基于物理學史進行創新性思維培養的教學探索*

黃志敏 張榮 張雷

(中國礦業大學材料與物理學院 江蘇 徐州 221116)

石禮偉

(中國礦業大學材料與物理學院 江蘇 徐州 221116;中國礦業大學教務部 江蘇 徐州 221116)

通識教育基礎課程《大學物理》的授課對象是非物理類專業本科低年級學生.這個階段的學生對物理學習的認知多處在“審-設-列-解-答”的層面，學習模式以刷題為主，學習熱情不高，重結果，輕過程，重分數，輕能力.因此，迫切需要通過課程改革來激發學生學習物理的興趣，使學生在掌握物理基礎知識的同時獲得創新能力.

《教育部關于一流本科課程建設的實施意見》(簡稱《實施意見》)給出了課程改革的指導意見：改革方法，課堂活起來.以提升教學效果為目的創新教學方法.強化課堂設計，解決好怎么講好課的問題，杜絕單純知識傳遞、忽視能力素質培養的現象.強化現代信息技術與教育教學深度融合，解決好教與學模式創新的問題，杜絕信息技術應用的簡單化、形式化.強化師生互動、生生互動，解決好創新性、批判性思維培養的問題，杜絕教師滿堂灌、學生被動聽的現象[1].

該意見為課程改革指明了方向.我們以此為行動指南，進行了一系列教學上的探索,確立了培養學生創新性思維的教學目標，提出了基于物理學史的《大學物理》課程思維引導型教學方法，形成了聚焦學生創新思維能力培養的教學模式.本文介紹了該教學模式的運用思路，給出了教學實踐的具體實施步驟.

1 確定創新思維訓練素材 規劃創新思維訓練方案

我國高?！洞髮W物理》課程的教學目標普遍是從知識、能力和素質3個維度來設置的，這與《實施意見》是完全吻合的.那么，怎樣把三者有機融合，實現《大學物理》課程培養高素質創新型人才的功能？這需要對教學內容進行仔細梳理，充分發掘創新元素，設計創新思維訓練方案.

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.建立知識之間的聯系有助于發現其本質或規律[2].大學物理 “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，物理學史因其具有研究物理學的理論與方法發生、發展規律的特點而值得關注[3].

物理學史對學生了解物理學的發展歷程，學習物理學家嚴謹的思維方式，樹立科學的世界觀具有重要的意義.知識是傳授方法的媒質，方法是學習的目標所在.掌握了科學的研究方法，就可以去探索更多的未知領域，進而引發更加深入的思考與反思，實現真正的“深層學習”[4].教師要把理論誕生的歷史背景、物理學家的靈感突現、研究方法的巧妙運用、研究結果的抽象提煉過程充分融合，凝練出研究過程中的理論創新、方法創新和技術創新，把物理學史的內容打造成一個個蘊含著豐富創新思想的教學模塊.在此基礎上，以科研創新為主線，以思維訓練為依托，將上述教學模塊有機組合，構建循序漸進的創新思維培養方式，引導學生在思考中學習，在學習中思考.

經過充分討論和試點，我們提出了“用豐碩的研究成果激發學習熱情，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練創新思維”的教學方案.

2 動態設置教學目標 分階段開展創新思維訓練

創新思維習慣的養成需要不斷調整，逐漸深化.因此，教學活動的開展也要順應這個特點，循序漸進，各有側重.綜合考慮學生的認知水平和接受能力，可以把教學活動劃分為知識積累、思維訓練、思維引導3個階段.

2.1 知識積累階段

開課伊始，學生的物理水平參差不齊.因此，這個階段的教學目的是基本知識與研究方法的掌握，教學重點是激發學習興趣，建立科學的思維方式，教學方法宜采用類比法.教師通過對物理理論形成歷程的講解，從知識發展和研究方法的角度對相關知識點進行橫向類比分析，使學生能夠把當下的學習內容和以前掌握的知識建立起關聯，充分意識到研究方法的普適性，逐步學會對問題進行歸類，根據問題的特點來選擇有效的研究方法.此處可以借助思維導圖把物理學家的創新思維具體化，實現學習內容精細化，知識結構模塊化，思維過程可視化.

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

圖1 知識積累階段教學示例思維導圖

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

2.2 思維訓練階段

上一階段的學習使學生對基礎知識和基本研究方法有了一定的認識.因此，這個階段的教學目的是科學思維方法的掌握，教學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，宜采用啟發式的教學方法.教師應側重于講清楚物理學家在對實際問題進行抽象時的思維過程，便于學生模仿練習.在物理模型建立以后，可以采用聯想教學法，采取翻轉課堂的形式，引導學生對新建立的物理模型進行研究探索.這種教學方式能夠讓學生自己動手開展研究，進而引發深層次的思考，使學生從被動的“聽”轉變為主動的“想”.

例如，在引入穩恒電流的磁場時，可以利用磁場和靜電場的相似性，對學生進行知識遷移思維訓練.教師從早期的磁現象講到電流磁效應的發現和研究，引導學生思考磁現象的本質是什么.接著通過安培分子電流假說的介紹，讓學生了解物質磁性的本源是電荷的運動[7].在此基礎上提出第一個問題：“靜電場是由靜止的電荷激發的，那么電荷運動時激發的磁場該怎樣描述？這個場是否與運動速度有關？”利用圖2，教師先帶領學生復習靜電場的性質，然后通過翻轉課堂組織各組學生通過討論并填寫“討論Ⅰ”部分的5個空格.進一步提問：“推測出了單個運動點電荷激發的磁場，下一步該怎么進行？”仿照質點運動學中由單個質點到質點系的研究思路，引導學生探討當大量點電荷以相同的速度運動時，其周圍空間產生磁場的表達形式.這個環節中，教師先給出電流元模型(見“討論Ⅱ”)，各小組充分討論，直至推導出最終結果.這種教學方式可以激發思維潛能，教會學生怎樣深入開展研究.尤其是當學生發現自己的猜想被一個個證實的時候，不僅可以顯著增強自信心，還能潛移默化地學會科學思維的方法，領略創新思維的精髓.

圖2 思維訓練階段教學示例思維導圖

這里采用了創新方法——“中山正和法”中的辯證思考模式“假說檢定”來開展教學活動[6].教師帶領學生 “剝繭抽絲，探尋本質”，讓學生通過親身思考和實踐來體會基于邏輯推理的聯想發散的具體應用.

2.3 思維引導階段

前面的學習使學生初步學會了科學的思維方式，掌握了科學的研究方法.因此，這個階段的教學目的是訓練學生自主思考，教學重點是自主思考，自主探索的引導，宜采用討論式教學方法.要增強課堂感染力，激發學習興奮點，提高課堂參與度，調動學習積極性，讓學生有代入感和參與感，在自主研究中深度體驗科學研究的完整過程，不斷改進自己的思維方式.

教師要深挖物理理論的形成背景和研究過程，埋設關鍵問題，將授課內容劃分為“由現象提出問題，由經驗提出猜想，由實驗判斷正誤，由分析得出結論”4個部分.授課時應側重于物理理論形成背景的介紹，引導學生發現預設的問題，從而自主完成上述4個部分的內容.課堂教學可以采用辯論賽的形式，使每位學生都能真正地參與到課堂中來.

例如，在講解康普頓效應時，如圖3所示，教師先介紹關于γ射線吸收和散射性質的實驗研究，特別指出那些用經典理論無法解釋的實驗現象.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生，讓學生感到γ射線散射實驗中所發現的不尋?，F象和光的波粒二象性之間似乎存在著某種聯系，引發其好奇心.隨后，詳細介紹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，回顧康普頓經歷重重失敗，最終考慮相對論效應[8]，成功解釋散射后波長變長的實驗現象的曲折過程(“歷史回顧”部分).

在完成了穿越時空的科學之旅后，教師介紹康普頓效應的重要意義以及康普頓由此所獲得的榮譽(“巔峰重現”部分)來進一步激發學生的好奇心：是什么樣的理論推導會取得這么偉大的成就？

在充分調動起學生思考的熱情之后，教師組織學生分組討論物理模型的構建，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(“經典復刻”部分)，展開辯論直至得到正確的結論，實現一個完整地利用已有知識解決新問題的過程.

通過這種教學方式，教師帶領學生“品味物理，重溫經典”，使學生獲得沉浸式的學習體驗，從而對學生的自主思維能力進行全面系統地訓練.

上述創新性思維訓練過程可以用圖4來概括.

圖3 思維引導階段教學示例思維導圖

圖4 創新性思維訓練過程導圖

3 結束語

綜上所述，在“用有趣的科學探索導入課程，用縝密的邏輯思維貫穿課程，用巧妙的研究方法主導課程，用清晰的思維導圖鞏固課程”的思想指導下，以物理學史為載體，將創新性思維培養貫穿教學始終，使學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→尋找變量關系→歸納總結結論”的思維習慣和處理問題的方式.這種教學模式能讓學生真正實現“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，總結問題有清晰脈絡”.對創新思維能力的培養是一個有力的促進，對學生參加國際青年物理學家競賽、“挑戰杯”等各類科技學術競賽均能起到有效的推動作用，對學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物理教學的改革創新提供了一種思路和方法.

對學生的創新性思維培養是一個長期的過程，不能一蹴而就，應該循序漸近，緊持不懈.在平時課堂教學過程中，可通過設問、課堂練習等教學環節有意識地訓練、引導，也可利用布置作業、學生的課外學習活動加以引導.相信在師生的共同努力下，學生的創新性思維能力一定會有顯著的提高.