科學(xué)主義研究范式的教學(xué)思想應(yīng)用

靳長清 等

摘要：為了更好地加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)，提高學(xué)生生活-理論-實(shí)踐-理論的學(xué)習(xí)技能，本文基于《冶金傳輸原理》（簡稱《冶》的學(xué)科特點(diǎn)，結(jié)合傳統(tǒng)教學(xué)方法和學(xué)生反饋意見，提出了以《冶》課發(fā)展史和科學(xué)主義研究范式為主要載體的教學(xué)思路。建立了以學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)為目標(biāo)，以理論聯(lián)系實(shí)際為基本教學(xué)方法，以解決實(shí)際問題為教學(xué)目的教學(xué)思想。這種教學(xué)理念的改變?yōu)樽吭焦こ處煹目茖W(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)提供了新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：冶金傳輸原理 科學(xué)素養(yǎng) 教學(xué)方法 科學(xué)主義研究

范式

0 引言

傳輸原理在世界范圍內(nèi)屬于一個新興的學(xué)科，1960年以來各先進(jìn)工業(yè)化國家才相繼將傳輸原理列入工科大學(xué)生的必修課程，我國直到1980年以來才陸續(xù)在相關(guān)的大學(xué)中將該課程列為必修課。傳輸原理在金屬材料成型中的應(yīng)用，使成型過程中一些物理過程得到深入而準(zhǔn)確的解析。學(xué)習(xí)傳輸原理，可以使學(xué)生深入了解復(fù)雜的液態(tài)金屬成型過程中各因素影響的機(jī)理，從而改進(jìn)操作和工藝，提高控制和設(shè)計水平。同時為我們提供物理模型和數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計算機(jī)求解許多課題。

在《冶》課程的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)課程的教與學(xué)中出現(xiàn)了較多的問題。由于課程本身的特點(diǎn)， 《冶》課基礎(chǔ)理論知識抽象，數(shù)理應(yīng)用多，加之計算工具學(xué)習(xí)的難度等，使得學(xué)生難學(xué)，老師難教。盡管大多版本的《冶》課（教材）所涉及的數(shù)理知識并未超出大學(xué)數(shù)學(xué)和物理的教學(xué)范圍，但工科專業(yè)體系總體對數(shù)理知識要求相對較少，且授課對象多為大學(xué)三年級學(xué)生，因而學(xué)生在進(jìn)入專業(yè)課程學(xué)習(xí)時反而不太適應(yīng)純數(shù)理邏輯學(xué)習(xí)，從而造成了一定的難度。其主要特征表現(xiàn)為學(xué)生數(shù)理基礎(chǔ)差，數(shù)學(xué)建模的能力不足，數(shù)理結(jié)果的實(shí)踐應(yīng)用意識不強(qiáng)。筆者通過一年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對傳統(tǒng)的《冶》課的教學(xué)思路、方法和目的提出了自己的一些看法，特別是在加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)方面提出了自身的觀點(diǎn)和建議，僅供教學(xué)交流。

1 教學(xué)目標(biāo)

近現(xiàn)代以來，許多科學(xué)研究人員和工程應(yīng)用人員通過學(xué)科交叉、知識融匯逐漸從流體靜力學(xué)和動力學(xué)、各種熱傳輸理論以及質(zhì)量傳輸理論三位一體的角度展開了對液態(tài)金屬成型過程的微觀機(jī)理分析研究，從而發(fā)展成為現(xiàn)代的“傳輸原理”。“傳輸原理”屬于交叉學(xué)科，各學(xué)科理論知識層次分明，在實(shí)踐應(yīng)用上又相互融匯；概念、公式繁多，數(shù)理推導(dǎo)復(fù)雜；數(shù)學(xué)模型多以微元積分/微分為主要方法，對讀者的數(shù)理知識要求較高；生產(chǎn)實(shí)踐聯(lián)系緊密，綜合性強(qiáng)。因此課程內(nèi)容和學(xué)習(xí)方法的特點(diǎn)都給教師教和學(xué)生學(xué)帶來了相當(dāng)?shù)碾y度。如果教師將注意力全部集中于抽象概念介紹和數(shù)學(xué)推演，學(xué)生對內(nèi)容的背景、實(shí)際意義和應(yīng)用場合缺乏必要理解，將導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣不足，嚴(yán)重影響教學(xué)效果；如果突出教學(xué)內(nèi)容的實(shí)用性，重視短、平、快的教學(xué)效果，忽視科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，往往導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)思維的訓(xùn)練不足，形成依葫蘆畫瓢的錯誤學(xué)習(xí)習(xí)慣和方法。因此，以什么角度，采用什么方法講述該課是教師面臨的重要課題。

美國威斯康辛大學(xué)的R.B.Bird（伯德）教授曾說：“當(dāng)代的工科教育越來越傾向于著重基本物理原理的理解，而不是盲目地套用結(jié)論。”在未來的工程實(shí)踐中，如何把所學(xué)知識和技能用于工程實(shí)踐，指導(dǎo)工程實(shí)踐；如何把實(shí)際工程問題抽象為科學(xué)問題，通過科學(xué)方法來解決工程問題，這是工科教育要解決的問題。西安工業(yè)大學(xué)眾多學(xué)科目前均建立了以培養(yǎng)“卓越工程師”為主要目標(biāo)的教改班，從學(xué)生的理論知識學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐能力方面都提出了更深更廣的要求，這也就明確了以科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)的教育教學(xué)方式。

對于未來的卓越工程師，不僅需要很強(qiáng)的實(shí)踐能力，而且必須具備相當(dāng)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)。因此，教育教學(xué)的特色和針對性必須緊緊圍繞科學(xué)素養(yǎng)和工程實(shí)踐能力培養(yǎng)。在課堂教學(xué)中，應(yīng)該突出加強(qiáng)科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，積累豐富的科學(xué)知識、掌握科學(xué)的思想和方法，靈活運(yùn)用科學(xué)的思維方式和培養(yǎng)科學(xué)精神，為未來工程實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)。

2 教學(xué)思想

2.1 以《冶》發(fā)展史為載體培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)

《冶》包含傳熱學(xué)、動量傳輸（流體力學(xué)）、傳質(zhì)學(xué)三大部分（簡稱“三傳”）。本學(xué)科的發(fā)展和完善，凝聚了古今中外眾多科學(xué)家、數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家的艱苦努力。它的許多成果不僅體現(xiàn)了科學(xué)家不畏艱險、一絲不茍求的科學(xué)精神，而且也展示了近代工科各領(lǐng)域相互學(xué)習(xí)、互相貫通，從而交叉發(fā)展的歷史。歷史給予我們不斷進(jìn)取的養(yǎng)料，從每一位成功的科學(xué)家畢生的奮斗歷程上學(xué)生可以得到面對問題、理解問題、解決問題的啟示。

在教學(xué)過程中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)科發(fā)展史料為主線，通過一個理論、公式形成的思路、建模、推演、結(jié)論來介紹偉大的科學(xué)成就，并伴隨科學(xué)家的研究歷程的授課方式，不僅能讓學(xué)生更理性的理解公式和概念，而且學(xué)習(xí)了重大科學(xué)成就中的嚴(yán)謹(jǐn)和精細(xì)，同時也擴(kuò)充了學(xué)生的人文歷史知識，更有利于學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和欲望，全面理解和掌握學(xué)科知識。

2.2 通過科學(xué)主義研究范式培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)

17世紀(jì)，笛卡爾（Descartes，1596-1650）以“我思故我在”打破了以往神性的統(tǒng)治，確立了人類理性的重要地位，強(qiáng)調(diào)人的理性的尊嚴(yán)和能力，并提出了科學(xué)探究的方法論。由此，近代科學(xué)逐漸從哲學(xué)中分化出來。以培根的經(jīng)驗(yàn)論、伽利略的實(shí)驗(yàn)加數(shù)學(xué)的科學(xué)方法及牛頓的經(jīng)典力學(xué)解釋模型為基礎(chǔ)，形成了近代機(jī)械的自然觀。科學(xué)的任務(wù)不是尋求最終的目的論的解釋，而是對運(yùn)動做出數(shù)學(xué)描述，解釋數(shù)量間的因果關(guān)系。與此相對應(yīng)的是將復(fù)雜現(xiàn)象分解成簡單的量，通過數(shù)學(xué)演繹確立其數(shù)量關(guān)系，最后經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究方法。總之，現(xiàn)代的經(jīng)典科學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)之上的，經(jīng)驗(yàn)的確證和數(shù)理模型化的成功是科學(xué)生產(chǎn)者的范式。這種科學(xué)范式自培根和笛卡爾以來一直主導(dǎo)著人類的普遍理性，并指引著人們自身的實(shí)踐。

科學(xué)研究的范式符合人們認(rèn)識事物的普遍心理過程。人們認(rèn)識事物總是從簡單到繁瑣，從表象到本質(zhì)的。從認(rèn)識事物的心理過程角度講，科學(xué)研究范式的具體步驟為：感覺和知覺（人們的常識或者生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)）；抽象思維（通過歸納總結(jié)、分析和抽象）可以得出數(shù)理模型；經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其正確性，得出理論，演繹推廣到可用的生產(chǎn)或者生活實(shí)踐。從解決問題的步驟上講，科學(xué)范式就是提出問題，分析問題，解決問題。從生產(chǎn)實(shí)踐的角度上講，科學(xué)范式就是從實(shí)踐中來到實(shí)踐中去的過程。

“三傳”作為一門學(xué)科，建立的過程是人們認(rèn)識動量、能量、物質(zhì)傳遞不斷深化的過程，也是科學(xué)范式的成功體現(xiàn)。在具體的科學(xué)知識的傳授中，要貫徹科學(xué)范式的規(guī)定，符合學(xué)生的心理認(rèn)知規(guī)律，循循善誘學(xué)生對科學(xué)知識的掌握，體會科學(xué)思想和方法的巨大作用，培養(yǎng)科學(xué)精神。首先，提出問題。通過創(chuàng)設(shè)問題情境或者引導(dǎo)學(xué)生回到現(xiàn)實(shí)生活中，從生活或生產(chǎn)現(xiàn)象中明確提出問題?？茖W(xué)知識作為間接的經(jīng)驗(yàn)或者理性的抽象規(guī)定，往往很難引起學(xué)生的直接興趣，因此問題提出就成為抓住學(xué)生注意力和興趣，引起學(xué)生積極思考的手段。其次，建立模型。引導(dǎo)學(xué)生積極思考，運(yùn)用科學(xué)的思維方式去粗存精、去偽存真建立數(shù)理模型。例如流體力學(xué)中連續(xù)介質(zhì)模型的建立。從微觀上看，流體是分散的，不是連續(xù)介質(zhì)。如果把流體作為分散介質(zhì)，那么從數(shù)學(xué)上則無法解決流體的任何問題。因此，該課程講授的一個重點(diǎn)就是模型建立的原因和前提，這是“三傳”中最基本的數(shù)學(xué)思想基礎(chǔ)。再者，模型優(yōu)化。模型的建立蘊(yùn)含著突出主要因素、忽略次要因素的重要科學(xué)方法。如果嚴(yán)格把每個因素考慮到，最終得到的模型往往無法給出數(shù)學(xué)描述或者在數(shù)學(xué)上無法解決，因此建模必須突出主要因素，忽略次重因素。而這種突出-忽略的把握是對學(xué)生能否抓住主要問題、忽略次要因素或者表面現(xiàn)象的科學(xué)素養(yǎng)的最好培養(yǎng)。再次，得出結(jié)論。對優(yōu)化后的模型經(jīng)過嚴(yán)密的數(shù)理推導(dǎo)得出結(jié)論的過程，是本科生較為頭疼的環(huán)節(jié)。很多授課教師在此往往一筆帶過，直接給出結(jié)論。對于學(xué)生來講，這恰恰失去了一次縝密思維，嚴(yán)密推演的鍛煉。例如在奈維-斯托克斯方程的建立過程中，應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)研究范式、追尋大師的思維軌跡建立模型后，一絲不茍地導(dǎo)出奈維-斯托克方程。這種做法不僅使學(xué)生進(jìn)行了一次嚴(yán)密邏輯推演的訓(xùn)練，而且可以感受收獲“方程”的喜悅，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)的信心、增加學(xué)習(xí)興趣。最后，回歸實(shí)踐。得出結(jié)論并用于解決現(xiàn)實(shí)問題可以增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法解決實(shí)際問題的能力。又例如，流體靜力學(xué)中平板受力點(diǎn)的確定。運(yùn)用靜力矩和慣性矩移軸定律進(jìn)行較繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)后，可以得出受力點(diǎn)在平板形心下方某處的結(jié)論。那么受力點(diǎn)的物理意義是什么，實(shí)踐應(yīng)用時的價值又何以體現(xiàn)？很多教材對這一結(jié)論在實(shí)踐中的價值沒有進(jìn)一步說明，調(diào)查發(fā)現(xiàn)大多學(xué)生對這一結(jié)論也顯得不知所云。在本質(zhì)上，對于大型鑄件側(cè)澆道通向型腔的位置應(yīng)當(dāng)是平板（近似平板）的受力點(diǎn)。在受力點(diǎn)上，流體受力集中，增大了澆道和型腔間的動量傳輸和質(zhì)量傳輸，有利于鑄件的致密和雜質(zhì)去除。盡管靜流體壓力相對于金屬凝固時體積收縮的應(yīng)力非常小，體現(xiàn)的傳質(zhì)結(jié)果也不明顯，但是其物理價值和含義不容忽略。

科學(xué)來源于實(shí)踐，高于實(shí)踐，最終指導(dǎo)實(shí)踐?！兑薄穼τ谧匀唤缁蛘吖こ虒?shí)踐中的物質(zhì)、動量和能量傳遞過程，通過建立物理模型，然后依據(jù)物理原理運(yùn)用高等數(shù)學(xué)知識，建立微分方程?？梢姡@門學(xué)問的形成就是建立在把工程問題抽象為科學(xué)問題基礎(chǔ)上的。同時這種上升到理論高度的科學(xué)，又可以指導(dǎo)普遍的實(shí)踐。這就要求在教學(xué)過程中，以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為教學(xué)目標(biāo)和主線，教師的教授思想和方法要按照符合學(xué)生認(rèn)知心理規(guī)律的科學(xué)主義研究范式的要求，通過從實(shí)踐中來到實(shí)踐中去的過程，培養(yǎng)學(xué)生從現(xiàn)實(shí)生活或者工程實(shí)踐中提出科學(xué)問題的能力；訓(xùn)練學(xué)生抓住關(guān)鍵要素建立數(shù)學(xué)模型的科學(xué)思維方式和一絲不茍，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的邏輯推導(dǎo)能力；以及運(yùn)用科學(xué)方法解決生活或者工程實(shí)踐問題的科學(xué)意識和科學(xué)精神。

3 結(jié)論

以《冶》課發(fā)展史和科學(xué)主義研究范式為主要載體的教學(xué)思路破除了傳統(tǒng)《冶》課的教學(xué)模式。以學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)為教育教學(xué)目標(biāo)突破了教學(xué)大綱的局限。在具體的教學(xué)過程中，強(qiáng)化學(xué)生數(shù)理能力，引導(dǎo)學(xué)生深入理論，并回歸到實(shí)際問題的分析、解決能力的訓(xùn)練上。這種教學(xué)理念不僅改變了授課的角度，而且增加了教學(xué)內(nèi)容的趣味性和實(shí)用性，為卓越工程師的培養(yǎng)提供了一種新的思路和方法。

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基金項(xiàng)目：

感謝西安工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目的資助（批準(zhǔn)號：13JGY09）。

作者簡介：

靳長清（1982-），男，山東東平縣人，西安工業(yè)大學(xué)，博士，副教授，材料物理教研室副主任，研究方向：納米功能材料。