劉 鴻

（成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106）

【探索與實踐】

大學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新思維培養(yǎng)的探索實踐

劉 鴻

（成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106）

結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)實踐，以傳授學(xué)生的基礎(chǔ)知識為載體、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和方法為宗旨，從理解概念、掌握方法和質(zhì)疑問題三個方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，對于促進創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有積極的現(xiàn)實意義。

大學(xué)物理教學(xué)；創(chuàng)新思維；科學(xué)思想和方法；基礎(chǔ)知識

大學(xué)物理是高等院校理工科學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課程，描述了物質(zhì)世界的運動規(guī)律，蘊涵了豐富的科學(xué)思想和方法，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力具有獨特的優(yōu)勢。物理思想是物理學(xué)的精髓，巴甫洛夫認為：“重要的是科學(xué)方法、科學(xué)思想的總結(jié)，認識一個科學(xué)家的思想和方法，遠比認識他的成果價值更大?！盵1]本文結(jié)合大學(xué)物理教學(xué)實踐，從理解概念、掌握方法和質(zhì)疑問題等方面，探索傳授學(xué)生物理思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和分析問題、解決問題的能力。

一、理解概念 奠定基礎(chǔ)

物理學(xué)是由物理概念、物理規(guī)律、物理理論所構(gòu)成的完整科學(xué)體系。物理概念是物理學(xué)體系的基本要素，正確理解概念是處理物理問題的基礎(chǔ)，即掌握概念的內(nèi)涵和外延的準確信息，是正確分析解決問題的依據(jù)和出發(fā)點。

對于開始學(xué)習(xí)大學(xué)物理的學(xué)生，中學(xué)階段學(xué)到的矢量概念是：標量只有大小，沒有方向；矢量既有大小，又有方向。在大學(xué)物理課堂教學(xué)中，首先要求學(xué)生回顧已學(xué)到的矢量概念，并且用來判斷電流、電動勢是否是矢量時，即使學(xué)生記住了電流和電動勢是標量，但是發(fā)現(xiàn)這樣的結(jié)論與他們掌握的矢量概念之間存在矛盾，在此基礎(chǔ)上給予學(xué)生完整的矢量概念的內(nèi)涵信息，矢量既有大小，又有方向，而且矢量的加法滿足平行四邊形法則。因此不能簡單地認為有方向的量就是矢量，無方向的量就是標量，而應(yīng)從“是否遵循平行四邊形法則相加（合成）”來區(qū)分矢量和標量，電流、電動勢有大小和方向，但不按照平行四邊形法則相加（合成），而是按照代數(shù)運算法則相加（合成），因此不是矢量，是標量。進一步對學(xué)生提出“平行四邊形法則的解析表達式是什么”這一問題，幫助他們將平行四邊形法則與余弦定理以及勾股定理聯(lián)系起來，從而使學(xué)生優(yōu)化自己的知識結(jié)構(gòu)，提高學(xué)習(xí)應(yīng)用知識的能力。這個過程重要的是給予學(xué)生一個如何完整理解概念內(nèi)涵并且應(yīng)用的示范，使學(xué)生體會到正確理解概念是獨立思考、邏輯推理、創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)并解決問題的基礎(chǔ)，在后面的學(xué)習(xí)中自覺地正確理解每一個物理概念和及時優(yōu)化自己的知識結(jié)構(gòu)。

物理概念是對物理現(xiàn)象認識達到某一程度的總結(jié)，為了使學(xué)生準確理解物理概念，必須給學(xué)生講清楚認識該物理現(xiàn)象的背景和物理概念的來龍去脈，特別是物理概念的內(nèi)涵和意義，這個過程是培養(yǎng)學(xué)生認識分析問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。例如，學(xué)生熟悉的動能概念，是由牛頓定律導(dǎo)出動能定理時總結(jié)出來的，適用于一切低速物體，包括微觀粒子；學(xué)生雖然熟悉這個物理量，然而這個物理概念是抽象的、主觀的，但在內(nèi)容上則是具體的、客觀的，它是描述由物體的運動決定的做功能力的物理量。又如電場強度概念，是描述空間電場中任一點處的單位正電荷受到力的強弱和方向的物理量，它描述了電場的性質(zhì)；由于電場力不能描述電場本身的性質(zhì)，因此電場強度概念由實驗結(jié)合對該物理現(xiàn)象的分析推理確定。

最為經(jīng)典的物理概念是大學(xué)物理中存在的許多理想物理模型，例如“質(zhì)點”、“剛體”、“理想流體”、“彈簧振子”、“理想氣體”、“點電荷”等等。理想物理模型具有高度抽象性和簡單性，實質(zhì)是突出物理現(xiàn)象本質(zhì)的主要特征，簡化問題。以“剛體”為例，運動中形狀和大小都保持不變的物體稱為剛體；實際問題中，當物體的形變很小可忽略時，就將物體視為剛體。有的問題中海綿也可以視為剛體，但有的問題中即使是鋼鐵物體也不能視為剛體，能否在處理問題時把物體看作是剛體，體現(xiàn)了抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想。剛體的提出包含了解決復(fù)雜問題時的一種思路，即由簡到繁、由一般到特殊的循序漸進的思想方法。理想物理模型中包含的這些思想是物理學(xué)中解決問題的最根本的方法。通過學(xué)習(xí)系列的理想物理模型，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和方法，培養(yǎng)科學(xué)的抽象思維能力[2]，有利于奠定學(xué)生的創(chuàng)新思維基礎(chǔ)。

二、掌握方法 靈活運用

在中學(xué)物理中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了一些較簡單的思維方法，例如觀察、實驗、抽象、形象、歸納、演繹、類比、分類等，大學(xué)物理注重培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)的物理思維和處理復(fù)雜物理問題的能力。

大學(xué)物理中一些基本的物理概念和物理規(guī)律是由實驗直接確定的，一些物理概念和物理規(guī)律是由已有的規(guī)律出發(fā)，通過嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的。因此觀察和實驗、分析推理和嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)是必須傳授給學(xué)生的基本方法，這也是培養(yǎng)學(xué)生實事求是和嚴謹科學(xué)態(tài)度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。例如，庫侖的扭秤實驗確定了庫侖定律，類似的由實驗確定的物理規(guī)律有電荷守恒定律、畢奧-薩伐爾定律等等，由實驗確定的物理概念有電場強度、磁感應(yīng)強度等等；由實驗確定的物理概念和物理規(guī)律都離不開對實驗資料的分析推理和數(shù)學(xué)處理。又如，動量定理、功能原理、電磁場的高斯定理和環(huán)路定理等等是通過嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的物理規(guī)律，動能、勢能、電勢等等也是通過嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)得到的物理概念。在這些內(nèi)容的教學(xué)過程中，注重培養(yǎng)學(xué)生尊重觀察和實驗結(jié)果的觀念、示范以數(shù)學(xué)為工具的定量科學(xué)方法。

靈活運用以數(shù)學(xué)為工具的定量科學(xué)方法。由于大學(xué)物理研究復(fù)雜的物理對象，通常難以直接應(yīng)用初等數(shù)學(xué)描述分析解決問題，必須應(yīng)用微積分方法。微積分思想方法是一種辯證的思想和分析方法，包含了有限與無限的對立統(tǒng)一，近似與精確的對立統(tǒng)一[3]。對于復(fù)雜的物理問題，在時間、空間范圍內(nèi)分割復(fù)雜物理對象為無限小的物理對象，稱為微分；通過微分后，可以將復(fù)雜轉(zhuǎn)化為簡單，高級轉(zhuǎn)化為基本，化變量為常量，化非均勻為均勻，化曲線為直線，從而變與不變實現(xiàn)了辯證轉(zhuǎn)換。在微分（時間、空間）范圍內(nèi)，抓住物理對象的主要矛盾而忽略次要矛盾，把復(fù)雜物理對象近似為簡單、基本、可描述分析的物理對象，進行近似處理；然后把無限多個描述分析的微分物理對象集中累積起來，就得到復(fù)雜的物理問題的結(jié)果，即完成積分。微積分方法中有限向無限的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了由近似到精確的分析過程。例如，求解變力沿曲線路徑做功，無限分割曲線路徑（即將曲線路徑微分），則在分割的小范圍內(nèi)認為是恒力沿直線路徑做功，然后求和（即積分），就可以求出變力在整個曲線路徑范圍內(nèi)做的總功。在大學(xué)物理中，對于“旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)動慣量”、“旋轉(zhuǎn)物體受到的阻力矩”、“帶電物體產(chǎn)生的靜電場”、“非均勻變化磁場在線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢”等等較復(fù)雜的物理問題，都需要靈活運用微積分方法，通過這些學(xué)習(xí)內(nèi)容的積累，有利于奠定學(xué)生的創(chuàng)新思維基礎(chǔ)。

三、質(zhì)疑問題 開拓思路

在大學(xué)物理教學(xué)過程中，鼓勵學(xué)生突破傳統(tǒng)思維模式，敢于對現(xiàn)有理論提出質(zhì)疑，學(xué)會從不同角度看問題，進行創(chuàng)造性思維的訓(xùn)練。

當已有的物理理論解釋不了實驗現(xiàn)象時，就需要人們敢于突破傳統(tǒng)觀念的束縛，大膽地提出自己的見解，從而形成新的物理理論。例如物理學(xué)中的假設(shè)理論：愛因斯坦在提出“相對性”和“光速不變”兩條假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了狹義相對論；普朗克提出“能量子”假設(shè)，創(chuàng)立了量子理論；愛因斯坦提出的“光量子”假設(shè)，解釋了光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)；德布羅意提出物質(zhì)波的假設(shè)等。通過學(xué)習(xí)“假設(shè)理論”，培養(yǎng)學(xué)生以實驗結(jié)果為依據(jù)和出發(fā)點，在牢固的物理和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)上，善于發(fā)現(xiàn)問題、提出質(zhì)疑、進行論證，敢于突破傳統(tǒng)觀念，提出自己見解的能力。

在大學(xué)物理教學(xué)中，依據(jù)教師自身的科研經(jīng)歷現(xiàn)身說法，可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新思維，提高教學(xué)質(zhì)量，從而體現(xiàn)“以科研促進教學(xué)，以教學(xué)帶動科研”。例如，作者研究高增益砷化鎵（GaAs）光導(dǎo)開關(guān)（PCSS）的物理機理，理解其物理機理的難點在于理解實驗觀察到的鎖定（lock-on）現(xiàn)象，高增益GaAs PCSS的lock-on效應(yīng)與電流絲（即電流通道，亦稱流注）的出現(xiàn)密切相關(guān)，該項研究工作需要具備半導(dǎo)體物理中《耿效應(yīng)電子學(xué)》和《氣體放電》理論的知識。理論研究提出了多個解釋lock-on效應(yīng)的物理模型，這些理論研究要么主要應(yīng)用耿效應(yīng)電子學(xué)中的高場疇理論，要么主要應(yīng)用相對成熟的流注理論，這些物理模型都只能解釋高增益GaAs PCSS某一方面或某一過程的實驗現(xiàn)象，在國際國內(nèi)相關(guān)學(xué)術(shù)界難以達到統(tǒng)一認識。高場疇和流注是兩個相對獨立的物理現(xiàn)象，物理性質(zhì)完全不同。作者將高場疇理論和流注理論結(jié)合起來，提出了疇電子概念，建立了疇電子崩理論[4-6]，在科研工作中必須以實驗結(jié)果為出發(fā)點和作為檢驗理論的標準。以此激勵學(xué)生學(xué)好基礎(chǔ)知識、掌握方法、成長思想，為自己的創(chuàng)新思維奠定基礎(chǔ)。

四、總結(jié)

在大學(xué)物理教學(xué)實踐過程中，在傳授學(xué)生經(jīng)典物理基礎(chǔ)知識時，探索了從理解概念、掌握方法和質(zhì)疑問題三個方面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，為學(xué)生奠定創(chuàng)新思維的基礎(chǔ)。

[1]巴甫洛夫全集：第5卷[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，1959.

[2]饒黃云，符五久，大學(xué)物理教學(xué)中的物理思想和方法的滲透[J]，東華理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版）.2007，（26）.

[3]黎定國，鄧玲娜，劉義保，潘小青，大學(xué)物理中微積分思想和方法教學(xué)淺談[J]，大學(xué)物理.2005，（24）.

[4]劉鴻，阮成禮，鄭理.砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)的疇電子崩理論分析[J].科學(xué)通報.2011，（56）.

[5]劉鴻，阮成禮.本征砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)中的流注模型[J].科學(xué)通報.2008，（53）

[6]劉鴻，鄭理，阮成禮，等.砷化鎵光導(dǎo)開關(guān)中電流絲的自發(fā)輻射效應(yīng)[J].中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué).2014，（44）.

G642.0

A

1674-9324（2014）30-0205-02

1.四川省高等教育“質(zhì)量工程”“大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目”；2.成都學(xué)院（成都大學(xué)）2012年教學(xué)改革項目“《大學(xué)物理學(xué)習(xí)指導(dǎo)》及題庫編撰”編號：cdjg2012017

劉鴻（1961-），男，重慶人，四川師范大學(xué)教育學(xué)碩士，電子科技大學(xué)理學(xué)博士，副教授。研究方向：無線電物理，大學(xué)物理教學(xué)。