發(fā)散性思維在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

吳秀梅 李向江 馬士華

[摘 要] 將發(fā)散性思維的教學(xué)模式應(yīng)用到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐教學(xué)中，通過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，觀測(cè)學(xué)生思維能力及解決問題能力的變化情況。實(shí)踐結(jié)果表明：發(fā)散性思維的教學(xué)方式，不但有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)新能力、分析問題和解決問題的能力，而且有利于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的思維能力具有一定的參考價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 發(fā)散性思維;大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);創(chuàng)新能力

[基金項(xiàng)目] 2021年度中央高校教學(xué)改革專項(xiàng)基金“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”（5207022103A）

[作者簡(jiǎn)介] 吳秀梅（1980—），女，河南信陽(yáng)人，博士，東南大學(xué)物理學(xué)院副教授，主要從事低維材料研究;李向江（1977—），男，浙江寧波人，博士，寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院數(shù)字技術(shù)與工程學(xué)院講師，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體導(dǎo)電薄膜材料研究;馬士華（1972—），女，黑龍江友誼人，博士，東南大學(xué)物理學(xué)院講師，主要從事生物分子的太赫茲頻譜研究。

[中圖分類號(hào)] O411 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）15-0109-04 [收稿日期] 2021-10-22

引言

隨著社會(huì)對(duì)人才能力要求的日益提高，高校作為培養(yǎng)人才的重要基地，越來越重視大學(xué)生創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)[1-9]，這種能力究其實(shí)質(zhì)就是思維能力。思維能力是可以通過實(shí)踐訓(xùn)練來提升的。用發(fā)散思維的模式去思考分析問題是提升思維能力的有效途徑之一。發(fā)散思維是一種多視角思維，是對(duì)同一事物或現(xiàn)象從不同的角度加以思考，獲得新的認(rèn)知或解決問題的思維方法。它避免了思維定式，不僅有利于問題的解決，而且有利于加深對(duì)事物的全面理解。同時(shí)，每轉(zhuǎn)換一個(gè)新的視角都有可能引發(fā)一個(gè)新發(fā)現(xiàn)或新發(fā)明的產(chǎn)生。因此，在高等教育教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維模式，對(duì)推動(dòng)人才創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著重要的意義。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)理工類專業(yè)的基礎(chǔ)必修課，也是大學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練的實(shí)踐性基礎(chǔ)課程。該課程不同于常規(guī)理論課的地方在于：學(xué)生需要在課堂上親自動(dòng)手操作實(shí)驗(yàn)儀器、測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析討論。無論是在實(shí)驗(yàn)儀器的操作過程中，還是在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析上，都有可能遇到各種實(shí)驗(yàn)問題。用不同的方法和從不同視角去分析解決這些問題，為培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力提供了有利的訓(xùn)練機(jī)會(huì)。當(dāng)前存在的普遍問題是，無論是教師還是學(xué)生，在實(shí)驗(yàn)課上對(duì)發(fā)散轉(zhuǎn)換能力的培養(yǎng)，還未引起足夠的關(guān)注。對(duì)教師而言，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課更多的關(guān)注點(diǎn)在于對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、操作內(nèi)容等講解上。對(duì)學(xué)生而言，大多按部就班地按照教師的講解去完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題很少進(jìn)行認(rèn)真深入的思考，他們的關(guān)注點(diǎn)大多在于拿到這門課的學(xué)分。這種應(yīng)試思維模式既難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又難以提高學(xué)生分析和解決問題的能力。因此，尋找新的教學(xué)模式，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的分析解決問題的能力，是促進(jìn)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一。本文將發(fā)散思維的教學(xué)模式應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，研究了發(fā)散思維模式的教學(xué)方法對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及分析解決問題能力的影響。

一、發(fā)散思維的培養(yǎng)方法與思路

針對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，通過轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)方法和轉(zhuǎn)換分析問題的角度，引導(dǎo)學(xué)生去分析解決在實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力。

通過轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)方法培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力，以《材料彈性模量的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)[10]為例來說明。該實(shí)驗(yàn)中需要解決的一個(gè)問題是：在長(zhǎng)度接近2米的金屬絲正下方加10N的力F時(shí)，測(cè)量出金屬絲在長(zhǎng)度方向的微小伸長(zhǎng)量△L。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)度測(cè)量上，通常應(yīng)用刻度尺直接進(jìn)行測(cè)量。但是△L值在理論值上只有幾個(gè)毫米，相對(duì)于2米長(zhǎng)的金屬絲來說，這個(gè)長(zhǎng)度方向的微小伸長(zhǎng)量△L，人眼既難以觀察到，也不易用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)刻度尺直接測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)巧妙地通過轉(zhuǎn)換思維模式，改變實(shí)驗(yàn)方法[10]：即將不易觀測(cè)的微小物理量，根據(jù)光杠桿鏡尺組的放大原理，通過測(cè)量其他容易觀測(cè)的物理量，運(yùn)用公式運(yùn)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微小伸長(zhǎng)量△L的值（間接測(cè)量）的計(jì)算。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中問題的解決得益于實(shí)驗(yàn)方法的轉(zhuǎn)換，即將直接難以測(cè)量的微小物理量△L，通過實(shí)驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換到測(cè)量其他易測(cè)物理量，進(jìn)而通過計(jì)算實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量出△L，使問題得以解決。在實(shí)踐實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)學(xué)生遇到無法解決的實(shí)驗(yàn)問題時(shí)，教師要鼓勵(lì)他們考慮轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)方法去解決問題。在一次次的實(shí)踐過程中，學(xué)生分析解決問題的能力會(huì)日益提高，其思維能力在實(shí)踐訓(xùn)練中也不斷得到提升。

從轉(zhuǎn)換分析問題的角度培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維能力，其方法是根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，引導(dǎo)學(xué)生多角度地去分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)問題的可能原因，避免思維定式或單一思維模式分析問題。這里繼續(xù)拿《材料彈性模量的測(cè)量》實(shí)驗(yàn)[10]為例。這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，有個(gè)內(nèi)容是用螺旋測(cè)器測(cè)量金屬絲的直徑，在金屬絲長(zhǎng)度方向的不同位置測(cè)6次。比如有同學(xué)的測(cè)量結(jié)果如表1。

在對(duì)金屬絲直徑的6次測(cè)量中，其直徑值在0.610附近，但上述中的第4個(gè)數(shù)據(jù)是0.588，與0.610相差較大，屬于“異常數(shù)據(jù)”。這里就可以引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)角度分析這個(gè)數(shù)據(jù)異常的原因，比如從人為因素、儀器因素等不同角度分析。從人為因素角度分析，又可以考慮是人的讀數(shù)有誤還是人的測(cè)量方法有誤。從儀器角度分析，又可以從實(shí)驗(yàn)儀自身原因及測(cè)量?jī)x兩個(gè)角度去考慮。從實(shí)驗(yàn)儀角度考慮，比如該實(shí)驗(yàn)中的金屬絲，如果在外力作用下呈現(xiàn)非比例伸長(zhǎng)，那么金屬絲在長(zhǎng)度方向的不同位置，其粗細(xì)可能會(huì)不一致，就會(huì)出現(xiàn)表1中的數(shù)據(jù)4的情況，這種情況出現(xiàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)中常常需要更換金屬絲。這種分析思維，不僅有利于問題的解決，還有利于進(jìn)一步研究金屬絲在受力作用下的彈性形變。從測(cè)量?jī)x器角度去分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的異常，又可以從測(cè)量?jī)x器出廠的精度，以及測(cè)量?jī)x器因長(zhǎng)時(shí)間放置產(chǎn)生變形等因素分析。這種從不同角度分析問題，再加以分析總結(jié)的模式，不僅有利于對(duì)問題的全面性分析認(rèn)識(shí)，而且有利于發(fā)散思維能力的訓(xùn)練。

在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐過程中，當(dāng)學(xué)生開始主動(dòng)嘗試從不同角度分析問題時(shí)，教師要給以及時(shí)的鼓勵(lì)。其好處是學(xué)生在接下來的實(shí)驗(yàn)中，會(huì)不斷地嘗試從不同角度去思考問題。當(dāng)學(xué)生經(jīng)過多角度去分析問題，從而使得問題得到完整分析或解決時(shí)，教師適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)解決問題的思維模式進(jìn)行總結(jié)，從中學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，并在此后的學(xué)習(xí)中去應(yīng)用驗(yàn)證，繼而再總結(jié)，如此循環(huán)。在這個(gè)過程中，學(xué)生的思維能力會(huì)得到明顯提高，多角度分析解決問題的能力會(huì)明顯增強(qiáng)，學(xué)生的自豪感和學(xué)習(xí)興趣會(huì)油然而生。上述培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維的思路流程如圖1所示。

二、實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象

研究對(duì)象為同年入校的114名大學(xué)一年級(jí)學(xué)生，均來自同一所大學(xué)，授課選用教材均為《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》[10]，實(shí)驗(yàn)中所需要使用的實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)環(huán)境等客觀條件均相同。

研究對(duì)象分為對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班。對(duì)照班為常規(guī)教學(xué)班級(jí)，總?cè)藬?shù)為58人。對(duì)應(yīng)對(duì)照班，教師采用傳統(tǒng)的授課方法，即通過講解物理實(shí)驗(yàn)的背景、原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)要求，學(xué)生按照要求去完成實(shí)驗(yàn)或者驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)規(guī)律、實(shí)驗(yàn)原理，得出相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)班為培養(yǎng)學(xué)生發(fā)散思維的班級(jí)。實(shí)驗(yàn)班采用發(fā)散思維的教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)方法或者從不同角度去分析解決問題，總?cè)藬?shù)為56人。在實(shí)驗(yàn)的過程中，一方面，教師會(huì)提出和本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的問題，引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換思維去分析問題;另一方面，針對(duì)學(xué)生遇到的具體問題，鼓勵(lì)學(xué)生突破思維定式，嘗試新的實(shí)驗(yàn)方法或多角度去思考問題。

三、研究實(shí)施要點(diǎn)和結(jié)果

發(fā)散思維的教學(xué)模式中，其要點(diǎn)強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心。無論是教師提出的實(shí)驗(yàn)問題，還是學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到的具體問題，始終都是以學(xué)生為核心，以引導(dǎo)學(xué)生用不同方法或從不同角度去分析問題，進(jìn)而解決問題。在此過程中，不斷培養(yǎng)學(xué)生的思維能力及分析解決問題的能力。這種發(fā)散思維的教學(xué)模式，同時(shí)蘊(yùn)含著對(duì)學(xué)生探究精神和鉆研意識(shí)的培養(yǎng)。

考核方法是：在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)條件都相同的情況下，進(jìn)行接近一個(gè)學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)后，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)置相同的實(shí)驗(yàn)問題，以試卷的形式，對(duì)實(shí)驗(yàn)班和對(duì)照班的全體同學(xué)進(jìn)行考查。根據(jù)學(xué)生對(duì)問題的思維角度、解決問題的方法，以及課后對(duì)問題交流討論的積極主動(dòng)性，來判斷發(fā)散思維的教學(xué)模式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響。

表2是對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班的同學(xué)不同思維模式分析解決問題人數(shù)占比。其中STP指單一思維模式分析解決問題（single thinking pattern to analyze and solve problems），或者說，只用一種實(shí)驗(yàn)方法或者某個(gè)固定的角度去思考問題。DTP指發(fā)散思維方式分析解決問題（divergent thinking pattern to analyze and solve problems），即能用不同的實(shí)驗(yàn)方法或者可以從多角度去分析解決問題。

從表2可見，對(duì)照班的56名同學(xué)中，有43名同學(xué)解答問題的思路相對(duì)單一，而且其思維偏向于慣性思維，接近總?cè)藬?shù)的77%。有13人提出不同的實(shí)驗(yàn)方法或者多角度去分析問題，給出不同的思考，占總?cè)藬?shù)的23%。實(shí)驗(yàn)班58名同學(xué)中，有35人從不同角度去分析思考問題，解決問題的方法也更多樣化，約占總?cè)藬?shù)的60%。從數(shù)據(jù)對(duì)比上看，實(shí)驗(yàn)班的同學(xué)更容易打破單一思維模式，提出更新穎的思考思路，對(duì)問題有更多層面的分析，解決問題的方法也更加多樣化。

表3是對(duì)照班和實(shí)驗(yàn)班的同學(xué)積極主動(dòng)討論交流問題人數(shù)及占比的對(duì)照。其中ADP代表積極主動(dòng)討論交流問題（actively discuss problems）。從表3可見，對(duì)照班的同學(xué)在完成實(shí)驗(yàn)后，只有大約14%的同學(xué)會(huì)主動(dòng)交流討論問題，大部分同學(xué)對(duì)待實(shí)驗(yàn)課的心態(tài)像是完成了一項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù);實(shí)驗(yàn)結(jié)束，相應(yīng)的任務(wù)也就結(jié)束了。實(shí)驗(yàn)班有接近52%的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會(huì)主動(dòng)交流討論問題，比如交流分析問題的思路、思維模式轉(zhuǎn)換的路徑、實(shí)驗(yàn)方法的應(yīng)用，以及個(gè)人收獲等。相比于對(duì)照班，實(shí)驗(yàn)班的同學(xué)更關(guān)注個(gè)人成長(zhǎng)，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)到了什么，積累到什么知識(shí)，他們表現(xiàn)出更大的學(xué)習(xí)積極性。

結(jié)語(yǔ)

第一，發(fā)散思維的教學(xué)模式有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在問題的思考模式上，實(shí)驗(yàn)班相比于對(duì)照班有更多的學(xué)生會(huì)多角度分析問題，而這種多角度分析問題的思維方式，提高了他們分析問題的深度和解決問題的能力。這種能力有利于學(xué)生在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課上學(xué)習(xí)新知識(shí)，也有利于學(xué)生對(duì)其他課程的深入學(xué)習(xí)與理解，為以后的學(xué)習(xí)研究打下了良好的思維基礎(chǔ)。

第二，發(fā)散思維的教學(xué)模式有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性。在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的過程中，學(xué)生通過多角度思考問題，采用不同的實(shí)驗(yàn)方法解決問題，不僅有利于培養(yǎng)思維能力，而且有利于促進(jìn)新思路的形成、創(chuàng)新能力的激發(fā)。這種活躍性的思維模式，又積極地影響著學(xué)生探索能力和積極主動(dòng)性的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]王新順，王本陽(yáng)，張立彬.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練與提升[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2021（2）：244-247.

[2]曹小華，吳青，李文鋒.大學(xué)生科技創(chuàng)新能力的團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)模式探討[J].高教發(fā)展與評(píng)估，2007（3）：22-24.

[3]王新順，王本陽(yáng)，張立彬.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生創(chuàng)新思維訓(xùn)練與提升[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2021（2）：244-247，269.

[4]汪靜，胡玉才，遲建衛(wèi).基于大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的物理教育教學(xué)體系構(gòu)建與實(shí)施[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2021（3）：55-59.

[5]李楊帆，朱曉東.科研訓(xùn)練計(jì)劃與大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（4）：24-25.

[6]袁嵩，黃新宇，陸佳鑫.大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)探索[J].教育教學(xué)論壇，2020（35）：75-76.

[7]王志強(qiáng).瑞典提升大學(xué)創(chuàng)新能力管窺[J].高教發(fā)展與評(píng)估，2012（1）：94-100.

[8]劉炳全，袁程龍.依托數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)分析[J].教育教學(xué)論壇，2020（30）：114-115.

[9]汪靜胡，玉才，遲建衛(wèi).基于大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的物理教育教學(xué)體系[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2021（3）：55-59.

[10]錢鋒，潘人培.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京：高等教育出版社，2018：77-81.

Research on the Application of Divergent Thinking in College Physics Experiment Teaching

WU Xiu-mei1， LI Xiang-jiang2， MA Shi-hua1

（1. School of Physics， Southeast University， Nanjing， Jiangsu 211189， China;2. College of Digital Technology and Engineering， Ningbo University of Finance and Economics， Ningbo， Zhejiang 315000， China）

Abstract： The teaching mode of divergent thinking is applied on the practical teaching in College Physics experiment. After a semester of teaching practice， which aims to observe the change of students’ thinking ability and problem-solving ability， the results show that the teaching method of divergent thinking not only helps to cultivating students’ ability of thinking， innovation， problem analysis and problem solving， but also promoting to enhance students’ interest in learning. This study has certain reference value for cultivating students’ thinking ability.

Key words： divergent thinking; College Physics experiment; innovative ability