大学物理教学中创新思维培养的探索实践

2014-07-21刘鸿

教育教学论坛 2014年30期

关键词：大学物理矢量概念

刘鸿

（成都大学电子信息工程学院，四川成都 610106）

【探索与实践】

大学物理教学中创新思维培养的探索实践

刘鸿

（成都大学电子信息工程学院，四川成都 610106）

结合大学物理教学实践，以传授学生的基础知识为载体、培养学生的科学思想和方法为宗旨，从理解概念、掌握方法和质疑问题三个方面培养大学生的创新思维能力，对于促进创新人才培养具有积极的现实意义。

大学物理教学；创新思维；科学思想和方法；基础知识

大学物理是高等院校理工科学生的一门重要基础课程，描述了物质世界的运动规律，蕴涵了丰富的科学思想和方法，对于培养学生的创新意识、创新思维和创新能力具有独特的优势。物理思想是物理学的精髓，巴甫洛夫认为：“重要的是科学方法、科学思想的总结，认识一个科学家的思想和方法，远比认识他的成果价值更大。”[1]本文结合大学物理教学实践，从理解概念、掌握方法和质疑问题等方面，探索传授学生物理思想和方法，培养学生的创新思维和分析问题、解决问题的能力。

一、理解概念奠定基础

物理学是由物理概念、物理规律、物理理论所构成的完整科学体系。物理概念是物理学体系的基本要素，正确理解概念是处理物理问题的基础，即掌握概念的内涵和外延的准确信息，是正确分析解决问题的依据和出发点。

对于开始学习大学物理的学生，中学阶段学到的矢量概念是：标量只有大小，没有方向；矢量既有大小，又有方向。在大学物理课堂教学中，首先要求学生回顾已学到的矢量概念，并且用来判断电流、电动势是否是矢量时，即使学生记住了电流和电动势是标量，但是发现这样的结论与他们掌握的矢量概念之间存在矛盾，在此基础上给予学生完整的矢量概念的内涵信息，矢量既有大小，又有方向，而且矢量的加法满足平行四边形法则。因此不能简单地认为有方向的量就是矢量，无方向的量就是标量，而应从“是否遵循平行四边形法则相加（合成）”来区分矢量和标量，电流、电动势有大小和方向，但不按照平行四边形法则相加（合成），而是按照代数运算法则相加（合成），因此不是矢量，是标量。进一步对学生提出“平行四边形法则的解析表达式是什么”这一问题，帮助他们将平行四边形法则与余弦定理以及勾股定理联系起来，从而使学生优化自己的知识结构，提高学习应用知识的能力。这个过程重要的是给予学生一个如何完整理解概念内涵并且应用的示范，使学生体会到正确理解概念是独立思考、逻辑推理、创造性发现并解决问题的基础，在后面的学习中自觉地正确理解每一个物理概念和及时优化自己的知识结构。

物理概念是对物理现象认识达到某一程度的总结，为了使学生准确理解物理概念，必须给学生讲清楚认识该物理现象的背景和物理概念的来龙去脉，特别是物理概念的内涵和意义，这个过程是培养学生认识分析问题的关键环节。例如，学生熟悉的动能概念，是由牛顿定律导出动能定理时总结出来的，适用于一切低速物体，包括微观粒子；学生虽然熟悉这个物理量，然而这个物理概念是抽象的、主观的，但在内容上则是具体的、客观的，它是描述由物体的运动决定的做功能力的物理量。又如电场强度概念，是描述空间电场中任一点处的单位正电荷受到力的强弱和方向的物理量，它描述了电场的性质；由于电场力不能描述电场本身的性质，因此电场强度概念由实验结合对该物理现象的分析推理确定。

最为经典的物理概念是大学物理中存在的许多理想物理模型，例如“质点”、“刚体”、“理想流体”、“弹簧振子”、“理想气体”、“点电荷”等等。理想物理模型具有高度抽象性和简单性，实质是突出物理现象本质的主要特征，简化问题。以“刚体”为例，运动中形状和大小都保持不变的物体称为刚体；实际问题中，当物体的形变很小可忽略时，就将物体视为刚体。有的问题中海绵也可以视为刚体，但有的问题中即使是钢铁物体也不能视为刚体，能否在处理问题时把物体看作是刚体，体现了抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的思想。刚体的提出包含了解决复杂问题时的一种思路，即由简到繁、由一般到特殊的循序渐进的思想方法。理想物理模型中包含的这些思想是物理学中解决问题的最根本的方法。通过学习系列的理想物理模型，可以培养学生的科学思想和方法，培养科学的抽象思维能力[2]，有利于奠定学生的创新思维基础。

二、掌握方法灵活运用

在中学物理中，学生已经学习了一些较简单的思维方法，例如观察、实验、抽象、形象、归纳、演绎、类比、分类等，大学物理注重培养学生系统的物理思维和处理复杂物理问题的能力。

大学物理中一些基本的物理概念和物理规律是由实验直接确定的，一些物理概念和物理规律是由已有的规律出发，通过严谨的数学推导得到的。因此观察和实验、分析推理和严谨的数学推导是必须传授给学生的基本方法，这也是培养学生实事求是和严谨科学态度的关键环节。例如，库仑的扭秤实验确定了库仑定律，类似的由实验确定的物理规律有电荷守恒定律、毕奥-萨伐尔定律等等，由实验确定的物理概念有电场强度、磁感应强度等等；由实验确定的物理概念和物理规律都离不开对实验资料的分析推理和数学处理。又如，动量定理、功能原理、电磁场的高斯定理和环路定理等等是通过严谨的数学推导得到的物理规律，动能、势能、电势等等也是通过严谨的数学推导得到的物理概念。在这些内容的教学过程中，注重培养学生尊重观察和实验结果的观念、示范以数学为工具的定量科学方法。

灵活运用以数学为工具的定量科学方法。由于大学物理研究复杂的物理对象，通常难以直接应用初等数学描述分析解决问题，必须应用微积分方法。微积分思想方法是一种辩证的思想和分析方法，包含了有限与无限的对立统一，近似与精确的对立统一[3]。对于复杂的物理问题，在时间、空间范围内分割复杂物理对象为无限小的物理对象，称为微分；通过微分后，可以将复杂转化为简单，高级转化为基本，化变量为常量，化非均匀为均匀，化曲线为直线，从而变与不变实现了辩证转换。在微分（时间、空间）范围内，抓住物理对象的主要矛盾而忽略次要矛盾，把复杂物理对象近似为简单、基本、可描述分析的物理对象，进行近似处理；然后把无限多个描述分析的微分物理对象集中累积起来，就得到复杂的物理问题的结果，即完成积分。微积分方法中有限向无限的转化，实现了由近似到精确的分析过程。例如，求解变力沿曲线路径做功，无限分割曲线路径（即将曲线路径微分），则在分割的小范围内认为是恒力沿直线路径做功，然后求和（即积分），就可以求出变力在整个曲线路径范围内做的总功。在大学物理中，对于“旋转物体的转动惯量”、“旋转物体受到的阻力矩”、“带电物体产生的静电场”、“非均匀变化磁场在线圈中产生的感应电动势”等等较复杂的物理问题，都需要灵活运用微积分方法，通过这些学习内容的积累，有利于奠定学生的创新思维基础。

三、质疑问题开拓思路

在大学物理教学过程中，鼓励学生突破传统思维模式，敢于对现有理论提出质疑，学会从不同角度看问题，进行创造性思维的训练。

当已有的物理理论解释不了实验现象时，就需要人们敢于突破传统观念的束缚，大胆地提出自己的见解，从而形成新的物理理论。例如物理学中的假设理论：爱因斯坦在提出“相对性”和“光速不变”两条假设的基础上，建立了狭义相对论；普朗克提出“能量子”假设，创立了量子理论；爱因斯坦提出的“光量子”假设，解释了光电效应和康普顿效应；德布罗意提出物质波的假设等。通过学习“假设理论”，培养学生以实验结果为依据和出发点，在牢固的物理和数学基础上，善于发现问题、提出质疑、进行论证，敢于突破传统观念，提出自己见解的能力。

在大学物理教学中，依据教师自身的科研经历现身说法，可以有效地提高学生的学习兴趣和创新思维，提高教学质量，从而体现“以科研促进教学，以教学带动科研”。例如，作者研究高增益砷化镓（GaAs）光导开关（PCSS）的物理机理，理解其物理机理的难点在于理解实验观察到的锁定（lock-on）现象，高增益GaAs PCSS的lock-on效应与电流丝（即电流通道，亦称流注）的出现密切相关，该项研究工作需要具备半导体物理中《耿效应电子学》和《气体放电》理论的知识。理论研究提出了多个解释lock-on效应的物理模型，这些理论研究要么主要应用耿效应电子学中的高场畴理论，要么主要应用相对成熟的流注理论，这些物理模型都只能解释高增益GaAs PCSS某一方面或某一过程的实验现象，在国际国内相关学术界难以达到统一认识。高场畴和流注是两个相对独立的物理现象，物理性质完全不同。作者将高场畴理论和流注理论结合起来，提出了畴电子概念，建立了畴电子崩理论[4-6]，在科研工作中必须以实验结果为出发点和作为检验理论的标准。以此激励学生学好基础知识、掌握方法、成长思想，为自己的创新思维奠定基础。