卓越人才培養(yǎng)體系下思維能力培養(yǎng)的實踐探索

王紅巖,王永超,郭秀芝,張 芹,李玉梅

( 1.北華大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.吉林二中 物理組，吉林 吉林 132013)

2010年中共中央國務(wù)院頒發(fā)了《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》，提出實施卓越人才教育工程。卓越人才應(yīng)該具備較強的綜合能力和較高的專業(yè)素質(zhì)，而思維能力的培養(yǎng)是人才綜合能力培養(yǎng)中的核心，是卓越人才專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)的關(guān)鍵[1，2]。

古人云：“行成于思，毀于隨?！彼伎嫉淖饔茫季S的創(chuàng)造能力在人類科學(xué)探索中作用重大[3]。在物理教學(xué)中學(xué)生對物理知識的獲取、理解、掌握、應(yīng)用都離不開思考和抽象思維。以往在力學(xué)教學(xué)過程中，總有一部分學(xué)生會出現(xiàn)“老師一講就明白，自己一做就糊涂”的困惑。究其原因主要是學(xué)生習(xí)慣于教師的“一言堂”的教學(xué)模式，被動接受教師灌輸?shù)闹R，造成了自己不動腦、不思考、沒有疑問、思維僵化，解決實際問題的能力差的狀態(tài)。這極大地影響了學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。近幾年，筆者在力學(xué)教學(xué)實踐中改變舊的教學(xué)模式，極為重視培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。本文以動量守恒定律的應(yīng)用過程的實踐為例，探索課堂教學(xué)中學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。

一、培養(yǎng)學(xué)生思維能力的方法

吉林大學(xué)張漢壯教授主編的《力學(xué)》教材中有一道例題5.3.2-1(見圖1)：質(zhì)量為m的小球用長為L的輕繩懸掛于支架的O點上，支架固連在矩形木板上，板與支架的質(zhì)量為M，整個裝置放在光滑的水平面上，今將小球拉至A點，即繩處于水平位置，在小球與木板均靜止的情況下釋放小球，求小球落到最低位置C時木板的運動速度[4]。

圖1 例題5.3.2-1

學(xué)生在解決這個問題時，對尋找定理定律產(chǎn)生困惑。力學(xué)中的運動定理和相應(yīng)的守恒定律有六個，研究對象又分為質(zhì)點和質(zhì)點系兩種，這樣加起來一共十二個。如何在眾多的定理定律中篩選出本問題所用的定理定律，就需要一個科學(xué)的邏輯思維過程。所以力學(xué)教學(xué)中進行學(xué)生思維能力的培養(yǎng)應(yīng)該采取有效的方法。

(一) 教師提問激發(fā)學(xué)生積極思維

教師在課堂教學(xué)中應(yīng)該采取有效的教學(xué)手段，要善于提問，激發(fā)和喚起學(xué)生思維，使之處于興奮狀態(tài)，這樣就會產(chǎn)生較好的教學(xué)效果。在上例中，學(xué)生不知如何找到適合解決本題的定理定律，筆者試著提問學(xué)生，先選誰為研究對象，是質(zhì)點還是質(zhì)點系？如果選擇小球，那么思考小球作為質(zhì)點受力情況如何？再考慮力對時間的累積效應(yīng)就會判斷出質(zhì)點的動量定理及守恒定律是否可用？考慮力對空間的累積效應(yīng)就會判斷出質(zhì)點的動能定理及機械能守恒定律是否可用？通過對教師提出的一系列問題的回答，學(xué)生自然會得到結(jié)論：以上定理均不可用。那么如果選擇小球、繩和支架板組成的質(zhì)點系為研究對象，那就要思考質(zhì)點系受到的外力情況如何？考慮外力對時間的累積效應(yīng)就會判斷出質(zhì)點系的動量定理及守恒定律是否可用？考慮外力對空間的累積效應(yīng)就會判斷出質(zhì)點系的動能定理及機械能守恒定律是否可用？通過回答教師的提問，學(xué)生很快得出結(jié)論：質(zhì)點組水平方向動量守恒和質(zhì)點系機械能守恒定律(或質(zhì)點系動能定理)在本問題中是可用的。于是問題得到解決。在尋找適用的定理定律的過程中，教師的提問逐步地引導(dǎo)著學(xué)生進行積極主動地思考，調(diào)動了學(xué)生思維的積極性。這種積極思維非常重要，它一旦形成那么“老師一講就明白，自己一做就糊涂”的困惑就得到解決。而且在教師不斷地提問的過程中，學(xué)生增強了求知的欲望，他們帶著問題聽課會更認真專注，思維更活躍。

(二) 學(xué)生質(zhì)疑養(yǎng)成自主思維習(xí)慣

學(xué)生質(zhì)疑是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對一些難于解決或疑惑的問題產(chǎn)生一種懷疑、困惑、探索的心理狀態(tài)，這種狀態(tài)能夠促進學(xué)生積極主動思維，學(xué)生學(xué)會質(zhì)疑就是要善于主動發(fā)現(xiàn)問題、大膽提出問題，這對于開拓學(xué)生思路、養(yǎng)成自主思維習(xí)慣都有著極為重要的意義[5]。在前例中，學(xué)生在教師的不斷提問中積極思考已經(jīng)把適用的定理定律找到了。在分析了物理過程以后，筆者留給學(xué)生一段時間，目的之一是讓學(xué)生總結(jié)上述分析過程；目的之二是留給學(xué)生充分的時間，讓學(xué)生思考、討論、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題。果然，學(xué)生中間有人竊竊私語，在討論什么問題。借著這個機會筆者鼓勵學(xué)生大膽發(fā)問，因為一個好的問題一定有利于發(fā)展學(xué)生思維能力。學(xué)生質(zhì)疑：系統(tǒng)豎直方向動量守恒嗎？筆者首先對提出質(zhì)疑的學(xué)生們給予表揚，因為這個問題是一個不易發(fā)現(xiàn)而又值得研究的問題。其次，筆者問學(xué)生自己的結(jié)論是什么？學(xué)生中間有人認為系統(tǒng)豎直方向動量是守恒的，也有人認為系統(tǒng)豎直方向動量不守恒。于是，筆者接著問學(xué)生各自的結(jié)論得到證明了嗎？認為守恒的學(xué)生們提出系統(tǒng)豎直方向重力等于地面支持力。認為不守恒的學(xué)生們解釋為系統(tǒng)支持力不等于重力。認為守恒的學(xué)生們說重力與支持力相等是毫無疑問的也無需證明，如果系統(tǒng)是靜止的，小球自然下垂，則重力與支持力相等確實無需證明。而現(xiàn)在系統(tǒng)中懸掛的小球在運動，那么重力與支持力還會相等嗎？于是鼓勵他們繼續(xù)思考。認為不守恒的學(xué)生們給不出嚴(yán)格的邏輯推導(dǎo)過程，但對系統(tǒng)中的小球擺動到豎直狀態(tài)的瞬間做了定性的解釋。他們認為此時系統(tǒng)質(zhì)心有向上的加速度，故支持力大于重力，筆者對他們的定性解釋加以肯定的同時，指出他們的思考點是在特殊時刻特殊位置的討論，具有片面性。鼓勵所有同學(xué)，如果能把系統(tǒng)整個運動過程分析出來就全面了?？梢远ㄐ苑治?，也可以定量計算分析。于是學(xué)生的思維更加興奮了。對于系統(tǒng)動態(tài)過程中的重力與支持力的大小情況進行主動探索，深入思考。肅靜了一會兒后，討論聲音逐漸增大。走進學(xué)生中間，傾聽并時而參與其中，定性分析的同學(xué)很快有了結(jié)果，急著作解釋。他們認為從水平A點到豎直C點運動過程中，球?qū)K的拉力是逐漸增大的。所以地面支持力逐漸增大的，而系統(tǒng)重力一直不變，所以支持力與重力不相等，故豎直方向的動量不守恒。定量計算的同學(xué)利用質(zhì)心運動定理，并結(jié)合相對運動的速度變換關(guān)系得出系統(tǒng)質(zhì)心豎直方向的加速度,從而得到系統(tǒng)受地面的支持力從小于系統(tǒng)重力增大到等于系統(tǒng)重力然后到大于系統(tǒng)重力的變化趨勢。這個結(jié)論就是要給學(xué)生講授的內(nèi)容，通過學(xué)生的質(zhì)疑和引導(dǎo)，學(xué)生們自己得到了答案。如果教師不提問，也不留時間給學(xué)生思考，一味地講授，滿堂灌，那學(xué)生的思維就逐漸僵化了。反之，教師引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生質(zhì)疑，學(xué)生就能夠認真思考，自主分析，在這個過程中對問題的認識更加深刻，有效地鍛煉了學(xué)生的思維能力，久而久之就培養(yǎng)出自主思維的好習(xí)慣。

物理學(xué)家海森堡說過“問題是思維的起點”。有了問題思維就活躍起來，無論老師提問還是學(xué)生質(zhì)疑，只要從問題出發(fā)，都會開拓學(xué)生分析問題的思路，對思維能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。

(三) 訓(xùn)練學(xué)生進行科學(xué)的邏輯思維

在培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成自主思維習(xí)慣的過程中，僅靠引導(dǎo)他們善于主動思考還不夠。因為科技發(fā)展的今天，需要大批卓越的科技人才，科技人才的思維能力還應(yīng)該具備科學(xué)性和邏輯性?？茖W(xué)的邏輯思維能力也是卓越人才必備能力之一。力學(xué)的知識結(jié)構(gòu)非?？茖W(xué)嚴(yán)密，邏輯性較強。通過力學(xué)課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生形成較強的科學(xué)的邏輯思維能力，對他們以后的學(xué)習(xí)和成長具有重要意義[6]。教師應(yīng)該采取歸納與演繹、分析與綜合的科學(xué)方法，啟發(fā)學(xué)生進行科學(xué)的邏輯思維。這樣學(xué)生對知識的認識就會十分清晰完整，對知識的理解能力會明顯提高。比如，質(zhì)點系三大定理及守恒定律的導(dǎo)出思路十分相似，都是從簡單到復(fù)雜再從復(fù)雜到特殊的分析和認識問題的思路，這樣的思路非常具有邏輯性。講授過程中教師可以引導(dǎo)學(xué)生按照動量定理及守恒定律導(dǎo)出的思路，來試著思考角動量定理及守恒定律的推導(dǎo)過程，再探索動能定理及機械能守恒定律的導(dǎo)出過程，逐漸地培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。另外，教師應(yīng)該采取“科學(xué)”、“理性”的分析方法訓(xùn)練學(xué)生形成科學(xué)的思維習(xí)慣。同時要注意糾正他們的“直覺”思維和“經(jīng)驗”思維。比如前面例題中，在分析過程中，有的同學(xué)“跟著感覺走”沒有經(jīng)過邏輯思考和科學(xué)計算就輕易得出支持力等于重力的結(jié)論。這樣的“想當(dāng)然”的思維，即便得出個結(jié)論也經(jīng)不起推敲。但如果認真的從理性出發(fā)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)厮伎?，無論定性分析還是定量推導(dǎo)，都會得出科學(xué)合理的結(jié)論。

二、培養(yǎng)學(xué)生思維能力的途徑

(一) 以科學(xué)家探索規(guī)律的思維歷程為榜樣，激發(fā)學(xué)生思維意識

人類對力學(xué)規(guī)律的研究始于公元前古代。眾多的科學(xué)家致力于力學(xué)規(guī)律的研究?！疤O果落地”的故事廣為流傳，這是牛頓思考引力過程的故事，“蘋果落地”引發(fā)了牛頓一系列的質(zhì)疑和猜想，經(jīng)過不斷地推理、分析和計算，最終證明了他的猜想是正確的，并建立了著名的萬有引力定律。哥白尼敢于修訂亞里士多德、托勒密等人的“地心說”，大膽提出設(shè)想“如果星體圍繞太陽運動的話，很多地心說無法解釋的自然現(xiàn)象就變得簡單了”，依據(jù)這個想法，他大量搜尋資料，結(jié)合自己的觀測和計算，幾十年如一日，終于完成了《天體運行論》，成為“日心說”的創(chuàng)始人[7]。這樣的例子不勝枚舉，每一位物理學(xué)家，他們無不勇于質(zhì)疑和設(shè)想，善于思考和鉆研，他們的科學(xué)精神總能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，激發(fā)學(xué)生的思維意識，鼓勵學(xué)生在學(xué)習(xí)的路上要勤學(xué)好問，開動腦筋。

(二) 結(jié)合實驗教學(xué)和實踐訓(xùn)練，拓展學(xué)生思維能力

物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)。不少規(guī)律是從觀察和實驗總結(jié)出來的。筆者提倡理論課的課堂上多做演示性的實驗，課下多去實踐(比如去實驗室做驗證實驗、參加大學(xué)生創(chuàng)新實驗競賽等)，結(jié)合實驗教學(xué)與實踐訓(xùn)練過程，進一步拓展學(xué)生的思維能力。比如在學(xué)習(xí)剛體角動量守恒時，可以在課堂上做一個簡單易行又有趣的實驗，“茹科夫斯基凳”[8，9]，讓學(xué)生參與體驗手握啞鈴伸展雙臂和收縮雙臂時凳的轉(zhuǎn)速變化，讓學(xué)生根據(jù)自己的感受提出問題，思考解決。另外，老師可以帶領(lǐng)學(xué)生走出校門實踐一下，體會汽車經(jīng)過身邊時的多普勒效應(yīng)現(xiàn)象。讓學(xué)生有興趣打開思維的大門，主動去探索[10]。

(三) 進行原理和公式的推導(dǎo)訓(xùn)練，形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S模式

物理學(xué)中許多重大理論的發(fā)現(xiàn)靠大膽的猜想和假設(shè)，更需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)計算和邏輯思維。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S可以在力學(xué)原理和公式的推導(dǎo)中得到訓(xùn)練和提高。有人認為“不用知道定理公式怎么導(dǎo)出的，背下來，會應(yīng)用就行”。這種想法本身就是對科學(xué)知識的一種不嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度。其實原理和公式的推導(dǎo)過程本身就是對嚴(yán)謹(jǐn)思維的培養(yǎng)過程，通過推導(dǎo)可以再現(xiàn)其科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性，使我們可以知其然更知其所以然，真正把知識學(xué)活學(xué)透。久而久之學(xué)生就能夠逐漸形成“解決物理問題要講究科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性”的思維模式。

(四) 注重運用發(fā)散思維和逆向思維開拓學(xué)生的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造性思維

發(fā)散性思維是從不同角度、不同方面分析問題，能夠利用多種方法解決問題的一種思維方式。運用發(fā)散性思維一方面可以打破思維局限，從而拓寬思維，使思維具有深度和廣度，使頭腦靈活、變通。比如力學(xué)中有不少問題可以進行一題多解。另一方面運用發(fā)散性思維可以產(chǎn)生與眾不同的新思路、新方法。教學(xué)中適當(dāng)給學(xué)生提供一些好素材，拓展學(xué)生的思維視野，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，給人以耳目一新的感覺。拉格朗日的《分析力學(xué)》中沒有借助牛頓力學(xué)常用的“矢量圖形”的幾何方法，反而完全“另辟蹊徑”，用純數(shù)學(xué)分析的方法來解決所有力學(xué)問題，成為一系列處理力學(xué)問題的新方法。

逆向思維是從相反的方向思考問題的一種思維方式，即“反其道而思之”。在教學(xué)中注重運用逆向思維，可以開拓學(xué)生的創(chuàng)造性思維，給人以“于無聲處聽驚雷”的感覺。比如剛體力學(xué)中，講到工廠中很多機器的軸承都是剛性的硬桿，這是司空見慣的。生活中的洗衣機的轉(zhuǎn)軸按照正向思維應(yīng)該是剛性的，但這樣會產(chǎn)生很大顫抖和噪音，加粗或加硬均無效，不得已“棄硬就軟”來個逆向思維，顫抖和噪音問題豁然解決了。

三、結(jié) 語

以筆者的教學(xué)實踐為例，探索了學(xué)生思維能力培養(yǎng)的多種方法和途徑。實踐證明，這些方法和途徑在教學(xué)中是可以有效實施的。學(xué)生思維能力的培養(yǎng)具有長效意義，不是一蹴而就的，需要教師和學(xué)生長期共同的努力才行。學(xué)生在高校期間是各種思維能力得以提高的關(guān)鍵時期，抓住這一時期采取多種方法和途徑培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，為學(xué)生綜合能力的提高奠定基礎(chǔ)，這樣才能具備卓越素質(zhì)，有望成為卓越人才。