基于建構(gòu)主義理論的大學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)研究
——以彈性模量實(shí)驗(yàn)為例

吳秀梅，戴玉蓉，李向江

（1.東南大學(xué) 物理學(xué)院，南京 211189；2.寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315000）

“創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是一個(gè)國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力，也是中華民族最深沉的民族稟賦。”《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》[1]指出，使創(chuàng)新成為引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力……推動(dòng)教育創(chuàng)新……把科學(xué)精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)造能力和社會(huì)責(zé)任感的培養(yǎng)貫穿教育全過程。高等學(xué)校作為培養(yǎng)人才的重要基地，對大學(xué)生創(chuàng)新能力進(jìn)行培養(yǎng)[2-4]，是一項(xiàng)義不容辭的社會(huì)責(zé)任。而創(chuàng)新能力的實(shí)現(xiàn)，離不開創(chuàng)新性思維的形成。在促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新思維形成的過程中，針對性引導(dǎo)，加上可操作性的訓(xùn)練基地，對其創(chuàng)新思維的形成會(huì)起到積極的增進(jìn)作用。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[5-8]，是大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)課程，為其創(chuàng)新思維的形成提供了有利的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。如何將創(chuàng)新觀念融入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教與學(xué)之中，是一項(xiàng)值得深入探索的工作。

本文緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中“材料彈性模量的測定”實(shí)驗(yàn)[9]為例，根據(jù)實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，從實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理三個(gè)方面，基于建構(gòu)主義理論的教學(xué)模式[10]，將創(chuàng)造性思維培養(yǎng)滲透到各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)研究培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的實(shí)踐途徑。

一、實(shí)驗(yàn)的基本原理

橫截面積為S，原長為L 的金屬絲，在長度方向施加大小為F 的力時(shí)，長度方向的變化量為ΔL，如圖1 所示，在彈性形變范圍內(nèi)，根據(jù)胡克定律，存在如下變化關(guān)系

圖1 金屬絲在外力作用下伸長ΔL 及原理示意圖

式中：F/S 為應(yīng)力；ΔL/L 為材料的應(yīng)變；比例系數(shù)E 則為材料的彈性模量，是描述材料自身形變的一個(gè)物理量。

二、創(chuàng)新性思維模式在實(shí)驗(yàn)中的引導(dǎo)及建構(gòu)

（一）測量微小物理量ΔL 的思維引導(dǎo)及分析

1.思維引導(dǎo)

從式（1）可知，只要測量出F、L、S 和ΔL 的值，就能計(jì)算出楊氏模量E 的值。F 由拉力測力計(jì)直接讀出，L 可通過用米尺測量，S 可以通過用螺旋測微器測量出金屬絲的直徑d 后計(jì)算出來（S＝πd2/4）。因此，解決問題的關(guān)鍵在于測出微小伸長量ΔL。如何測量出ΔL 呢？實(shí)驗(yàn)前，引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)思考下列情況：①在金屬絲的正下方加10.00 N 的力，觀察金屬絲的長度變化ΔL是否可視？②用實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)測量儀器（包括千分尺、游標(biāo)卡尺、米尺），是否可以對金屬絲的伸長量進(jìn)行測量？

加力F（10.00 N）時(shí)，ΔL 的理論值是微米量級(jí)。這個(gè)伸長量相對于長度約2 m 的金屬絲來說，既難以用人眼觀察到，也難以用現(xiàn)有的測量工具對其進(jìn)行測量。到這里可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生打破常規(guī)直接物理量的測量方法，建構(gòu)新的實(shí)驗(yàn)測試方法。引入光學(xué)放大原理，通過搭建合適的光路，實(shí)現(xiàn)對微小物理量的測量與計(jì)算，進(jìn)而介紹圖1 的測量方法“光杠桿鏡尺組放大測量”。這種實(shí)驗(yàn)測量方法的思維引導(dǎo)，有利于打破常規(guī)思維模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.“光杠桿鏡尺組放大測量”原理分析

如圖1 所示，光杠桿前足放在固定臺(tái)面上，后足放在固定金屬絲下端的平臺(tái)上。后足到前足連線的垂直距離為K，在外力F 的作用下，設(shè)金屬絲伸長ΔL。隨著金屬絲的伸長，光杠桿后足也隨之升降，從而帶動(dòng)光杠桿平面鏡的位置從M 傾斜到M′位置，對應(yīng)θ 角。通過平面鏡的反射，對應(yīng)望遠(yuǎn)鏡中觀察到標(biāo)尺的讀數(shù)從R0改變?yōu)镽，讀數(shù)變化為N（|R-R0|）；D 為標(biāo)尺到平面鏡的垂直距離。因ΔL 是微小量，則θ 是微小量，有ΔL/L=tanθ≈θ，N/D=tan2θ≈2θ，則ΔL=KN/2D，同時(shí)將S=πd2/4，帶入式（1）得到

3.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過調(diào)節(jié)施力螺母對金屬絲加力，先加20.00 N 的力將金屬絲處于拉伸狀態(tài)。之后每次增加10.00 N，記下對應(yīng)標(biāo)尺的讀數(shù)為Ri（增）（i=0，1，2，…，9），加到120.00 N（不計(jì)標(biāo)尺讀數(shù)）時(shí)開始減力，再從110.00 N 開始記錄對應(yīng)Ri（減），見表1、表2。其中，為金屬絲在相等作用力時(shí)標(biāo)尺讀數(shù)的平均值。為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，同時(shí)計(jì)算出每間隔50 N 的力時(shí)，刻度尺讀數(shù)的改變量為Nk（k=1，2，…，5）。

（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的思維引導(dǎo)及分析

1.思維引導(dǎo)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的重要部分之一。其中一種方法是數(shù)據(jù)帶入法，根據(jù)不確定度公式[9]，將表1、表2 數(shù)值代入式（2），求得彈性模量及不確定度，記為E1，UE1，UEr1，見表3、表4。

表1 拉力作用下測量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

表2 金屬絲直徑測量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

這種將數(shù)據(jù)直接帶入的計(jì)算方法，從鍛煉思維能力的角度考慮，顯得略微欠缺。引導(dǎo)學(xué)生思考采用多種方法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，打破常規(guī)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式，有利于形成更活躍的思維模式。比如引導(dǎo)學(xué)生用圖示圖解法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.建構(gòu)圖示圖解法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖示圖解法，比如用Origin 軟件繪圖，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，其原理是最小二乘法。根據(jù)最小二乘法原理，引導(dǎo)學(xué)生擬合出一元線性回歸方程，而這個(gè)是解決問題的關(guān)鍵。其方法為根據(jù)表1、表2 和式（2），設(shè)（i=1，2，…，9），帶入楊氏模量的公式得：（πd2KE），令α=8LD/（πd2KE），其中E=8LD/（πd2Kα），則

圖2 Ri 與F 的關(guān)系圖

表3 彈性模量及不確定度

從表4 可知，相關(guān)度R=0.999 74，相關(guān)度值越接近1，擬合直線的精度越高，效果越好，說明通過Origin 軟件擬合的直線是切實(shí)可信的。而且相對誤差2%，也相對更小，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度更高。

表4 Origin 擬合直線相關(guān)參數(shù)

從建構(gòu)主義教學(xué)理論方面考慮，學(xué)生通過用Origin作圖方法求解物理量，有利于其創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

（1）Origin 擬合直線原理是最小二乘法，因此要先將曲線改直。這需要學(xué)生打破常規(guī)思維，設(shè)置恰當(dāng)?shù)淖兞?，找到兩個(gè)物理量之間的線性對應(yīng)關(guān)系，將非線性函數(shù)通過變量的設(shè)置轉(zhuǎn)換成線性關(guān)系，有利于培養(yǎng)學(xué)生對問題思維角度的轉(zhuǎn)換。

（2）Origin 處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，需要對擬合線性圖進(jìn)行分析，并提取有效的擬合參數(shù)，提高學(xué)生對圖像數(shù)據(jù)分析的能力。

三、創(chuàng)新思維培養(yǎng)路徑與效果分析

綜上所述，本文基于建構(gòu)主義教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維路徑如圖3 所示，其重點(diǎn)在于以學(xué)生為中心，通過引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行思考探索，使得物理實(shí)驗(yàn)成為學(xué)生學(xué)習(xí)建構(gòu)的對象。讓學(xué)生對知識(shí)主動(dòng)探索，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)建構(gòu)。從教學(xué)儀器上來說，大學(xué)生基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)儀器，通常不如科研儀器精密，其精度大多有待提高，為學(xué)生思考怎樣改進(jìn)實(shí)驗(yàn)精度，減少實(shí)驗(yàn)誤差，提供了很大的建構(gòu)空間。實(shí)驗(yàn)過程中，引導(dǎo)建構(gòu)不同的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)路徑對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測量，以及積極引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法，都為學(xué)生新思路的形成，起到積極的推動(dòng)作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，同樣引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)分析，對原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造與重組，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)意義的主動(dòng)建構(gòu)，為其后續(xù)實(shí)驗(yàn)中探索實(shí)驗(yàn)提供良好的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

圖3 基于建構(gòu)主義理論培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的路徑流程圖

為了考察這種教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，我們進(jìn)一步實(shí)施了線上自學(xué)+線上、線下討論；線上虛擬仿真+線上自主，教師在課前推送各類資源，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)[11]；在課中引入問題，促進(jìn)學(xué)生自主探究；在課后開展項(xiàng)目研究，鼓勵(lì)學(xué)生撰寫研究性實(shí)驗(yàn)課程論文。這些都引起了學(xué)生的積極反響。在2021 年的教學(xué)班級(jí)中，最高有30%以上的同學(xué)參與到自主學(xué)習(xí)中，探索實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)加入到課程論文的研究學(xué)習(xí)中。其創(chuàng)新思維在課程論文中得以良好體現(xiàn)。

四、結(jié)束語

總之，本文基于建構(gòu)主義教學(xué)理論，以學(xué)生為主體，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐中，積極引導(dǎo)學(xué)生打破常規(guī)思維、大膽思考和勇于實(shí)踐，多角度分析問題產(chǎn)生的可能原因及解決路徑。在這個(gè)過程中，學(xué)生不再是簡單被動(dòng)地接收信息，而是主動(dòng)地建構(gòu)知識(shí)，而這種建構(gòu)避免了學(xué)生的思維定式，激發(fā)創(chuàng)新思維的產(chǎn)生、創(chuàng)新能力的提高。反過來，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的提高，又會(huì)影響學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，以及對實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)探索性。本文的研究內(nèi)容為在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師如何著手培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提供了可參考性的實(shí)踐價(jià)值。