科研融入大學物理教學，促進創新思維培養

薛小剛　徐娟　蔡平　熊健

【摘 要】作為理工科院校的基礎必修課，大學物理不僅是學習其他專業課程的基礎，其對于培養學生的創新性思維也具有重要意義。傳統大學物理教學忽視基礎理論和科技前沿的聯系，教學和科研脫節，不利于學生創新思維的培養。在新世紀，以創新思維培養為目標，如何革新教學內容和方法，提升學生學習興趣，是現在很多大學物理教學改革的目標和共同面臨的難題。面向這一問題，本文提出將科技前沿和科研融入大學物理教學，創新教學內容、建立交叉學科大學物理教學團隊、創新教學模式，提升學生學習興趣，科教結合培養創新思維。

【關鍵詞】大學物理教學；科研；科技前沿；創新思維培養

中圖分類號： O4-4；G642 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0060-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.026

物理學是研究物質世界的基本結構、基本相互作用和普遍運動規律的一門學科，是一切自然科學的基礎。在人類社會發展史上，物理學的每一突破都帶來生產力的巨大發展和社會的變革。以蒸汽機等一系列機械的產生和應用為標志的第一次工業革命是建立在牛頓力學和熱力學發展的基礎上，以電力應用和無線電通訊實現為標志的第二次工業革命是經典麥克斯韋電磁學發展的結果，以激光、電子計算機出現為標志的第三次技術革命是量子理論和相對論等近代物理學發展的結果，物理學是科學技術和社會發展的巨大推動力。物理學的每一次進步、巨大突破和重要成果，無不體現了創新思維。[1]創新思維，是指在一定的內在的創新動機的驅動下，或者在外在的啟發的刺激下，利用自身思維有意識的或者下意識的大腦的活動，在直覺、靈感等抽象思維的幫助下，以漸進性或突發性的形式，對已有的知識經驗的再加工、再創造，以此途徑獲得新穎、獨特的有價值的新觀念、新知識、新方法、新產品等創造性成果的高級思維活動。創新思維能力是人的各種思維能力中最復雜、最重要、最可貴、層次最高的一種能力，是創新能力的核心。創新人才的培養，已經成為我國實現工業化跨越式發展、建設創新型國家和社會的一項基礎工程，而作為創新人才培養的核心內容，創新思維的培養已經目前我國工科高等教育的最重要教學培養目標之一，新世紀理工科各專業課程建設和教學改革等無不把創新思維培養作為重要的目標和衡量教學及改革工作成效的重要指標。[2]大學物理在整個理工科專業學生培養體系中處于十分重要的基礎地位，對于理工科各專業的學生而言，學好大學物理不僅是進入到更為深入的專業課學習的基礎，也是藉此形成科學的思維方式和物理的思想方法、發展自身創新思維的關鍵。大學物理教學工作對于提高理工科大學生的科學素養十分關鍵，是整個面向創新能力培養體系中的關鍵一環。近年來，面向創新能力的培養，如何在使學生理解物理思想、形成物理方、提高科學素養的基礎上，培養學生的創新思維成為理工科大學物理教學關注的焦點。

1 大學物理教學的現狀和在創新思維培養中存在的問題

近十五年以來，隨著信息技術的快速發展，知識更新和知識傳播的速度大大加快，加上信息技術本身在教學領域的應用，對理工科各專業的培養模式和課程體系建設提出了新的要求，理工科高等教育改革不斷深入。近年來，大學物理教育成果顯著，教材建設進展快速，大學物理教師教學水平顯著提升。然而，很多高校忽視大學物理在科學思維方式、科學素養培養方面的作用，基于學科與大學物理的直接關系，減少大學物理教學學時，大學物理的基礎地位正在受到前所未有的沖擊。根據教育部發布的《理工科類大學物理課程教學基本要求》，理工科專業大學物理教學學時不應該低于144學時，然而，實際上，很多高校大學物理教學時數都遠遠低于這一要求。[3]例如，桂林電子科技大學電子信息等專業，大學物理A開設兩學期共112學時，而計算機等專業，大學物理B類和C類則僅為48學時。大學物理具有完整的知識理論體系，同時需要以高等數學為基礎，授課學時的減少，使得教師受限于完成教學大綱規定內容難以擴充和發散。在已經固化的教師和學生評價體系下，考試成為教學的中心，考什么講什么。在傳統的“灌輸”模式下，教師成為主體，講授傳統的沿襲了數十年的內容。教師注重例題的講授，學生側重習題的練習，陷入到題海戰術中，學生學習的積極性、主動性和創造欲望大幅度的降低。在這種情況下，大學物理教學改革乏力，教學模式的探索進展緩慢。

面向創新思維培養目標，目前我國大學物理教學過程中存在著諸多問題。首先，傳統的大學物理課程體系的束縛，限制了創新思維培養。例如，許多大學使用的物理教材內容比較陳舊，特別是其中的例題、示例等已經遠遠落后于現代科技和工業的發展，難以激發學生學習興趣、滿足社會創新性人才培養要求。近來，盡管這一現實已經被意識到，理論物理學的完美框架體系使得許多教師沉迷于經典內容的傳授，忽略了物理思想方法和創新思維的培養，甚至將兩者經典理論體系的知識傳授和創新思維的培養對立起來，缺乏進行大學物理教學改革的勇氣。其次，在教學方式上，受限于教學內容的理論框架的束縛，多采用傳統填鴨式教學模式，不鼓勵學生進行物理學習的思維創新，導致許多學生的物理能力以及創新能力不斷下降。在傳統的教學模式中，教師成為課堂的主人公和教學過程的把控者，通過填鴨式的教學方式將教案上所有的內容條理清晰的呈現在學生的面前，不鼓勵學生自己去探索并且發現物理知識。而學生則只需專注于教師的講解，記錄重要的內容以應對考試。實際上，現代教學理論強調將學生作為課堂主題，教師作為知識的傳播者，在學生學習的過程中起到輔助和指導的作用。然而，教學與科研的脫節，使得大學物理教學過程的設計上經典內容缺乏科技前沿的滋潤，教師很難給學生提出更多有針對性的建議和個性化的指導，學生體驗不到學習樂趣，缺乏激發創造思維的源泉和培養創造思維的土壤。如何在培養學生物理思想和方法的基礎上，培養學生的創造思維，是新時期大學物理教學的一個亟待解決的具有挑戰性的問題。

2 科研融入大學物理教學對創新思維培養的意義和相應策略

創新思維成果的取得和人們長期科研的探索、刻苦鉆研是分不開的，正是在思維過程中實踐、探索，不斷的鍛煉和提高自身的理論水平、實驗能力和分析解決問題的能力，創新性成果不斷獲得。從創新思維的培養角度講，科研活動過程本身內在的包含了創新思維形成的全部過程，并設計其形成的外在的刺激因素，科研課題和科學問題是培養創新思維和創新能力的最佳“磨刀石”。將科研這一創新過程，融入到大學物理教學這一物理思維和思想方法培養過程，對于激發學生學習興趣，進而啟蒙學生的創新意識、培養學生的創新思維具有非常重要的意義。

2.1 科研融入大學物理教學，促進教學內容的革新

當前許多高校在大學物理教學，一直沿襲五十多年前的教學體系，仍以經典物理為主要內容（力學、熱學、電磁學和光學），與中學物理存在大量重疊，習題老舊。另一方面，近代物理內容偏少，而且往往取自20世紀早期研究成果，很少反映最新的科技前沿。作為教學的核心部分，教學內容是否生動豐富、是否涉及科技前沿，往往直接影響學生思維是否活躍，從而根本上決定課堂效果。科研課題往往不僅涉及到物理理論范圍內的最新研究進展以及前沿的問題，由于學科交叉，化學、材料等學科的前沿課題往往也涉及到基礎物理理論。例如，目前處于材料科學與工程和化學前沿領域的納米材料組裝與生長，涉及到的基礎物理理論就很多。在講授“熱力學基礎”部分熵增加原理時，可以引入納米晶自組裝現象，將最新的原位透射電鏡觀察納米晶不同堆積方式組裝成的超晶格結構的視頻在課堂上播放，不僅激發學生學習興趣，進而深入理解熵增加原理，同時促使學生思考納米晶自組裝的驅動力，達到激勵創新思維的目的。又如，在講授“真空中的靜電場”時提到了庫倫定律和帶電體的相互作用的一些基本內容，為了滲透微積分的思想，教材只是簡單的列舉了一些傳統的例題，如均勻帶電線和點電荷相互作用力等，這讓學生感覺到這些內容與現實生活和科技前沿都很遙遠。[4]但是如果教師可以把“納米顆粒如何通過偶極靜電作用取向接合生長成為納米線”等不同學科的科技前沿作為例子融入到教學課堂，讓學生了解和體會基礎理論如何在學科交叉和科研前沿中發揮作用，不僅可以更好的引起學生強烈的好奇心，進而引起濃厚的物理學習興趣，而且能夠促進學生進行積極的思考激發創新意識。

2.2 科研融入大學物理教學，促進學科交融的教師隊伍建設

教師知識體系和教師隊伍的創新是學生創新能力和創新思維培養的基礎。現今世界科學技術高速發展，學科高度交叉，新理論、新技術、新成果、新方法層出不窮，這要求教師在科研中保持活力，一直處在學科前沿，確保物理水平的先進性。因為，教師學術水平和科研水平不足，不僅難以勝任教學創新的需要，也無法為學生提供創新知識與創新能力輔導。同時，大學物理教學團隊要以最快的速度更新知識，通過自身知識體系的創新以滿足創新思維培養的要求。[5]21世紀人類進入知識大爆炸時代，知識的更新速度和學科交叉程度前所未有，教學團隊不僅需要了解到本學科內的最新研究成果，也要關注基礎理論在其他學科前沿領域的應用，如此才能促進教學內容的發散和深入，進而活躍學生思維、提升學生分析與解決問題的水平。這種發展趨勢，不僅要求教師個人提高自身學術水平，也對教師隊伍的建設提出了新要求、新挑戰。長期以來，傳統的教學理念使得很多理工科高校形成了以物理教育或理論物理教育背景為主的、專門從事大學物理課程教學的師資隊伍，缺乏深入的科學研究作風和學科交流氛圍，是導致整體教學內容偏舊、教學模式單一的主要原因之一。以科研促進教學，打破學科樊籠的束縛，建設多學科交叉的創新型大學物理教學團隊，為大學物理基礎教學與交叉學科前沿融合，促進創新思維培養提供了新的思路。

2.3 科教協同促進大學物理教學方式變革，培養創新思維

傳統的大學物理教學，采用大班集中課堂講授的授課模式，這與大學物理系統的知識理論體系和其基礎地位有關。然而，近年來，過于強調知識點的講授而忽略物理思想和方法的培養的趨勢，使得大學物理課堂的學生規模正在不收控制的擴大，大學物理教學的基礎地位大大的降低。以桂林電子科技大學為例，大學物理A每班學生人數大約100人以上，而大學物理B則達到每班140人以上。課堂學生人數的增多，極大的限制了師生互動的頻率和范圍，在這種形勢下，如何扭轉傳統的教學模式？教學和科研是高等院校的兩大基本職能，以科研帶動教學，為理工科院校大學物理教學模式的改革和創新提供了新的思路。

科學研究在于創新， 創新一般情況下否定了或者改善了傳統的舊有的東西，在課堂教學中將科研融入大學物理教學，首先要進行教學模式的創新，改變傳統的教師“灌輸”式講授、學生被動接受的教學模式。一方面，將科研與課堂教學緊緊的結合在一起，使“科研課題”或 “科研問題”在教學以及學習中要發揮它的重要性，給物理教學帶上“研究”的性質，老師針對課題或問題講課，學生帶著課題或問題去學習，促進實時互動、激發學生獨立思考和創新的熱情。采用以問題為主線，將問題教學貫穿于整堂課中，讓學生自主尋求解決辦法或小組討論，最終得出結論的課堂教學方法，明確了學生的主題地位，提高了學生在大學物理課堂中的參與性，為培養大學生創新能力奠定了基礎。[6]另一方面，教師根據大學物理教學內容選擇相關科研課題，組成學習研究小組，給學生參與科研的機會。科研課題和科學問題往往具有開放性，科研課題的提出具有開放性，可以從不同角度、不同課程中獲取靈感綜合提出；科研課題的解決往往存在多種可能方案，學生可以融合多個物理知識點，進行整合分析得出。教師指導學生利用課外時間查閱相關科研課題文獻，鼓勵學生勇于質疑、敢于想象。通過參與科研創新過程進一步加深對物理課程的理解，激發靈感，以此鍛煉學生的創新意識、促進創新思維的培養。

3 結語

大學物理是工科高校本科科學素質培養中的關鍵，雖然作為一門基礎課，其內容相對穩定，但并非是與科學研究不相干或無研究可做的。將大學物理教學片面地理解成知識點的單純傳授，不僅不利于使學生理解其中的物理思想和方法，也不利于促進學生的思維活躍性和能動性，進而損害學生創新思維的培養。[7]科研同教學實現有機關聯，教學相長，促進學生科學素質和創新思維的培養。只有不斷學習和借鑒各學科領域的最新研究成果，創新教學內容、教學方式和教學隊伍，找到基礎物理在其中發揮作用新的研究課題，在新時期、新世紀使得基礎物理教學煥發新的生命力。

【參考文獻】

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[3]王新練，杜亞兵.大學物理教學的困境與思考[J].安慶師范學院學報，2012，18（1）：104.

[4]潘麗娜，蔣耀庭.以科研為基礎 革新大學物理教學內容.高等教育研究，2008，31（3）：76-78.

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[6]徐磊.將物理科研帶入大學物理教學中[J].科技資訊，2014，12（25）：161-161.

[7]陸文慶.改革大學物理教學培養學生創新能力[J].廣西物理，2016（z1）：80-82.