基于大創(chuàng)項(xiàng)目的工科學(xué)生科學(xué)思維方式培養(yǎng)

董鋒斌　皇金鋒　蔣軍　冉啟武

[摘 要]學(xué)生的科學(xué)思維水平?jīng)Q定著他們以后專業(yè)發(fā)展的深度和廣度，培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)思維是個(gè)漫長(zhǎng)而系統(tǒng)的工程。工科大學(xué)生長(zhǎng)期接受的教育和訓(xùn)練大多數(shù)是邏輯思維方式，而對(duì)于非邏輯思維方式的訓(xùn)練較少，這樣易形成思維定式。針對(duì)阻礙學(xué)生形成全面科學(xué)思維方式的原因，以大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目為平臺(tái)，圍繞項(xiàng)目實(shí)施中項(xiàng)目申報(bào)、研究和總結(jié)等各個(gè)階段，討論如何引導(dǎo)和培養(yǎng)工科大學(xué)生的科學(xué)思維方式，以期為提高工科大學(xué)生的科學(xué)思維水平提供參考借鑒。

[關(guān)鍵詞]工科大學(xué)生；創(chuàng)新項(xiàng)目；科學(xué)思維方式

[中圖分類號(hào)] G424 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）05-0066-03

縱觀科學(xué)發(fā)展史，人們的思維方式對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。每一次科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新革命都與科學(xué)家的超前變革的思維方式有直接關(guān)系[1-2]。我國(guó)高校培養(yǎng)的理工科大學(xué)生是科學(xué)研究的主力軍，他們的思維水平直接影響我國(guó)的科學(xué)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的速度和質(zhì)量。如何培養(yǎng)工科大學(xué)生的思維方式，是高校教育面臨的主要問(wèn)題之一。如何在有限的時(shí)間內(nèi)，有效地形成工科大學(xué)生的科學(xué)思維，是每一位高校教師都應(yīng)該思考的問(wèn)題[[3]]。

為了提高大學(xué)生的科學(xué)思維水平，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，本文剖析了阻礙普通高校工科大學(xué)生形成全面科學(xué)思維方式的原因，并以大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目為平臺(tái)，對(duì)如何培養(yǎng)工科大學(xué)生的科學(xué)思維方式進(jìn)行了詳細(xì)探討。

一、科學(xué)思維方式的分類及其特點(diǎn)

科學(xué)思維方式可分為三種類型：第一種是邏輯思維，它是基于概念、判斷、推理等形式對(duì)客觀世界的間接、概括的反映過(guò)程。它包括形式邏輯思維和辯證邏輯思維兩種形態(tài)。邏輯思維是最基本的一種思維類型，比如分析、綜合、歸納、演繹和比較都是應(yīng)用邏輯思維的一些科學(xué)方法。第二種是形象思維，它是在形象地反映客體的具體形狀或姿態(tài)的感性基礎(chǔ)上，通過(guò)意象、聯(lián)想、想象來(lái)揭示對(duì)象本質(zhì)及其規(guī)律的思維形式。形象思維具有以下特點(diǎn)：突出形象，能發(fā)揮人右腦半球的功能運(yùn)用意象進(jìn)行思維加工，使人能夠看到隱藏在事物深層的本質(zhì)和規(guī)律，直觀形象地揭示對(duì)象的本質(zhì)和規(guī)律。在形象思維過(guò)程中，將意象“隨意地”再生和組合，能突破現(xiàn)實(shí)的局限，抓住主要矛盾，對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行極度地純化和簡(jiǎn)化，便于揭示對(duì)象的本質(zhì)和規(guī)律。第三種是直覺(jué)思維，它是不受固定邏輯規(guī)則約束而直接領(lǐng)悟事物本質(zhì)的一種思維形式。直覺(jué)思維常常伴隨著被稱為“靈感”的心理體驗(yàn)和過(guò)程，其具有以下特點(diǎn)：認(rèn)識(shí)發(fā)生的突發(fā)性，認(rèn)識(shí)過(guò)程的突變性和認(rèn)識(shí)成果的突破性。我們通常將形象思維和直覺(jué)思維稱為非邏輯思維方式[[3]]。

二、普通高校工科大學(xué)生的科學(xué)思維方式現(xiàn)狀分析

一般普通工科院校都開(kāi)設(shè)有最少三十門課程，課堂教學(xué)在總學(xué)時(shí)上仍占很大比例，教師的講課方式多半是灌輸式，較注重?cái)?shù)學(xué)推導(dǎo)和公式結(jié)論。學(xué)生多為被動(dòng)接受，很少主動(dòng)探究和應(yīng)用。工科大學(xué)生長(zhǎng)期接受的教育和訓(xùn)練大多數(shù)是邏輯思維方式，而對(duì)于非邏輯思維方式的訓(xùn)練較少。這樣易形成思維定式，從某種角度來(lái)說(shuō)這是壓制了學(xué)生非邏輯思維方式的培養(yǎng)。雖然學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中已初步形成了邏輯思維方式，但這僅是科學(xué)思維方式的一種。邏輯思維方式易使學(xué)生的思維呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)。

（一）收斂性的思維方式

學(xué)生在接受知識(shí)時(shí)，對(duì)教材、教師、專家等的觀點(diǎn)幾乎全盤接受，對(duì)遇到與已學(xué)理論相矛盾的問(wèn)題時(shí)，他們的思維會(huì)盡量向課本上的理論靠齊，很少有學(xué)生持有懷疑態(tài)度。筆者在指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測(cè)量數(shù)據(jù)與理論不符，甚至相差較遠(yuǎn)時(shí)，不去思考理論的完善性、合理性，而是懷疑自己的做法不對(duì)，為了與理論保持一致，湊數(shù)據(jù)、編假數(shù)據(jù)的現(xiàn)象比較普遍[4-5]。做任何一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，都可認(rèn)為是調(diào)試一個(gè)小系統(tǒng)，系統(tǒng)的每個(gè)元素都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功能產(chǎn)生影響。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)不滿足課本上講授的規(guī)律時(shí)，有可能是儀器儀表精度不夠，有可能是學(xué)生的做法不對(duì)，也有可能是實(shí)驗(yàn)方案不合理，當(dāng)然也有可能是理論不夠完善。但絕大多數(shù)學(xué)生都認(rèn)為是自己的做法不對(duì)，因?yàn)榭吹絼e的同學(xué)或文獻(xiàn)報(bào)道說(shuō)這樣的實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)該有相應(yīng)的結(jié)果或結(jié)論，而自己做的卻與之不符，他們寧愿相信別人是對(duì)的，書本是對(duì)的，從而否定自己。

（二） 線性的思維方式

一個(gè)概念、理論的建立，總有一些合理的假設(shè)和抽象，否則討論問(wèn)題會(huì)過(guò)于復(fù)雜。例如從物理學(xué)中抽象出來(lái)的質(zhì)點(diǎn)、剛體等概念，從電路理論中抽象出來(lái)的電阻、電感、電容等模型。實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)肯定和原來(lái)假設(shè)的條件有出入，但學(xué)生因過(guò)分相信書本的理論，習(xí)慣用線性的思維方式來(lái)考慮問(wèn)題，他們認(rèn)為有這樣的已知條件應(yīng)該有這樣的結(jié)果、結(jié)論，這樣的話他們就很難理解實(shí)踐與理論矛盾的現(xiàn)象。以自動(dòng)化專業(yè)所學(xué)的課程為例，在電路理論課程中，線性電路理論的內(nèi)容占總學(xué)時(shí)的80%以上，電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程中鐵磁材料的磁化曲線被近似按線性磁場(chǎng)來(lái)處理，在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)課程中建立三相異步電動(dòng)機(jī)多變量數(shù)學(xué)模型時(shí)，忽略空間諧波、磁路飽和、鐵芯損耗等[[6]]。一般來(lái)說(shuō)，教學(xué)中討論線性系統(tǒng)的情況偏多，學(xué)生習(xí)慣用線性思維方式考慮問(wèn)題，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)非線性現(xiàn)象、理論難理解。但世界上存在的絕大部分系統(tǒng)是非線性的，學(xué)生的這種線性思維方式對(duì)他們解決實(shí)際問(wèn)題、分析具體現(xiàn)象會(huì)起到阻礙作用。

（三）靜態(tài)的思維方式

任何系統(tǒng)由低級(jí)系統(tǒng)向高級(jí)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程就是穩(wěn)態(tài)（靜態(tài)）的轉(zhuǎn)換過(guò)程。世界的本原是運(yùn)動(dòng)的，靜止僅是它的一種狀態(tài)。也就說(shuō)，靜止是相對(duì)的，運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。任何歷史時(shí)期，在社會(huì)需求和實(shí)踐的推動(dòng)下，科學(xué)理論知識(shí)具有時(shí)效性的相對(duì)準(zhǔn)確性，即人們認(rèn)識(shí)客觀世界總結(jié)規(guī)律得到的真理具有相對(duì)性。理工科大學(xué)生接受的知識(shí)為科學(xué)家驗(yàn)證過(guò)的理論，而追求理論的穩(wěn)定性是科學(xué)家的理想之一，側(cè)重于邏輯推導(dǎo)的邏輯思維方式會(huì)引導(dǎo)學(xué)生的思維方式具有靜態(tài)性與收斂性。我們?cè)谥笇?dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，很少有學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與課本理論不符的情況進(jìn)行深刻分析，探究理論在形成過(guò)程中的條件是否已經(jīng)發(fā)生改變，現(xiàn)有的理論是否需要完善等，他們只想一味地迎合已有的結(jié)論。

三、基于大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的科學(xué)思維方式的培養(yǎng)

創(chuàng)造性思維方式的特征是邏輯思維方式與非邏輯思維方式的辯證統(tǒng)一和綜合應(yīng)用，是發(fā)散性思維和收斂性思維的優(yōu)化綜合。

從科學(xué)思維的三種分類來(lái)看，課堂教學(xué)為主的學(xué)生在邏輯思維的培養(yǎng)上占主要位置，學(xué)生在聽(tīng)課、閱讀、做作業(yè)、計(jì)算、做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、小課時(shí)的課程設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)主要鍛煉的是邏輯思維，而另外兩種科學(xué)思維——形象思維和直覺(jué)思維沒(méi)有得到相應(yīng)地鍛煉和培養(yǎng)。這兩種思維正是學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、開(kāi)拓精神的主要?jiǎng)恿?lái)源。值得慶幸的是國(guó)家教育部于2006年啟動(dòng)“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”，于2012年啟動(dòng)“國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”，目的是轉(zhuǎn)變高校目前的思想觀念，培養(yǎng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)需要的高素質(zhì)、高層次、具有現(xiàn)代科學(xué)思維方式的創(chuàng)新人才[[7]]。下面就圍繞大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施的各個(gè)階段，對(duì)如何培養(yǎng)工科大學(xué)生的科學(xué)思維方式進(jìn)行討論。

（一）項(xiàng)目申報(bào)階段

在撰寫項(xiàng)目申請(qǐng)書之前，指導(dǎo)學(xué)生閱讀一定量的文獻(xiàn)，結(jié)合自己的興趣，找到一個(gè)研究方向，這本身就是學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程中邏輯思維的培養(yǎng)。立項(xiàng)背景和研究意義讓學(xué)生在所從事的專業(yè)上不再局限于課本的基礎(chǔ)知識(shí)，而是拓寬了專業(yè)發(fā)展前景，進(jìn)而為創(chuàng)造性的思維打下基礎(chǔ)。特別是立項(xiàng)背景會(huì)引導(dǎo)學(xué)生理解一個(gè)系統(tǒng)的基本性質(zhì)之一是環(huán)境適應(yīng)性，只有適應(yīng)環(huán)境的系統(tǒng)才能在競(jìng)爭(zhēng)中取勝，只有滿足社會(huì)發(fā)展和科技需求的課題才是有意義、有價(jià)值的。項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)的凝練，能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力，提高學(xué)生對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)、發(fā)明的興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維和直覺(jué)思維。擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題以及采用的研究方法和技術(shù)路線的論述，注重鍛煉學(xué)生的想象力和意象創(chuàng)造。愛(ài)因斯坦曾指出“想象力比知識(shí)重要”，對(duì)一個(gè)問(wèn)題的方案論證，能培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)放的思維方式，克服學(xué)生孤立封閉的收斂性思維。引導(dǎo)學(xué)生做項(xiàng)目預(yù)期計(jì)劃及進(jìn)度安排，讓學(xué)生感到做任何事都應(yīng)該有計(jì)劃、有步驟、分階段地進(jìn)行，這能改變他們局部零散的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)整體的思維模式。

（二）項(xiàng)目在研階段

項(xiàng)目在研期間和實(shí)驗(yàn)過(guò)程學(xué)生都可能會(huì)遇到挫折、失敗，教師應(yīng)不斷鼓勵(lì)和引導(dǎo)他們，不斷提高學(xué)生百折不撓的心理素質(zhì)，增強(qiáng)他們不怕困難、努力攻關(guān)的頑強(qiáng)意志。在遇到技術(shù)難點(diǎn)時(shí)，和他們積極討論，發(fā)揮他們的主觀能動(dòng)性，讓他們想出不同的解決方法，有意鍛煉他們將意象隨意再生組合，突破現(xiàn)實(shí)局限，轉(zhuǎn)化矛盾的辯證思維方式。在解決問(wèn)題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生不拘一格地從僅有的信息盡可能擴(kuò)展下去，朝著不同方向去探索各種不同的解決途徑和答案。有時(shí)一個(gè)問(wèn)題可能耗時(shí)耗力，與進(jìn)度安排時(shí)間出入很大，這也糾正了學(xué)生的線性思維方式，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)態(tài)思維方式。筆者在指導(dǎo)學(xué)生完成一個(gè)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目時(shí)，研究?jī)?nèi)容是三相電壓型逆變器系統(tǒng)的控制方法，有個(gè)學(xué)生就從三相電壓型逆變器系統(tǒng)的控制目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)自動(dòng)控制原理，討論無(wú)論采取什么控制策略，其最終目的均是使偏差趨近于零，從而提出一種非線性控制方法，這種方法既非常用的線性PID控制，又有別于精確線性化、反步法、滑模變結(jié)構(gòu)等非線性控制方法。他對(duì)這種憑著自己的直覺(jué)和靈感提出的方法起初具有一定的模糊性，我們根據(jù)偏差二階微分方程根與系數(shù)的關(guān)系，用邏輯思維方法從數(shù)學(xué)角度證明了這種方法的合理性。最后我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此控制方法的正確性，進(jìn)而得到了一種非線性控制模型。此研究成果已發(fā)表在中文核心期刊《電力電子技術(shù)》2016年第5期上。此案例讓學(xué)生理解創(chuàng)造性思維是邏輯思維方式與非邏輯思維方式的辯證統(tǒng)一和綜合應(yīng)用。

（三）撰寫科技論文

相對(duì)于課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目一般都有創(chuàng)新點(diǎn)，在完成了項(xiàng)目?jī)?nèi)容之后，指導(dǎo)學(xué)生撰寫科技論文，這不僅能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和實(shí)事求是的科學(xué)精神，還能提高學(xué)生的科技寫作水平，更重要的是能讓學(xué)生理解科學(xué)傳統(tǒng)和科學(xué)變革的辯證關(guān)系，激勵(lì)學(xué)生對(duì)專業(yè)未知領(lǐng)域進(jìn)行大膽探索。論文需要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，創(chuàng)新點(diǎn)需要打破常規(guī)思維，這樣就糾正了學(xué)生靜態(tài)的、線性的、機(jī)械思維的方式，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)態(tài)的、普遍聯(lián)系的辯證思維方式。

我們?cè)谥笇?dǎo)學(xué)生完成的另一個(gè)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目其研究?jī)?nèi)容是三相四橋臂電壓型逆變器。項(xiàng)目完成后筆者讓學(xué)生總結(jié)并寫一篇科技論文，這位學(xué)生認(rèn)真分析了帶不對(duì)稱負(fù)載的三相四線逆變器和四橋臂逆變器拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)發(fā)散性思維提出了一種新型的三相四橋臂電壓型逆變器電路拓?fù)洹傞_(kāi)始筆者對(duì)此并不認(rèn)同，受收斂性思維的影響，筆者比較傾向目前存在三相四橋臂電壓型逆變器拓?fù)?，?duì)他提出的新拓?fù)洳⒉徽J(rèn)可。后來(lái)他和筆者反復(fù)討論，發(fā)現(xiàn)該拓?fù)浼饶芟魅鯚o(wú)中性線電感四橋臂逆變器第四橋臂開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的諧波對(duì)三相輸出的影響，又能解除有中性線電感四橋臂逆變器的中性線電感導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的耦合，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該拓?fù)涞暮侠硇?。此研究成果已發(fā)表在中文核心期刊《電力電子技術(shù)》2015年第5期上。

四、結(jié)束語(yǔ)

自2006年以來(lái)，我們?cè)笇?dǎo)學(xué)生申報(bào)并完成國(guó)家級(jí)、省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目近10項(xiàng)，學(xué)生自己撰寫并發(fā)表科技論文近10篇。以項(xiàng)目為平臺(tái)，學(xué)生的科學(xué)思維方式得到了培養(yǎng)，這也收到了較好的效果。從參加項(xiàng)目的學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量上看，他們分析實(shí)際問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力明顯提高，部分畢業(yè)設(shè)計(jì)論文還獲了獎(jiǎng)。從畢業(yè)生的去向來(lái)看，參加項(xiàng)目的大部分學(xué)生都考取了研究生，愿意繼續(xù)深造。

學(xué)生的科學(xué)思維水平?jīng)Q定著他們以后專業(yè)發(fā)展的深度和廣度，培養(yǎng)大學(xué)生的科學(xué)思維是個(gè)漫長(zhǎng)而系統(tǒng)的工程。本文僅討論了以大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目為平臺(tái)，如何培養(yǎng)和提高學(xué)生的科學(xué)思維方式，希望這能為提高工科大學(xué)生的科學(xué)思維水平提供參考。

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[責(zé)任編輯：陳 明]