基础力学教学中学生创新能力的培养探析

何聚

（黄山学院，安徽黄山 245041）

基础力学教学中学生创新能力的培养探析

何聚

（黄山学院，安徽黄山 245041）

文章结合基础力学教学实践，对如何培养学生的创新能力进行了探讨，指出激发兴趣可以培养学生的创新意识；以案例教学为主，结合多种教学方法可以训练学生的创新思维；实践是提高学生创新技能的唯一途径。

基础力学；创新；案例教学；实践

我国大学的物理教学，虽然具有理论体系完整、注重学生逻辑推理和抽象思维能力培养的特点，但是对于学生创新能力的培养还有一些值得关注的地方。陶行之先生在20年代就曾提出并实施过创新教育[1]，但迄今为止，我国创新教育的发展仍然比较缓慢，很多创新教育实践都收效甚微。诸如“挑战杯”大学生学术科技作品竞赛，“飞思卡尔”机器人大赛等虽然激发了大学生的创新意识，但仍有大部分学生没有参与。实际上，课堂才是学生创新精神成长的主要园地，有效把握课堂的学习环境，培养学生的创新思维是提升学生创新能力的关键所在。在美国，伦塞勒工学院首创的集理论和实验一体的“Studio Physics”[2]很受欢迎，它把实践性环节加入课堂教学中，让学生在高度合作和亲身参与的环境中学习，在对学生创新能力培养方面取得了很好的效果。但是该模式对教师、学生和教学环境的要求非常高。对于新升本科院校，由于学校自身的结构性特点，很多教学条件还有待改善，怎样根据现有条件进行创新能力的培养呢？本文通过笔者近几年来的基础力学教学实践，从创新意识、创新思维和创新技能三方面入手，对基础力学的教学改革进行初步的探讨。

一、激发兴趣，树立创新意识

良好的开端是成功的一半，基础力学作为物理学的入门课程，是物理教学中最基本的内容，它使学生从自然现象中学到基本概念和规律，第一次深切感受科学本身所蕴藏的丰富营养。如果学生一开始就能有兴趣，会对后继教学产生积极影响，所以这门课程能否开设成功在培养学生综合素质方面有着举足轻重的作用。

然而对于初入大学的学生来说，由于公式定理多，枯燥难学，而且与实践结合又比较少，往往不重视基础力学这门课程，认为它没有用处，这也是应试教育的弊端。要改变基础力学课程的现状首要任务就是要激发学生对这门课程的学习兴趣，通过多种形式，树立学生的自信心和创新意识。

在教学中，要创设民主、宽松的教学氛围，经常关注业界的社会热点问题，以引发学生的学习兴趣。例如，可以在教学过程中适当穿插一些“物理学家的贡献”、“与力学有关的重大发明发现”、“与力学有关的社会热点”等等，当讲到动量守恒时，联系我国的神舟运载火箭；讲到振动和波时，联系汶川大地震等。这样不仅可以缓解学生紧张的学习压力，活跃课堂气氛，还能了广泛了解科学事件。由此激起学生树立创新意识的决心，吸引学生主动寻找创新点，进而更加注重对基础理论知识的把握，为实现目标和理想，构建自己的知识体系，培养学习方法。

在课程的讲授中，可以改变传统的授课顺序。比如，不先引入高等数学的内容，而是从运动学问题入手，在从匀速直线运动的速度讲到变加速直线运动的瞬时速度，遇到初等数学不能解决的难题时，穿插牛顿发明微积分的历史，提出牛顿遇到的问题，让学生像牛顿一样自己去创立“流数”，从中明白微积分创立的动力和源泉。然后老师再总结评述，系统地讲解微积分的理论，这样便自然地引入了高等数学的内容。这种结合物理学史的发现法可以使学生不直接面对陌生的公式和符号，避免因对高等数学产生畏惧从而对力学失去兴趣的困境。在这种质疑、讨论的过程中，学生通过自己的思考和发现对创新有了意识，并不自觉地树立了这种思维方式。

对力学发展史的关注会让学生了解前辈在发现规律时的探索途径和思维方法，学习他们百折不挠的精神。讲课中教师不仅介绍他们遇到困难时敢于怀疑、大胆想象的创新精神，同时也强调他们严谨求实、一丝不苟的科学态度。物理学史和规律的推演过程可以在课堂中探讨、反思和剖析，以激发学生的想象。

二、创造环境，训练创新思维

创新思维是创新能力的核心，所以创新思维的训练是课堂教学的重点。基础力学中蕴含着许多创新思维方法——演绎法、类比法、逆向思维法、归缪法等。一旦掌握，对其它学科的学习，也将受益匪浅。刚入大学的学生容易错误地认为大学的力学就是“高中力学”和“高等数学”的结合，不注重理解概念原理，知其然而不知其所以然，更谈不上自觉提高思维能力了。所以创新能力的培养需要创造有利的教学环境，使学生僵化的思想得到解放，重新认识和建构自己的知识体系。

1.案例教学，培养合作探究能力

随着教育改革的进行，基础力学的教学课时逐渐精简，如何既让学生掌握基础力学知识，又培养出一定的创新能力呢？这就要在教学方法上做文章。目前力学教材的内容抽象且枯燥，和工程技术联系少。如果能在课程教学中加入工程技术和实际生活的“案例”，使教学内容贴近现实，会让学生觉得学有所用，产生学习的动力和兴趣。

与课堂讲授、研讨会、模拟角色等教学方法相比，在学生分析问题和解决问题能力提高及观念培养上，案例教学的效果排名第一。[3]案例教学是创新教育在课堂上的重点表现形式。从广义上讲，案例教学法可以界定为通过一个具体情境的描述，引导学生对这些特殊情境进行讨论的一种教学方法。[4]目前，把案例教学应用到大学力学教学中尚处实验探索阶段，笔者在教学实践中利用了一些典型案例来引导和激发学生的创新思维，取得了较好的效果。比如在讲到刚体角动量守恒定律时，课前给学生提供花样滑冰、跳水、猫的下落翻身等案例材料，让学生熟悉查阅。课堂教学分以下几个步骤：（1）设置情境，提出问题。播放花样滑冰及跳水等的视频或图片。让学生思考：为什么运动员的转速可以自如地变快或变慢，猫为什么总能四脚着地等。（2）案例报告生成。学生分组讨论得出自己的案例报告，代表发言。有学生提出可能是外力或外力矩的作用；有学生提出转动惯量变化与角速度有关；还有人疑问：为什么运动员受地面的摩擦力作用还会加速？（3）实验验证。通过实验或课件展示，引导学生分析：运动员可视为刚体，在旋转的时候，所受力和力矩情况与自身形体和速度变化的关系。（4）总结：引导学生得出正确的结论，并对学生的表现给予适当评价。类似的“案例”有很多，例如当讲到冲量和冲力问题时，可引入飞鸟撞击飞机引起的空难事件；讲到共振时，可引入桥梁共振引起的坍塌事件等。

在这一环节有几个问题应给予充分重视：（1）“案例”的选择要灵活，要根据学生认知和适应能力，由易到难，循序渐进，这样学生可望又可及，易找到线索并能很快提起兴趣。（2）课堂上合作探究学习容易造成放任自流、有合作没效果、有探讨没反思等问题，所以要在时间上和深度上适当控制学生的讨论，掌握课堂进度。（3）在运用案例教学的过程中，要特别重视学生答案分析的过程。不同的组可能用不同的方法，先不讨论谁对谁错，只要能自圆其说即可。这样不仅提高了学生参与的热情，也提高了学生的协作组织能力，诱发了学生的创造潜能。

教无定法，案例教学不能生搬硬套，特别对理论推导、数值计算等教学内容是不适宜的，可以用归纳、演绎等方法。所以在课堂上要注意多种教学形式的转换，根据不同的课程内容改变教学方法，提高课堂教学效果。以着力培养学生合作探究的能力为重心，使学生的发散思维、形象思维等都得到引导和锻炼。

2.引导激发，培养提出问题的能力

传统的教育方式多为“灌输式”，只重视知识的积累，学生分析和推理能力都比较薄弱，更谈不上创新思维。

创新来自对所学习或研究的事物的好奇心。好奇心是提出问题的源动力。学生在学习过程中能提出问题，说明在思考问题。没有问题才是最大的问题。正像爱因斯坦说的那样：“我没有特别的天赋，只有强烈的好奇心。”[5]在教学中要充分激发学生的好奇心，让他们多看，多想，多提问题。可以要求学生坚持写观察日记，把自己的疑问及时记下来，归纳出和力学相关的问题并在课堂上提出来，然后大家分组讨论，提出解决方案。对于提出有效问题的学生，应给予适当的分数奖励。这样既丰富了教师的案例库，也可以让学生在思考和讨论的过程中切身感受到力学的无处不在。比如有学生提出关于骑自行车的问题：为什么自行车骑得越快越不容易倒？通过课堂上的分组讨论，有学生认为：因为人在车上可以控制平衡；有学生认为自行车前进时有惯性；还有学生会引入陀螺原理解释。在学生的讨论、分析中，教师要特别注意使用恰当的语言对问题进行启发和引导，使学生通过反思、比较去解决问题。

教学初始学生的问题可能并不多，当受到其他同学激励和启发时就会慢慢发现问题。比如由自行车，想到汽车、轮船、飞机等一系列交通工具的受力做功问题；由足球比赛中的香蕉球想到篮球、乒乓球、台球等球类的旋转问题。此时，教师应注重自己角色的扮演，让学生在进行归纳和分析后，将这些问题分别引入摩擦力、碰撞、做功、角动量等专业领域进行深入探讨。这样的课堂讨论和学习，让学生明白力学的很多原理、规律深深地植根于现实生活。通过实践提出问题，分析解决问题，再将得到的原理、规律运用到实践中去，这样不但丰富了实践的内容，活化了生活知识，更重要的是在无形中培养了学生的思维能力、创新意识。

3.适当放手，培养自主学习的能力

教学要“授人以渔”，让学生学会自学。这一环节主要通过作业来实现。在第一次授课时就把整个学期的课程安排和实践作业告诉给学生，让学生自由支配时间。

针对不同程度的学生，笔者设计了三种难度的习题：必做（基础题）、选做（能力题）、附加（提高题）。作业包括习题、预习作业、实践作业，以分组合作的形式来完成，采用师生共评的办法。具体做法：（1）自评讨论。发下作业后，让学生先自己改错。再分组互评作业，通过互相纠错，让学生对自己和他人的错误有更清晰的认识。（2）错误解决。通过学生的板演或投影展示，暴露问题所在。经过师生共同讨论分析，找出错误原因。（3）归纳总结。结合学生出错原因，探究处理问题的方法与思路。（4）课堂巩固。通过典型习题、限时训练等方法及时强化重点、难点问题的理解。

关于作业的评价，不在结果，而在于学生是否自主完成，掌握学习的内容。在这一环节，为了培养学生自学能力，可采用激励的方法。比如用成功体验法为学生提供展示才华的机会，让学生介绍自己的解题技巧、窍门等，从而获得成功感、自豪感，树立自信心，产生主动探寻问题的愿望，使其创造的兴趣得以延续。同时也激励后来者，借鉴别人的成功经验，改进自己的学习方法。

通过作业的训练，可以让学生运用所学知识来分析解决实际问题，也学会解决问题的方法。教师也可以通过作业掌握学生多方面的情况。对重大的或普遍性错误选取典型匿名公示，全班批改，进行规范化教学；对个别优秀学生，让其做助教，辅助教师进行教学管理；鼓励学有余力的学生参与科技竞赛或撰写小论文。这样不仅使兴趣浓、能力强的学生得到了锻炼的机会，也避免了专业教学中经常出现的“撑不下”、“吃不饱”的尴尬。

三、鼓励实践，培养创新技能

实践是认识的基础，是检验真理的唯一标准，实践更是培养和开发创新能力的先决条件。传统教学方式的一大问题就是培养动手的能力太少，创新技能不足。其实动手便是一种自主创新。现代课堂教学改革的首要目标就是还学生的实践主体地位。当然这并不意味着教师撒手不管学生。教师要引导学生仔细观察生活中各种基础力学现象，结合问题，合理取舍，抓住主要矛盾，建立正确有效的基础力学模型，鼓励学生运用已有的知识和经验，使用相应的方法和工具分析、归纳、演绎、推理，最终解决问题。这种来自于生活实践的切身感受能够有效地激发学生的热情，这个过程也是创新能力得以创造和培养的重要环节。

具体的实践活动很多。比如力学实验等初级实践活动，科学实验、发明创造等高级实践活动，在这里学生可根据自己的学识和爱好充分利用生活中的材料、工具或实验室仪器、设备，去做一些发明实验或创新设计和探索性试验。能力强的学生也可以参加教师的科学研究等等。这个过程中学生需要充分地激励，教师对学生的要求只要重在参与即可。教师要持之以恒地肯定学生每个有创新意义的成就，使学生探索、发现的兴趣从低级向高级渐趋发展，培养他们的科学研究热情，这也提升了学生的创新技能。

教师在这里，也要注意角色的转变。变教授者为指导者、组织者、研究者、参与者，使学生能在民主、平等、和谐、自由的科学气氛中，最大限度地发挥个体的主观能动性，积极地去认识和改造世界。在师生互动、生生互动的和谐氛围中，让学生通过动脑、动口、动手的实践活动学习知识，增长才华。教师应努力为学生创设和搭建实践的平台，引发其无限的创造力和潜能。

四、结语

实践证明，灵活的教学方法可以营造良好的课堂气氛，以案例教学为主，结合其他教法的教学模式不仅使学生牢固地掌握专业知识，还大大提高了学生的创新能力。不过目前，在大学物理教学中还有很多亟待解决和完善的问题，比如一个有效案例库的建立、教法与考核方式的有机结合、设计性实验等开放式教学模式的引入、力学实践基地的建立等等，解决好这些问题，将为学生创新能力的培养注入更加有利的因素。让学生想创新、会创新，最终成为社会需求的应用型人才，这也是基础力学教学改革所致力的方向。

［1］燕良轼.创造教育：中国21世纪教育改革的主旋律[J].湖南师范大学社会科学学报，1997，(4)：86-91.

［2］王鑫，刘全慧.工作室课堂与大学物理教育——介绍美国Studio Physics教学模式[J].大学物理，2010，(2):54-56.

［3］曹长德.教育学案例教学[M].合肥:中国科学技术大学出版社，2008，3-29.

［4］郑金洲.案例教学指南[M].上海:华东师范大学出版社，2000.5-12.

［5］张远平.大学生成才素质的思考[J].内江科技，2006，(1)：14-15.

G420

：A

：1672-0547（2010）05-0107-02

2010－09－19

何聚（1978－），男，安徽铜陵人，黄山学院信息工程学院讲师，硕士，研究方向：纳米材料。

安徽省教育厅自然科学研究项目（编号：KJ2008B113ZC）研究成果。