基礎力學教學中學生創新能力的培養探析

何聚

（黃山學院，安徽黃山 245041）

基礎力學教學中學生創新能力的培養探析

何聚

（黃山學院，安徽黃山 245041）

文章結合基礎力學教學實踐，對如何培養學生的創新能力進行了探討，指出激發興趣可以培養學生的創新意識；以案例教學為主，結合多種教學方法可以訓練學生的創新思維；實踐是提高學生創新技能的唯一途徑。

基礎力學；創新；案例教學；實踐

我國大學的物理教學，雖然具有理論體系完整、注重學生邏輯推理和抽象思維能力培養的特點，但是對于學生創新能力的培養還有一些值得關注的地方。陶行之先生在20年代就曾提出并實施過創新教育[1]，但迄今為止，我國創新教育的發展仍然比較緩慢，很多創新教育實踐都收效甚微。諸如“挑戰杯”大學生學術科技作品競賽，“飛思卡爾”機器人大賽等雖然激發了大學生的創新意識，但仍有大部分學生沒有參與。實際上，課堂才是學生創新精神成長的主要園地，有效把握課堂的學習環境，培養學生的創新思維是提升學生創新能力的關鍵所在。在美國，倫塞勒工學院首創的集理論和實驗一體的“Studio Physics”[2]很受歡迎，它把實踐性環節加入課堂教學中，讓學生在高度合作和親身參與的環境中學習，在對學生創新能力培養方面取得了很好的效果。但是該模式對教師、學生和教學環境的要求非常高。對于新升本科院校，由于學校自身的結構性特點，很多教學條件還有待改善，怎樣根據現有條件進行創新能力的培養呢？本文通過筆者近幾年來的基礎力學教學實踐，從創新意識、創新思維和創新技能三方面入手，對基礎力學的教學改革進行初步的探討。

一、激發興趣，樹立創新意識

良好的開端是成功的一半，基礎力學作為物理學的入門課程，是物理教學中最基本的內容，它使學生從自然現象中學到基本概念和規律，第一次深切感受科學本身所蘊藏的豐富營養。如果學生一開始就能有興趣，會對后繼教學產生積極影響，所以這門課程能否開設成功在培養學生綜合素質方面有著舉足輕重的作用。

然而對于初入大學的學生來說，由于公式定理多，枯燥難學，而且與實踐結合又比較少，往往不重視基礎力學這門課程，認為它沒有用處，這也是應試教育的弊端。要改變基礎力學課程的現狀首要任務就是要激發學生對這門課程的學習興趣，通過多種形式，樹立學生的自信心和創新意識。

在教學中，要創設民主、寬松的教學氛圍，經常關注業界的社會熱點問題，以引發學生的學習興趣。例如，可以在教學過程中適當穿插一些“物理學家的貢獻”、“與力學有關的重大發明發現”、“與力學有關的社會熱點”等等，當講到動量守恒時，聯系我國的神舟運載火箭；講到振動和波時，聯系汶川大地震等。這樣不僅可以緩解學生緊張的學習壓力，活躍課堂氣氛，還能了廣泛了解科學事件。由此激起學生樹立創新意識的決心，吸引學生主動尋找創新點，進而更加注重對基礎理論知識的把握，為實現目標和理想，構建自己的知識體系，培養學習方法。

在課程的講授中，可以改變傳統的授課順序。比如，不先引入高等數學的內容，而是從運動學問題入手，在從勻速直線運動的速度講到變加速直線運動的瞬時速度，遇到初等數學不能解決的難題時，穿插牛頓發明微積分的歷史，提出牛頓遇到的問題，讓學生像牛頓一樣自己去創立“流數”，從中明白微積分創立的動力和源泉。然后老師再總結評述，系統地講解微積分的理論，這樣便自然地引入了高等數學的內容。這種結合物理學史的發現法可以使學生不直接面對陌生的公式和符號，避免因對高等數學產生畏懼從而對力學失去興趣的困境。在這種質疑、討論的過程中，學生通過自己的思考和發現對創新有了意識，并不自覺地樹立了這種思維方式。

對力學發展史的關注會讓學生了解前輩在發現規律時的探索途徑和思維方法，學習他們百折不撓的精神。講課中教師不僅介紹他們遇到困難時敢于懷疑、大膽想象的創新精神，同時也強調他們嚴謹求實、一絲不茍的科學態度。物理學史和規律的推演過程可以在課堂中探討、反思和剖析，以激發學生的想象。

二、創造環境，訓練創新思維

創新思維是創新能力的核心，所以創新思維的訓練是課堂教學的重點。基礎力學中蘊含著許多創新思維方法——演繹法、類比法、逆向思維法、歸繆法等。一旦掌握，對其它學科的學習，也將受益匪淺。剛入大學的學生容易錯誤地認為大學的力學就是“高中力學”和“高等數學”的結合，不注重理解概念原理，知其然而不知其所以然，更談不上自覺提高思維能力了。所以創新能力的培養需要創造有利的教學環境，使學生僵化的思想得到解放，重新認識和建構自己的知識體系。

1.案例教學，培養合作探究能力

隨著教育改革的進行，基礎力學的教學課時逐漸精簡，如何既讓學生掌握基礎力學知識，又培養出一定的創新能力呢？這就要在教學方法上做文章。目前力學教材的內容抽象且枯燥，和工程技術聯系少。如果能在課程教學中加入工程技術和實際生活的“案例”，使教學內容貼近現實，會讓學生覺得學有所用，產生學習的動力和興趣。

與課堂講授、研討會、模擬角色等教學方法相比，在學生分析問題和解決問題能力提高及觀念培養上，案例教學的效果排名第一。[3]案例教學是創新教育在課堂上的重點表現形式。從廣義上講，案例教學法可以界定為通過一個具體情境的描述，引導學生對這些特殊情境進行討論的一種教學方法。[4]目前，把案例教學應用到大學力學教學中尚處實驗探索階段，筆者在教學實踐中利用了一些典型案例來引導和激發學生的創新思維，取得了較好的效果。比如在講到剛體角動量守恒定律時，課前給學生提供花樣滑冰、跳水、貓的下落翻身等案例材料，讓學生熟悉查閱。課堂教學分以下幾個步驟：（1）設置情境，提出問題。播放花樣滑冰及跳水等的視頻或圖片。讓學生思考：為什么運動員的轉速可以自如地變快或變慢，貓為什么總能四腳著地等。（2）案例報告生成。學生分組討論得出自己的案例報告，代表發言。有學生提出可能是外力或外力矩的作用；有學生提出轉動慣量變化與角速度有關；還有人疑問：為什么運動員受地面的摩擦力作用還會加速？（3）實驗驗證。通過實驗或課件展示，引導學生分析：運動員可視為剛體，在旋轉的時候，所受力和力矩情況與自身形體和速度變化的關系。（4）總結：引導學生得出正確的結論，并對學生的表現給予適當評價。類似的“案例”有很多，例如當講到沖量和沖力問題時，可引入飛鳥撞擊飛機引起的空難事件；講到共振時，可引入橋梁共振引起的坍塌事件等。

在這一環節有幾個問題應給予充分重視：（1）“案例”的選擇要靈活，要根據學生認知和適應能力，由易到難，循序漸進，這樣學生可望又可及，易找到線索并能很快提起興趣。（2）課堂上合作探究學習容易造成放任自流、有合作沒效果、有探討沒反思等問題，所以要在時間上和深度上適當控制學生的討論，掌握課堂進度。（3）在運用案例教學的過程中，要特別重視學生答案分析的過程。不同的組可能用不同的方法，先不討論誰對誰錯，只要能自圓其說即可。這樣不僅提高了學生參與的熱情，也提高了學生的協作組織能力，誘發了學生的創造潛能。

教無定法，案例教學不能生搬硬套，特別對理論推導、數值計算等教學內容是不適宜的，可以用歸納、演繹等方法。所以在課堂上要注意多種教學形式的轉換，根據不同的課程內容改變教學方法，提高課堂教學效果。以著力培養學生合作探究的能力為重心，使學生的發散思維、形象思維等都得到引導和鍛煉。

2.引導激發，培養提出問題的能力

傳統的教育方式多為“灌輸式”，只重視知識的積累，學生分析和推理能力都比較薄弱，更談不上創新思維。

創新來自對所學習或研究的事物的好奇心。好奇心是提出問題的源動力。學生在學習過程中能提出問題，說明在思考問題。沒有問題才是最大的問題。正像愛因斯坦說的那樣：“我沒有特別的天賦，只有強烈的好奇心。”[5]在教學中要充分激發學生的好奇心，讓他們多看，多想，多提問題。可以要求學生堅持寫觀察日記，把自己的疑問及時記下來，歸納出和力學相關的問題并在課堂上提出來，然后大家分組討論，提出解決方案。對于提出有效問題的學生，應給予適當的分數獎勵。這樣既豐富了教師的案例庫，也可以讓學生在思考和討論的過程中切身感受到力學的無處不在。比如有學生提出關于騎自行車的問題：為什么自行車騎得越快越不容易倒？通過課堂上的分組討論，有學生認為：因為人在車上可以控制平衡；有學生認為自行車前進時有慣性；還有學生會引入陀螺原理解釋。在學生的討論、分析中，教師要特別注意使用恰當的語言對問題進行啟發和引導，使學生通過反思、比較去解決問題。

教學初始學生的問題可能并不多，當受到其他同學激勵和啟發時就會慢慢發現問題。比如由自行車，想到汽車、輪船、飛機等一系列交通工具的受力做功問題；由足球比賽中的香蕉球想到籃球、乒乓球、臺球等球類的旋轉問題。此時，教師應注重自己角色的扮演，讓學生在進行歸納和分析后，將這些問題分別引入摩擦力、碰撞、做功、角動量等專業領域進行深入探討。這樣的課堂討論和學習，讓學生明白力學的很多原理、規律深深地植根于現實生活。通過實踐提出問題，分析解決問題，再將得到的原理、規律運用到實踐中去，這樣不但豐富了實踐的內容，活化了生活知識，更重要的是在無形中培養了學生的思維能力、創新意識。

3.適當放手，培養自主學習的能力

教學要“授人以漁”，讓學生學會自學。這一環節主要通過作業來實現。在第一次授課時就把整個學期的課程安排和實踐作業告訴給學生，讓學生自由支配時間。

針對不同程度的學生，筆者設計了三種難度的習題：必做（基礎題）、選做（能力題）、附加（提高題）。作業包括習題、預習作業、實踐作業，以分組合作的形式來完成，采用師生共評的辦法。具體做法：（1）自評討論。發下作業后，讓學生先自己改錯。再分組互評作業，通過互相糾錯，讓學生對自己和他人的錯誤有更清晰的認識。（2）錯誤解決。通過學生的板演或投影展示，暴露問題所在。經過師生共同討論分析，找出錯誤原因。（3）歸納總結。結合學生出錯原因，探究處理問題的方法與思路。（4）課堂鞏固。通過典型習題、限時訓練等方法及時強化重點、難點問題的理解。

關于作業的評價，不在結果，而在于學生是否自主完成，掌握學習的內容。在這一環節，為了培養學生自學能力，可采用激勵的方法。比如用成功體驗法為學生提供展示才華的機會，讓學生介紹自己的解題技巧、竅門等，從而獲得成功感、自豪感，樹立自信心，產生主動探尋問題的愿望，使其創造的興趣得以延續。同時也激勵后來者，借鑒別人的成功經驗，改進自己的學習方法。

通過作業的訓練，可以讓學生運用所學知識來分析解決實際問題，也學會解決問題的方法。教師也可以通過作業掌握學生多方面的情況。對重大的或普遍性錯誤選取典型匿名公示，全班批改，進行規范化教學；對個別優秀學生，讓其做助教，輔助教師進行教學管理；鼓勵學有余力的學生參與科技競賽或撰寫小論文。這樣不僅使興趣濃、能力強的學生得到了鍛煉的機會，也避免了專業教學中經常出現的“撐不下”、“吃不飽”的尷尬。

三、鼓勵實踐，培養創新技能

實踐是認識的基礎，是檢驗真理的唯一標準，實踐更是培養和開發創新能力的先決條件。傳統教學方式的一大問題就是培養動手的能力太少，創新技能不足。其實動手便是一種自主創新。現代課堂教學改革的首要目標就是還學生的實踐主體地位。當然這并不意味著教師撒手不管學生。教師要引導學生仔細觀察生活中各種基礎力學現象，結合問題，合理取舍，抓住主要矛盾，建立正確有效的基礎力學模型，鼓勵學生運用已有的知識和經驗，使用相應的方法和工具分析、歸納、演繹、推理，最終解決問題。這種來自于生活實踐的切身感受能夠有效地激發學生的熱情，這個過程也是創新能力得以創造和培養的重要環節。

具體的實踐活動很多。比如力學實驗等初級實踐活動，科學實驗、發明創造等高級實踐活動，在這里學生可根據自己的學識和愛好充分利用生活中的材料、工具或實驗室儀器、設備，去做一些發明實驗或創新設計和探索性試驗。能力強的學生也可以參加教師的科學研究等等。這個過程中學生需要充分地激勵，教師對學生的要求只要重在參與即可。教師要持之以恒地肯定學生每個有創新意義的成就，使學生探索、發現的興趣從低級向高級漸趨發展，培養他們的科學研究熱情，這也提升了學生的創新技能。

教師在這里，也要注意角色的轉變。變教授者為指導者、組織者、研究者、參與者，使學生能在民主、平等、和諧、自由的科學氣氛中，最大限度地發揮個體的主觀能動性，積極地去認識和改造世界。在師生互動、生生互動的和諧氛圍中，讓學生通過動腦、動口、動手的實踐活動學習知識，增長才華。教師應努力為學生創設和搭建實踐的平臺，引發其無限的創造力和潛能。

四、結語

實踐證明，靈活的教學方法可以營造良好的課堂氣氛，以案例教學為主，結合其他教法的教學模式不僅使學生牢固地掌握專業知識，還大大提高了學生的創新能力。不過目前，在大學物理教學中還有很多亟待解決和完善的問題，比如一個有效案例庫的建立、教法與考核方式的有機結合、設計性實驗等開放式教學模式的引入、力學實踐基地的建立等等，解決好這些問題，將為學生創新能力的培養注入更加有利的因素。讓學生想創新、會創新，最終成為社會需求的應用型人才，這也是基礎力學教學改革所致力的方向。

［1］燕良軾.創造教育：中國21世紀教育改革的主旋律[J].湖南師范大學社會科學學報，1997，(4)：86-91.

［2］王鑫，劉全慧.工作室課堂與大學物理教育——介紹美國Studio Physics教學模式[J].大學物理，2010，(2):54-56.

［3］曹長德.教育學案例教學[M].合肥:中國科學技術大學出版社，2008，3-29.

［4］鄭金洲.案例教學指南[M].上海:華東師范大學出版社，2000.5-12.

［5］張遠平.大學生成才素質的思考[J].內江科技，2006，(1)：14-15.

G420

：A

：1672-0547（2010）05-0107-02

2010－09－19

何聚（1978－），男，安徽銅陵人，黃山學院信息工程學院講師，碩士，研究方向：納米材料。

安徽省教育廳自然科學研究項目（編號：KJ2008B113ZC）研究成果。