卓越人才培養(yǎng)體系下思維能力培養(yǎng)的實踐探索

王紅巖,王永超,郭秀芝,張 芹,李玉梅

( 1.北華大學 物理學院，吉林 吉林 132013；2.吉林二中 物理組，吉林 吉林 132013)

2010年中共中央國務院頒發(fā)了《國家中長期人才發(fā)展規(guī)劃綱要(2010～2020年)》，提出實施卓越人才教育工程。卓越人才應該具備較強的綜合能力和較高的專業(yè)素質(zhì)，而思維能力的培養(yǎng)是人才綜合能力培養(yǎng)中的核心，是卓越人才專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)的關鍵[1，2]。

古人云：“行成于思，毀于隨。”思考的作用，思維的創(chuàng)造能力在人類科學探索中作用重大[3]。在物理教學中學生對物理知識的獲取、理解、掌握、應用都離不開思考和抽象思維。以往在力學教學過程中，總有一部分學生會出現(xiàn)“老師一講就明白，自己一做就糊涂”的困惑。究其原因主要是學生習慣于教師的“一言堂”的教學模式，被動接受教師灌輸?shù)闹R，造成了自己不動腦、不思考、沒有疑問、思維僵化，解決實際問題的能力差的狀態(tài)。這極大地影響了學生思維能力的培養(yǎng)。近幾年，筆者在力學教學實踐中改變舊的教學模式，極為重視培養(yǎng)學生的思維能力。本文以動量守恒定律的應用過程的實踐為例，探索課堂教學中學生思維能力的培養(yǎng)。

一、培養(yǎng)學生思維能力的方法

吉林大學張漢壯教授主編的《力學》教材中有一道例題5.3.2-1(見圖1)：質(zhì)量為m的小球用長為L的輕繩懸掛于支架的O點上，支架固連在矩形木板上，板與支架的質(zhì)量為M，整個裝置放在光滑的水平面上，今將小球拉至A點，即繩處于水平位置，在小球與木板均靜止的情況下釋放小球，求小球落到最低位置C時木板的運動速度[4]。

圖1 例題5.3.2-1

學生在解決這個問題時，對尋找定理定律產(chǎn)生困惑。力學中的運動定理和相應的守恒定律有六個，研究對象又分為質(zhì)點和質(zhì)點系兩種，這樣加起來一共十二個。如何在眾多的定理定律中篩選出本問題所用的定理定律，就需要一個科學的邏輯思維過程。所以力學教學中進行學生思維能力的培養(yǎng)應該采取有效的方法。

(一) 教師提問激發(fā)學生積極思維

教師在課堂教學中應該采取有效的教學手段，要善于提問，激發(fā)和喚起學生思維，使之處于興奮狀態(tài)，這樣就會產(chǎn)生較好的教學效果。在上例中，學生不知如何找到適合解決本題的定理定律，筆者試著提問學生，先選誰為研究對象，是質(zhì)點還是質(zhì)點系？如果選擇小球，那么思考小球作為質(zhì)點受力情況如何？再考慮力對時間的累積效應就會判斷出質(zhì)點的動量定理及守恒定律是否可用？考慮力對空間的累積效應就會判斷出質(zhì)點的動能定理及機械能守恒定律是否可用？通過對教師提出的一系列問題的回答，學生自然會得到結論：以上定理均不可用。那么如果選擇小球、繩和支架板組成的質(zhì)點系為研究對象，那就要思考質(zhì)點系受到的外力情況如何？考慮外力對時間的累積效應就會判斷出質(zhì)點系的動量定理及守恒定律是否可用？考慮外力對空間的累積效應就會判斷出質(zhì)點系的動能定理及機械能守恒定律是否可用？通過回答教師的提問，學生很快得出結論：質(zhì)點組水平方向動量守恒和質(zhì)點系機械能守恒定律(或質(zhì)點系動能定理)在本問題中是可用的。于是問題得到解決。在尋找適用的定理定律的過程中，教師的提問逐步地引導著學生進行積極主動地思考，調(diào)動了學生思維的積極性。這種積極思維非常重要，它一旦形成那么“老師一講就明白，自己一做就糊涂”的困惑就得到解決。而且在教師不斷地提問的過程中，學生增強了求知的欲望，他們帶著問題聽課會更認真專注，思維更活躍。

(二) 學生質(zhì)疑養(yǎng)成自主思維習慣

學生質(zhì)疑是學生在學習過程中對一些難于解決或疑惑的問題產(chǎn)生一種懷疑、困惑、探索的心理狀態(tài)，這種狀態(tài)能夠促進學生積極主動思維，學生學會質(zhì)疑就是要善于主動發(fā)現(xiàn)問題、大膽提出問題，這對于開拓學生思路、養(yǎng)成自主思維習慣都有著極為重要的意義[5]。在前例中，學生在教師的不斷提問中積極思考已經(jīng)把適用的定理定律找到了。在分析了物理過程以后，筆者留給學生一段時間，目的之一是讓學生總結上述分析過程；目的之二是留給學生充分的時間，讓學生思考、討論、發(fā)現(xiàn)問題、提出問題。果然，學生中間有人竊竊私語，在討論什么問題。借著這個機會筆者鼓勵學生大膽發(fā)問，因為一個好的問題一定有利于發(fā)展學生思維能力。學生質(zhì)疑：系統(tǒng)豎直方向動量守恒嗎？筆者首先對提出質(zhì)疑的學生們給予表揚，因為這個問題是一個不易發(fā)現(xiàn)而又值得研究的問題。其次，筆者問學生自己的結論是什么？學生中間有人認為系統(tǒng)豎直方向動量是守恒的，也有人認為系統(tǒng)豎直方向動量不守恒。于是，筆者接著問學生各自的結論得到證明了嗎？認為守恒的學生們提出系統(tǒng)豎直方向重力等于地面支持力。認為不守恒的學生們解釋為系統(tǒng)支持力不等于重力。認為守恒的學生們說重力與支持力相等是毫無疑問的也無需證明，如果系統(tǒng)是靜止的，小球自然下垂，則重力與支持力相等確實無需證明。而現(xiàn)在系統(tǒng)中懸掛的小球在運動，那么重力與支持力還會相等嗎？于是鼓勵他們繼續(xù)思考。認為不守恒的學生們給不出嚴格的邏輯推導過程，但對系統(tǒng)中的小球擺動到豎直狀態(tài)的瞬間做了定性的解釋。他們認為此時系統(tǒng)質(zhì)心有向上的加速度，故支持力大于重力，筆者對他們的定性解釋加以肯定的同時，指出他們的思考點是在特殊時刻特殊位置的討論，具有片面性。鼓勵所有同學，如果能把系統(tǒng)整個運動過程分析出來就全面了?？梢远ㄐ苑治?，也可以定量計算分析。于是學生的思維更加興奮了。對于系統(tǒng)動態(tài)過程中的重力與支持力的大小情況進行主動探索，深入思考。肅靜了一會兒后，討論聲音逐漸增大。走進學生中間，傾聽并時而參與其中，定性分析的同學很快有了結果，急著作解釋。他們認為從水平A點到豎直C點運動過程中，球?qū)K的拉力是逐漸增大的。所以地面支持力逐漸增大的，而系統(tǒng)重力一直不變，所以支持力與重力不相等，故豎直方向的動量不守恒。定量計算的同學利用質(zhì)心運動定理，并結合相對運動的速度變換關系得出系統(tǒng)質(zhì)心豎直方向的加速度,從而得到系統(tǒng)受地面的支持力從小于系統(tǒng)重力增大到等于系統(tǒng)重力然后到大于系統(tǒng)重力的變化趨勢。這個結論就是要給學生講授的內(nèi)容，通過學生的質(zhì)疑和引導，學生們自己得到了答案。如果教師不提問，也不留時間給學生思考，一味地講授，滿堂灌，那學生的思維就逐漸僵化了。反之，教師引導學生產(chǎn)生質(zhì)疑，學生就能夠認真思考，自主分析，在這個過程中對問題的認識更加深刻，有效地鍛煉了學生的思維能力，久而久之就培養(yǎng)出自主思維的好習慣。

物理學家海森堡說過“問題是思維的起點”。有了問題思維就活躍起來，無論老師提問還是學生質(zhì)疑，只要從問題出發(fā)，都會開拓學生分析問題的思路，對思維能力的培養(yǎng)至關重要。

(三) 訓練學生進行科學的邏輯思維

在培養(yǎng)學生養(yǎng)成自主思維習慣的過程中，僅靠引導他們善于主動思考還不夠。因為科技發(fā)展的今天，需要大批卓越的科技人才，科技人才的思維能力還應該具備科學性和邏輯性。科學的邏輯思維能力也是卓越人才必備能力之一。力學的知識結構非?？茖W嚴密，邏輯性較強。通過力學課程的學習使學生形成較強的科學的邏輯思維能力，對他們以后的學習和成長具有重要意義[6]。教師應該采取歸納與演繹、分析與綜合的科學方法，啟發(fā)學生進行科學的邏輯思維。這樣學生對知識的認識就會十分清晰完整，對知識的理解能力會明顯提高。比如，質(zhì)點系三大定理及守恒定律的導出思路十分相似，都是從簡單到復雜再從復雜到特殊的分析和認識問題的思路，這樣的思路非常具有邏輯性。講授過程中教師可以引導學生按照動量定理及守恒定律導出的思路，來試著思考角動量定理及守恒定律的推導過程，再探索動能定理及機械能守恒定律的導出過程，逐漸地培養(yǎng)學生的邏輯思維能力。另外，教師應該采取“科學”、“理性”的分析方法訓練學生形成科學的思維習慣。同時要注意糾正他們的“直覺”思維和“經(jīng)驗”思維。比如前面例題中，在分析過程中，有的同學“跟著感覺走”沒有經(jīng)過邏輯思考和科學計算就輕易得出支持力等于重力的結論。這樣的“想當然”的思維，即便得出個結論也經(jīng)不起推敲。但如果認真的從理性出發(fā)，嚴謹?shù)厮伎?，無論定性分析還是定量推導，都會得出科學合理的結論。

二、培養(yǎng)學生思維能力的途徑

(一) 以科學家探索規(guī)律的思維歷程為榜樣，激發(fā)學生思維意識

人類對力學規(guī)律的研究始于公元前古代。眾多的科學家致力于力學規(guī)律的研究。“蘋果落地”的故事廣為流傳，這是牛頓思考引力過程的故事，“蘋果落地”引發(fā)了牛頓一系列的質(zhì)疑和猜想，經(jīng)過不斷地推理、分析和計算，最終證明了他的猜想是正確的，并建立了著名的萬有引力定律。哥白尼敢于修訂亞里士多德、托勒密等人的“地心說”，大膽提出設想“如果星體圍繞太陽運動的話，很多地心說無法解釋的自然現(xiàn)象就變得簡單了”，依據(jù)這個想法，他大量搜尋資料，結合自己的觀測和計算，幾十年如一日，終于完成了《天體運行論》，成為“日心說”的創(chuàng)始人[7]。這樣的例子不勝枚舉，每一位物理學家，他們無不勇于質(zhì)疑和設想，善于思考和鉆研，他們的科學精神總能激發(fā)學生的求知欲望，激發(fā)學生的思維意識，鼓勵學生在學習的路上要勤學好問，開動腦筋。

(二) 結合實驗教學和實踐訓練，拓展學生思維能力

物理學是以實驗為基礎的科學。不少規(guī)律是從觀察和實驗總結出來的。筆者提倡理論課的課堂上多做演示性的實驗，課下多去實踐(比如去實驗室做驗證實驗、參加大學生創(chuàng)新實驗競賽等)，結合實驗教學與實踐訓練過程，進一步拓展學生的思維能力。比如在學習剛體角動量守恒時，可以在課堂上做一個簡單易行又有趣的實驗，“茹科夫斯基凳”[8，9]，讓學生參與體驗手握啞鈴伸展雙臂和收縮雙臂時凳的轉(zhuǎn)速變化，讓學生根據(jù)自己的感受提出問題，思考解決。另外，老師可以帶領學生走出校門實踐一下，體會汽車經(jīng)過身邊時的多普勒效應現(xiàn)象。讓學生有興趣打開思維的大門，主動去探索[10]。

(三) 進行原理和公式的推導訓練，形成科學嚴謹?shù)乃季S模式

物理學中許多重大理論的發(fā)現(xiàn)靠大膽的猜想和假設，更需要嚴謹?shù)臄?shù)學計算和邏輯思維。嚴謹?shù)乃季S可以在力學原理和公式的推導中得到訓練和提高。有人認為“不用知道定理公式怎么導出的，背下來，會應用就行”。這種想法本身就是對科學知識的一種不嚴謹態(tài)度。其實原理和公式的推導過程本身就是對嚴謹思維的培養(yǎng)過程，通過推導可以再現(xiàn)其科學性、嚴謹性，使我們可以知其然更知其所以然，真正把知識學活學透。久而久之學生就能夠逐漸形成“解決物理問題要講究科學性和嚴謹性”的思維模式。

(四) 注重運用發(fā)散思維和逆向思維開拓學生的創(chuàng)新性思維和創(chuàng)造性思維

發(fā)散性思維是從不同角度、不同方面分析問題，能夠利用多種方法解決問題的一種思維方式。運用發(fā)散性思維一方面可以打破思維局限，從而拓寬思維，使思維具有深度和廣度，使頭腦靈活、變通。比如力學中有不少問題可以進行一題多解。另一方面運用發(fā)散性思維可以產(chǎn)生與眾不同的新思路、新方法。教學中適當給學生提供一些好素材，拓展學生的思維視野，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新性思維，給人以耳目一新的感覺。拉格朗日的《分析力學》中沒有借助牛頓力學常用的“矢量圖形”的幾何方法，反而完全“另辟蹊徑”，用純數(shù)學分析的方法來解決所有力學問題，成為一系列處理力學問題的新方法。

逆向思維是從相反的方向思考問題的一種思維方式，即“反其道而思之”。在教學中注重運用逆向思維，可以開拓學生的創(chuàng)造性思維，給人以“于無聲處聽驚雷”的感覺。比如剛體力學中，講到工廠中很多機器的軸承都是剛性的硬桿，這是司空見慣的。生活中的洗衣機的轉(zhuǎn)軸按照正向思維應該是剛性的，但這樣會產(chǎn)生很大顫抖和噪音，加粗或加硬均無效，不得已“棄硬就軟”來個逆向思維，顫抖和噪音問題豁然解決了。

三、結 語

以筆者的教學實踐為例，探索了學生思維能力培養(yǎng)的多種方法和途徑。實踐證明，這些方法和途徑在教學中是可以有效實施的。學生思維能力的培養(yǎng)具有長效意義，不是一蹴而就的，需要教師和學生長期共同的努力才行。學生在高校期間是各種思維能力得以提高的關鍵時期，抓住這一時期采取多種方法和途徑培養(yǎng)學生的思維能力，為學生綜合能力的提高奠定基礎，這樣才能具備卓越素質(zhì)，有望成為卓越人才。