有的作用[4].大學物理作為一門基礎課,在培養學生的創新能力活動中具有其他課程所不能替代的重要作用.

2.1 學好大學物理是學生建立合理知識結構的基礎

創新人才應該具有合理的知識結構，合理的知識結構是創新能力培養的堅強基石.“物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式、相互作用的自然科學.它的基本理論滲透在自然科學的各個領域，應用于生產技術的許多部門，是其他自然科學和工程技術的基礎.”[5]“該課程所教授的基本概念、基本理論和基本方法是構成學生科學素質的重要組成部分，是一個科學工作者和科學技術人員所必備的.”[5]物理學的知識結構體系具有基礎性、包容性和易遷移性等特點，物理學知識與其他學科知識具有千絲萬縷的關系.為此，要讓學生認識到基礎知識的重要性，不能因為強調物理方法和物理思想而忽視了基礎知識的學習.

系統化的知識是影響問題解決的主要因素[6].為了更好地幫助學生掌握基礎知識，建立系統化的知識結構，在大學物理教學中，應以教材中的基礎知識點為節點，通過知識之間的內在聯系，構建相關的知識結構網絡，以此來引導教學活動.物理知識結構體系分為大體系和小體系.物理學由于教學的需要分為力學、熱學、電學、光學、原子物理學等幾個分支，每個分支的知識結構體系叫大體系(或叫大網絡).例如，力學知識結構體系，熱學知識體系等.物理學每個分支又分為若干章節，每章節或幾章中的知識點用它們內在聯系的線串起來，這就構成了部分章節的知識結構體系，這就是小體系(或叫小網絡).在建構知識結構網絡過程中，教師不僅呈現了知識點的緊密邏輯聯系，還呈現了發現規律的科學思想和方法；在教學過程中，教師引導學生建構由點到線、由線到網的知識結構之網，為培養學生良好的創造性素質打下堅實的知識基礎，也為學生在問題解決中完成思維的發散和收斂，進而為培養創造性思維能力做好準備.

2.2 學好大學物理有助于培養和訓練學生思維的靈活性 掌握創造性技能

根據艾曼貝爾的創新能力結構理論，創造技能(創造性思維)在培養學生創新能力方面是必不可少的.物理學最大的價值在于其科學理性之美.物理學的訓練特別有助于使人具備縝密的思維能力，同時不失去對現實世界種種約束的清醒認識.在學習物理的過程中，學生通過觀察和實驗，經歷分析綜合、歸納演繹、抽象概括、科學抽象、類比推理等思維過程，其科學思維能力必將有不同程度的提升；在真實的物理情境中，學生根據物理問題的特征，抓住其主要矛盾，建立相應的物理模型，并用物理學特有的語言進行描述，從而提升學生分析問題和在真實情境中解決問題的能力.物理學也蘊含豐富的感性之美.學習物理學，有助于培養學生科學的審美觀，使學生認識物理學所具有的均衡對稱、奇異簡潔、和諧統一，使學生學會用美學的觀點欣賞和發掘科學的內在規律，從而提升其創造技能.

發散思維是創造性思維的重要組成部分.在大學物理教學過程中，可以運用思路提示、集體討論、變換角度和多向求解等方法來訓練學生的發散思維能力.在教學方法上，可采用討論式、啟發式，加強師生之間、學生之間的交流，引導學生獨立思考，強化科學思維的訓練，培養學生提出、分析、解決問題的能力.

2.3 學好大學物理有助于培養學生的創造動機和創造意識

根據艾曼貝爾的創新能力結構理論，創造動機和創造意識決定學生“將做什么”， 影響產品和反應的新穎程度和正確程度.學生通過學習物理學的研究方法、物理思想以及發展歷史，樹立科學的世界觀，從而進一步激發其求知欲望、探索熱情、創新意識以及向舊觀念挑戰的勇氣；學習物理學還有助于培養學生求真務實的精神、嚴謹求實的科學態度和刻苦鉆研的作風.

現代認知心理學認為，學習的內在動機成分包括:自我效能感、價值意識、目標定向和學習興趣.在物理教學中，可通過指導學習策略、提高元認知能力、增加動手實踐能力等途徑來提高學生學習物理的自我效能感；在價值意識方面，在具體的物理教育教學過程中，適時地把物理學與前沿技術有效地對接起來，讓學生認識到物理學在現代技術上的應用以及同現代生活的緊密關系，開闊學生眼界、啟迪思維、提高學生自主學習能力；物理知識體系具有科學性、系統性和完美性等特點，其內在的美感是激發學生創造動機的根本動力.在實際教學中，挖掘隱藏在物理規律中和物理公式中的和諧、對稱、整潔、簡單的美，讓學生們去感受、去體會、去欣賞物理之美，能不斷激發學生的創造熱情和興趣.物理學蘊涵豐富的思維方法，物理學的學習過程從某種意義上可以說就是思維方法的學習和應用的過程.在教學過程中指導學生發現物理學中的結構，培養和訓練條理化、結構化的思維習慣，也可以提高學生的學習興趣和創造動機.

3 教學實踐

我們在教學實踐過程中盡量去構建知識網絡體系，保持知識的系統完整性，包括知識的來龍去脈，也就是要通過介紹物理學史讓學生了解物理學家在認識未知客觀世界時的創新突破[7].

例如，我們在力學教學過程中，就構建起了力學知識結構體系,如圖2所示.

通過這個體系引導學生學會由點到線，由線到網，編制知識結構之網，并使學生很輕松地掌握每個知識點的物理意義和本質，為培養良好的創造性素質打下堅實的知識基礎,也正是構建了這樣的知識體系，學生的學習成績有了明顯提升.2017和2018屆物理學本科專業應屆畢業生考研率均達到25%以上；組織學生參加江西省大學生物理創新競賽活動中連續幾年取得了良好成績.熱學、電磁學、光學、原子物理學也正在構建并完善相應的知識體系.

圖2 力學知識結構體系

總之，大學物理教學應充分考慮社會發展的需求，順應“基礎厚、知識寬、能力強、素質高”的創新人才培養目標，注重學生知識、能力和素質的協調發展，特別注重對學生創新意識和創新能力的培養.