發(fā)散性思維在大學物理實驗教學中的應用研究

吳秀梅 李向江 馬士華

[摘 要] 將發(fā)散性思維的教學模式應用到大學物理實驗的實踐教學中，通過一個學期的教學實踐，觀測學生思維能力及解決問題能力的變化情況。實踐結果表明：發(fā)散性思維的教學方式，不但有利于培養(yǎng)學生的思維能力、創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力，而且有利于增強學生的學習興趣。這對培養(yǎng)學生的思維能力具有一定的參考價值。

[關鍵詞] 發(fā)散性思維;大學物理實驗;創(chuàng)新能力

[基金項目] 2021年度中央高校教學改革專項基金“大學物理實驗”（5207022103A）

[作者簡介] 吳秀梅（1980—），女，河南信陽人，博士，東南大學物理學院副教授，主要從事低維材料研究;李向江（1977—），男，浙江寧波人，博士，寧波財經學院數(shù)字技術與工程學院講師，主要從事寬禁帶半導體導電薄膜材料研究;馬士華（1972—），女，黑龍江友誼人，博士，東南大學物理學院講師，主要從事生物分子的太赫茲頻譜研究。

[中圖分類號] O411 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）15-0109-04 [收稿日期] 2021-10-22

引言

隨著社會對人才能力要求的日益提高，高校作為培養(yǎng)人才的重要基地，越來越重視大學生創(chuàng)新能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)[1-9]，這種能力究其實質就是思維能力。思維能力是可以通過實踐訓練來提升的。用發(fā)散思維的模式去思考分析問題是提升思維能力的有效途徑之一。發(fā)散思維是一種多視角思維，是對同一事物或現(xiàn)象從不同的角度加以思考，獲得新的認知或解決問題的思維方法。它避免了思維定式，不僅有利于問題的解決，而且有利于加深對事物的全面理解。同時，每轉換一個新的視角都有可能引發(fā)一個新發(fā)現(xiàn)或新發(fā)明的產生。因此，在高等教育教學中，培養(yǎng)學生的發(fā)散思維模式，對推動人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重要的意義。

大學物理實驗是大學理工類專業(yè)的基礎必修課，也是大學生進行科學實驗訓練的實踐性基礎課程。該課程不同于常規(guī)理論課的地方在于：學生需要在課堂上親自動手操作實驗儀器、測試實驗數(shù)據，并對數(shù)據進行分析討論。無論是在實驗儀器的操作過程中，還是在實驗數(shù)據的分析上，都有可能遇到各種實驗問題。用不同的方法和從不同視角去分析解決這些問題，為培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力提供了有利的訓練機會。當前存在的普遍問題是，無論是教師還是學生，在實驗課上對發(fā)散轉換能力的培養(yǎng)，還未引起足夠的關注。對教師而言，大學物理實驗課更多的關注點在于對實驗原理、操作內容等講解上。對學生而言，大多按部就班地按照教師的講解去完成實驗，對實驗過程中遇到的問題很少進行認真深入的思考，他們的關注點大多在于拿到這門課的學分。這種應試思維模式既難以激發(fā)學生的學習興趣，又難以提高學生分析和解決問題的能力。因此，尋找新的教學模式，增強學生的學習興趣，提高學生的分析解決問題的能力，是促進教學改革的重要內容之一。本文將發(fā)散思維的教學模式應用于大學物理實驗教學中，研究了發(fā)散思維模式的教學方法對學生的學習興趣及分析解決問題能力的影響。

一、發(fā)散思維的培養(yǎng)方法與思路

針對大學物理實驗，通過轉變實驗方法和轉換分析問題的角度，引導學生去分析解決在實驗中遇到的問題，以培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力。

通過轉變實驗方法培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力，以《材料彈性模量的測量》實驗[10]為例來說明。該實驗中需要解決的一個問題是：在長度接近2米的金屬絲正下方加10N的力F時，測量出金屬絲在長度方向的微小伸長量△L。在傳統(tǒng)實驗的長度測量上，通常應用刻度尺直接進行測量。但是△L值在理論值上只有幾個毫米，相對于2米長的金屬絲來說，這個長度方向的微小伸長量△L，人眼既難以觀察到，也不易用現(xiàn)有的實驗刻度尺直接測量。本實驗巧妙地通過轉換思維模式，改變實驗方法[10]：即將不易觀測的微小物理量，根據光杠桿鏡尺組的放大原理，通過測量其他容易觀測的物理量，運用公式運算，進而實現(xiàn)微小伸長量△L的值（間接測量）的計算。這個實驗中問題的解決得益于實驗方法的轉換，即將直接難以測量的微小物理量△L，通過實驗方法的設計，轉換到測量其他易測物理量，進而通過計算實現(xiàn)間接測量出△L，使問題得以解決。在實踐實驗過程中，當學生遇到無法解決的實驗問題時，教師要鼓勵他們考慮轉換實驗方法去解決問題。在一次次的實踐過程中，學生分析解決問題的能力會日益提高，其思維能力在實踐訓練中也不斷得到提升。

從轉換分析問題的角度培養(yǎng)學生發(fā)散思維能力，其方法是根據實際實驗情況，引導學生多角度地去分析產生實驗問題的可能原因，避免思維定式或單一思維模式分析問題。這里繼續(xù)拿《材料彈性模量的測量》實驗[10]為例。這個實驗中，有個內容是用螺旋測器測量金屬絲的直徑，在金屬絲長度方向的不同位置測6次。比如有同學的測量結果如表1。

在對金屬絲直徑的6次測量中，其直徑值在0.610附近，但上述中的第4個數(shù)據是0.588，與0.610相差較大，屬于“異常數(shù)據”。這里就可以引導學生從多個角度分析這個數(shù)據異常的原因，比如從人為因素、儀器因素等不同角度分析。從人為因素角度分析，又可以考慮是人的讀數(shù)有誤還是人的測量方法有誤。從儀器角度分析，又可以從實驗儀自身原因及測量儀兩個角度去考慮。從實驗儀角度考慮，比如該實驗中的金屬絲，如果在外力作用下呈現(xiàn)非比例伸長，那么金屬絲在長度方向的不同位置，其粗細可能會不一致，就會出現(xiàn)表1中的數(shù)據4的情況，這種情況出現(xiàn)時，實驗中常常需要更換金屬絲。這種分析思維，不僅有利于問題的解決，還有利于進一步研究金屬絲在受力作用下的彈性形變。從測量儀器角度去分析實驗數(shù)據的異常，又可以從測量儀器出廠的精度，以及測量儀器因長時間放置產生變形等因素分析。這種從不同角度分析問題，再加以分析總結的模式，不僅有利于對問題的全面性分析認識，而且有利于發(fā)散思維能力的訓練。

在實驗實踐過程中，當學生開始主動嘗試從不同角度分析問題時，教師要給以及時的鼓勵。其好處是學生在接下來的實驗中，會不斷地嘗試從不同角度去思考問題。當學生經過多角度去分析問題，從而使得問題得到完整分析或解決時，教師適時引導學生對解決問題的思維模式進行總結，從中學習經驗，并在此后的學習中去應用驗證，繼而再總結，如此循環(huán)。在這個過程中，學生的思維能力會得到明顯提高，多角度分析解決問題的能力會明顯增強，學生的自豪感和學習興趣會油然而生。上述培養(yǎng)學生發(fā)散思維的思路流程如圖1所示。

二、實驗研究對象

研究對象為同年入校的114名大學一年級學生，均來自同一所大學，授課選用教材均為《大學物理實驗》[10]，實驗中所需要使用的實驗儀器及實驗環(huán)境等客觀條件均相同。

研究對象分為對照班和實驗班。對照班為常規(guī)教學班級，總人數(shù)為58人。對應對照班，教師采用傳統(tǒng)的授課方法，即通過講解物理實驗的背景、原理、實驗儀器、實驗要求，學生按照要求去完成實驗或者驗證實驗規(guī)律、實驗原理，得出相對應的實驗結論。實驗班為培養(yǎng)學生發(fā)散思維的班級。實驗班采用發(fā)散思維的教學模式，引導學生轉換實驗方法或者從不同角度去分析解決問題，總人數(shù)為56人。在實驗的過程中，一方面，教師會提出和本實驗相關的問題，引導學生轉換思維去分析問題;另一方面，針對學生遇到的具體問題，鼓勵學生突破思維定式，嘗試新的實驗方法或多角度去思考問題。

三、研究實施要點和結果

發(fā)散思維的教學模式中，其要點強調以學生為中心。無論是教師提出的實驗問題，還是學生在實驗中遇到的具體問題，始終都是以學生為核心，以引導學生用不同方法或從不同角度去分析問題，進而解決問題。在此過程中，不斷培養(yǎng)學生的思維能力及分析解決問題的能力。這種發(fā)散思維的教學模式，同時蘊含著對學生探究精神和鉆研意識的培養(yǎng)。

考核方法是：在實驗教學內容和實驗條件都相同的情況下，進行接近一個學期的實驗課學習后，教師根據實驗內容，設置相同的實驗問題，以試卷的形式，對實驗班和對照班的全體同學進行考查。根據學生對問題的思維角度、解決問題的方法，以及課后對問題交流討論的積極主動性，來判斷發(fā)散思維的教學模式對學生學習效果的影響。

表2是對照班和實驗班的同學不同思維模式分析解決問題人數(shù)占比。其中STP指單一思維模式分析解決問題（single thinking pattern to analyze and solve problems），或者說，只用一種實驗方法或者某個固定的角度去思考問題。DTP指發(fā)散思維方式分析解決問題（divergent thinking pattern to analyze and solve problems），即能用不同的實驗方法或者可以從多角度去分析解決問題。

從表2可見，對照班的56名同學中，有43名同學解答問題的思路相對單一，而且其思維偏向于慣性思維，接近總人數(shù)的77%。有13人提出不同的實驗方法或者多角度去分析問題，給出不同的思考，占總人數(shù)的23%。實驗班58名同學中，有35人從不同角度去分析思考問題，解決問題的方法也更多樣化，約占總人數(shù)的60%。從數(shù)據對比上看，實驗班的同學更容易打破單一思維模式，提出更新穎的思考思路，對問題有更多層面的分析，解決問題的方法也更加多樣化。

表3是對照班和實驗班的同學積極主動討論交流問題人數(shù)及占比的對照。其中ADP代表積極主動討論交流問題（actively discuss problems）。從表3可見，對照班的同學在完成實驗后，只有大約14%的同學會主動交流討論問題，大部分同學對待實驗課的心態(tài)像是完成了一項學習任務;實驗結束，相應的任務也就結束了。實驗班有接近52%的學生在實驗結束后會主動交流討論問題，比如交流分析問題的思路、思維模式轉換的路徑、實驗方法的應用，以及個人收獲等。相比于對照班，實驗班的同學更關注個人成長，通過實驗學到了什么，積累到什么知識，他們表現(xiàn)出更大的學習積極性。

結語

第一，發(fā)散思維的教學模式有利于培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。從統(tǒng)計結果來看，在問題的思考模式上，實驗班相比于對照班有更多的學生會多角度分析問題，而這種多角度分析問題的思維方式，提高了他們分析問題的深度和解決問題的能力。這種能力有利于學生在大學物理實驗課上學習新知識，也有利于學生對其他課程的深入學習與理解，為以后的學習研究打下了良好的思維基礎。

第二，發(fā)散思維的教學模式有利于激發(fā)學生學習的積極主動性。在實驗實踐的過程中，學生通過多角度思考問題，采用不同的實驗方法解決問題，不僅有利于培養(yǎng)思維能力，而且有利于促進新思路的形成、創(chuàng)新能力的激發(fā)。這種活躍性的思維模式，又積極地影響著學生探索能力和積極主動性的培養(yǎng)。

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Research on the Application of Divergent Thinking in College Physics Experiment Teaching

WU Xiu-mei1， LI Xiang-jiang2， MA Shi-hua1

（1. School of Physics， Southeast University， Nanjing， Jiangsu 211189， China;2. College of Digital Technology and Engineering， Ningbo University of Finance and Economics， Ningbo， Zhejiang 315000， China）

Abstract： The teaching mode of divergent thinking is applied on the practical teaching in College Physics experiment. After a semester of teaching practice， which aims to observe the change of students’ thinking ability and problem-solving ability， the results show that the teaching method of divergent thinking not only helps to cultivating students’ ability of thinking， innovation， problem analysis and problem solving， but also promoting to enhance students’ interest in learning. This study has certain reference value for cultivating students’ thinking ability.

Key words： divergent thinking; College Physics experiment; innovative ability