淺談大學物理課程中的結構創新教育

楊為家，辛月，申冬玲，何鑫，范東華

[摘? ? ? ? ? ?要]? 技術創新型人才是建設創新型國家的關鍵。培養技術創新型人才已經成為我國高等教育的重要任務。在深入理解創新內涵的基礎上，從一道課后習題的演變去探討大學物理課程中的創新教育，為技術創新型人才的培養提供有益借鑒。

[關? ? 鍵? ?詞]? 創新型人才;結構創新;創新教育

[中圖分類號]? G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2021）50-0090-02

一、現狀及背景分析

2006年，胡錦濤在全國科技大會上提出走中國特色自主創新道路，建設創新型國家戰略思想，為全面建設小康社會提供強有力的支撐。在長期的實踐中，黨和國家始終堅持把自主創新、建設創新型國家作為指導我國發展的一項重大戰略方針。2017年10月18日，習近平同志在十九大報告中指出，加快建設創新型國家。建設創新型國家，歸根結底要靠人才，尤其是技術創新型人才來實現的。因此，做好技術創新型人才的培養是推進自主創新、建設創新型國家的一個關鍵舉措。

2020年9月22日，習近平在教育文化衛生體育領域專家代表座談會上的講話指出，“促進學生德智體美勞全面發展，培養學生愛國情懷、社會責任感、創新精神、實踐能力”是高等教育的重要目標[1]。為了落實技術創新型人才的培養，教育部在最新制定的普通高等教育學校本科教育教學審核評估指標體系中明確把“創新創業教育”作為關鍵考核指標，提出了“將創新創業教育貫穿于人才培養全過程、融入專業教育”的理念[2]。因此，將“創新創業教育”有機融入日常教學環節既是當前高等教育教學改革研究中的一個重點，也是一個熱點。在黨和國家的號召下，五邑大學適時提出了積極、系統開展創新創業教育，培育技術創新型人才的發展目標[3]。大學物理是理工科專業一門重要的公共基礎課。在大學物理課程中積極開展創新創業教育，可以產生很大的受益面，為技術創新型人才的培養提供有益借鑒。本文將從一道經典的大學物理課后習題及其演變引入結構創新教育。

二、大學物理經典課后習題及其演變

習題原題：用兩根彼此平行的長直導線將半徑為R的均勻導體圓環聯到電源上，如圖1所示，b為切點，求O點的磁感應強度[4]。

題目分析：這道題目是一道非常經典的綜合題，一共考查3個知識點。第一個知識點是帶電有限長直導線的磁感應強度。第二個知識點是帶電圓環（圓弧）的磁感應強度。第三個知識點是電阻的并聯與電流分流之間的關系。這道題直觀考查了學生對多種知識綜合運用的能力。

演變一：如圖2所示，用兩根彼此平行的長直導線將半徑為R的四分之三導體圓環聯到電源上，b為切點，求O點的磁感應強度。

演變二：如圖3所示，用兩根彼此平行的無限長直導線將半徑為R的均勻導體半圓環聯到電源上，a、b為切點，求O點的磁感應強度。

演變三：如圖4所示，一根無限長載流導線布局成直線加圓環的形狀，圓環的半徑為R，圓心為O點，求O點的磁感應強度。

演變分析：通過結構創新，我們得到了全新的題目，但是主要考點并沒有變。在此處，結構創新分成兩類：一類是改變直導線的結構，另一類是改變圓環的結構。

結構創新是創新的一種重要形式，在我們的生活、生產中發揮了非常重要的作用。下面我們將通過一些案例深入理解結構創新。

三、結構創新的案例及其訓練

創新就是求變，以變促發展。產品的結構是一個看得見、摸得著的東西。以結構創新為主體進行創新教育，容易產生良好的教學效果。以學生喜愛或者感興趣的話題展開結構創新教育，有利于引起學生的興趣，激發學生的共鳴。下面我們以學生比較熟悉和感興趣的汽車開展結構創新教育探索。

案例1：很多人喜歡開車到野外去看夜景，放松心情。然而，在野外需要搭帳篷，挺麻煩的。要是可以直接在車上躺著看夜景，那該多好啊！于是，設計師對車頂結構進行了改變，帶有天窗的汽車出現。為了更加方便，設計師將天窗設計成活動式的：需要就打開，不需要就關閉。在這個例子中，汽車設計師對車頂結構進行了修改和完善，極大地滿足了人們的使用需求。

案例2：汽車出行已經成為人們的第一選擇。然而，帶著小朋友全家出行的時候，卻感覺特別不方便：小朋友活潑，車內座椅都是為成人設計的，無法有效保證孩子的安全;尤其當小朋友是嬰兒的時候，就更麻煩了。有沒有一個好的解決方法呢？設計一個兒童專用座椅，并能夠靈活安裝到現有座椅上，那就可以輕松解決問題了。這個案例中，設計師通過增加一個新的結構，從而達到目的。

此外，我們還需要引導學生一起進行1～2個啟發式的結構創新訓練，鞏固結構創新的教育效果。

訓練題1：凳子——旋轉式升降凳子（增加旋轉結構，調節高度）——椅子（增加靠背結構，增加舒適度）——升降椅（增加旋轉結構，調節高度）——搖搖椅（改變椅子的底部結構，提高舒適度）——按摩椅（增加電動按摩部件結構，養生/調理身體）——折疊椅（增加折疊活動結構，節約空間）——午休折疊椅/床（增加活動式結構，方便改變形狀，兩用，節約空間）——沙發床（增加活動式結構，方便改變形狀，兩用，節約空間）。

訓練題2：升降機——室內電梯（增加封閉結構，且提高安全性和上下樓的速率）——室外電梯（不改變房子的結構，節約空間，適用于老房改造）——觀光電梯（將墻體結構改為透明玻璃，增加新功能）——開放式手扶式電梯（密閉結構改為開放式結構，增加舒適度和安全性）。

最后，啟發學生自行對結構創新進行總結和歸納。結構創新，就是對產品的結構進行修改和完善，增加或者減少某些結構，或者利用不同的結構進行排列、組合，從而形成新的結構，賦予產品新的功能或者全新的用途。同時總結出結構創新的經典思路：需求驅動機制。

四、結語

在大學物理中結構創新教育可以按照以下思路進行：知識點中涉及的結構演變→引入結構創新→以學生感興趣的事物作為切入點→講解經典案例（領悟結構創新的思路）→啟發式強化訓練→經驗總結/創新思路總結。這種方式有利于調動學生的積極性，增加學生的參與性和獲得感，從而達到創新教育的目的。

參考文獻：

[1]習近平.習近平在教育文化衛生體育領域專家代表座談會上的講話[N].人民日報，2020-09-22.

[2]教育部.普通高等教育學校本科教育教學審核評估實施方案（2021—2025年）[S].2021-01-21.

[3]中共五邑大學委員會.中共五邑大學委員會關于加快建設和完善高水平人才培養體系的若干意見[Z].2021-03-02

[4]王少杰，顧牡，吳天剛.新編基礎物理學（第三版）[M].北京：科學出版社，2019.

◎編輯 張 慧