挖掘傳統(tǒng)教學內(nèi)容中的創(chuàng)新思維元素

陳義萬 杜海霞 張群芝 閔銳

[摘 要] 注意挖掘教學內(nèi)容所包含的創(chuàng)新元素，通過猜想的教學方法，應用學生已有的知識，加以適當?shù)念惐?、猜想，讓學生在學習物理的過程中體驗到科學研究的快樂和成功的喜悅，從而提高學生的學習興趣，提高教學效率。

[關 鍵 詞] 教學方法；教學創(chuàng)新；電子書；猜想式教學

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）19-0077-03

一、前言

面對知識爆炸的形勢，傳統(tǒng)的學習方法已經(jīng)難以為繼。尤其在科技競爭日益激烈的今天，學校培養(yǎng)的目標，不是僅僅讓學生學到知識，更是要培養(yǎng)能應用知識去解決問題，具有發(fā)現(xiàn)新的知識、具有創(chuàng)新能力和繼續(xù)學習能力的人。為了達到這個目標，在理工科的重要基礎課大學物理中，我們做了一些嘗試，介紹如下。

二、集成電子書，一種新穎的學習媒介

在傳統(tǒng)的紙質書籍之后，逐漸有電子書，有音頻視頻，但是，能夠把教師的講解與書籍結合為一體的還不多見。我們經(jīng)過實踐思考，提出把大學物理學習指導做成電子版，然后在書中適當?shù)牡胤脚湟灾v課用的PPT、演示的動畫，在教師認為比較困難的地方插入教師的語音講解。而且附上教師的電子郵箱，然后把這些元素用專門的軟件打包集成。學生在學習的時候，只要在電腦上運行該軟件，就可以自學。如果需要向教師提問題，就可以向具體負責的教師發(fā)送電子郵件。這種電子書把文字、PPT、動畫、聲音集成為一體，形成了便于攜帶、內(nèi)容豐富、講解具有針對性的立體書籍，改變了以前各個元素分立的狀況。前期的文字與聲音的集成電子書，已經(jīng)正式出版發(fā)行，使用的效果良好；該課題被列為湖北省教育科學“十二·五”規(guī)劃課題，已經(jīng)完成結題。

我們希望通過嘗試，把這種集成電子書推廣到目前需求量很大的中考和高考輔導資料上去，形成一個新的出版潮流，幫助學生提高自學的能力和自學的效率。

三、挖掘物理知識背后的深刻思想

大學物理在高校的課程地位為什么長盛不衰？主要是下面3個方面的原因。

（1）它是各個理工科的基礎課程，不學習大學物理，許多專業(yè)課程很難進行。（2）物理作為科學素質的重要組成部分，對理工科的大學生是必不可少的。不說物理在歷次工業(yè)革命中的巨大推動作用，僅僅就近年來的物理學進展，如巨磁電阻材料、石墨烯材料等，工科的學生也是必須了解的。（3）就業(yè)的需要。學生的學習，各門課程是確定的，而就業(yè)則有隨機性。當學生畢業(yè)后，由于社會的原因，從事與他所學的專業(yè)具有很大差距的工作時，他所學習的專業(yè)課程，尤其是那些非常工具化的專業(yè)課程，幾乎完全無用。這時，起作用的是具有普遍作用的數(shù)學、物理課程。

四、多種方法培養(yǎng)學生的科學分析思維

復旦大學金曉峰提出了讓學生學習物理原始文獻的辦法。他認為，讓學生學習科學的原始文獻，而不是學習由別人編寫好的課本，可以讓學生重復一次最初的發(fā)現(xiàn)過程。這種做法在培養(yǎng)學生的探索精神和研究能力方面很具有新意。

我們在大學物理教學中也進行了一些教學方式上的改革，力求把成熟的物理知識背后的創(chuàng)新思維挖掘出來，把創(chuàng)新教育滲透到平時的教學中去。

（一）于細微處見新的領域

在力學中，引力質量和慣性質量在很多人看來，是自然相等的，多數(shù)課本上沒有這方面的介紹。實際上，引力質量與萬有引力相聯(lián)系，而慣性質量與物體受力后的加速度相聯(lián)系。由于在地球上各處的重力加速度相等，在取合理的單位后，可以證明引力質量與慣性質量相等[1]。愛因斯坦仔細地研究了這個問題，在此基礎上，提出了等價原理，成為廣義相對論基礎。通過與學生分析慣性質量與引力質量，最后得出廣義相對論的歷史過程，可以大大開闊學生的眼界和思路。

（二）物理概念的推廣應用

最常見的例子是慣性的概念。力學中慣性的概念很好理解，它是物體保持原有的運動和狀態(tài)的特性。我們在教學中，把慣性的概念推廣到電磁學、經(jīng)濟現(xiàn)象、社會現(xiàn)象。電磁感應是慣性的一個很好的詮釋。當一個線圈中的磁通量發(fā)生改變的時候，按照電磁感應定律，線圈中會產(chǎn)生一個感生電流，該電流的磁場是反抗原磁場的變化的。從反抗原來運動狀態(tài)這個性質看，電磁感應現(xiàn)象正是慣性的體現(xiàn)。那么，楞次定律本質上是電磁慣性。用慣性來分析電磁現(xiàn)象，可以不需要詳細的條件，就可以得出正確的定性結論。

在經(jīng)濟現(xiàn)象中的例子有很多，在此不一一列舉。舉一個心理方面的例子。比如學生某寢室有4個床位，現(xiàn)有3個學生居住，過了一段時間后，學校要安排進來一位新同學，問：原來的3個人對新來的同學是什么態(tài)度，歡迎還是拒絕？這個問題由于貼近學生生活，在課堂上往往會引起熱烈的討論。開始可能有各種思路和分析，也有人以為教師要提倡集體主義精神而不敢回答。通過討論，應用慣性原理，最后會得出結論：原來的3個同學對新來的人是排斥的！原因是他們住寬敞的房間已經(jīng)習慣了，已經(jīng)形成了一種狀態(tài)，而新進來一位同學，要改變這種狀態(tài)，由于人的性格的慣性，他們會不自覺地排斥改變原來狀態(tài)的同學。經(jīng)過具體分析和討論后，學生都十分信服，看到物理學的概念不僅應用在物理學領域，在其他方面也都可以得到很好的應用，增強了他們學物理的信心。

（三）探索物理現(xiàn)象背后的規(guī)律

比如，在熱力學第零定律也就是溫度的定義中，三個熱力學系統(tǒng)兩兩熱平衡一定會得出三者都是熱平衡的，這個熱平衡后的共同的量就是溫度。在講這個內(nèi)容的時候，我們考慮畢業(yè)生的流動：在武漢每年有幾十萬的大學生畢業(yè)，但是大多流向了東南沿海地區(qū)，驅動畢業(yè)生流動的背后力量是什么？最后我們分析得出，是工資。如果以后武漢的發(fā)展能夠提供與沿海地區(qū)相同的工資，那么可以想見，就不會有大學生的凈流出了。從比較枯燥的熱力學問題分析現(xiàn)在的經(jīng)濟熱點問題，不僅是開闊思路，也可以提供思考的方法。

（四）常見的物理公式在實際中的應用

我們在大學物理的第二個學期都要講振動問題，而且在推導簡諧振動方程后，都要舉一個木塊在平靜的水中的浮動問題。這個問題的結論是木塊在水中的上下浮動是簡諧振動，而且周期與水的密度、木塊的密度以及木塊的截面積有關。我們要求學生在周末出去玩的時候，比如坐輪船過長江，觀察一下輪船的浮動，是否是簡諧運動，而且可以用手表計時，通過公式計算船的大小和質量。這種簡單的理論聯(lián)系實際，可以讓學生對物理增加不少興趣。

（五）激發(fā)學生自發(fā)的組合式創(chuàng)新思維

通過這些教學中的培養(yǎng)，學生很快就有了自己的創(chuàng)新意識。一個學生在學習了光的干涉后，結合以前就有的電子的波動性質，就提出這樣的問題：如果在光源處放一個光源和一個電子源，會是什么結果？這個問題的結論本身還要探討，作為一個剛學過光的干涉的學生，能提出這樣的問題，說明他已經(jīng)具備了很強的創(chuàng)新潛力。

五、簡化物理公式的推導，加深對物理原理的理解和對公式的記憶

在大學物理的分子動理論中，對理想氣體壓強公式的推導，多數(shù)是用碰撞的原理，計算分子對容器壁的平均沖力，從而得出理想氣體的壓強。但是，這種方法比較復雜?？梢园言摬糠值膬?nèi)容加以組合，改變順序。

首先根據(jù)假設，提出能均分定理，對任何分子，考慮平動動能時，不考慮分子內(nèi)部的結構，分子的自由度是3，因而分子的平均平動動能為

用這種方法，可以很簡單地得出壓強與平均動能之間的關系。

另外一個是氣體動理論中，幾種氣體速率的公式推導。按照教科書里面的辦法，也是比較復雜，而且不容易記住。下面給出一種簡便方法。

由于氣體分子的平均平動動能，可以看作是分子動能直接求平均，于是：

由于速度都具有相同的量綱，推導出方均根速率后，最概然速率和平均速率的量綱，與方均根速率相同。只要我們注意三個速率之間的大小關系：

六、猜測式教學，培養(yǎng)研究能力的良好方法

在長期的教學實踐中，我們體會到猜測式的教學[2-6]是一種培養(yǎng)創(chuàng)新能力和提高科研意識的好方法。具體做法如下：在學習一個物理公式或者一個物理定律的時候，讓學生不要直接去看書中給出的結果，而是要先看看書中講的先導知識和背景，然后對要學習的物理定律進行模擬研究，并結合已經(jīng)有的知識，對結果進行合理的猜測。通過這種方法，可以體驗原始科研的過程，并得到意想不到的結果。

舉例如下：電磁學的教學中，我們都給學生講過，電場與磁場的公式在很多方面有相似的地方，也有不同的地方。在學習電流元產(chǎn)生磁場的畢奧—薩伐爾定律的時候，要求學生依據(jù)點電荷的電場強度公式進行合理的猜想。點電荷的電場強度公式，也就是說：電場強度與點電荷的大小成正比，與到點電荷的距離的平方成反比。那么，學生可以合理地猜測：電流元產(chǎn)生的磁場與電流元的大小成正比，與距離的平方成反比。如果更進一步考慮：電流元是矢量，電流源到觀察點的距離是矢量，兩個矢量決定磁場這個矢量，只能由一種辦法：矢量的叉乘。到這里，教學已經(jīng)很成功了，除了系數(shù)和量綱外，一個初學磁學的學生接近于獨立發(fā)現(xiàn)畢奧—薩伐爾定律了！

我們曾經(jīng)在課堂上做過試驗，有不少學生當場猜測出來，這讓學生加深了對知識的理解，提高了興趣，獲得了極大的成就感。

另外一個例子：磁場的霍爾效應。在介紹完相關知識的背景后，讓學生猜測霍爾電壓與磁場和通過的電流的關系。由于在沒有磁場和電流時，沒有霍爾效應，磁場和電流越大，霍爾效應越強，學生很快馬上可以猜測出霍爾電壓與磁感應強度和電流強度成正比。除了系數(shù)外，基本猜測出了霍爾效應公式。

這種猜測式的學習，讓學生體驗了科研的過程、建立了知識之間的聯(lián)系，也破除了對科研的神秘感，可以極大地提高學生的學習興趣。

七、在創(chuàng)新班中的做法

在湖北工業(yè)大學提出“721”培養(yǎng)方案后，我們針對創(chuàng)新班的要求，提出了如下幾點措施。

（一）提高學生的自學能力

教給學生一種實用的自學方法，每學期指定一章，在課堂上寫出對該章的要求和問題，把上課的時間拿出來給學生看書，教師總結，與學生討論，對學生的作業(yè)全部批改，該章內(nèi)容是統(tǒng)考內(nèi)容。

（二）培養(yǎng)扎實的物理基礎

大學物理的公式，定理的證明，在教師講完后，要求學生能夠自己獨立推導，可以要求學生課后自己推導，也可以利用課堂時間讓學生自行推導。

（三）培養(yǎng)初步的科研能力

每一學期，學完相應的內(nèi)容后（如力學、電磁學、振動與波動、光學、近代物理），教師給予引導，要求學生自行查找文獻，寫一篇與該部分的內(nèi)容相關的小文章，例如，力學——火箭、熱學——發(fā)電和節(jié)能、振動波動——地震、光學——全息，可以是綜述性的文章，尤其歡迎有新觀點的文章，作為創(chuàng)新考核的一部分。要求教師告訴學生查資料，提出和分析問題的辦法。

（四）培養(yǎng)創(chuàng)新意識

每個學生每學期要提出一個有很大創(chuàng)新的、與物理有關的問題，越新穎越好，能夠解決更好。

（五）成績計算

作業(yè)成績30%+文章和新穎性問題成績20%+參加全校統(tǒng)考的成績50%。

八、結論

知識與創(chuàng)新是不可分離的兩個方面，離開了知識積累的創(chuàng)新會變成無源之水；離開了創(chuàng)新意識的知識會變成無用的知識。即使在大學物理這樣的成熟的學科，也要把知識的學習和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)結合起來，通過挖掘傳統(tǒng)教學內(nèi)容背后的創(chuàng)新元素，開辟教學的新天地，實現(xiàn)教學相長，相互促進。

參考文獻：

[1]張三慧.大學物理學[M].3版.北京：清華大學出版社，2009：216.

[2]楊連武，李新鄉(xiāng).培養(yǎng)學生猜想與假設的教學策略[J].物理通報，2005（11）：17-19.

[3]謝鴻.如何提高學生對大學物理課程的興趣[J].物理通報，2011（6）：21-23.

[4]王澤良.思想實驗的作用和意義[J].工科物理，2000（1）：64-65.

[5]孫禮潢.思想實驗和20世紀物理學的革命[J].東北師范大學學報，1991（2）：49-52.

[6]潘學琴.大學物理狹義相對論時空觀的教學討論[J].物理通報，2012（7）：24-26.