科学主义研究范式的教学思想应用

靳长清 等

摘要：为了更好地加强学生的科学素养培养，提高学生生活-理论-实践-理论的学习技能，本文基于《冶金传输原理》（简称《冶》的学科特点，结合传统教学方法和学生反馈意见，提出了以《冶》课发展史和科学主义研究范式为主要载体的教学思路。建立了以学生科学素养的培养为目标，以理论联系实际为基本教学方法，以解决实际问题为教学目的教学思想。这种教学理念的改变为卓越工程师的科学素养培养提供了新的思路和方法。

关键词：冶金传输原理 科学素养 教学方法 科学主义研究

范式

0 引言

传输原理在世界范围内属于一个新兴的学科，1960年以来各先进工业化国家才相继将传输原理列入工科大学生的必修课程，我国直到1980年以来才陆续在相关的大学中将该课程列为必修课。传输原理在金属材料成型中的应用，使成型过程中一些物理过程得到深入而准确的解析。学习传输原理，可以使学生深入了解复杂的液态金属成型过程中各因素影响的机理，从而改进操作和工艺，提高控制和设计水平。同时为我们提供物理模型和数学模型，应用计算机求解许多课题。

在《冶》课程的教学中，笔者发现课程的教与学中出现了较多的问题。由于课程本身的特点， 《冶》课基础理论知识抽象，数理应用多，加之计算工具学习的难度等，使得学生难学，老师难教。尽管大多版本的《冶》课（教材）所涉及的数理知识并未超出大学数学和物理的教学范围，但工科专业体系总体对数理知识要求相对较少，且授课对象多为大学三年级学生，因而学生在进入专业课程学习时反而不太适应纯数理逻辑学习，从而造成了一定的难度。其主要特征表现为学生数理基础差，数学建模的能力不足，数理结果的实践应用意识不强。笔者通过一年的教学经验总结，对传统的《冶》课的教学思路、方法和目的提出了自己的一些看法，特别是在加强学生科学素养的培养方面提出了自身的观点和建议，仅供教学交流。

1 教学目标

近现代以来，许多科学研究人员和工程应用人员通过学科交叉、知识融汇逐渐从流体静力学和动力学、各种热传输理论以及质量传输理论三位一体的角度展开了对液态金属成型过程的微观机理分析研究，从而发展成为现代的“传输原理”。“传输原理”属于交叉学科，各学科理论知识层次分明，在实践应用上又相互融汇；概念、公式繁多，数理推导复杂；数学模型多以微元积分/微分为主要方法，对读者的数理知识要求较高；生产实践联系紧密，综合性强。因此课程内容和学习方法的特点都给教师教和学生学带来了相当的难度。如果教师将注意力全部集中于抽象概念介绍和数学推演，学生对内容的背景、实际意义和应用场合缺乏必要理解，将导致学习兴趣不足，严重影响教学效果；如果突出教学内容的实用性，重视短、平、快的教学效果，忽视科学方法的学习，往往导致学生科学思维的训练不足，形成依葫芦画瓢的错误学习习惯和方法。因此，以什么角度，采用什么方法讲述该课是教师面临的重要课题。

美国威斯康辛大学的R.B.Bird（伯德）教授曾说：“当代的工科教育越来越倾向于着重基本物理原理的理解，而不是盲目地套用结论。”在未来的工程实践中，如何把所学知识和技能用于工程实践，指导工程实践；如何把实际工程问题抽象为科学问题，通过科学方法来解决工程问题，这是工科教育要解决的问题。西安工业大学众多学科目前均建立了以培养“卓越工程师”为主要目标的教改班，从学生的理论知识学习和工程实践能力方面都提出了更深更广的要求，这也就明确了以科学素养和实践能力为主要培养目标的教育教学方式。

对于未来的卓越工程师，不仅需要很强的实践能力，而且必须具备相当的科学素养。因此，教育教学的特色和针对性必须紧紧围绕科学素养和工程实践能力培养。在课堂教学中，应该突出加强科学素养的培养，积累丰富的科学知识、掌握科学的思想和方法，灵活运用科学的思维方式和培养科学精神，为未来工程实践创新能力的培养打下良好的基础。

2 教学思想

2.1 以《冶》发展史为载体培养学生的科学素养

《冶》包含传热学、动量传输（流体力学）、传质学三大部分（简称“三传”）。本学科的发展和完善，凝聚了古今中外众多科学家、数学家、物理学家的艰苦努力。它的许多成果不仅体现了科学家不畏艰险、一丝不苟求的科学精神，而且也展示了近代工科各领域相互学习、互相贯通，从而交叉发展的历史。历史给予我们不断进取的养料，从每一位成功的科学家毕生的奋斗历程上学生可以得到面对问题、理解问题、解决问题的启示。

在教学过程中结合教学内容，以学科发展史料为主线，通过一个理论、公式形成的思路、建模、推演、结论来介绍伟大的科学成就，并伴随科学家的研究历程的授课方式，不仅能让学生更理性的理解公式和概念，而且学习了重大科学成就中的严谨和精细，同时也扩充了学生的人文历史知识，更有利于学生激发学习兴趣和欲望，全面理解和掌握学科知识。

2.2 通过科学主义研究范式培养科学素养

17世纪，笛卡尔（Descartes，1596-1650）以“我思故我在”打破了以往神性的统治，确立了人类理性的重要地位，强调人的理性的尊严和能力，并提出了科学探究的方法论。由此，近代科学逐渐从哲学中分化出来。以培根的经验论、伽利略的实验加数学的科学方法及牛顿的经典力学解释模型为基础，形成了近代机械的自然观。科学的任务不是寻求最终的目的论的解释，而是对运动做出数学描述，解释数量间的因果关系。与此相对应的是将复杂现象分解成简单的量，通过数学演绎确立其数量关系，最后经实验证实的科学实验的研究方法。总之，现代的经典科学是建立在实验和数学基础之上的，经验的确证和数理模型化的成功是科学生产者的范式。这种科学范式自培根和笛卡尔以来一直主导着人类的普遍理性，并指引着人们自身的实践。

科学研究的范式符合人们认识事物的普遍心理过程。人们认识事物总是从简单到繁琐，从表象到本质的。从认识事物的心理过程角度讲，科学研究范式的具体步骤为：感觉和知觉（人们的常识或者生产生活经验）；抽象思维（通过归纳总结、分析和抽象）可以得出数理模型；经实验验证其正确性，得出理论，演绎推广到可用的生产或者生活实践。从解决问题的步骤上讲，科学范式就是提出问题，分析问题，解决问题。从生产实践的角度上讲，科学范式就是从实践中来到实践中去的过程。

“三传”作为一门学科，建立的过程是人们认识动量、能量、物质传递不断深化的过程，也是科学范式的成功体现。在具体的科学知识的传授中，要贯彻科学范式的规定，符合学生的心理认知规律，循循善诱学生对科学知识的掌握，体会科学思想和方法的巨大作用，培养科学精神。首先，提出问题。通过创设问题情境或者引导学生回到现实生活中，从生活或生产现象中明确提出问题。科学知识作为间接的经验或者理性的抽象规定，往往很难引起学生的直接兴趣，因此问题提出就成为抓住学生注意力和兴趣，引起学生积极思考的手段。其次，建立模型。引导学生积极思考，运用科学的思维方式去粗存精、去伪存真建立数理模型。例如流体力学中连续介质模型的建立。从微观上看，流体是分散的，不是连续介质。如果把流体作为分散介质，那么从数学上则无法解决流体的任何问题。因此，该课程讲授的一个重点就是模型建立的原因和前提，这是“三传”中最基本的数学思想基础。再者，模型优化。模型的建立蕴含着突出主要因素、忽略次要因素的重要科学方法。如果严格把每个因素考虑到，最终得到的模型往往无法给出数学描述或者在数学上无法解决，因此建模必须突出主要因素，忽略次重因素。而这种突出-忽略的把握是对学生能否抓住主要问题、忽略次要因素或者表面现象的科学素养的最好培养。再次，得出结论。对优化后的模型经过严密的数理推导得出结论的过程，是本科生较为头疼的环节。很多授课教师在此往往一笔带过，直接给出结论。对于学生来讲，这恰恰失去了一次缜密思维，严密推演的锻炼。例如在奈维-斯托克斯方程的建立过程中，应当引导学生按照科学研究范式、追寻大师的思维轨迹建立模型后，一丝不苟地导出奈维-斯托克方程。这种做法不仅使学生进行了一次严密逻辑推演的训练，而且可以感受收获“方程”的喜悦，从而增强学习的信心、增加学习兴趣。最后，回归实践。得出结论并用于解决现实问题可以增强学生运用科学方法解决实际问题的能力。又例如，流体静力学中平板受力点的确定。运用静力矩和惯性矩移轴定律进行较繁杂的数学推导后，可以得出受力点在平板形心下方某处的结论。那么受力点的物理意义是什么，实践应用时的价值又何以体现？很多教材对这一结论在实践中的价值没有进一步说明，调查发现大多学生对这一结论也显得不知所云。在本质上，对于大型铸件侧浇道通向型腔的位置应当是平板（近似平板）的受力点。在受力点上，流体受力集中，增大了浇道和型腔间的动量传输和质量传输，有利于铸件的致密和杂质去除。尽管静流体压力相对于金属凝固时体积收缩的应力非常小，体现的传质结果也不明显，但是其物理价值和含义不容忽略。

科学来源于实践，高于实践，最终指导实践。《冶》对于自然界或者工程实践中的物质、动量和能量传递过程，通过建立物理模型，然后依据物理原理运用高等数学知识，建立微分方程。可见，这门学问的形成就是建立在把工程问题抽象为科学问题基础上的。同时这种上升到理论高度的科学，又可以指导普遍的实践。这就要求在教学过程中，以提高学生的科学素养为教学目标和主线，教师的教授思想和方法要按照符合学生认知心理规律的科学主义研究范式的要求，通过从实践中来到实践中去的过程，培养学生从现实生活或者工程实践中提出科学问题的能力；训练学生抓住关键要素建立数学模型的科学思维方式和一丝不苟，严谨认真的逻辑推导能力；以及运用科学方法解决生活或者工程实践问题的科学意识和科学精神。

3 结论

以《冶》课发展史和科学主义研究范式为主要载体的教学思路破除了传统《冶》课的教学模式。以学生科学素养培养为教育教学目标突破了教学大纲的局限。在具体的教学过程中，强化学生数理能力，引导学生深入理论，并回归到实际问题的分析、解决能力的训练上。这种教学理念不仅改变了授课的角度，而且增加了教学内容的趣味性和实用性，为卓越工程师的培养提供了一种新的思路和方法。

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基金项目：

感谢西安工业大学教学改革研究项目的资助（批准号：13JGY09）。

作者简介：

靳长清（1982-），男，山东东平县人，西安工业大学，博士，副教授，材料物理教研室副主任，研究方向：纳米功能材料。