科研融入大學(xué)物理教學(xué)，促進創(chuàng)新思維培養(yǎng)

薛小剛　徐娟　蔡平　熊健

【摘 要】作為理工科院校的基礎(chǔ)必修課，大學(xué)物理不僅是學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程的基礎(chǔ)，其對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維也具有重要意義。傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)忽視基礎(chǔ)理論和科技前沿的聯(lián)系，教學(xué)和科研脫節(jié)，不利于學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。在新世紀(jì)，以創(chuàng)新思維培養(yǎng)為目標(biāo)，如何革新教學(xué)內(nèi)容和方法，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，是現(xiàn)在很多大學(xué)物理教學(xué)改革的目標(biāo)和共同面臨的難題。面向這一問題，本文提出將科技前沿和科研融入大學(xué)物理教學(xué)，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、建立交叉學(xué)科大學(xué)物理教學(xué)團隊、創(chuàng)新教學(xué)模式，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，科教結(jié)合培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

【關(guān)鍵詞】大學(xué)物理教學(xué)；科研；科技前沿；創(chuàng)新思維培養(yǎng)

中圖分類號： O4-4；G642 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0060-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.026

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)、基本相互作用和普遍運動規(guī)律的一門學(xué)科，是一切自然科學(xué)的基礎(chǔ)。在人類社會發(fā)展史上，物理學(xué)的每一突破都帶來生產(chǎn)力的巨大發(fā)展和社會的變革。以蒸汽機等一系列機械的產(chǎn)生和應(yīng)用為標(biāo)志的第一次工業(yè)革命是建立在牛頓力學(xué)和熱力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，以電力應(yīng)用和無線電通訊實現(xiàn)為標(biāo)志的第二次工業(yè)革命是經(jīng)典麥克斯韋電磁學(xué)發(fā)展的結(jié)果，以激光、電子計算機出現(xiàn)為標(biāo)志的第三次技術(shù)革命是量子理論和相對論等近代物理學(xué)發(fā)展的結(jié)果，物理學(xué)是科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)展的巨大推動力。物理學(xué)的每一次進步、巨大突破和重要成果，無不體現(xiàn)了創(chuàng)新思維。[1]創(chuàng)新思維，是指在一定的內(nèi)在的創(chuàng)新動機的驅(qū)動下，或者在外在的啟發(fā)的刺激下，利用自身思維有意識的或者下意識的大腦的活動，在直覺、靈感等抽象思維的幫助下，以漸進性或突發(fā)性的形式，對已有的知識經(jīng)驗的再加工、再創(chuàng)造，以此途徑獲得新穎、獨特的有價值的新觀念、新知識、新方法、新產(chǎn)品等創(chuàng)造性成果的高級思維活動。創(chuàng)新思維能力是人的各種思維能力中最復(fù)雜、最重要、最可貴、層次最高的一種能力，是創(chuàng)新能力的核心。創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，已經(jīng)成為我國實現(xiàn)工業(yè)化跨越式發(fā)展、建設(shè)創(chuàng)新型國家和社會的一項基礎(chǔ)工程，而作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的核心內(nèi)容，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)已經(jīng)目前我國工科高等教育的最重要教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)之一，新世紀(jì)理工科各專業(yè)課程建設(shè)和教學(xué)改革等無不把創(chuàng)新思維培養(yǎng)作為重要的目標(biāo)和衡量教學(xué)及改革工作成效的重要指標(biāo)。[2]大學(xué)物理在整個理工科專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)體系中處于十分重要的基礎(chǔ)地位，對于理工科各專業(yè)的學(xué)生而言，學(xué)好大學(xué)物理不僅是進入到更為深入的專業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也是藉此形成科學(xué)的思維方式和物理的思想方法、發(fā)展自身創(chuàng)新思維的關(guān)鍵。大學(xué)物理教學(xué)工作對于提高理工科大學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)十分關(guān)鍵，是整個面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系中的關(guān)鍵一環(huán)。近年來，面向創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，如何在使學(xué)生理解物理思想、形成物理方、提高科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維成為理工科大學(xué)物理教學(xué)關(guān)注的焦點。

1 大學(xué)物理教學(xué)的現(xiàn)狀和在創(chuàng)新思維培養(yǎng)中存在的問題

近十五年以來，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，知識更新和知識傳播的速度大大加快，加上信息技術(shù)本身在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，對理工科各專業(yè)的培養(yǎng)模式和課程體系建設(shè)提出了新的要求，理工科高等教育改革不斷深入。近年來，大學(xué)物理教育成果顯著，教材建設(shè)進展快速，大學(xué)物理教師教學(xué)水平顯著提升。然而，很多高校忽視大學(xué)物理在科學(xué)思維方式、科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)方面的作用，基于學(xué)科與大學(xué)物理的直接關(guān)系，減少大學(xué)物理教學(xué)學(xué)時，大學(xué)物理的基礎(chǔ)地位正在受到前所未有的沖擊。根據(jù)教育部發(fā)布的《理工科類大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求》，理工科專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)學(xué)時不應(yīng)該低于144學(xué)時，然而，實際上，很多高校大學(xué)物理教學(xué)時數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這一要求。[3]例如，桂林電子科技大學(xué)電子信息等專業(yè)，大學(xué)物理A開設(shè)兩學(xué)期共112學(xué)時，而計算機等專業(yè)，大學(xué)物理B類和C類則僅為48學(xué)時。大學(xué)物理具有完整的知識理論體系，同時需要以高等數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，授課學(xué)時的減少，使得教師受限于完成教學(xué)大綱規(guī)定內(nèi)容難以擴充和發(fā)散。在已經(jīng)固化的教師和學(xué)生評價體系下，考試成為教學(xué)的中心，考什么講什么。在傳統(tǒng)的“灌輸”模式下，教師成為主體，講授傳統(tǒng)的沿襲了數(shù)十年的內(nèi)容。教師注重例題的講授，學(xué)生側(cè)重習(xí)題的練習(xí)，陷入到題海戰(zhàn)術(shù)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性和創(chuàng)造欲望大幅度的降低。在這種情況下，大學(xué)物理教學(xué)改革乏力，教學(xué)模式的探索進展緩慢。

面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)目標(biāo)，目前我國大學(xué)物理教學(xué)過程中存在著諸多問題。首先，傳統(tǒng)的大學(xué)物理課程體系的束縛，限制了創(chuàng)新思維培養(yǎng)。例如，許多大學(xué)使用的物理教材內(nèi)容比較陳舊，特別是其中的例題、示例等已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、滿足社會創(chuàng)新性人才培養(yǎng)要求。近來，盡管這一現(xiàn)實已經(jīng)被意識到，理論物理學(xué)的完美框架體系使得許多教師沉迷于經(jīng)典內(nèi)容的傳授，忽略了物理思想方法和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，甚至將兩者經(jīng)典理論體系的知識傳授和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)對立起來，缺乏進行大學(xué)物理教學(xué)改革的勇氣。其次，在教學(xué)方式上，受限于教學(xué)內(nèi)容的理論框架的束縛，多采用傳統(tǒng)填鴨式教學(xué)模式，不鼓勵學(xué)生進行物理學(xué)習(xí)的思維創(chuàng)新，導(dǎo)致許多學(xué)生的物理能力以及創(chuàng)新能力不斷下降。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師成為課堂的主人公和教學(xué)過程的把控者，通過填鴨式的教學(xué)方式將教案上所有的內(nèi)容條理清晰的呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，不鼓勵學(xué)生自己去探索并且發(fā)現(xiàn)物理知識。而學(xué)生則只需專注于教師的講解，記錄重要的內(nèi)容以應(yīng)對考試。實際上，現(xiàn)代教學(xué)理論強調(diào)將學(xué)生作為課堂主題，教師作為知識的傳播者，在學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中起到輔助和指導(dǎo)的作用。然而，教學(xué)與科研的脫節(jié)，使得大學(xué)物理教學(xué)過程的設(shè)計上經(jīng)典內(nèi)容缺乏科技前沿的滋潤，教師很難給學(xué)生提出更多有針對性的建議和個性化的指導(dǎo)，學(xué)生體驗不到學(xué)習(xí)樂趣，缺乏激發(fā)創(chuàng)造思維的源泉和培養(yǎng)創(chuàng)造思維的土壤。如何在培養(yǎng)學(xué)生物理思想和方法的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維，是新時期大學(xué)物理教學(xué)的一個亟待解決的具有挑戰(zhàn)性的問題。

2 科研融入大學(xué)物理教學(xué)對創(chuàng)新思維培養(yǎng)的意義和相應(yīng)策略

創(chuàng)新思維成果的取得和人們長期科研的探索、刻苦鉆研是分不開的，正是在思維過程中實踐、探索，不斷的鍛煉和提高自身的理論水平、實驗?zāi)芰头治鼋鉀Q問題的能力，創(chuàng)新性成果不斷獲得。從創(chuàng)新思維的培養(yǎng)角度講，科研活動過程本身內(nèi)在的包含了創(chuàng)新思維形成的全部過程，并設(shè)計其形成的外在的刺激因素，科研課題和科學(xué)問題是培養(yǎng)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的最佳“磨刀石”。將科研這一創(chuàng)新過程，融入到大學(xué)物理教學(xué)這一物理思維和思想方法培養(yǎng)過程，對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進而啟蒙學(xué)生的創(chuàng)新意識、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有非常重要的意義。

2.1 科研融入大學(xué)物理教學(xué)，促進教學(xué)內(nèi)容的革新

當(dāng)前許多高校在大學(xué)物理教學(xué)，一直沿襲五十多年前的教學(xué)體系，仍以經(jīng)典物理為主要內(nèi)容（力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和光學(xué)），與中學(xué)物理存在大量重疊，習(xí)題老舊。另一方面，近代物理內(nèi)容偏少，而且往往取自20世紀(jì)早期研究成果，很少反映最新的科技前沿。作為教學(xué)的核心部分，教學(xué)內(nèi)容是否生動豐富、是否涉及科技前沿，往往直接影響學(xué)生思維是否活躍，從而根本上決定課堂效果?？蒲姓n題往往不僅涉及到物理理論范圍內(nèi)的最新研究進展以及前沿的問題，由于學(xué)科交叉，化學(xué)、材料等學(xué)科的前沿課題往往也涉及到基礎(chǔ)物理理論。例如，目前處于材料科學(xué)與工程和化學(xué)前沿領(lǐng)域的納米材料組裝與生長，涉及到的基礎(chǔ)物理理論就很多。在講授“熱力學(xué)基礎(chǔ)”部分熵增加原理時，可以引入納米晶自組裝現(xiàn)象，將最新的原位透射電鏡觀察納米晶不同堆積方式組裝成的超晶格結(jié)構(gòu)的視頻在課堂上播放，不僅激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，進而深入理解熵增加原理，同時促使學(xué)生思考納米晶自組裝的驅(qū)動力，達(dá)到激勵創(chuàng)新思維的目的。又如，在講授“真空中的靜電場”時提到了庫倫定律和帶電體的相互作用的一些基本內(nèi)容，為了滲透微積分的思想，教材只是簡單的列舉了一些傳統(tǒng)的例題，如均勻帶電線和點電荷相互作用力等，這讓學(xué)生感覺到這些內(nèi)容與現(xiàn)實生活和科技前沿都很遙遠(yuǎn)。[4]但是如果教師可以把“納米顆粒如何通過偶極靜電作用取向接合生長成為納米線”等不同學(xué)科的科技前沿作為例子融入到教學(xué)課堂，讓學(xué)生了解和體會基礎(chǔ)理論如何在學(xué)科交叉和科研前沿中發(fā)揮作用，不僅可以更好的引起學(xué)生強烈的好奇心，進而引起濃厚的物理學(xué)習(xí)興趣，而且能夠促進學(xué)生進行積極的思考激發(fā)創(chuàng)新意識。

2.2 科研融入大學(xué)物理教學(xué)，促進學(xué)科交融的教師隊伍建設(shè)

教師知識體系和教師隊伍的創(chuàng)新是學(xué)生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)的基礎(chǔ)。現(xiàn)今世界科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，學(xué)科高度交叉，新理論、新技術(shù)、新成果、新方法層出不窮，這要求教師在科研中保持活力，一直處在學(xué)科前沿，確保物理水平的先進性。因為，教師學(xué)術(shù)水平和科研水平不足，不僅難以勝任教學(xué)創(chuàng)新的需要，也無法為學(xué)生提供創(chuàng)新知識與創(chuàng)新能力輔導(dǎo)。同時，大學(xué)物理教學(xué)團隊要以最快的速度更新知識，通過自身知識體系的創(chuàng)新以滿足創(chuàng)新思維培養(yǎng)的要求。[5]21世紀(jì)人類進入知識大爆炸時代，知識的更新速度和學(xué)科交叉程度前所未有，教學(xué)團隊不僅需要了解到本學(xué)科內(nèi)的最新研究成果，也要關(guān)注基礎(chǔ)理論在其他學(xué)科前沿領(lǐng)域的應(yīng)用，如此才能促進教學(xué)內(nèi)容的發(fā)散和深入，進而活躍學(xué)生思維、提升學(xué)生分析與解決問題的水平。這種發(fā)展趨勢，不僅要求教師個人提高自身學(xué)術(shù)水平，也對教師隊伍的建設(shè)提出了新要求、新挑戰(zhàn)。長期以來，傳統(tǒng)的教學(xué)理念使得很多理工科高校形成了以物理教育或理論物理教育背景為主的、專門從事大學(xué)物理課程教學(xué)的師資隊伍，缺乏深入的科學(xué)研究作風(fēng)和學(xué)科交流氛圍，是導(dǎo)致整體教學(xué)內(nèi)容偏舊、教學(xué)模式單一的主要原因之一。以科研促進教學(xué)，打破學(xué)科樊籠的束縛，建設(shè)多學(xué)科交叉的創(chuàng)新型大學(xué)物理教學(xué)團隊，為大學(xué)物理基礎(chǔ)教學(xué)與交叉學(xué)科前沿融合，促進創(chuàng)新思維培養(yǎng)提供了新的思路。

2.3 科教協(xié)同促進大學(xué)物理教學(xué)方式變革，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)，采用大班集中課堂講授的授課模式，這與大學(xué)物理系統(tǒng)的知識理論體系和其基礎(chǔ)地位有關(guān)。然而，近年來，過于強調(diào)知識點的講授而忽略物理思想和方法的培養(yǎng)的趨勢，使得大學(xué)物理課堂的學(xué)生規(guī)模正在不收控制的擴大，大學(xué)物理教學(xué)的基礎(chǔ)地位大大的降低。以桂林電子科技大學(xué)為例，大學(xué)物理A每班學(xué)生人數(shù)大約100人以上，而大學(xué)物理B則達(dá)到每班140人以上。課堂學(xué)生人數(shù)的增多，極大的限制了師生互動的頻率和范圍，在這種形勢下，如何扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的教學(xué)模式？教學(xué)和科研是高等院校的兩大基本職能，以科研帶動教學(xué)，為理工科院校大學(xué)物理教學(xué)模式的改革和創(chuàng)新提供了新的思路。

科學(xué)研究在于創(chuàng)新， 創(chuàng)新一般情況下否定了或者改善了傳統(tǒng)的舊有的東西，在課堂教學(xué)中將科研融入大學(xué)物理教學(xué)，首先要進行教學(xué)模式的創(chuàng)新，改變傳統(tǒng)的教師“灌輸”式講授、學(xué)生被動接受的教學(xué)模式。一方面，將科研與課堂教學(xué)緊緊的結(jié)合在一起，使“科研課題”或 “科研問題”在教學(xué)以及學(xué)習(xí)中要發(fā)揮它的重要性，給物理教學(xué)帶上“研究”的性質(zhì)，老師針對課題或問題講課，學(xué)生帶著課題或問題去學(xué)習(xí)，促進實時互動、激發(fā)學(xué)生獨立思考和創(chuàng)新的熱情。采用以問題為主線，將問題教學(xué)貫穿于整堂課中，讓學(xué)生自主尋求解決辦法或小組討論，最終得出結(jié)論的課堂教學(xué)方法，明確了學(xué)生的主題地位，提高了學(xué)生在大學(xué)物理課堂中的參與性，為培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力奠定了基礎(chǔ)。[6]另一方面，教師根據(jù)大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容選擇相關(guān)科研課題，組成學(xué)習(xí)研究小組，給學(xué)生參與科研的機會。科研課題和科學(xué)問題往往具有開放性，科研課題的提出具有開放性，可以從不同角度、不同課程中獲取靈感綜合提出；科研課題的解決往往存在多種可能方案，學(xué)生可以融合多個物理知識點，進行整合分析得出。教師指導(dǎo)學(xué)生利用課外時間查閱相關(guān)科研課題文獻，鼓勵學(xué)生勇于質(zhì)疑、敢于想象。通過參與科研創(chuàng)新過程進一步加深對物理課程的理解，激發(fā)靈感，以此鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識、促進創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3 結(jié)語

大學(xué)物理是工科高校本科科學(xué)素質(zhì)培養(yǎng)中的關(guān)鍵，雖然作為一門基礎(chǔ)課，其內(nèi)容相對穩(wěn)定，但并非是與科學(xué)研究不相干或無研究可做的。將大學(xué)物理教學(xué)片面地理解成知識點的單純傳授，不僅不利于使學(xué)生理解其中的物理思想和方法，也不利于促進學(xué)生的思維活躍性和能動性，進而損害學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。[7]科研同教學(xué)實現(xiàn)有機關(guān)聯(lián)，教學(xué)相長，促進學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。只有不斷學(xué)習(xí)和借鑒各學(xué)科領(lǐng)域的最新研究成果，創(chuàng)新教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和教學(xué)隊伍，找到基礎(chǔ)物理在其中發(fā)揮作用新的研究課題，在新時期、新世紀(jì)使得基礎(chǔ)物理教學(xué)煥發(fā)新的生命力。

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