李紅 楊新建

(中國石油大學(xué)(華東)理學(xué)院 山東 青島 266580)

創(chuàng)新型人才應(yīng)該具有強(qiáng)烈的社會(huì)感和優(yōu)秀的思維[1]，能夠進(jìn)行以科學(xué)為根基的探究式學(xué)習(xí)[2]，能夠站在國際學(xué)術(shù)的前沿，了解與把握科學(xué)的最新進(jìn)展[3].這樣的人才培養(yǎng)客觀上要求大學(xué)物理教學(xué)不能單純地進(jìn)行理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)技能的傳授，更要注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維方法和創(chuàng)新素質(zhì)的培養(yǎng).

筆者所在教研組在多年的教學(xué)實(shí)踐中，堅(jiān)持以“實(shí)驗(yàn)和物理學(xué)史”為主線，學(xué)生學(xué)習(xí)從實(shí)驗(yàn)開始，由現(xiàn)象引出問題，通過討論解決問題.課堂講解從學(xué)史入手，由物理學(xué)家解決問題的過程提煉學(xué)術(shù)研究的方法，傳授思想創(chuàng)新的要義，鼓勵(lì)原創(chuàng)性思維.

1 以實(shí)驗(yàn)為主線 強(qiáng)調(diào)合作 動(dòng)手動(dòng)腦 討論與反思

常規(guī)的教學(xué)思路一般是,學(xué)生課前預(yù)習(xí)教材內(nèi)容—教師課堂演示實(shí)驗(yàn)—教師講解教材內(nèi)容—學(xué)生課下練習(xí)或者進(jìn)演示實(shí)驗(yàn)室參觀體驗(yàn).這樣的過程是為了讓學(xué)生先了解理論知識(shí)，再通過親自做實(shí)驗(yàn)，將理論加以應(yīng)用.但筆者多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)得出，這樣的過程效果并不理想.由于受到學(xué)時(shí)、教學(xué)任務(wù)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，很多耗時(shí)長(zhǎng)或者儀器較大的實(shí)驗(yàn)不能當(dāng)堂演示,而演示效果較好的實(shí)驗(yàn)，教師演示時(shí)也要面向整個(gè)課堂，且“速戰(zhàn)速?zèng)Q”,致使學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不充分或者根本沒有實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，在這樣的情況下，學(xué)習(xí)理論知識(shí)不積極.在對(duì)理論一知半解的情況下，走入實(shí)驗(yàn)室也沒了稀奇感和探索欲，很多學(xué)生只是走馬觀花.但如果課前先讓學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)或者自己制作演示儀器，再走入課堂進(jìn)行理論部分的學(xué)習(xí)，情況將大有改觀.我們的嘗試如下.

1.1 課前預(yù)習(xí)

在此階段，以小組合作實(shí)驗(yàn)為主，教材理論內(nèi)容為輔.我們將每學(xué)期需要演示的實(shí)驗(yàn)分成三類.

(1)耗時(shí)較長(zhǎng)，或儀器形體較大，或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不適合集體觀察，這類實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)室完成.比如，庫侖扭秤、圓錐爬坡、低氣壓下輝光放電、雅格布天梯、魚洗、窺視無窮等.

(2)演示儀器不易制作但集體演示效果較好.比如,角速度合成、進(jìn)動(dòng)演示儀、縱駐波、伽爾頓板、雙折射、夢(mèng)幻球等，這類實(shí)驗(yàn)要求教師在課堂上演示，同時(shí)要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成.

(3)原理簡(jiǎn)單、儀器便于制作.比如,向心力、角動(dòng)量守恒、摩擦起電、薄膜干涉等，這類實(shí)驗(yàn)原則上鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)，自制儀器驗(yàn)證或者演示，也可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室操作.

學(xué)期初，將本學(xué)期所有實(shí)驗(yàn)及相關(guān)的儀器名稱印發(fā)給學(xué)生，并把學(xué)生以宿舍為單位分組(學(xué)習(xí)小組一旦成立，一般情況不再更改).上新課的前一周，標(biāo)出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，需要在實(shí)驗(yàn)室完成的實(shí)驗(yàn)，要求各學(xué)習(xí)小組就儀器的操作展開調(diào)研和學(xué)習(xí)，撰寫學(xué)習(xí)報(bào)告(每小組一份，無格式要求，寫清楚即可)，經(jīng)檢查合格后,便可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn).就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和出現(xiàn)的問題及相關(guān)思考撰寫簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí).便于自制儀器演示的實(shí)驗(yàn)，要求寫出具體的設(shè)計(jì)方案，較復(fù)雜元件可借用實(shí)驗(yàn)室的使用，整個(gè)組裝過程也可在實(shí)驗(yàn)室完成.

1.2 課堂學(xué)習(xí)

在課堂學(xué)習(xí)中，圍繞實(shí)驗(yàn)和問題展開，以學(xué)生討論為主，教師講解為輔.通過親自操作或者制作儀器，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，預(yù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的理論知識(shí)，再走入課堂的學(xué)生會(huì)有很多問題急于解決，他們渴望獲取知識(shí)，更渴望發(fā)表自己的看法和感想.我們通常先將需要演示的實(shí)驗(yàn)演示一遍，重點(diǎn)不在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).

(1)要遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)程，按步驟進(jìn)行，不隨便操作；

(2)要愛護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器，按要求選取，不隨意拼湊；

(3)要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，不偽造現(xiàn)象，不更改數(shù)據(jù)；

(4)要關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，不輕易放過偶然現(xiàn)象[4].

然后和學(xué)生進(jìn)一步就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提煉出要討論或者待解決的問題，再放手讓學(xué)生在本學(xué)習(xí)小組內(nèi)進(jìn)行討論，給出解決問題的方案或者思路.通過各小組代表發(fā)言，探討出最合理的解決問題的方法,并引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立展開對(duì)教材內(nèi)容的學(xué)習(xí),最后,教師就理論部分的難點(diǎn)和重點(diǎn)問題加以闡述.

例如，關(guān)于光的雙折射現(xiàn)象，學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)已經(jīng)清楚兩束透射光不相干的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，教師再次演示實(shí)驗(yàn)后，和學(xué)生共同分析得出要解決的問題，即兩束透射光的性質(zhì)如何？不相干的原因是什么？光在水、空氣中為什么不發(fā)生雙折射現(xiàn)象？在方解石一類的晶體中到底發(fā)生了什么？學(xué)生通過討論得出相關(guān)的結(jié)論，并展開對(duì)教材內(nèi)容的學(xué)習(xí).最后,教師就其中比較繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)加以解釋，同時(shí)介紹前人對(duì)光是橫波還是縱波的研究過程，使學(xué)生明白類比不是論證，通過類比方法所做出的假設(shè)(如這里將光波與聲波類比，認(rèn)為光波也是縱波)或結(jié)論最終必須通過實(shí)驗(yàn)以及在今后的實(shí)踐中得到檢驗(yàn)[5]，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度和敢于挑戰(zhàn)常規(guī)思維的精神.

1.3 課后作業(yè)

對(duì)于課后作業(yè),以學(xué)生總結(jié)反思為主,習(xí)題練習(xí)為輔.經(jīng)過課前的實(shí)驗(yàn)操作，課堂的討論、分析，學(xué)生最需要的就是好好地理解和充分地思考.如果這時(shí)候教師按常規(guī)方法，布置大量的、繁瑣的習(xí)題，不但不會(huì)起到鞏固所學(xué)知識(shí)的目的，還可能將學(xué)生剛剛?cè)计鸬那笾ㄉ返?所以，我們要培養(yǎng)和保護(hù)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí)，就必須給他們足夠自由思考的時(shí)間，讓他們?nèi)绻湃艘粯娱L(zhǎng)時(shí)間的“格物”,追問光的本性、物質(zhì)的構(gòu)成……

如上，整個(gè)教學(xué)思路變?yōu)閷W(xué)生課前動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)并預(yù)習(xí)理論知識(shí)—師生就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提煉出待解決的問題—學(xué)生討論并給出解決問題的思路—師生探討總結(jié)出最合理的解決問題的方法—教師講解難點(diǎn)、重點(diǎn)內(nèi)容—學(xué)生課下反思、練習(xí)或者再次進(jìn)實(shí)驗(yàn)室體驗(yàn).這樣,目標(biāo)明確的學(xué)習(xí)，不僅鍛煉了學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦、查閱文獻(xiàn)和與人合作的能力，而且使學(xué)生體驗(yàn)到了共同合作發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和解決問題的快樂.正如物理學(xué)家費(fèi)曼所言：“在對(duì)科學(xué)的學(xué)習(xí)中，你學(xué)會(huì)通過實(shí)驗(yàn)和誤差處理問題，養(yǎng)成一種獨(dú)創(chuàng)精神和自由的探索精神，這比科學(xué)本身的價(jià)值更巨大.你還要問自己有沒有更好的方法來做.”

2 以物理學(xué)史為主線 注重過程 鼓勵(lì)創(chuàng)新

2.1 講學(xué)史注重過程 突出科學(xué)思維方法

闡明概念的提出史和定律的建立史，提煉科學(xué)家研究問題的方法，引導(dǎo)學(xué)生嘗試“模仿性”創(chuàng)新.

物理概念和定律本身及其提出和建立過程的重要性毋庸置疑，然而，學(xué)生對(duì)概念和定律的重視還僅限于應(yīng)用的層面.比如，很多學(xué)生都能夠熟練掌握和運(yùn)用理想氣體的內(nèi)能公式，但對(duì)該公式的理論基礎(chǔ)“能量均分定理”卻不能給出準(zhǔn)確地描述.造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，其中教師的授課方式和教學(xué)側(cè)重點(diǎn)起著重要的引導(dǎo)作用.如果教師授課采用機(jī)械地“擺知識(shí)和羅列公式”，給其然不講其所以然，學(xué)生自然會(huì)效仿之.因此，我們嘗試以物理學(xué)史為主線，例如，物理學(xué)家為什么要提出這些概念,建立這些定律?其提出或建立過程如何?該概念或定律的提出解決了怎樣的物理問題?力求講清楚每一個(gè)物理概念或定律的來龍去脈.

例如，學(xué)生通過驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)掌握了畢奧-薩伐爾定律的內(nèi)容及其應(yīng)用，這時(shí)，我們就其建立過程再展開講解.

(1)史實(shí):奧斯特發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應(yīng)之后，安培進(jìn)一步定性研究了通電直導(dǎo)線之間的相互作用及通電螺線管對(duì)磁極的作用.

(2)問題：電流磁效應(yīng)的定量結(jié)果如何？

(3)解決過程：畢奧和薩伐爾通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),載流長(zhǎng)直導(dǎo)線施加在磁針磁極上的力反比于磁極與導(dǎo)線間的距離，法國數(shù)學(xué)物理學(xué)家拉普拉斯理論得出每個(gè)電流元施加在磁極上的作用力的規(guī)律公式

其中f(θ)是未知函數(shù)，畢奧、薩伐爾再次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)函數(shù)確實(shí)存在并確定其具體形式為sinθ，給出了原始的畢奧-薩伐爾定律的數(shù)學(xué)形式

后人修正為電流元產(chǎn)生的磁感強(qiáng)度大小

同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生提煉出該過程中所蘊(yùn)含的研究方法是明確研究問題—實(shí)驗(yàn)觀察—理論分析(提出假說或建立模型)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步修正或完善理論.

通過以上的講解使學(xué)生充分了解物理學(xué)家獨(dú)立的思考過程和互相合作的工作過程，從中體會(huì)交流與合作的重要性，學(xué)習(xí)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思維方法.在學(xué)習(xí)的過程中適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生加以應(yīng)用，嘗試“模仿性”創(chuàng)新.例如，在講簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，讓各學(xué)習(xí)小組用上面的研究方法研究單擺的運(yùn)動(dòng)，學(xué)生們會(huì)很快給出答案即待研究問題——建立單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程；巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——選取輕質(zhì)擺繩，盡量減小摩擦；理論分析——提出角振幅、角頻率和初相位的概念，給出簡(jiǎn)諧振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程和單擺的周期公式；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步完善理論——給出單擺擺角小于5°的限制條件.

2.2 注重對(duì)物理本質(zhì)問題的思考和前沿問題點(diǎn)撥 鼓勵(lì)學(xué)生嘗試原創(chuàng)性創(chuàng)新

筆者在從事教學(xué)的過程中經(jīng)常問學(xué)生：“物理學(xué)最迷人的地方是什么？”學(xué)生會(huì)很傳統(tǒng)地回答：“物理定律、物理思想和方法、物理學(xué)家的探索精神……”.誠然，這是我們一直向?qū)W生或試圖向?qū)W生展示，并希望學(xué)生能夠真正體會(huì)到的.然而，筆者認(rèn)為物理學(xué)最令人著迷和癡狂的地方是人們對(duì)物質(zhì)世界本性所做的深深地思考，“電荷是什么？夸克有沒有結(jié)構(gòu)？西格斯粒子真的存在嗎？高溫超導(dǎo)的機(jī)理是什么？怎樣才能找到暗物質(zhì)、暗能量？……”注重對(duì)這些物理本質(zhì)問題的發(fā)問，并適時(shí)進(jìn)行前沿問題點(diǎn)撥.例如,講完經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容之后，介紹一下人們?yōu)榻y(tǒng)一四大作用力所做的努力，包括標(biāo)準(zhǔn)模型和玄理論，講完熱學(xué)之后，簡(jiǎn)單介紹黑洞熱力學(xué)的相關(guān)研究進(jìn)展等等，可以啟迪學(xué)生進(jìn)行原創(chuàng)性思考.土木工程專業(yè)的一名學(xué)生在學(xué)習(xí)完狹義相對(duì)論后，不無遺憾地對(duì)筆者說：“老師，我要是當(dāng)初選擇理科就好了，可以專門研究光速問題.”筆者鼓勵(lì)他利用課余時(shí)間進(jìn)行這方面的調(diào)研和思考，他通過研究分析得到，高速物體質(zhì)量增加源于內(nèi)能的減小，并撰寫科技論文一篇.

啟發(fā)學(xué)生關(guān)心物理本質(zhì)問題，在模仿性創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，勇于嘗試思想性、原創(chuàng)性創(chuàng)新，這正是大學(xué)物理教學(xué)的真正價(jià)值所在.

3 考核方式兼顧學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)和人文素質(zhì)

為了加大對(duì)學(xué)生原創(chuàng)性思維的培養(yǎng)力度，進(jìn)一步鼓勵(lì)合作與創(chuàng)新，鞏固以實(shí)驗(yàn)和物理學(xué)史為主線的教學(xué)成果，我們嘗試對(duì)學(xué)生的考核多元化，兼顧科學(xué)素質(zhì)和人文素質(zhì).具體操作如下(總評(píng)結(jié)果以百分計(jì)).

3.1 理論知識(shí)測(cè)試 考核與考查相結(jié)合

通過對(duì)大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅要受到物理學(xué)文化的熏陶，還要掌握必要的物理知識(shí).因此，對(duì)物理理論知識(shí)的測(cè)評(píng)可以采取考核與考查相結(jié)合的方法.考核采用閉卷形式，重在測(cè)試學(xué)生對(duì)物理基本概念和定理、定律的理解及其簡(jiǎn)單應(yīng)用.考查采用提交論文的形式，學(xué)生可以就某個(gè)物理熱點(diǎn)問題(科研或教學(xué)均可)，或者有爭(zhēng)議的假說，或者自己感興趣的課題展開調(diào)研，論述自己的見解和想法.兩種方法考評(píng)的結(jié)果各占總評(píng)的20%.第二種方式雖然有一定的難度卻頗受學(xué)生的青睞，他們撰寫的論文題材豐富，有科技類、教育類、發(fā)明制作、好書推薦等等.其中不乏較優(yōu)秀的論文，如“鐵磁半導(dǎo)體/d-波超導(dǎo)結(jié)的自旋極化輸運(yùn)”、“粗糙界面對(duì)鐵磁半導(dǎo)體/d-波超導(dǎo)結(jié)隧道譜的影響”、“物理學(xué)的人文文化對(duì)大學(xué)生創(chuàng)新人格塑造的影響”等已經(jīng)分別在《低溫與超導(dǎo)》、《低溫物理學(xué)報(bào)》和《物理通報(bào)》等刊物上發(fā)表.學(xué)生一致反映,通過調(diào)研和撰寫論文，開拓了眼界，鍛煉了思維，彌補(bǔ)了知識(shí)的欠缺.

3.2 實(shí)驗(yàn)技能測(cè)試 操作與制作相結(jié)合

通過課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)和課后反思，學(xué)生們已經(jīng)養(yǎng)成了由現(xiàn)象提出問題，遇到問題到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行解決的思維模式，所以，大學(xué)物理教學(xué)也要包括對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的考評(píng).考評(píng)分兩種，一是利用演示室中的儀器，被考核學(xué)生獨(dú)自操作，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，介紹實(shí)驗(yàn)原理，處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主考教師現(xiàn)場(chǎng)打分；二是自制實(shí)驗(yàn)儀器(該想法得益于文獻(xiàn)[6]的啟發(fā))，學(xué)期末各學(xué)習(xí)小組自由選擇演示題目，自行設(shè)計(jì)，自己組裝、調(diào)試儀器，準(zhǔn)備充分后提出答辯申請(qǐng).主考教師根據(jù)學(xué)生演示及答辯情況為小組打分.兩種方法考評(píng)的結(jié)果各占總評(píng)的20%.對(duì)于構(gòu)思巧妙的設(shè)計(jì)不僅可以申請(qǐng)國家專利(如利用干涉消聲制成的靜音鼠標(biāo)，利用靜電除塵原理制作板擦等)，還可以將研究過程撰寫成科技論文，為將來從事科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)，學(xué)生從中也獲益匪淺.

3.3 綜合素質(zhì)測(cè)試 自評(píng)與互評(píng)相結(jié)合

學(xué)生的綜合素質(zhì)測(cè)評(píng)包括科學(xué)素質(zhì)和人文素養(yǎng)兩個(gè)方面，主要針對(duì)學(xué)生在文獻(xiàn)調(diào)研、合作實(shí)驗(yàn)、課堂討論、課余反思中的表現(xiàn)展開，采用學(xué)生自評(píng)和學(xué)習(xí)小組內(nèi)互評(píng)的方式，兩種方法考評(píng)的結(jié)果各占總評(píng)的10%.多數(shù)學(xué)生都能給自己和同學(xué)客觀公正的評(píng)價(jià)，有的學(xué)生還主動(dòng)進(jìn)行個(gè)人總結(jié)，將自己的學(xué)習(xí)心得、不足之處和努力方向都寫得清清楚楚，令人欣慰.

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