发挥物理基础课程优势 聚焦科学思维能力培养

张雷 黄志敏 张荣 郭治天 刘海顺

[摘 要] 针对低年级大学生在参加创新创业训练计划等项目时遇到的思路狭窄、研究能力不足的问题，该文在充分挖掘物理学史的思维开发功能的基础上，提出了一种基于基础课程大学物理的思维训练型教学模式。探索了利用该教学模式来激发学生的学习兴趣、培养学生的科学思维能力的方法和手段，收到了较好的教学效果，为创新型人才的培养提供了一种方法。

[关键词] 大学物理;物理学史;教学改革;思维训练;思维能力培养

[基金项目] 2018年度中国矿业大学教学研究一般项目“基于物理学史的《大学物理》课程思维引导型教学方法的探索与实践”（2018YB46）

[作者簡介] 张 雷（1979—），男，江苏徐州人，工学博士，中国矿业大学材料与物理学院大学物理教学中心讲师，研究方向为应力波法无损检测;黄志敏（1978—），女，内蒙古包头人，工学博士，中国矿业大学材料与物理学院大学物理教学中心讲师，研究方向为离散元法。

[中图分类号] G642.421    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）30-0245-02    [收稿日期] 2020-03-15

随着大学生参加创新创业训练计划的人数日益增加，低年级大学生也积极投入其中。通过调查发现，学生的积极性虽然很高，但是由于低年级同学掌握的知识有限，研究能力有限，在实践过程中思路狭窄，进展缓慢，很难独立开展工作，这就大大挫伤了学生的积极性。

针对该问题，我们提出了基于物理学史的大学物理思维训练型教学模式的构建，从思维训练材料的组织、教学方法的选择、教学环节的处理等方面进行了阐述，探索了怎样充分利用物理学史的素材来训练学生养成科学的思维习惯，提升学习能力，掌握科学研究的基本方法。

一、深入挖掘课程资源，精心准备思维训练素材

现代教育理论认为，学生的学习过程是在教师的指导下由学生的主体主动完成的特殊的认识过程，这个过程的发展同人类整体的认识过程的历史进展是一致的[1]。大学物理教学中的难点问题，往往也是物理学发展史上的难题所在，而教学中的重点内容，也恰好是物理学发展史上关键性的突破之处[2]。因此，教学内容的选定要紧密围绕物理学家思想方法的形成过程，增加物理理论形成的背景资料，拓展知识点的广度。特别是针对于重大物理发现、重要物理概念和规律，更要精心准备好全面的背景资料，设计好层层递进的教学环节，通过对物理学家卓越工作的讲解，让学生意识到物理学家的灵感突现不是偶然的，是长期经验的升华和思路的提升，从而激发学生的求知欲望[3]。

二、多元结合层层推进，循序渐进训练学生思维

思维习惯的养成需要一个循序渐进的过程。我们分析学生的特点，结合学生的知识掌握情况，动态调节教学策略，有的放矢地开展教学。

开课伊始，讲授的主要是质点运动学和动力学的内容。由于学生还处于基础知识的积累阶段，因此，应以打牢基础知识、掌握基本的研究方法为主，教学宜采用比较法。例如，通过比较角量和线量之间的对应关系，让学生明白由于研究圆周运动的物理思想和研究直线运动是一致的，因此，在公式上也具有一定的相似之处，公式中各个参量也存在着对应关系。通过这种方式，可以提高学生掌握知识的深度。

讲授完力学部分的内容，学生已经掌握了一定的基础知识和基本的研究方法。在后续的课程中，要注意引导学生总结同一种研究方法是怎样在不同的物理问题中进行应用的。因此，这个阶段的教学宜采用启发式的教学方法，引导学生在面对新的研究对象时，学会利用自己已经掌握的知识对新的研究对象进行抽象，建立起物理模型，选择有效的研究方法开展研究。例如，在讲授气体压强公式推导时，教师通过对气体分子模型的一步步抽象，引导学生建立气体分子与容器壁之间的碰撞模型，进而启发学生用力学部分讲授的弹性碰撞问题的解决办法来解决单个气体分子与容器壁的碰撞问题。

当学生具有了建立物理模型的能力之后，教学活动开展的重点应放在训练学生自主思考上来，这一阶段也是整个教学改革的重点所在。在教学过程中，要让学生明白，任何一个物理理论的形成都是物理学家丰富的科研经验的升华，想要掌握科学家先进的思想方法，需要自己进行认真的思考和体会。为了使学生能够遵循物理学家的思路去思考问题、解决问题，这个阶段的授课可以采用案例式教学方法结合翻转课堂。在授课过程中，教师首先还原物理理论形成时的研究背景，在学生充分了解的基础上，引导学生根据自己已掌握的知识和经验对下一步的研究走向做出选择。根据学生的选择情况，将学生分组，让每组学生根据自己的选择进行讨论，形成研究结论并在课堂上汇报，教师针对每组的研究结果进行点评，分析各组同学研究中存在的问题并提出改进的意见。通过将物理理论的诞生过程一个个还原，教师可以带领学生复刻历史，感受经典[4]。在品尝到成功的喜悦的同时，教师也可以结合学生在翻转课堂研究中所出现的问题，向同学们介绍物理学家在理论形成期间所走的弯路，让学生意识到科研之路就是在不断探索、不断失败过程中一步步走向成功的。通过这种教学方式，可以突破课堂教学教师满堂讲，学生被动听的教学形式，让学生真正地去思考，在潜移默化中形成科学的思维方式。

三、课前与课后充分调动，引导学生自主思考

“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。对物理学家的思维方法进行全面细致的讲解，如果不辅之以动手实践的话，学生仍然不能够真正掌握。因此，要让学生动起来，变被动地接受知识为主动地去探索知识。真正地实现“讲练结合”。在这方面，我们主要利用雨课堂从课前预习和课后复习两个环节着手对学生进行训练。

首先对预习题进行精心设计。预习题的内容包含新知识点的背景知识介绍，研究目标有两个方面，让学生知道自己要干什么。在此基础上，设置如下几个问题让学生回答：（1）建立什么样的物理模型？（2）该问题可以分解成哪些已经学习过的小问题？

（3）可以选用哪些数学处理手段？（4）拟采用的研究方法？（5）请写出你的研究思路。

通过这样的课前预习，学生对新知识点有了比较深入的了解和初步的探索，通过课堂讲解，能够快速地掌握所学的内容。在此基础上，我们对课后复习题进行了改良，设置如下几个问题让学生思考：（1）本节课建立的物理模型是什么？（2）这个物理模型和以前学过的哪部分内容联系比较紧密？（3）本节课采用了哪些数学处理手段？（4）本节课所采用的研究方法是什么？（5）你的研究思路需要改進的地方是？

这种“课前猜想—课堂验证—课后总结”的学习模式可以有效地引导学生自主思考，通过将自己的研究方法和物理学家的进行比较，学生可以及时查找出自己的差距，不断纠正自己的错误思想，调整思路，使自己的逻辑思维能力获得逐步提升。

四、实践效果与思考

我们利用国际青年物理学家锦标赛的往届赛题作为检验教学改革效果的手段，学生自由组队申请题目，利用课余时间开展自主研究。在学期末教师对各队学生的完成情况进行考核并根据完成进度和质量给予相应的平时成绩。这种检验手段既丰富了大学物理课程的过程考核方式，也对组织学生参加中国大学生物理学术竞赛是一个有力的促进。教学改革实施以来，教学班学生参加学校举办的大学生物理学术竞赛的人数逐年提高，获奖人数和被选拔到校队参加全国竞赛的人数也有着显著增加。

随着教学改革的稳步推进，相信大学物理的教学能使学生的逻辑思维能力获得稳步提升，使学生逐步养成探究式的学习习惯，为创新型人才的培养做出基础类课程应有的贡献。

参考文献

[1]李红娜.物理学史与中学物理教学结合的理论与实践研究[D].山东师范大学，2009.

[2]肖丽仙.物理学史对中学生综合素质影响的研究[D].云南师范大学，2005.

[3]蔡铁权.物理学史与物理教育[J].浙江师大学报（自然科学版），2000（3）：34-41.

[4]唐焕芳.如何引入物理学史改进大学物理教学[J].现代物理知识，2003（4）：51-54.

Taking Advantage of Basic Physics Courses and Focusing on the Cultivation of Scientific Thinking Ability

ZHANG Lei，HUANG Zhi-min，ZHANG Rong，GUO Zhi-tian，LIU Hai-shun

（School of Materials and Physics，China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu 221116，China）

Abstract：In view of the narrow thinking and insufficient research ability of junior college students when participating in the innovation and entrepreneurship training program and other projects，this paper proposes a thinking training teaching model based on the College Physics course on the basis of fully exploring the thinking development function of the history of physics.This paper explores the methods and means of using this teaching model to stimulate students' interest in learning and cultivate students' ability of scientific thinking.It has received good teaching effects and provides a method for the cultivation of innovative talents.

Key words：College Physics;history of physics;teaching reform;thinking training;cultivation of thinking ability