大學物理教學中創新思維培養的探索實踐

劉 鴻

（成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106）

【探索與實踐】

大學物理教學中創新思維培養的探索實踐

劉 鴻

（成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106）

結合大學物理教學實踐，以傳授學生的基礎知識為載體、培養學生的科學思想和方法為宗旨，從理解概念、掌握方法和質疑問題三個方面培養大學生的創新思維能力，對于促進創新人才培養具有積極的現實意義。

大學物理教學；創新思維；科學思想和方法；基礎知識

大學物理是高等院校理工科學生的一門重要基礎課程，描述了物質世界的運動規律，蘊涵了豐富的科學思想和方法，對于培養學生的創新意識、創新思維和創新能力具有獨特的優勢。物理思想是物理學的精髓，巴甫洛夫認為：“重要的是科學方法、科學思想的總結，認識一個科學家的思想和方法，遠比認識他的成果價值更大。”[1]本文結合大學物理教學實踐，從理解概念、掌握方法和質疑問題等方面，探索傳授學生物理思想和方法，培養學生的創新思維和分析問題、解決問題的能力。

一、理解概念 奠定基礎

物理學是由物理概念、物理規律、物理理論所構成的完整科學體系。物理概念是物理學體系的基本要素，正確理解概念是處理物理問題的基礎，即掌握概念的內涵和外延的準確信息，是正確分析解決問題的依據和出發點。

對于開始學習大學物理的學生，中學階段學到的矢量概念是：標量只有大小，沒有方向；矢量既有大小，又有方向。在大學物理課堂教學中，首先要求學生回顧已學到的矢量概念，并且用來判斷電流、電動勢是否是矢量時，即使學生記住了電流和電動勢是標量，但是發現這樣的結論與他們掌握的矢量概念之間存在矛盾，在此基礎上給予學生完整的矢量概念的內涵信息，矢量既有大小，又有方向，而且矢量的加法滿足平行四邊形法則。因此不能簡單地認為有方向的量就是矢量，無方向的量就是標量，而應從“是否遵循平行四邊形法則相加（合成）”來區分矢量和標量，電流、電動勢有大小和方向，但不按照平行四邊形法則相加（合成），而是按照代數運算法則相加（合成），因此不是矢量，是標量。進一步對學生提出“平行四邊形法則的解析表達式是什么”這一問題，幫助他們將平行四邊形法則與余弦定理以及勾股定理聯系起來，從而使學生優化自己的知識結構，提高學習應用知識的能力。這個過程重要的是給予學生一個如何完整理解概念內涵并且應用的示范，使學生體會到正確理解概念是獨立思考、邏輯推理、創造性發現并解決問題的基礎，在后面的學習中自覺地正確理解每一個物理概念和及時優化自己的知識結構。

物理概念是對物理現象認識達到某一程度的總結，為了使學生準確理解物理概念，必須給學生講清楚認識該物理現象的背景和物理概念的來龍去脈，特別是物理概念的內涵和意義，這個過程是培養學生認識分析問題的關鍵環節。例如，學生熟悉的動能概念，是由牛頓定律導出動能定理時總結出來的，適用于一切低速物體，包括微觀粒子；學生雖然熟悉這個物理量，然而這個物理概念是抽象的、主觀的，但在內容上則是具體的、客觀的，它是描述由物體的運動決定的做功能力的物理量。又如電場強度概念，是描述空間電場中任一點處的單位正電荷受到力的強弱和方向的物理量，它描述了電場的性質；由于電場力不能描述電場本身的性質，因此電場強度概念由實驗結合對該物理現象的分析推理確定。

最為經典的物理概念是大學物理中存在的許多理想物理模型，例如“質點”、“剛體”、“理想流體”、“彈簧振子”、“理想氣體”、“點電荷”等等。理想物理模型具有高度抽象性和簡單性，實質是突出物理現象本質的主要特征，簡化問題。以“剛體”為例，運動中形狀和大小都保持不變的物體稱為剛體；實際問題中，當物體的形變很小可忽略時，就將物體視為剛體。有的問題中海綿也可以視為剛體，但有的問題中即使是鋼鐵物體也不能視為剛體，能否在處理問題時把物體看作是剛體，體現了抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想。剛體的提出包含了解決復雜問題時的一種思路，即由簡到繁、由一般到特殊的循序漸進的思想方法。理想物理模型中包含的這些思想是物理學中解決問題的最根本的方法。通過學習系列的理想物理模型，可以培養學生的科學思想和方法，培養科學的抽象思維能力[2]，有利于奠定學生的創新思維基礎。

二、掌握方法 靈活運用

在中學物理中，學生已經學習了一些較簡單的思維方法，例如觀察、實驗、抽象、形象、歸納、演繹、類比、分類等，大學物理注重培養學生系統的物理思維和處理復雜物理問題的能力。

大學物理中一些基本的物理概念和物理規律是由實驗直接確定的，一些物理概念和物理規律是由已有的規律出發，通過嚴謹的數學推導得到的。因此觀察和實驗、分析推理和嚴謹的數學推導是必須傳授給學生的基本方法，這也是培養學生實事求是和嚴謹科學態度的關鍵環節。例如，庫侖的扭秤實驗確定了庫侖定律，類似的由實驗確定的物理規律有電荷守恒定律、畢奧-薩伐爾定律等等，由實驗確定的物理概念有電場強度、磁感應強度等等；由實驗確定的物理概念和物理規律都離不開對實驗資料的分析推理和數學處理。又如，動量定理、功能原理、電磁場的高斯定理和環路定理等等是通過嚴謹的數學推導得到的物理規律，動能、勢能、電勢等等也是通過嚴謹的數學推導得到的物理概念。在這些內容的教學過程中，注重培養學生尊重觀察和實驗結果的觀念、示范以數學為工具的定量科學方法。

靈活運用以數學為工具的定量科學方法。由于大學物理研究復雜的物理對象，通常難以直接應用初等數學描述分析解決問題，必須應用微積分方法。微積分思想方法是一種辯證的思想和分析方法，包含了有限與無限的對立統一，近似與精確的對立統一[3]。對于復雜的物理問題，在時間、空間范圍內分割復雜物理對象為無限小的物理對象，稱為微分；通過微分后，可以將復雜轉化為簡單，高級轉化為基本，化變量為常量，化非均勻為均勻，化曲線為直線，從而變與不變實現了辯證轉換。在微分（時間、空間）范圍內，抓住物理對象的主要矛盾而忽略次要矛盾，把復雜物理對象近似為簡單、基本、可描述分析的物理對象，進行近似處理；然后把無限多個描述分析的微分物理對象集中累積起來，就得到復雜的物理問題的結果，即完成積分。微積分方法中有限向無限的轉化，實現了由近似到精確的分析過程。例如，求解變力沿曲線路徑做功，無限分割曲線路徑（即將曲線路徑微分），則在分割的小范圍內認為是恒力沿直線路徑做功，然后求和（即積分），就可以求出變力在整個曲線路徑范圍內做的總功。在大學物理中，對于“旋轉物體的轉動慣量”、“旋轉物體受到的阻力矩”、“帶電物體產生的靜電場”、“非均勻變化磁場在線圈中產生的感應電動勢”等等較復雜的物理問題，都需要靈活運用微積分方法，通過這些學習內容的積累，有利于奠定學生的創新思維基礎。

三、質疑問題 開拓思路

在大學物理教學過程中，鼓勵學生突破傳統思維模式，敢于對現有理論提出質疑，學會從不同角度看問題，進行創造性思維的訓練。

當已有的物理理論解釋不了實驗現象時，就需要人們敢于突破傳統觀念的束縛，大膽地提出自己的見解，從而形成新的物理理論。例如物理學中的假設理論：愛因斯坦在提出“相對性”和“光速不變”兩條假設的基礎上，建立了狹義相對論；普朗克提出“能量子”假設，創立了量子理論；愛因斯坦提出的“光量子”假設，解釋了光電效應和康普頓效應；德布羅意提出物質波的假設等。通過學習“假設理論”，培養學生以實驗結果為依據和出發點，在牢固的物理和數學基礎上，善于發現問題、提出質疑、進行論證，敢于突破傳統觀念，提出自己見解的能力。

在大學物理教學中，依據教師自身的科研經歷現身說法，可以有效地提高學生的學習興趣和創新思維，提高教學質量，從而體現“以科研促進教學，以教學帶動科研”。例如，作者研究高增益砷化鎵（GaAs）光導開關（PCSS）的物理機理，理解其物理機理的難點在于理解實驗觀察到的鎖定（lock-on）現象，高增益GaAs PCSS的lock-on效應與電流絲（即電流通道，亦稱流注）的出現密切相關，該項研究工作需要具備半導體物理中《耿效應電子學》和《氣體放電》理論的知識。理論研究提出了多個解釋lock-on效應的物理模型，這些理論研究要么主要應用耿效應電子學中的高場疇理論，要么主要應用相對成熟的流注理論，這些物理模型都只能解釋高增益GaAs PCSS某一方面或某一過程的實驗現象，在國際國內相關學術界難以達到統一認識。高場疇和流注是兩個相對獨立的物理現象，物理性質完全不同。作者將高場疇理論和流注理論結合起來，提出了疇電子概念，建立了疇電子崩理論[4-6]，在科研工作中必須以實驗結果為出發點和作為檢驗理論的標準。以此激勵學生學好基礎知識、掌握方法、成長思想，為自己的創新思維奠定基礎。

四、總結

在大學物理教學實踐過程中，在傳授學生經典物理基礎知識時，探索了從理解概念、掌握方法和質疑問題三個方面培養學生的創新思維能力，為學生奠定創新思維的基礎。

[1]巴甫洛夫全集：第5卷[M].北京：人民衛生出版社，1959.

[2]饒黃云，符五久，大學物理教學中的物理思想和方法的滲透[J]，東華理工大學學報（社會科學版）.2007，（26）.

[3]黎定國，鄧玲娜，劉義保，潘小青，大學物理中微積分思想和方法教學淺談[J]，大學物理.2005，（24）.

[4]劉鴻，阮成禮，鄭理.砷化鎵光導開關的疇電子崩理論分析[J].科學通報.2011，（56）.

[5]劉鴻，阮成禮.本征砷化鎵光導開關中的流注模型[J].科學通報.2008，（53）

[6]劉鴻，鄭理，阮成禮，等.砷化鎵光導開關中電流絲的自發輻射效應[J].中國科學：物理學力學天文學.2014，（44）.

G642.0

A

1674-9324（2014）30-0205-02

1.四川省高等教育“質量工程”“大學生創新性實驗項目”；2.成都學院（成都大學）2012年教學改革項目“《大學物理學習指導》及題庫編撰”編號：cdjg2012017

劉鴻（1961-），男，重慶人，四川師范大學教育學碩士，電子科技大學理學博士，副教授。研究方向：無線電物理，大學物理教學。