基于物理学史进行创新性思维培养的教学探索*

黄志敏 张荣 张雷

(中国矿业大学材料与物理学院 江苏 徐州 221116)

石礼伟

(中国矿业大学材料与物理学院 江苏 徐州 221116;中国矿业大学教务部 江苏 徐州 221116)

通识教育基础课程《大学物理》的授课对象是非物理类专业本科低年级学生.这个阶段的学生对物理学习的认知多处在“审-设-列-解-答”的层面，学习模式以刷题为主，学习热情不高，重结果，轻过程，重分数，轻能力.因此，迫切需要通过课程改革来激发学生学习物理的兴趣，使学生在掌握物理基础知识的同时获得创新能力.

《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》(简称《实施意见》)给出了课程改革的指导意见：改革方法，课堂活起来.以提升教学效果为目的创新教学方法.强化课堂设计，解决好怎么讲好课的问题，杜绝单纯知识传递、忽视能力素质培养的现象.强化现代信息技术与教育教学深度融合，解决好教与学模式创新的问题，杜绝信息技术应用的简单化、形式化.强化师生互动、生生互动，解决好创新性、批判性思维培养的问题，杜绝教师满堂灌、学生被动听的现象[1].

该意见为课程改革指明了方向.我们以此为行动指南，进行了一系列教学上的探索,确立了培养学生创新性思维的教学目标，提出了基于物理学史的《大学物理》课程思维引导型教学方法，形成了聚焦学生创新思维能力培养的教学模式.本文介绍了该教学模式的运用思路，给出了教学实践的具体实施步骤.

1 确定创新思维训练素材 规划创新思维训练方案

我国高校《大学物理》课程的教学目标普遍是从知识、能力和素质3个维度来设置的，这与《实施意见》是完全吻合的.那么，怎样把三者有机融合，实现《大学物理》课程培养高素质创新型人才的功能？这需要对教学内容进行仔细梳理，充分发掘创新元素，设计创新思维训练方案.

众所周知，知识的获取是一个由浅入深，由局部到整体的过程.建立知识之间的联系有助于发现其本质或规律[2].大学物理 “知识链”较长，各部分自成体系，但在研究方法上又彼此融会贯通.因此,怎样以研究方法为主线把各部分知识有机整合，形成有序、连贯、完备的知识体系？是一个亟待解决的问题.在这方面，物理学史因其具有研究物理学的理论与方法发生、发展规律的特点而值得关注[3].

物理学史对学生了解物理学的发展历程，学习物理学家严谨的思维方式，树立科学的世界观具有重要的意义.知识是传授方法的媒质，方法是学习的目标所在.掌握了科学的研究方法，就可以去探索更多的未知领域，进而引发更加深入的思考与反思，实现真正的“深层学习”[4].教师要把理论诞生的历史背景、物理学家的灵感突现、研究方法的巧妙运用、研究结果的抽象提炼过程充分融合，凝练出研究过程中的理论创新、方法创新和技术创新，把物理学史的内容打造成一个个蕴含着丰富创新思想的教学模块.在此基础上，以科研创新为主线，以思维训练为依托，将上述教学模块有机组合，构建循序渐进的创新思维培养方式，引导学生在思考中学习，在学习中思考.

经过充分讨论和试点，我们提出了“用丰硕的研究成果激发学习热情，用艰辛的研究过程鼓舞斗志，用独到的研究视角开拓眼界，用巧妙的研究方法训练创新思维”的教学方案.

2 动态设置教学目标 分阶段开展创新思维训练

创新思维习惯的养成需要不断调整，逐渐深化.因此，教学活动的开展也要顺应这个特点，循序渐进，各有侧重.综合考虑学生的认知水平和接受能力，可以把教学活动划分为知识积累、思维训练、思维引导3个阶段.

2.1 知识积累阶段

开课伊始，学生的物理水平参差不齐.因此，这个阶段的教学目的是基本知识与研究方法的掌握，教学重点是激发学习兴趣，建立科学的思维方式，教学方法宜采用类比法.教师通过对物理理论形成历程的讲解，从知识发展和研究方法的角度对相关知识点进行横向类比分析，使学生能够把当下的学习内容和以前掌握的知识建立起关联，充分意识到研究方法的普适性，逐步学会对问题进行归类，根据问题的特点来选择有效的研究方法.此处可以借助思维导图把物理学家的创新思维具体化，实现学习内容精细化，知识结构模块化，思维过程可视化.

例如，在讲解刚体定轴转动定律时，先回顾伽利略在研究惯性问题时所运用的观察、实验与理论分析相结合，将实际现象抽象成理想情况等思想方法[5]，让学生意识到看问题要看清最本质的理想情况，从而找到不同问题之间的内在联系.然后引导学生思考：平动与刚体的定轴转动在研究方法上是否会存在一定的相似性？指导学生根据图1中“复习”部分的内容大胆推测，仿照填写 “讨论”部分的内容，直至写出刚体定轴转动定律.这种教学方式不仅有助于加深概念理解，还能教会学生怎样思考，使学生真正地参与到教学活动中来.

图1 知识积累阶段教学示例思维导图

这里采用了类比联想创新思维方法中的“综摄法”来开展教学活动[6]，让学生通过用经典的研究方法去解决新问题的亲身实践，来实现思维上的“触类旁通，异中求同”.

2.2 思维训练阶段

上一阶段的学习使学生对基础知识和基本研究方法有了一定的认识.因此，这个阶段的教学目的是科学思维方法的掌握，教学重点是思维能力的提升，包括问题归类，建立物理模型，选择研究方法等，宜采用启发式的教学方法.教师应侧重于讲清楚物理学家在对实际问题进行抽象时的思维过程，便于学生模仿练习.在物理模型建立以后，可以采用联想教学法，采取翻转课堂的形式，引导学生对新建立的物理模型进行研究探索.这种教学方式能够让学生自己动手开展研究，进而引发深层次的思考，使学生从被动的“听”转变为主动的“想”.

例如，在引入稳恒电流的磁场时，可以利用磁场和静电场的相似性，对学生进行知识迁移思维训练.教师从早期的磁现象讲到电流磁效应的发现和研究，引导学生思考磁现象的本质是什么.接着通过安培分子电流假说的介绍，让学生了解物质磁性的本源是电荷的运动[7].在此基础上提出第一个问题：“静电场是由静止的电荷激发的，那么电荷运动时激发的磁场该怎样描述？这个场是否与运动速度有关？”利用图2，教师先带领学生复习静电场的性质，然后通过翻转课堂组织各组学生通过讨论并填写“讨论Ⅰ”部分的5个空格.进一步提问：“推测出了单个运动点电荷激发的磁场，下一步该怎么进行？”仿照质点运动学中由单个质点到质点系的研究思路，引导学生探讨当大量点电荷以相同的速度运动时，其周围空间产生磁场的表达形式.这个环节中，教师先给出电流元模型(见“讨论Ⅱ”)，各小组充分讨论，直至推导出最终结果.这种教学方式可以激发思维潜能，教会学生怎样深入开展研究.尤其是当学生发现自己的猜想被一个个证实的时候，不仅可以显著增强自信心，还能潜移默化地学会科学思维的方法，领略创新思维的精髓.

图2 思维训练阶段教学示例思维导图

这里采用了创新方法——“中山正和法”中的辩证思考模式“假说检定”来开展教学活动[6].教师带领学生 “剥茧抽丝，探寻本质”，让学生通过亲身思考和实践来体会基于逻辑推理的联想发散的具体应用.

2.3 思维引导阶段

前面的学习使学生初步学会了科学的思维方式，掌握了科学的研究方法.因此，这个阶段的教学目的是训练学生自主思考，教学重点是自主思考，自主探索的引导，宜采用讨论式教学方法.要增强课堂感染力，激发学习兴奋点，提高课堂参与度，调动学习积极性，让学生有代入感和参与感，在自主研究中深度体验科学研究的完整过程，不断改进自己的思维方式.

教师要深挖物理理论的形成背景和研究过程，埋设关键问题，将授课内容划分为“由现象提出问题，由经验提出猜想，由实验判断正误，由分析得出结论”4个部分.授课时应侧重于物理理论形成背景的介绍，引导学生发现预设的问题，从而自主完成上述4个部分的内容.课堂教学可以采用辩论赛的形式，使每位学生都能真正地参与到课堂中来.

例如，在讲解康普顿效应时，如图3所示，教师先介绍关于γ射线吸收和散射性质的实验研究，特别指出那些用经典理论无法解释的实验现象.同时，介绍这期间爱因斯坦光量子理论，并将光的波粒二象性的思想传递给学生，让学生感到γ射线散射实验中所发现的不寻常现象和光的波粒二象性之间似乎存在着某种联系，引发其好奇心.随后，详细介绍1919年以后康普顿利用γ射线和X射线所开展的散射实验研究，回顾康普顿经历重重失败，最终考虑相对论效应[8]，成功解释散射后波长变长的实验现象的曲折过程(“历史回顾”部分).

在完成了穿越时空的科学之旅后，教师介绍康普顿效应的重要意义以及康普顿由此所获得的荣誉(“巅峰重现”部分)来进一步激发学生的好奇心：是什么样的理论推导会取得这么伟大的成就？

在充分调动起学生思考的热情之后，教师组织学生分组讨论物理模型的构建，计算散射光子与入射光子波长之间的差值Δλ，写出解决思路和方案(“经典复刻”部分)，展开辩论直至得到正确的结论，实现一个完整地利用已有知识解决新问题的过程.

通过这种教学方式，教师带领学生“品味物理，重温经典”，使学生获得沉浸式的学习体验，从而对学生的自主思维能力进行全面系统地训练.

上述创新性思维训练过程可以用图4来概括.

图3 思维引导阶段教学示例思维导图

图4 创新性思维训练过程导图

3 结束语

综上所述，在“用有趣的科学探索导入课程，用缜密的逻辑思维贯穿课程，用巧妙的研究方法主导课程，用清晰的思维导图巩固课程”的思想指导下，以物理学史为载体，将创新性思维培养贯穿教学始终，使学生通过亲身实践体会物理理论诞生的艰辛过程，形成“抽象实际问题→确定研究参量→建立物理模型→寻找变量关系→归纳总结结论”的思维习惯和处理问题的方式.这种教学模式能让学生真正实现“遇到问题有解决思路，分析问题有多重角度，解决问题有有效方法，总结问题有清晰脉络”.对创新思维能力的培养是一个有力的促进，对学生参加国际青年物理学家竞赛、“挑战杯”等各类科技学术竞赛均能起到有效的推动作用，对学生未来的研究工作也将起到积极的辅助作用，为新工科背景下基础物理教学的改革创新提供了一种思路和方法.

对学生的创新性思维培养是一个长期的过程，不能一蹴而就，应该循序渐近，紧持不懈.在平时课堂教学过程中，可通过设问、课堂练习等教学环节有意识地训练、引导，也可利用布置作业、学生的课外学习活动加以引导.相信在师生的共同努力下，学生的创新性思维能力一定会有显著的提高.