科学研究范式的教学模式的构建

2016-08-31靳长清许岗李建平西安工业大学

科学中国人 2016年17期

靳长清，许岗，李建平西安工业大学

科学研究范式的教学模式的构建

靳长清，许岗，李建平
西安工业大学

摘要：为了指导教师在工科专业基础课中的课堂教学工作，加强学生科学素养的培养，本文基于《冶金传输原理》此类专业基础课的学科特点，结合不同教学模式的优缺点和学生反馈意见，提出了科学研究范式的教学模式。在该教学模式下以培养学生的科学素养和解决实际问题能力为目标；通过“把实际工程问题转化为科学问题”的科学意识培养和科学思维方式的训练，以及“把科学理论主动运用到工程实践中的知识和思维迁移的运用”，为卓越工程师的培养打下良好的专业基础。

关键词：冶金传输原理；教学模式；卓越工程师；科学研究范式；科学思维方式

引言

“范式”的概念是1962年由美国著名科学哲学家托马斯·库恩提出,即常规科学运作所依赖的理论基础、实践规范。它包括三个方面的内容：(1)共同的基本理论、观点和方法；(2)共有信念；(3)某种自然观(如形而上学假定)。在前学科时期,人们对学科的理论和知识认识处于探索阶段，有很多不同的范式。不同的范式自由竞争结果是一种范式得到大多数科学家的支持,形成科学共同体公认的范式。统一范式的确立意味着前学科时期进入常规科学时期。作为相对成熟的科学，《冶金传输原理》（简称《冶》）的形成遵循范式的形成过程；是对实践的归纳与总结，综合与分析，抽象与演绎。在客观上要求：教师授课不仅是科学知识的传授，更是科学素养的培养——科学意识培养，科学思维方式的启发、训练和应用。

笔者通过教学实践，以《冶》教学为具体的研究对象，参考教学效果反馈，提出了工科专业基础课的普遍教学模式，为卓越工程师培养提供教学依据。

1　《冶》课程特点

《冶》是材料科学与工程学科重要的专业基础课，上承大学物理、高数等基础课，下接材料加工等专业课。它兼顾理论和应用，突出对实践现象的物理机理分析。该课程内容抽象、数理知识多，掌握物理本质、数学方法对进行实践现象分析、产品性能预判有重要价值；同时该课程和材料加工应用紧密，实践性强。该课程的特点决定了教师难讲，学生难学。

在材料加工工程专业（卓越工程师班）中，“传输原理”主要阐述液态金属成型过程中动量、质量、热量传输基本规律。即使是在现代，液态金属成型中的许多现象难以从经验上给予很好解释。近现代以来，科学研究和工程应用人员逐渐从流体力学、热量和质量传输理论的角度展开对液态金属成型的机理研究，发展成为现代的“冶金传输原理”。

2　《冶》的教学现状、教学模式的确立

随着现代科学技术的迅猛发展，客观上对卓越工程师的教育培养提出了更高的要求。当代的工科教育不能是简单套用结论，越来越重视基本物理原理的理解。我们认为：在未来工程实践中，如何把工程问题抽象为科学问题，运用科学方法解决工程问题；如何用科学理论指导工程实践；这是工科教育要面对的迫切问题。“卓越工程师”的培养目标客观上要求对学生的理论基础和实践能力都提出了更高的要求。因此在教学活动中，应该加强科学意识培养、知识迁移和科学思维方式的训练，为工程实践能力培养打下基础。

图3：科学研究范式指导下的教学模式

图4：学生的认知过程

在《冶》的教学中，由于教师教育经历的原因，存在两种教学模式。其一，工科模式（图1）：注重教学内容实用性；重视短、平、快；忽视科学素养的培养。这导致基础薄弱，生搬硬套；学生无法达到对实践对象的科学认识；无法实现对材料加工现象的分析、产品性能预测；为以后专业课的教学工作带来很大的难度。其二理科模式（图2）：突出概念讲授和数学演绎。由于缺少对概念内容的背景、来源、和生活生产实践情景的铺垫，导致学习兴趣缺乏；或迷失在严谨、精细的数学推导中，造成和工程实践的脱节；教学效果较差。

教师在教学过程操作中的偏差出现的原因是：缺少教学模式的运用。总结两种教学模式的缺陷，借鉴科学研究范式的创立过程，我们提出了科学研究范式的教学模式（图3）。科学研究范式契合认识事物的普遍心理过程——简单到复杂，表象到本质（图4）。从认识事物的心理过程角度上分析，科学研究范式的具体步骤为：感觉和知觉（人们的常识或者生产生活经验）；顺应和同化（通过归纳总结、分析、抽象和演绎）得出数理模型和理论；运用推广到实践，验证其正确性。从科学范式创立的过程上讲，科学范式就是从生活或者工程实践，然后到数理模型，最后形成指导普遍实践的科学规律。从生产生活实践的角度上讲，科学范式就是从实践中来到实践中去的过程。总之，此模式指导下的教学实践活动也就是科学研究过程的压缩版，它符合学生的认知规律。

3　科学研究范式的教学模式下的教学过程

1）加强生活和工程实践中事例的课堂引入，增加学生的兴趣点和已有常识的顺应、同化、消化过程。通过引导学生回到生活或者工程实践中，通过分析与综合等科学思维方式的运用，从现象中发现与提出问题。科学理论知识作为间接的理性认识，很难引起大部分学生的直接兴趣，因此恰当的教学引入就成为引起学生积极思考的手段，和学生互动的前提和关键。

2）增加和学生的互动，让学生体会从未知、片面或者错误的认识中达到已知、全面、或者正确认识的同化过程。科学范式的建立过程经历了没有范式（未知）和不同范式（片面、错误的认识）竞争、选择和相互补充的过程（同化过程）；科学范式的建立过程经历了未知的前学科时期、充满竞争的各种范式期到科学共同体公认的统一范式期。互动、启发就是学生在教师的引导下，在大家观念的碰撞中找到正确结论的过程。

3）增加科学史的学习。不仅可以增添情趣、活跃气氛；更重要的是科学史就是研究范式建立的典型。从科学家成功的职业生涯的具体例子上，学生可以体会到他们对科学的兴趣；学习如何从自然或者生活中凝练提出科学问题；学习思考和解决问题的科学方式。相反，教学仅从课本出发，推导结论让学生不仅感到抽象难懂，也很难理解这些成果产生的背景、方法、意义以及应用价值。

在教学活动中结合教学内容，以学科发展史料为线，介绍科学家研究历程的授课方式，使学生理性全面地理解公式和概念；了解科学工作的曲折和创造性；掌握归纳和总结、分析与综合、抽象与演绎的科学思维方式。

4）加强对物理模型建立的理解和数学推导过程。模型建立蕴含着归纳总结、分析与综合的科学思维方式和丰富的想象力；包含着突出主要因素、忽略次要因素的科学方法。这些是对学生科学素养的最好培养。

对优化的模型经过严密数理推导得出结论的过程，是较为困难的环节。授课教师往往简单带过，给出结论。对于学生来讲，这失去了缜密思维，严密推演的锻炼。比如：奈维—斯托克方程的建立。引导学生按照科学研究范式导出奈维—斯托克方程，使学生得到了严谨逻辑推演训练，也增强了学习信心、增加兴趣。

5）加强课后习题的训练。经典习题是对工程问题的抽象和简化或者对理论问题的深刻思考。这也是检查教学效果的必要手段。

4　教学效果

通过教学改革实验，明确提出了科学研究范式的教学模式，取得了良好的教学效果，受到了督导专家和学生的一致好评。学生的科学意识得到了培养，科学的思维方式得到了训练，学习成绩提高很快（表1）。

表1：教改前后学生成绩对比

5　结论

科学研究范式的教学模式，破除了《冶》的传统教学模式。在教学过程中，引导学生观察生活、注重实践，培养把实际问题转化为科学问题的科学意识；强化数理建模能力；培养总结归纳、分析与综合，抽象和演绎的科学思维方式；最后回到实际生活或者工程问题的分析、解决的能力训练上，培养运用科学理论、方法解决问题的能力。此教学模式为工科专业基础课教学提供了新的思路；为卓越工程师培养提供了可操作方法。

参考文献：

[1]许岗.冶金传输原理教学方法改革探索[J].高教研究学报，2011,No.55

[2]张胤“冶金传输原理”教学的改革与实践.中国冶金教育.1999,No.4

[3]靳长清，许岗，李金平.科学主义研究范式的教学思想运用.中小企业管理与科技.2015,No.3