培养原创性思维的大学物理教学思考与实践

李红 杨新建

(中国石油大学(华东)理学院 山东 青岛 266580)

创新型人才应该具有强烈的社会感和优秀的思维[1]，能够进行以科学为根基的探究式学习[2]，能够站在国际学术的前沿，了解与把握科学的最新进展[3].这样的人才培养客观上要求大学物理教学不能单纯地进行理论知识和实验技能的传授，更要注重对学生科学思维方法和创新素质的培养.

笔者所在教研组在多年的教学实践中，坚持以“实验和物理学史”为主线，学生学习从实验开始，由现象引出问题，通过讨论解决问题.课堂讲解从学史入手，由物理学家解决问题的过程提炼学术研究的方法，传授思想创新的要义，鼓励原创性思维.

1 以实验为主线 强调合作 动手动脑 讨论与反思

常规的教学思路一般是,学生课前预习教材内容—教师课堂演示实验—教师讲解教材内容—学生课下练习或者进演示实验室参观体验.这样的过程是为了让学生先了解理论知识，再通过亲自做实验，将理论加以应用.但笔者多年的教学经验得出，这样的过程效果并不理想.由于受到学时、教学任务和实验条件的限制，很多耗时长或者仪器较大的实验不能当堂演示,而演示效果较好的实验，教师演示时也要面向整个课堂，且“速战速决”,致使学生观察实验现象不充分或者根本没有实验体验，在这样的情况下，学习理论知识不积极.在对理论一知半解的情况下，走入实验室也没了稀奇感和探索欲，很多学生只是走马观花.但如果课前先让学生进入实验室预习或者自己制作演示仪器，再走入课堂进行理论部分的学习，情况将大有改观.我们的尝试如下.

1.1 课前预习

在此阶段，以小组合作实验为主，教材理论内容为辅.我们将每学期需要演示的实验分成三类.

(1)耗时较长，或仪器形体较大，或实验现象不适合集体观察，这类实验只能在实验室完成.比如，库仑扭秤、圆锥爬坡、低气压下辉光放电、雅格布天梯、鱼洗、窥视无穷等.

(2)演示仪器不易制作但集体演示效果较好.比如,角速度合成、进动演示仪、纵驻波、伽尔顿板、双折射、梦幻球等，这类实验要求教师在课堂上演示，同时要求学生在实验室完成.

(3)原理简单、仪器便于制作.比如,向心力、角动量守恒、摩擦起电、薄膜干涉等，这类实验原则上鼓励学生自行设计，自制仪器验证或者演示，也可以进入实验室操作.

学期初，将本学期所有实验及相关的仪器名称印发给学生，并把学生以宿舍为单位分组(学习小组一旦成立，一般情况不再更改).上新课的前一周，标出相应的实验，需要在实验室完成的实验，要求各学习小组就仪器的操作展开调研和学习，撰写学习报告(每小组一份，无格式要求，写清楚即可)，经检查合格后,便可进入实验室做实验.就实验现象、实验数据和出现的问题及相关思考撰写简单的实验报告，并预习与实验相关的理论知识.便于自制仪器演示的实验，要求写出具体的设计方案，较复杂元件可借用实验室的使用，整个组装过程也可在实验室完成.

1.2 课堂学习

在课堂学习中，围绕实验和问题展开，以学生讨论为主，教师讲解为辅.通过亲自操作或者制作仪器，认真观察实验现象，预习与实验相关的理论知识，再走入课堂的学生会有很多问题急于解决，他们渴望获取知识，更渴望发表自己的看法和感想.我们通常先将需要演示的实验演示一遍，重点不在激发学生的学习兴趣，而在培养学生的实验素养.

(1)要遵守实验规程，按步骤进行，不随便操作；

(2)要爱护实验仪器，按要求选取，不随意拼凑；

(3)要尊重实验事实，不伪造现象，不更改数据；

(4)要关注实验细节，不轻易放过偶然现象[4].

然后和学生进一步就实验现象提炼出要讨论或者待解决的问题，再放手让学生在本学习小组内进行讨论，给出解决问题的方案或者思路.通过各小组代表发言，探讨出最合理的解决问题的方法,并引导学生独立展开对教材内容的学习,最后,教师就理论部分的难点和重点问题加以阐述.

例如，关于光的双折射现象，学生通过做实验已经清楚两束透射光不相干的实验事实，教师再次演示实验后，和学生共同分析得出要解决的问题，即两束透射光的性质如何？不相干的原因是什么？光在水、空气中为什么不发生双折射现象？在方解石一类的晶体中到底发生了什么？学生通过讨论得出相关的结论，并展开对教材内容的学习.最后,教师就其中比较繁琐的数学推导加以解释，同时介绍前人对光是横波还是纵波的研究过程，使学生明白类比不是论证，通过类比方法所做出的假设(如这里将光波与声波类比，认为光波也是纵波)或结论最终必须通过实验以及在今后的实践中得到检验[5]，培养学生严谨求真的科学态度和敢于挑战常规思维的精神.

1.3 课后作业

对于课后作业,以学生总结反思为主,习题练习为辅.经过课前的实验操作，课堂的讨论、分析，学生最需要的就是好好地理解和充分地思考.如果这时候教师按常规方法，布置大量的、繁琐的习题，不但不会起到巩固所学知识的目的，还可能将学生刚刚燃起的求知欲抹煞掉.所以，我们要培养和保护学生的探索精神和创新意识，就必须给他们足够自由思考的时间，让他们如古人一样长时间的“格物”,追问光的本性、物质的构成……

如上，整个教学思路变为学生课前动手做实验并预习理论知识—师生就实验现象提炼出待解决的问题—学生讨论并给出解决问题的思路—师生探讨总结出最合理的解决问题的方法—教师讲解难点、重点内容—学生课下反思、练习或者再次进实验室体验.这样,目标明确的学习，不仅锻炼了学生动手、动脑、查阅文献和与人合作的能力，而且使学生体验到了共同合作发现问题、提出问题和解决问题的快乐.正如物理学家费曼所言：“在对科学的学习中，你学会通过实验和误差处理问题，养成一种独创精神和自由的探索精神，这比科学本身的价值更巨大.你还要问自己有没有更好的方法来做.”

2 以物理学史为主线 注重过程 鼓励创新

2.1 讲学史注重过程 突出科学思维方法

阐明概念的提出史和定律的建立史，提炼科学家研究问题的方法，引导学生尝试“模仿性”创新.

物理概念和定律本身及其提出和建立过程的重要性毋庸置疑，然而，学生对概念和定律的重视还仅限于应用的层面.比如，很多学生都能够熟练掌握和运用理想气体的内能公式，但对该公式的理论基础“能量均分定理”却不能给出准确地描述.造成这种现象的原因是多方面的，其中教师的授课方式和教学侧重点起着重要的引导作用.如果教师授课采用机械地“摆知识和罗列公式”，给其然不讲其所以然，学生自然会效仿之.因此，我们尝试以物理学史为主线，例如，物理学家为什么要提出这些概念,建立这些定律?其提出或建立过程如何?该概念或定律的提出解决了怎样的物理问题?力求讲清楚每一个物理概念或定律的来龙去脉.

例如，学生通过验证性的实验已经掌握了毕奥-萨伐尔定律的内容及其应用，这时，我们就其建立过程再展开讲解.

(1)史实:奥斯特发现了电流的磁效应之后，安培进一步定性研究了通电直导线之间的相互作用及通电螺线管对磁极的作用.

(2)问题：电流磁效应的定量结果如何？

(3)解决过程：毕奥和萨伐尔通过实验发现,载流长直导线施加在磁针磁极上的力反比于磁极与导线间的距离，法国数学物理学家拉普拉斯理论得出每个电流元施加在磁极上的作用力的规律公式

其中f(θ)是未知函数，毕奥、萨伐尔再次用实验证实这个函数确实存在并确定其具体形式为sinθ，给出了原始的毕奥-萨伐尔定律的数学形式

后人修正为电流元产生的磁感强度大小

同时，引导学生提炼出该过程中所蕴含的研究方法是明确研究问题—实验观察—理论分析(提出假说或建立模型)—实验验证，进一步修正或完善理论.

通过以上的讲解使学生充分了解物理学家独立的思考过程和互相合作的工作过程，从中体会交流与合作的重要性，学习他们发现问题、分析问题和解决问题的思维方法.在学习的过程中适时引导学生加以应用，尝试“模仿性”创新.例如，在讲简谐振动时，让各学习小组用上面的研究方法研究单摆的运动，学生们会很快给出答案即待研究问题——建立单摆做简谐振动的运动方程；巧妙设计实验——选取轻质摆绳，尽量减小摩擦；理论分析——提出角振幅、角频率和初相位的概念，给出简谐振动的运动方程和单摆的周期公式；实验验证，进一步完善理论——给出单摆摆角小于5°的限制条件.

2.2 注重对物理本质问题的思考和前沿问题点拨 鼓励学生尝试原创性创新

笔者在从事教学的过程中经常问学生：“物理学最迷人的地方是什么？”学生会很传统地回答：“物理定律、物理思想和方法、物理学家的探索精神……”.诚然，这是我们一直向学生或试图向学生展示，并希望学生能够真正体会到的.然而，笔者认为物理学最令人着迷和痴狂的地方是人们对物质世界本性所做的深深地思考，“电荷是什么？夸克有没有结构？西格斯粒子真的存在吗？高温超导的机理是什么？怎样才能找到暗物质、暗能量？……”注重对这些物理本质问题的发问，并适时进行前沿问题点拨.例如,讲完经典力学的内容之后，介绍一下人们为统一四大作用力所做的努力，包括标准模型和玄理论，讲完热学之后，简单介绍黑洞热力学的相关研究进展等等，可以启迪学生进行原创性思考.土木工程专业的一名学生在学习完狭义相对论后，不无遗憾地对笔者说：“老师，我要是当初选择理科就好了，可以专门研究光速问题.”笔者鼓励他利用课余时间进行这方面的调研和思考，他通过研究分析得到，高速物体质量增加源于内能的减小，并撰写科技论文一篇.

启发学生关心物理本质问题，在模仿性创新的基础上，勇于尝试思想性、原创性创新，这正是大学物理教学的真正价值所在.

3 考核方式兼顾学生的科学素质和人文素质

为了加大对学生原创性思维的培养力度，进一步鼓励合作与创新，巩固以实验和物理学史为主线的教学成果，我们尝试对学生的考核多元化，兼顾科学素质和人文素质.具体操作如下(总评结果以百分计).

3.1 理论知识测试 考核与考查相结合

通过对大学物理的学习，学生不仅要受到物理学文化的熏陶，还要掌握必要的物理知识.因此，对物理理论知识的测评可以采取考核与考查相结合的方法.考核采用闭卷形式，重在测试学生对物理基本概念和定理、定律的理解及其简单应用.考查采用提交论文的形式，学生可以就某个物理热点问题(科研或教学均可)，或者有争议的假说，或者自己感兴趣的课题展开调研，论述自己的见解和想法.两种方法考评的结果各占总评的20%.第二种方式虽然有一定的难度却颇受学生的青睐，他们撰写的论文题材丰富，有科技类、教育类、发明制作、好书推荐等等.其中不乏较优秀的论文，如“铁磁半导体/d-波超导结的自旋极化输运”、“粗糙界面对铁磁半导体/d-波超导结隧道谱的影响”、“物理学的人文文化对大学生创新人格塑造的影响”等已经分别在《低温与超导》、《低温物理学报》和《物理通报》等刊物上发表.学生一致反映,通过调研和撰写论文，开拓了眼界，锻炼了思维，弥补了知识的欠缺.

3.2 实验技能测试 操作与制作相结合

通过课前预习实验和课后反思，学生们已经养成了由现象提出问题，遇到问题到实验室进行解决的思维模式，所以，大学物理教学也要包括对学生实验技能的考评.考评分两种，一是利用演示室中的仪器，被考核学生独自操作，分析实验现象，介绍实验原理，处理实验数据，主考教师现场打分；二是自制实验仪器(该想法得益于文献[6]的启发)，学期末各学习小组自由选择演示题目，自行设计，自己组装、调试仪器，准备充分后提出答辩申请.主考教师根据学生演示及答辩情况为小组打分.两种方法考评的结果各占总评的20%.对于构思巧妙的设计不仅可以申请国家专利(如利用干涉消声制成的静音鼠标，利用静电除尘原理制作板擦等)，还可以将研究过程撰写成科技论文，为将来从事科学研究奠定基础，学生从中也获益匪浅.

3.3 综合素质测试 自评与互评相结合

学生的综合素质测评包括科学素质和人文素养两个方面，主要针对学生在文献调研、合作实验、课堂讨论、课余反思中的表现展开，采用学生自评和学习小组内互评的方式，两种方法考评的结果各占总评的10%.多数学生都能给自己和同学客观公正的评价，有的学生还主动进行个人总结，将自己的学习心得、不足之处和努力方向都写得清清楚楚，令人欣慰.

参考文献

1 杨叔子. 时代的必然趋势：科学文化与人文文化交融. 中国高教研究, 2004(8): 8～13

2 罗星凯，李萍昌. 探究式学习：含义、特征和核心要素. 教育研究，2001(12): 52

3 朱崇实. 研究型大学的责任：培养创新型人才. 中国高等教育, 2011(7): 4～5

4 曹福军. 如何培养学生的实验素养. 唐山师专学报, 1998(5): 14

5 倪光炯，王炎森. 物理与文化——物理思想与人文精神的融合. 北京：高等教育出版社，2009. 75

6 郭力, 石少波. 演示实验制作促进动手动脑的大学物理探索式学习的改革尝试. 大学物理, 2010(3): 50～52