靳長清，許崗，李建平西安工業(yè)大學(xué)

科學(xué)研究范式的教學(xué)模式的構(gòu)建

靳長清，許崗，李建平
西安工業(yè)大學(xué)

摘要：為了指導(dǎo)教師在工科專業(yè)基礎(chǔ)課中的課堂教學(xué)工作，加強學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)，本文基于《冶金傳輸原理》此類專業(yè)基礎(chǔ)課的學(xué)科特點，結(jié)合不同教學(xué)模式的優(yōu)缺點和學(xué)生反饋意見，提出了科學(xué)研究范式的教學(xué)模式。在該教學(xué)模式下以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和解決實際問題能力為目標(biāo)；通過“把實際工程問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題”的科學(xué)意識培養(yǎng)和科學(xué)思維方式的訓(xùn)練，以及“把科學(xué)理論主動運用到工程實踐中的知識和思維遷移的運用”，為卓越工程師的培養(yǎng)打下良好的專業(yè)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：冶金傳輸原理；教學(xué)模式；卓越工程師；科學(xué)研究范式；科學(xué)思維方式

引言

“范式”的概念是1962年由美國著名科學(xué)哲學(xué)家托馬斯·庫恩提出,即常規(guī)科學(xué)運作所依賴的理論基礎(chǔ)、實踐規(guī)范。它包括三個方面的內(nèi)容：(1)共同的基本理論、觀點和方法；(2)共有信念；(3)某種自然觀(如形而上學(xué)假定)。在前學(xué)科時期,人們對學(xué)科的理論和知識認識處于探索階段，有很多不同的范式。不同的范式自由競爭結(jié)果是一種范式得到大多數(shù)科學(xué)家的支持,形成科學(xué)共同體公認的范式。統(tǒng)一范式的確立意味著前學(xué)科時期進入常規(guī)科學(xué)時期。作為相對成熟的科學(xué)，《冶金傳輸原理》（簡稱《冶》）的形成遵循范式的形成過程；是對實踐的歸納與總結(jié)，綜合與分析，抽象與演繹。在客觀上要求：教師授課不僅是科學(xué)知識的傳授，更是科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)——科學(xué)意識培養(yǎng)，科學(xué)思維方式的啟發(fā)、訓(xùn)練和應(yīng)用。

筆者通過教學(xué)實踐，以《冶》教學(xué)為具體的研究對象，參考教學(xué)效果反饋，提出了工科專業(yè)基礎(chǔ)課的普遍教學(xué)模式，為卓越工程師培養(yǎng)提供教學(xué)依據(jù)。

1　《冶》課程特點

《冶》是材料科學(xué)與工程學(xué)科重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，上承大學(xué)物理、高數(shù)等基礎(chǔ)課，下接材料加工等專業(yè)課。它兼顧理論和應(yīng)用，突出對實踐現(xiàn)象的物理機理分析。該課程內(nèi)容抽象、數(shù)理知識多，掌握物理本質(zhì)、數(shù)學(xué)方法對進行實踐現(xiàn)象分析、產(chǎn)品性能預(yù)判有重要價值；同時該課程和材料加工應(yīng)用緊密，實踐性強。該課程的特點決定了教師難講，學(xué)生難學(xué)。

在材料加工工程專業(yè)（卓越工程師班）中，“傳輸原理”主要闡述液態(tài)金屬成型過程中動量、質(zhì)量、熱量傳輸基本規(guī)律。即使是在現(xiàn)代，液態(tài)金屬成型中的許多現(xiàn)象難以從經(jīng)驗上給予很好解釋。近現(xiàn)代以來，科學(xué)研究和工程應(yīng)用人員逐漸從流體力學(xué)、熱量和質(zhì)量傳輸理論的角度展開對液態(tài)金屬成型的機理研究，發(fā)展成為現(xiàn)代的“冶金傳輸原理”。

2　《冶》的教學(xué)現(xiàn)狀、教學(xué)模式的確立

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，客觀上對卓越工程師的教育培養(yǎng)提出了更高的要求。當(dāng)代的工科教育不能是簡單套用結(jié)論，越來越重視基本物理原理的理解。我們認為：在未來工程實踐中，如何把工程問題抽象為科學(xué)問題，運用科學(xué)方法解決工程問題；如何用科學(xué)理論指導(dǎo)工程實踐；這是工科教育要面對的迫切問題?！白吭焦こ處煛钡呐囵B(yǎng)目標(biāo)客觀上要求對學(xué)生的理論基礎(chǔ)和實踐能力都提出了更高的要求。因此在教學(xué)活動中，應(yīng)該加強科學(xué)意識培養(yǎng)、知識遷移和科學(xué)思維方式的訓(xùn)練，為工程實踐能力培養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

圖3：科學(xué)研究范式指導(dǎo)下的教學(xué)模式

圖4：學(xué)生的認知過程

在《冶》的教學(xué)中，由于教師教育經(jīng)歷的原因，存在兩種教學(xué)模式。其一，工科模式（圖1）：注重教學(xué)內(nèi)容實用性；重視短、平、快；忽視科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。這導(dǎo)致基礎(chǔ)薄弱，生搬硬套；學(xué)生無法達到對實踐對象的科學(xué)認識；無法實現(xiàn)對材料加工現(xiàn)象的分析、產(chǎn)品性能預(yù)測；為以后專業(yè)課的教學(xué)工作帶來很大的難度。其二理科模式（圖2）：突出概念講授和數(shù)學(xué)演繹。由于缺少對概念內(nèi)容的背景、來源、和生活生產(chǎn)實踐情景的鋪墊，導(dǎo)致學(xué)習(xí)興趣缺乏；或迷失在嚴謹、精細的數(shù)學(xué)推導(dǎo)中，造成和工程實踐的脫節(jié)；教學(xué)效果較差。

教師在教學(xué)過程操作中的偏差出現(xiàn)的原因是：缺少教學(xué)模式的運用。總結(jié)兩種教學(xué)模式的缺陷，借鑒科學(xué)研究范式的創(chuàng)立過程，我們提出了科學(xué)研究范式的教學(xué)模式（圖3）?？茖W(xué)研究范式契合認識事物的普遍心理過程——簡單到復(fù)雜，表象到本質(zhì)（圖4）。從認識事物的心理過程角度上分析，科學(xué)研究范式的具體步驟為：感覺和知覺（人們的常識或者生產(chǎn)生活經(jīng)驗）；順應(yīng)和同化（通過歸納總結(jié)、分析、抽象和演繹）得出數(shù)理模型和理論；運用推廣到實踐，驗證其正確性。從科學(xué)范式創(chuàng)立的過程上講，科學(xué)范式就是從生活或者工程實踐，然后到數(shù)理模型，最后形成指導(dǎo)普遍實踐的科學(xué)規(guī)律。從生產(chǎn)生活實踐的角度上講，科學(xué)范式就是從實踐中來到實踐中去的過程?？傊?，此模式指導(dǎo)下的教學(xué)實踐活動也就是科學(xué)研究過程的壓縮版，它符合學(xué)生的認知規(guī)律。

3　科學(xué)研究范式的教學(xué)模式下的教學(xué)過程

1）加強生活和工程實踐中事例的課堂引入，增加學(xué)生的興趣點和已有常識的順應(yīng)、同化、消化過程。通過引導(dǎo)學(xué)生回到生活或者工程實踐中，通過分析與綜合等科學(xué)思維方式的運用，從現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)與提出問題?？茖W(xué)理論知識作為間接的理性認識，很難引起大部分學(xué)生的直接興趣，因此恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)引入就成為引起學(xué)生積極思考的手段，和學(xué)生互動的前提和關(guān)鍵。

2）增加和學(xué)生的互動，讓學(xué)生體會從未知、片面或者錯誤的認識中達到已知、全面、或者正確認識的同化過程。科學(xué)范式的建立過程經(jīng)歷了沒有范式（未知）和不同范式（片面、錯誤的認識）競爭、選擇和相互補充的過程（同化過程）；科學(xué)范式的建立過程經(jīng)歷了未知的前學(xué)科時期、充滿競爭的各種范式期到科學(xué)共同體公認的統(tǒng)一范式期。互動、啟發(fā)就是學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，在大家觀念的碰撞中找到正確結(jié)論的過程。

3）增加科學(xué)史的學(xué)習(xí)。不僅可以增添情趣、活躍氣氛；更重要的是科學(xué)史就是研究范式建立的典型。從科學(xué)家成功的職業(yè)生涯的具體例子上，學(xué)生可以體會到他們對科學(xué)的興趣；學(xué)習(xí)如何從自然或者生活中凝練提出科學(xué)問題；學(xué)習(xí)思考和解決問題的科學(xué)方式。相反，教學(xué)僅從課本出發(fā)，推導(dǎo)結(jié)論讓學(xué)生不僅感到抽象難懂，也很難理解這些成果產(chǎn)生的背景、方法、意義以及應(yīng)用價值。

在教學(xué)活動中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，以學(xué)科發(fā)展史料為線，介紹科學(xué)家研究歷程的授課方式，使學(xué)生理性全面地理解公式和概念；了解科學(xué)工作的曲折和創(chuàng)造性；掌握歸納和總結(jié)、分析與綜合、抽象與演繹的科學(xué)思維方式。

4）加強對物理模型建立的理解和數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。模型建立蘊含著歸納總結(jié)、分析與綜合的科學(xué)思維方式和豐富的想象力；包含著突出主要因素、忽略次要因素的科學(xué)方法。這些是對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的最好培養(yǎng)。

對優(yōu)化的模型經(jīng)過嚴密數(shù)理推導(dǎo)得出結(jié)論的過程，是較為困難的環(huán)節(jié)。授課教師往往簡單帶過，給出結(jié)論。對于學(xué)生來講，這失去了縝密思維，嚴密推演的鍛煉。比如：奈維—斯托克方程的建立。引導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)研究范式導(dǎo)出奈維—斯托克方程，使學(xué)生得到了嚴謹邏輯推演訓(xùn)練，也增強了學(xué)習(xí)信心、增加興趣。

5）加強課后習(xí)題的訓(xùn)練。經(jīng)典習(xí)題是對工程問題的抽象和簡化或者對理論問題的深刻思考。這也是檢查教學(xué)效果的必要手段。

4　教學(xué)效果

通過教學(xué)改革實驗，明確提出了科學(xué)研究范式的教學(xué)模式，取得了良好的教學(xué)效果，受到了督導(dǎo)專家和學(xué)生的一致好評。學(xué)生的科學(xué)意識得到了培養(yǎng)，科學(xué)的思維方式得到了訓(xùn)練，學(xué)習(xí)成績提高很快（表1）。

表1：教改前后學(xué)生成績對比

5　結(jié)論

科學(xué)研究范式的教學(xué)模式，破除了《冶》的傳統(tǒng)教學(xué)模式。在教學(xué)過程中，引導(dǎo)學(xué)生觀察生活、注重實踐，培養(yǎng)把實際問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)問題的科學(xué)意識；強化數(shù)理建模能力；培養(yǎng)總結(jié)歸納、分析與綜合，抽象和演繹的科學(xué)思維方式；最后回到實際生活或者工程問題的分析、解決的能力訓(xùn)練上，培養(yǎng)運用科學(xué)理論、方法解決問題的能力。此教學(xué)模式為工科專業(yè)基礎(chǔ)課教學(xué)提供了新的思路；為卓越工程師培養(yǎng)提供了可操作方法。

參考文獻：

[1]許崗.冶金傳輸原理教學(xué)方法改革探索[J].高教研究學(xué)報，2011,No.55

[2]張胤“冶金傳輸原理”教學(xué)的改革與實踐.中國冶金教育.1999,No.4

[3]靳長清，許崗，李金平.科學(xué)主義研究范式的教學(xué)思想運用.中小企業(yè)管理與科技.2015,No.3

基金項目：本文為西安工業(yè)大學(xué)教改研究項目13JGY09。

作者簡介：靳長清（1982-），男，單位：西安工業(yè)大學(xué)，博士，副教授，無機非金屬材料系副主任。