李忠文，王延宗，劉 昊

(淮陰工學院 1.數(shù)理學院； 2.應用技術(shù)學院，江蘇 淮安 223003)

在新時代中國特色社會主義思想的引領(lǐng)下，中國高等教育事業(yè)加速發(fā)展，迎來了蓬勃發(fā)展的新高潮。我國高度重視高校大學生的科學思維培養(yǎng)工作，強調(diào)要用科學思維去觀察、思考、分析問題。高校哲學社會科學有重要的育人功能，要面向全體學生，幫助學生形成正確的世界觀、人生觀、價值觀，提高道德修養(yǎng)和精神境界，養(yǎng)成科學思維習慣[1]。學習運用科學思維去分析問題，有利于增強工作的科學性、預見性和創(chuàng)造性。

1 科學思維中的認知理解概述

1.1 科學思維的發(fā)展歷史

科學思維理論最初是為兒童學習而開發(fā)的，因為其起源于自然科學，所以主要涉及物理學等自然科學的學習。Kuhn等人指出“思維技能的教學已成為被廣泛關(guān)注的話題”，并且“科學教育的主要目標應該是培養(yǎng)科學思維的技能”，這些技能包括科學過程技能、程序技能、實驗和調(diào)查科學、心智習慣、科學探究能力、科學推理能力以及批判性思維技能等[2]?，F(xiàn)代科學思維的概念是建立在自然科學的科學思維發(fā)展理論、高等教育的批判性思維發(fā)展理論、推理理論以及認識論發(fā)展理論之上的?？茖W思維很好地描述了各個學科中重要且共同的特征。

1.2 高等教育中的科學思維

高校的自然科學課程要求學生具備更加廣泛的技能，而不僅僅是根據(jù)上下文進行推理的能力。此外，高等教育應幫助學生為未來的職業(yè)生涯做好準備，而不是局限于某一門學科。學生對大學的研究缺乏認識，其表現(xiàn)如：學生與學者對本科生研究的定義不同，導致學生的需求與學者研究經(jīng)驗的可行性之間存在巨大差距。對于學生來說“從不知道自己不知道到知道自己不知道”是一個過渡，學生在此過程中努力很多而進步很少，因此常常想退出學習，可見幫助學生發(fā)展科學思維具有一定的挑戰(zhàn)性。Murtonen和Salmento分析了大學教師對科學思維是什么的問題的回答，認為科學思維由五部分組成：A.科學的批判性和基礎知識。B.認知理解(Epistemic understanding)。C.研究技能。D.循證推理(Evidence-based reasoning)。E.上下文理解[3]。

1.3 科學思維中的認知理解

在科學思維中認知理解與教學的許多方面有關(guān)，例如動機、元認知和自我調(diào)節(jié)學習。認知理解是指學生認識到知識是不確定的、是人類創(chuàng)造的。比如，學生在學習之初希望畢業(yè)時掌握所需的所有知識，并希望教師具備所有的知識，能夠給出問題的“正確”答案；當學生面對不同且矛盾的答案，開始理解知識的不確定性時，認知理解就開始發(fā)展；學生開始質(zhì)疑知識的簡單性，并意識到連教師和書本所具有的知識也是有限且不確定的；最后學生會根據(jù)自己的理解對某些知識做出判斷。認知理解的發(fā)展很緩慢，應在大學低年級時得到更多關(guān)注。

2 科學思維融入電磁學教學的探討

2.1 學生在認知理解方面存在的困難

大學物理中的電磁學課程一般在低年級學生中開設，學生處于從中學到大學的過渡階段，存在認知理解方面的困難，影響了實際授課中對學生科學思維的培養(yǎng)。以電場線和電場疊加原理為例，對不熟悉矢量場的學生來說，除了要面對電場的抽象性質(zhì)，還要面對數(shù)學的復雜性，學習電場概念存在難度。法拉第第一次提出用電場線形象描述電場，建立場模型，他認為電相互作用是電荷和介質(zhì)之間的交互作用。在此模型中，介質(zhì)由于電荷的存在而產(chǎn)生電場，電場又對電荷施加力，其中電場作用不僅限于測試電荷的位置，而是空間中每個位置的屬性。該模型取代了遠距離的牛頓作用模型，許多物理學教科書在電場主題的開頭就引入了這種表示形式，忽視了學生在認知理解方面的困難。比如，學生將電場線當作真實信號對待，影響了學生對電場的理解；學生傾向于將場線視為傳輸電荷的實體，并將其與軌跡混淆；學生通常難以解釋電場線的密度，因為混淆了場的相對大小與電場的曲率；場線具有電場的方向，并難以應用疊加原理。

2.2 幫助學生理解的方案設計

很多學生解題還在使用中學的物理知識，說明學生對電場線的解釋不明確，可能干擾疊加原理的應用。通過設計方案，測試學生是否理解了電場線的表示，是否在相關(guān)問題中使用了電場疊加原理，旨在掌握學生對電場線的解釋如何影響疊加原理的使用。

第一，對于正電荷，要求學生描述在電荷右邊距離d處的電場，不需要進行計算。然后在原始電荷左側(cè)的距離d處添加另一個正電荷，要求學生確定電場是增加、減少還是保持不變，目的是讓學生使用疊加原理來回答問題。學生認為根據(jù)疊加原理，必須像對待孤立電荷一樣將每個電荷疊加電場，因為這兩個電荷都是正電荷，并且產(chǎn)生的電場方向相同，因此電場強度將增加?！皟蓚€電荷都影響”的答案并不意味著正確的推理，因為學生不必考慮該區(qū)域的媒介性質(zhì)，錯誤或不完整的解釋可能會導致學生得出電場增加的正確結(jié)論。第二，對單電荷系統(tǒng)電場的描述可能影響學生對兩電荷系統(tǒng)電場的理解。對于一個正電荷的系統(tǒng)，學生繪制了各種圖表以強調(diào)或支持他們的答案。在原始電荷左側(cè)距離d處添加第二個電荷時的電場。這些結(jié)果使我們推斷電場的矢量表示是學生可以更好地理解疊加原理的指標。第三，電場線圖對學生的理解會產(chǎn)生阻礙作用。學生認為由于場界線的存在，額外電荷不會影響該區(qū)域；從正電荷開始的電場線改變方向時，電場被“重定向”，它不會與障礙物相互作用。疊加原理是電場的關(guān)鍵特性，對電場線圖的錯誤解釋會導致學生忽視疊加原理的應用。第四，繪制矢量或完全不繪制矢量可以幫助學生應用疊加原理。正確的答案是不僅電場增加，而且增加的方向相同。因為在特定位置應用疊加原理時，電場矢量指向相同的方向，它們相加時電場的大小沿相同方向增加。有的學生繪圖正確而回答錯誤，有的學生將電場線理解為對每個電荷都是獨立的。這些結(jié)果表明對電場線圖含義的誤解可能會使學生錯誤地理解和應用疊加原理。正確繪制矢量或完全不繪制矢量可以幫助學生應用疊加原理，并加深其對電場概念的理解。

上述過程圍繞電場線與疊加原理的學習，了解學生在認知理解方面存在的困難。若時間允許，可讓學生自行查閱文獻資料，鼓勵其積極表達自己的思考和見解。教師在回答問題的過程中，可與學生開展討論，還可通過實驗驗證各自觀點，營造科學思維訓練的氛圍。

3 結(jié)語

以電場線、疊加原理為例，闡述學生在學習時存在的認知理解方面的困難，通過設計題目，測試學生是否在相關(guān)問題中使用了電場疊加原理，在教學過程中營造科學思維訓練的氛圍，為探討電磁學教學模式改革提供思路。