基于大創項目的工科學生科學思維方式培養

董鋒斌　皇金鋒　蔣軍　冉啟武

[摘 要]學生的科學思維水平決定著他們以后專業發展的深度和廣度，培養大學生的科學思維是個漫長而系統的工程。工科大學生長期接受的教育和訓練大多數是邏輯思維方式，而對于非邏輯思維方式的訓練較少，這樣易形成思維定式。針對阻礙學生形成全面科學思維方式的原因，以大學生創新項目為平臺，圍繞項目實施中項目申報、研究和總結等各個階段，討論如何引導和培養工科大學生的科學思維方式，以期為提高工科大學生的科學思維水平提供參考借鑒。

[關鍵詞]工科大學生；創新項目；科學思維方式

[中圖分類號] G424 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）05-0066-03

縱觀科學發展史，人們的思維方式對科學技術的發展具有至關重要的作用。每一次科學技術的創新革命都與科學家的超前變革的思維方式有直接關系[1-2]。我國高校培養的理工科大學生是科學研究的主力軍，他們的思維水平直接影響我國的科學技術未來發展的速度和質量。如何培養工科大學生的思維方式，是高校教育面臨的主要問題之一。如何在有限的時間內，有效地形成工科大學生的科學思維，是每一位高校教師都應該思考的問題[[3]]。

為了提高大學生的科學思維水平，培養學生的創造性思維，本文剖析了阻礙普通高校工科大學生形成全面科學思維方式的原因，并以大學生創新項目為平臺，對如何培養工科大學生的科學思維方式進行了詳細探討。

一、科學思維方式的分類及其特點

科學思維方式可分為三種類型：第一種是邏輯思維，它是基于概念、判斷、推理等形式對客觀世界的間接、概括的反映過程。它包括形式邏輯思維和辯證邏輯思維兩種形態。邏輯思維是最基本的一種思維類型，比如分析、綜合、歸納、演繹和比較都是應用邏輯思維的一些科學方法。第二種是形象思維，它是在形象地反映客體的具體形狀或姿態的感性基礎上，通過意象、聯想、想象來揭示對象本質及其規律的思維形式。形象思維具有以下特點：突出形象，能發揮人右腦半球的功能運用意象進行思維加工，使人能夠看到隱藏在事物深層的本質和規律，直觀形象地揭示對象的本質和規律。在形象思維過程中，將意象“隨意地”再生和組合，能突破現實的局限，抓住主要矛盾，對研究對象進行極度地純化和簡化，便于揭示對象的本質和規律。第三種是直覺思維，它是不受固定邏輯規則約束而直接領悟事物本質的一種思維形式。直覺思維常常伴隨著被稱為“靈感”的心理體驗和過程，其具有以下特點：認識發生的突發性，認識過程的突變性和認識成果的突破性。我們通常將形象思維和直覺思維稱為非邏輯思維方式[[3]]。

二、普通高校工科大學生的科學思維方式現狀分析

一般普通工科院校都開設有最少三十門課程，課堂教學在總學時上仍占很大比例，教師的講課方式多半是灌輸式，較注重數學推導和公式結論。學生多為被動接受，很少主動探究和應用。工科大學生長期接受的教育和訓練大多數是邏輯思維方式，而對于非邏輯思維方式的訓練較少。這樣易形成思維定式，從某種角度來說這是壓制了學生非邏輯思維方式的培養。雖然學生在學習過程中已初步形成了邏輯思維方式，但這僅是科學思維方式的一種。邏輯思維方式易使學生的思維呈現出以下特點。

（一）收斂性的思維方式

學生在接受知識時，對教材、教師、專家等的觀點幾乎全盤接受，對遇到與已學理論相矛盾的問題時，他們的思維會盡量向課本上的理論靠齊，很少有學生持有懷疑態度。筆者在指導學生實驗時發現，學生對在實驗過程中出現的實驗現象、測量數據與理論不符，甚至相差較遠時，不去思考理論的完善性、合理性，而是懷疑自己的做法不對，為了與理論保持一致，湊數據、編假數據的現象比較普遍[4-5]。做任何一個簡單的實驗，都可認為是調試一個小系統，系統的每個元素都會對系統的功能產生影響。當測量數據不滿足課本上講授的規律時，有可能是儀器儀表精度不夠，有可能是學生的做法不對，也有可能是實驗方案不合理，當然也有可能是理論不夠完善。但絕大多數學生都認為是自己的做法不對，因為看到別的同學或文獻報道說這樣的實驗條件應該有相應的結果或結論，而自己做的卻與之不符，他們寧愿相信別人是對的，書本是對的，從而否定自己。

（二） 線性的思維方式

一個概念、理論的建立，總有一些合理的假設和抽象，否則討論問題會過于復雜。例如從物理學中抽象出來的質點、剛體等概念，從電路理論中抽象出來的電阻、電感、電容等模型。實際的物理結構肯定和原來假設的條件有出入，但學生因過分相信書本的理論，習慣用線性的思維方式來考慮問題，他們認為有這樣的已知條件應該有這樣的結果、結論，這樣的話他們就很難理解實踐與理論矛盾的現象。以自動化專業所學的課程為例，在電路理論課程中，線性電路理論的內容占總學時的80%以上，電機與拖動基礎課程中鐵磁材料的磁化曲線被近似按線性磁場來處理，在電力拖動自動控制系統課程中建立三相異步電動機多變量數學模型時，忽略空間諧波、磁路飽和、鐵芯損耗等[[6]]。一般來說，教學中討論線性系統的情況偏多，學生習慣用線性思維方式考慮問題，這導致學生對非線性現象、理論難理解。但世界上存在的絕大部分系統是非線性的，學生的這種線性思維方式對他們解決實際問題、分析具體現象會起到阻礙作用。

（三）靜態的思維方式

任何系統由低級系統向高級系統發展過程就是穩態（靜態）的轉換過程。世界的本原是運動的，靜止僅是它的一種狀態。也就說，靜止是相對的，運動是絕對的。任何歷史時期，在社會需求和實踐的推動下，科學理論知識具有時效性的相對準確性，即人們認識客觀世界總結規律得到的真理具有相對性。理工科大學生接受的知識為科學家驗證過的理論，而追求理論的穩定性是科學家的理想之一，側重于邏輯推導的邏輯思維方式會引導學生的思維方式具有靜態性與收斂性。我們在指導學生實驗時發現，很少有學生對實驗過程中實驗現象與課本理論不符的情況進行深刻分析，探究理論在形成過程中的條件是否已經發生改變，現有的理論是否需要完善等，他們只想一味地迎合已有的結論。

三、基于大學生創新項目的科學思維方式的培養

創造性思維方式的特征是邏輯思維方式與非邏輯思維方式的辯證統一和綜合應用，是發散性思維和收斂性思維的優化綜合。

從科學思維的三種分類來看，課堂教學為主的學生在邏輯思維的培養上占主要位置，學生在聽課、閱讀、做作業、計算、做驗證性實驗、小課時的課程設計等環節主要鍛煉的是邏輯思維，而另外兩種科學思維——形象思維和直覺思維沒有得到相應地鍛煉和培養。這兩種思維正是學生創新意識、開拓精神的主要動力來源。值得慶幸的是國家教育部于2006年啟動“國家大學生創新性實驗項目”，于2012年啟動“國家級大學生創新創業訓練計劃”，目的是轉變高校目前的思想觀念，培養創新型國家建設需要的高素質、高層次、具有現代科學思維方式的創新人才[[7]]。下面就圍繞大學生創新創業訓練計劃項目實施的各個階段，對如何培養工科大學生的科學思維方式進行討論。

（一）項目申報階段

在撰寫項目申請書之前，指導學生閱讀一定量的文獻，結合自己的興趣，找到一個研究方向，這本身就是學生主動學習過程中邏輯思維的培養。立項背景和研究意義讓學生在所從事的專業上不再局限于課本的基礎知識，而是拓寬了專業發展前景，進而為創造性的思維打下基礎。特別是立項背景會引導學生理解一個系統的基本性質之一是環境適應性，只有適應環境的系統才能在競爭中取勝，只有滿足社會發展和科技需求的課題才是有意義、有價值的。項目創新點的凝練，能培養學生發現問題的能力，提高學生對科學發現、發明的興趣，激發學生的創新思維，培養學生的形象思維和直覺思維。擬解決的關鍵問題以及采用的研究方法和技術路線的論述，注重鍛煉學生的想象力和意象創造。愛因斯坦曾指出“想象力比知識重要”，對一個問題的方案論證，能培養學生開放的思維方式，克服學生孤立封閉的收斂性思維。引導學生做項目預期計劃及進度安排，讓學生感到做任何事都應該有計劃、有步驟、分階段地進行，這能改變他們局部零散的思維方式，培養學生系統整體的思維模式。

（二）項目在研階段

項目在研期間和實驗過程學生都可能會遇到挫折、失敗，教師應不斷鼓勵和引導他們，不斷提高學生百折不撓的心理素質，增強他們不怕困難、努力攻關的頑強意志。在遇到技術難點時，和他們積極討論，發揮他們的主觀能動性，讓他們想出不同的解決方法，有意鍛煉他們將意象隨意再生組合，突破現實局限，轉化矛盾的辯證思維方式。在解決問題時，引導學生不拘一格地從僅有的信息盡可能擴展下去，朝著不同方向去探索各種不同的解決途徑和答案。有時一個問題可能耗時耗力，與進度安排時間出入很大，這也糾正了學生的線性思維方式，培養了學生的動態思維方式。筆者在指導學生完成一個大學生創新項目時，研究內容是三相電壓型逆變器系統的控制方法，有個學生就從三相電壓型逆變器系統的控制目標出發，根據自動控制原理，討論無論采取什么控制策略，其最終目的均是使偏差趨近于零，從而提出一種非線性控制方法，這種方法既非常用的線性PID控制，又有別于精確線性化、反步法、滑模變結構等非線性控制方法。他對這種憑著自己的直覺和靈感提出的方法起初具有一定的模糊性，我們根據偏差二階微分方程根與系數的關系，用邏輯思維方法從數學角度證明了這種方法的合理性。最后我們通過實驗驗證了此控制方法的正確性，進而得到了一種非線性控制模型。此研究成果已發表在中文核心期刊《電力電子技術》2016年第5期上。此案例讓學生理解創造性思維是邏輯思維方式與非邏輯思維方式的辯證統一和綜合應用。

（三）撰寫科技論文

相對于課程設計和畢業設計，大學生創新創業項目一般都有創新點，在完成了項目內容之后，指導學生撰寫科技論文，這不僅能培養學生嚴謹的治學態度和實事求是的科學精神，還能提高學生的科技寫作水平，更重要的是能讓學生理解科學傳統和科學變革的辯證關系，激勵學生對專業未知領域進行大膽探索。論文需要創新點，創新點需要打破常規思維，這樣就糾正了學生靜態的、線性的、機械思維的方式，培養了學生動態的、普遍聯系的辯證思維方式。

我們在指導學生完成的另一個大學生創新項目其研究內容是三相四橋臂電壓型逆變器。項目完成后筆者讓學生總結并寫一篇科技論文，這位學生認真分析了帶不對稱負載的三相四線逆變器和四橋臂逆變器拓撲的優缺點，通過發散性思維提出了一種新型的三相四橋臂電壓型逆變器電路拓撲。剛開始筆者對此并不認同，受收斂性思維的影響，筆者比較傾向目前存在三相四橋臂電壓型逆變器拓撲，對他提出的新拓撲并不認可。后來他和筆者反復討論，發現該拓撲既能削弱無中性線電感四橋臂逆變器第四橋臂開關動作產生的諧波對三相輸出的影響，又能解除有中性線電感四橋臂逆變器的中性線電感導致系統產生的耦合，我們通過實驗驗證了該拓撲的合理性。此研究成果已發表在中文核心期刊《電力電子技術》2015年第5期上。

四、結束語

自2006年以來，我們曾指導學生申報并完成國家級、省級大學生創新項目近10項，學生自己撰寫并發表科技論文近10篇。以項目為平臺，學生的科學思維方式得到了培養，這也收到了較好的效果。從參加項目的學生畢業設計質量上看，他們分析實際問題、解決問題的能力明顯提高，部分畢業設計論文還獲了獎。從畢業生的去向來看，參加項目的大部分學生都考取了研究生，愿意繼續深造。

學生的科學思維水平決定著他們以后專業發展的深度和廣度，培養大學生的科學思維是個漫長而系統的工程。本文僅討論了以大學生創新項目為平臺，如何培養和提高學生的科學思維方式，希望這能為提高工科大學生的科學思維水平提供參考。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張禮建，徐小欽.當代科學哲學與理工科大學生科學思維培養[J].重慶大學學報（社會科學版），2000（4）：133-136.

[2] 張禮建.科學哲學與理工科大學生科學思維培養的關系探索[D].重慶：西南師范大學碩士學位論文，2001.

[3] 關士續，申仲英，吳延涪，等.自然辯證法概論 [M]. 北京：高等教育出版社，2003：138-198.

[4] 劉夢琴，鄺代治，馮泳蘭，等.以創新能力培養為核心構建多元化實踐教學體系[J].實驗室研究與探索，2014（3）：189-193.

[5] 呂棟梁，王其軍，舒運德，等.如何讓本科生在實驗教學中體會和學習創新[J].實驗室科學，2009（1）：71-73.

[6] 李發海，王巖.電機與拖動基礎 [M]. 北京：清華大學出版社，2006：1-7.

[7] 姜丹，張洋，孟慶繁，等.大學生生命科學創新實驗大賽的實踐與思考[J].中國教育技術裝備，2015（6）：140-142.

[責任編輯：陳 明]