科學(xué)研究范式的教學(xué)模式的構(gòu)建

靳長(zhǎng)清，許崗，李建平西安工業(yè)大學(xué)

科學(xué)研究范式的教學(xué)模式的構(gòu)建

靳長(zhǎng)清，許崗，李建平
西安工業(yè)大學(xué)

摘要：為了指導(dǎo)教師在工科專業(yè)基礎(chǔ)課中的課堂教學(xué)工作，加強(qiáng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，本文基于《冶金傳輸原理》此類(lèi)專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)科特點(diǎn)，結(jié)合不同教學(xué)模式的優(yōu)缺點(diǎn)和學(xué)生反饋意見(jiàn)，提出了科學(xué)研究范式的教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和解決實(shí)際問(wèn)題能力為目標(biāo)；通過(guò)“把實(shí)際工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問(wèn)題”的科學(xué)意識(shí)培養(yǎng)和科學(xué)思維方式的訓(xùn)練，以及“把科學(xué)理論主動(dòng)運(yùn)用到工程實(shí)踐中的知識(shí)和思維遷移的運(yùn)用”，為卓越工程師的培養(yǎng)打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冶金傳輸原理；教學(xué)模式；卓越工程師；科學(xué)研究范式；科學(xué)思維方式

引言

“范式”的概念是1962年由美國(guó)著名科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫(kù)恩提出,即常規(guī)科學(xué)運(yùn)作所依賴的理論基礎(chǔ)、實(shí)踐規(guī)范。它包括三個(gè)方面的內(nèi)容：(1)共同的基本理論、觀點(diǎn)和方法；(2)共有信念；(3)某種自然觀(如形而上學(xué)假定)。在前學(xué)科時(shí)期,人們對(duì)學(xué)科的理論和知識(shí)認(rèn)識(shí)處于探索階段，有很多不同的范式。不同的范式自由競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果是一種范式得到大多數(shù)科學(xué)家的支持,形成科學(xué)共同體公認(rèn)的范式。統(tǒng)一范式的確立意味著前學(xué)科時(shí)期進(jìn)入常規(guī)科學(xué)時(shí)期。作為相對(duì)成熟的科學(xué)，《冶金傳輸原理》（簡(jiǎn)稱《冶》）的形成遵循范式的形成過(guò)程；是對(duì)實(shí)踐的歸納與總結(jié)，綜合與分析，抽象與演繹。在客觀上要求：教師授課不僅是科學(xué)知識(shí)的傳授，更是科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)——科學(xué)意識(shí)培養(yǎng)，科學(xué)思維方式的啟發(fā)、訓(xùn)練和應(yīng)用。

筆者通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，以《冶》教學(xué)為具體的研究對(duì)象，參考教學(xué)效果反饋，提出了工科專業(yè)基礎(chǔ)課的普遍教學(xué)模式，為卓越工程師培養(yǎng)提供教學(xué)依據(jù)。

1　《冶》課程特點(diǎn)

《冶》是材料科學(xué)與工程學(xué)科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，上承大學(xué)物理、高數(shù)等基礎(chǔ)課，下接材料加工等專業(yè)課。它兼顧理論和應(yīng)用，突出對(duì)實(shí)踐現(xiàn)象的物理機(jī)理分析。該課程內(nèi)容抽象、數(shù)理知識(shí)多，掌握物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)方法對(duì)進(jìn)行實(shí)踐現(xiàn)象分析、產(chǎn)品性能預(yù)判有重要價(jià)值；同時(shí)該課程和材料加工應(yīng)用緊密，實(shí)踐性強(qiáng)。該課程的特點(diǎn)決定了教師難講，學(xué)生難學(xué)。

在材料加工工程專業(yè)（卓越工程師班）中，“傳輸原理”主要闡述液態(tài)金屬成型過(guò)程中動(dòng)量、質(zhì)量、熱量傳輸基本規(guī)律。即使是在現(xiàn)代，液態(tài)金屬成型中的許多現(xiàn)象難以從經(jīng)驗(yàn)上給予很好解釋。近現(xiàn)代以來(lái)，科學(xué)研究和工程應(yīng)用人員逐漸從流體力學(xué)、熱量和質(zhì)量傳輸理論的角度展開(kāi)對(duì)液態(tài)金屬成型的機(jī)理研究，發(fā)展成為現(xiàn)代的“冶金傳輸原理”。

2　《冶》的教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)模式的確立

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，客觀上對(duì)卓越工程師的教育培養(yǎng)提出了更高的要求。當(dāng)代的工科教育不能是簡(jiǎn)單套用結(jié)論，越來(lái)越重視基本物理原理的理解。我們認(rèn)為：在未來(lái)工程實(shí)踐中，如何把工程問(wèn)題抽象為科學(xué)問(wèn)題，運(yùn)用科學(xué)方法解決工程問(wèn)題；如何用科學(xué)理論指導(dǎo)工程實(shí)踐；這是工科教育要面對(duì)的迫切問(wèn)題?！白吭焦こ處煛钡呐囵B(yǎng)目標(biāo)客觀上要求對(duì)學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐能力都提出了更高的要求。因此在教學(xué)活動(dòng)中，應(yīng)該加強(qiáng)科學(xué)意識(shí)培養(yǎng)、知識(shí)遷移和科學(xué)思維方式的訓(xùn)練，為工程實(shí)踐能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

圖3：科學(xué)研究范式指導(dǎo)下的教學(xué)模式

圖4：學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程

在《冶》的教學(xué)中，由于教師教育經(jīng)歷的原因，存在兩種教學(xué)模式。其一，工科模式（圖1）：注重教學(xué)內(nèi)容實(shí)用性；重視短、平、快；忽視科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。這導(dǎo)致基礎(chǔ)薄弱，生搬硬套；學(xué)生無(wú)法達(dá)到對(duì)實(shí)踐對(duì)象的科學(xué)認(rèn)識(shí)；無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)材料加工現(xiàn)象的分析、產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)；為以后專業(yè)課的教學(xué)工作帶來(lái)很大的難度。其二理科模式（圖2）：突出概念講授和數(shù)學(xué)演繹。由于缺少對(duì)概念內(nèi)容的背景、來(lái)源、和生活生產(chǎn)實(shí)踐情景的鋪墊，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺乏；或迷失在嚴(yán)謹(jǐn)、精細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中，造成和工程實(shí)踐的脫節(jié)；教學(xué)效果較差。

教師在教學(xué)過(guò)程操作中的偏差出現(xiàn)的原因是：缺少教學(xué)模式的運(yùn)用。總結(jié)兩種教學(xué)模式的缺陷，借鑒科學(xué)研究范式的創(chuàng)立過(guò)程，我們提出了科學(xué)研究范式的教學(xué)模式（圖3）?？茖W(xué)研究范式契合認(rèn)識(shí)事物的普遍心理過(guò)程——簡(jiǎn)單到復(fù)雜，表象到本質(zhì)（圖4）。從認(rèn)識(shí)事物的心理過(guò)程角度上分析，科學(xué)研究范式的具體步驟為：感覺(jué)和知覺(jué)（人們的常識(shí)或者生產(chǎn)生活經(jīng)驗(yàn)）；順應(yīng)和同化（通過(guò)歸納總結(jié)、分析、抽象和演繹）得出數(shù)理模型和理論；運(yùn)用推廣到實(shí)踐，驗(yàn)證其正確性。從科學(xué)范式創(chuàng)立的過(guò)程上講，科學(xué)范式就是從生活或者工程實(shí)踐，然后到數(shù)理模型，最后形成指導(dǎo)普遍實(shí)踐的科學(xué)規(guī)律。從生產(chǎn)生活實(shí)踐的角度上講，科學(xué)范式就是從實(shí)踐中來(lái)到實(shí)踐中去的過(guò)程?？傊四Ｊ街笇?dǎo)下的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)也就是科學(xué)研究過(guò)程的壓縮版，它符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

3　科學(xué)研究范式的教學(xué)模式下的教學(xué)過(guò)程

1）加強(qiáng)生活和工程實(shí)踐中事例的課堂引入，增加學(xué)生的興趣點(diǎn)和已有常識(shí)的順應(yīng)、同化、消化過(guò)程。通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生回到生活或者工程實(shí)踐中，通過(guò)分析與綜合等科學(xué)思維方式的運(yùn)用，從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)與提出問(wèn)題?？茖W(xué)理論知識(shí)作為間接的理性認(rèn)識(shí)，很難引起大部分學(xué)生的直接興趣，因此恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)引入就成為引起學(xué)生積極思考的手段，和學(xué)生互動(dòng)的前提和關(guān)鍵。

2）增加和學(xué)生的互動(dòng)，讓學(xué)生體會(huì)從未知、片面或者錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)中達(dá)到已知、全面、或者正確認(rèn)識(shí)的同化過(guò)程?？茖W(xué)范式的建立過(guò)程經(jīng)歷了沒(méi)有范式（未知）和不同范式（片面、錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)）競(jìng)爭(zhēng)、選擇和相互補(bǔ)充的過(guò)程（同化過(guò)程）；科學(xué)范式的建立過(guò)程經(jīng)歷了未知的前學(xué)科時(shí)期、充滿競(jìng)爭(zhēng)的各種范式期到科學(xué)共同體公認(rèn)的統(tǒng)一范式期?；?dòng)、啟發(fā)就是學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，在大家觀念的碰撞中找到正確結(jié)論的過(guò)程。

3）增加科學(xué)史的學(xué)習(xí)。不僅可以增添情趣、活躍氣氛；更重要的是科學(xué)史就是研究范式建立的典型。從科學(xué)家成功的職業(yè)生涯的具體例子上，學(xué)生可以體會(huì)到他們對(duì)科學(xué)的興趣；學(xué)習(xí)如何從自然或者生活中凝練提出科學(xué)問(wèn)題；學(xué)習(xí)思考和解決問(wèn)題的科學(xué)方式。相反，教學(xué)僅從課本出發(fā)，推導(dǎo)結(jié)論讓學(xué)生不僅感到抽象難懂，也很難理解這些成果產(chǎn)生的背景、方法、意義以及應(yīng)用價(jià)值。

在教學(xué)活動(dòng)中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)科發(fā)展史料為線，介紹科學(xué)家研究歷程的授課方式，使學(xué)生理性全面地理解公式和概念；了解科學(xué)工作的曲折和創(chuàng)造性；掌握歸納和總結(jié)、分析與綜合、抽象與演繹的科學(xué)思維方式。

4）加強(qiáng)對(duì)物理模型建立的理解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。模型建立蘊(yùn)含著歸納總結(jié)、分析與綜合的科學(xué)思維方式和豐富的想象力；包含著突出主要因素、忽略次要因素的科學(xué)方法。這些是對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的最好培養(yǎng)。

對(duì)優(yōu)化的模型經(jīng)過(guò)嚴(yán)密數(shù)理推導(dǎo)得出結(jié)論的過(guò)程，是較為困難的環(huán)節(jié)。授課教師往往簡(jiǎn)單帶過(guò)，給出結(jié)論。對(duì)于學(xué)生來(lái)講，這失去了縝密思維，嚴(yán)密推演的鍛煉。比如：奈維—斯托克方程的建立。引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)研究范式導(dǎo)出奈維—斯托克方程，使學(xué)生得到了嚴(yán)謹(jǐn)邏輯推演訓(xùn)練，也增強(qiáng)了學(xué)習(xí)信心、增加興趣。

5）加強(qiáng)課后習(xí)題的訓(xùn)練。經(jīng)典習(xí)題是對(duì)工程問(wèn)題的抽象和簡(jiǎn)化或者對(duì)理論問(wèn)題的深刻思考。這也是檢查教學(xué)效果的必要手段。

4　教學(xué)效果

通過(guò)教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)，明確提出了科學(xué)研究范式的教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果，受到了督導(dǎo)專家和學(xué)生的一致好評(píng)。學(xué)生的科學(xué)意識(shí)得到了培養(yǎng)，科學(xué)的思維方式得到了訓(xùn)練，學(xué)習(xí)成績(jī)提高很快（表1）。

表1：教改前后學(xué)生成績(jī)對(duì)比

5　結(jié)論

科學(xué)研究范式的教學(xué)模式，破除了《冶》的傳統(tǒng)教學(xué)模式。在教學(xué)過(guò)程中，引導(dǎo)學(xué)生觀察生活、注重實(shí)踐，培養(yǎng)把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問(wèn)題的科學(xué)意識(shí)；強(qiáng)化數(shù)理建模能力；培養(yǎng)總結(jié)歸納、分析與綜合，抽象和演繹的科學(xué)思維方式；最后回到實(shí)際生活或者工程問(wèn)題的分析、解決的能力訓(xùn)練上，培養(yǎng)運(yùn)用科學(xué)理論、方法解決問(wèn)題的能力。此教學(xué)模式為工科專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)提供了新的思路；為卓越工程師培養(yǎng)提供了可操作方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]許崗.冶金傳輸原理教學(xué)方法改革探索[J].高教研究學(xué)報(bào)，2011,No.55

[2]張胤“冶金傳輸原理”教學(xué)的改革與實(shí)踐.中國(guó)冶金教育.1999,No.4

[3]靳長(zhǎng)清，許崗，李金平.科學(xué)主義研究范式的教學(xué)思想運(yùn)用.中小企業(yè)管理與科技.2015,No.3

基金項(xiàng)目：本文為西安工業(yè)大學(xué)教改研究項(xiàng)目13JGY09。

作者簡(jiǎn)介：靳長(zhǎng)清（1982-），男，單位：西安工業(yè)大學(xué)，博士，副教授，無(wú)機(jī)非金屬材料系副主任。