浅谈大学物理课程中的结构创新教育

杨为家，辛月，申冬玲，何鑫，范东华

[摘           要]  技術创新型人才是建设创新型国家的关键。培养技术创新型人才已经成为我国高等教育的重要任务。在深入理解创新内涵的基础上，从一道课后习题的演变去探讨大学物理课程中的创新教育，为技术创新型人才的培养提供有益借鉴。

[关    键   词]  创新型人才;结构创新;创新教育

[中图分类号]  G642                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2021）50-0090-02

一、现状及背景分析

2006年，胡锦涛在全国科技大会上提出走中国特色自主创新道路，建设创新型国家战略思想，为全面建设小康社会提供强有力的支撑。在长期的实践中，党和国家始终坚持把自主创新、建设创新型国家作为指导我国发展的一项重大战略方针。2017年10月18日，习近平同志在十九大报告中指出，加快建设创新型国家。建设创新型国家，归根结底要靠人才，尤其是技术创新型人才来实现的。因此，做好技术创新型人才的培养是推进自主创新、建设创新型国家的一个关键举措。

2020年9月22日，习近平在教育文化卫生体育领域专家代表座谈会上的讲话指出，“促进学生德智体美劳全面发展，培养学生爱国情怀、社会责任感、创新精神、实践能力”是高等教育的重要目标[1]。为了落实技术创新型人才的培养，教育部在最新制定的普通高等教育学校本科教育教学审核评估指标体系中明确把“创新创业教育”作为关键考核指标，提出了“将创新创业教育贯穿于人才培养全过程、融入专业教育”的理念[2]。因此，将“创新创业教育”有机融入日常教学环节既是当前高等教育教学改革研究中的一个重点，也是一个热点。在党和国家的号召下，五邑大学适时提出了积极、系统开展创新创业教育，培育技术创新型人才的发展目标[3]。大学物理是理工科专业一门重要的公共基础课。在大学物理课程中积极开展创新创业教育，可以产生很大的受益面，为技术创新型人才的培养提供有益借鉴。本文将从一道经典的大学物理课后习题及其演变引入结构创新教育。

二、大学物理经典课后习题及其演变

习题原题：用两根彼此平行的长直导线将半径为R的均匀导体圆环联到电源上，如图1所示，b为切点，求O点的磁感应强度[4]。

题目分析：这道题目是一道非常经典的综合题，一共考查3个知识点。第一个知识点是带电有限长直导线的磁感应强度。第二个知识点是带电圆环（圆弧）的磁感应强度。第三个知识点是电阻的并联与电流分流之间的关系。这道题直观考查了学生对多种知识综合运用的能力。

演变一：如图2所示，用两根彼此平行的长直导线将半径为R的四分之三导体圆环联到电源上，b为切点，求O点的磁感应强度。

演变二：如图3所示，用两根彼此平行的无限长直导线将半径为R的均匀导体半圆环联到电源上，a、b为切点，求O点的磁感应强度。

演变三：如图4所示，一根无限长载流导线布局成直线加圆环的形状，圆环的半径为R，圆心为O点，求O点的磁感应强度。

演变分析：通过结构创新，我们得到了全新的题目，但是主要考点并没有变。在此处，结构创新分成两类：一类是改变直导线的结构，另一类是改变圆环的结构。

结构创新是创新的一种重要形式，在我们的生活、生产中发挥了非常重要的作用。下面我们将通过一些案例深入理解结构创新。

三、结构创新的案例及其训练

创新就是求变，以变促发展。产品的结构是一个看得见、摸得着的东西。以结构创新为主体进行创新教育，容易产生良好的教学效果。以学生喜爱或者感兴趣的话题展开结构创新教育，有利于引起学生的兴趣，激发学生的共鸣。下面我们以学生比较熟悉和感兴趣的汽车开展结构创新教育探索。

案例1：很多人喜欢开车到野外去看夜景，放松心情。然而，在野外需要搭帐篷，挺麻烦的。要是可以直接在车上躺着看夜景，那该多好啊！于是，设计师对车顶结构进行了改变，带有天窗的汽车出现。为了更加方便，设计师将天窗设计成活动式的：需要就打开，不需要就关闭。在这个例子中，汽车设计师对车顶结构进行了修改和完善，极大地满足了人们的使用需求。

案例2：汽车出行已经成为人们的第一选择。然而，带着小朋友全家出行的时候，却感觉特别不方便：小朋友活泼，车内座椅都是为成人设计的，无法有效保证孩子的安全;尤其当小朋友是婴儿的时候，就更麻烦了。有没有一个好的解决方法呢？设计一个儿童专用座椅，并能够灵活安装到现有座椅上，那就可以轻松解决问题了。这个案例中，设计师通过增加一个新的结构，从而达到目的。

此外，我们还需要引导学生一起进行1～2个启发式的结构创新训练，巩固结构创新的教育效果。

训练题1：凳子——旋转式升降凳子（增加旋转结构，调节高度）——椅子（增加靠背结构，增加舒适度）——升降椅（增加旋转结构，调节高度）——摇摇椅（改变椅子的底部结构，提高舒适度）——按摩椅（增加电动按摩部件结构，养生/调理身体）——折叠椅（增加折叠活动结构，节约空间）——午休折叠椅/床（增加活动式结构，方便改变形状，两用，节约空间）——沙发床（增加活动式结构，方便改变形状，两用，节约空间）。

训练题2：升降机——室内电梯（增加封闭结构，且提高安全性和上下楼的速率）——室外电梯（不改变房子的结构，节约空间，适用于老房改造）——观光电梯（将墙体结构改为透明玻璃，增加新功能）——开放式手扶式电梯（密闭结构改为开放式结构，增加舒适度和安全性）。

最后，启发学生自行对结构创新进行总结和归纳。结构创新，就是对产品的结构进行修改和完善，增加或者减少某些结构，或者利用不同的结构进行排列、组合，从而形成新的结构，赋予产品新的功能或者全新的用途。同时总结出结构创新的经典思路：需求驱动机制。

四、结语

在大学物理中结构创新教育可以按照以下思路进行：知识点中涉及的结构演变→引入结构创新→以学生感兴趣的事物作为切入点→讲解经典案例（领悟结构创新的思路）→启发式强化训练→经验总结/创新思路总结。这种方式有利于调动学生的积极性，增加学生的参与性和获得感，从而达到创新教育的目的。

参考文献：

[1]习近平.习近平在教育文化卫生体育领域专家代表座谈会上的讲话[N].人民日报，2020-09-22.

[2]教育部.普通高等教育学校本科教育教学审核评估实施方案（2021—2025年）[S].2021-01-21.

[3]中共五邑大学委员会.中共五邑大学委员会关于加快建设和完善高水平人才培养体系的若干意见[Z].2021-03-02

[4]王少杰，顾牡，吴天刚.新编基础物理学（第三版）[M].北京：科学出版社，2019.

◎编辑 张 慧