卓越人才培养体系下思维能力培养的实践探索

王红岩,王永超,郭秀芝,张 芹,李玉梅

( 1.北华大学 物理学院，吉林 吉林 132013；2.吉林二中 物理组，吉林 吉林 132013)

2010年中共中央国务院颁发了《国家中长期人才发展规划纲要(2010～2020年)》，提出实施卓越人才教育工程。卓越人才应该具备较强的综合能力和较高的专业素质，而思维能力的培养是人才综合能力培养中的核心，是卓越人才专业素质培养的关键[1，2]。

古人云：“行成于思，毁于随。”思考的作用，思维的创造能力在人类科学探索中作用重大[3]。在物理教学中学生对物理知识的获取、理解、掌握、应用都离不开思考和抽象思维。以往在力学教学过程中，总有一部分学生会出现“老师一讲就明白，自己一做就糊涂”的困惑。究其原因主要是学生习惯于教师的“一言堂”的教学模式，被动接受教师灌输的知识，造成了自己不动脑、不思考、没有疑问、思维僵化，解决实际问题的能力差的状态。这极大地影响了学生思维能力的培养。近几年，笔者在力学教学实践中改变旧的教学模式，极为重视培养学生的思维能力。本文以动量守恒定律的应用过程的实践为例，探索课堂教学中学生思维能力的培养。

一、培养学生思维能力的方法

吉林大学张汉壮教授主编的《力学》教材中有一道例题5.3.2-1(见图1)：质量为m的小球用长为L的轻绳悬挂于支架的O点上，支架固连在矩形木板上，板与支架的质量为M，整个装置放在光滑的水平面上，今将小球拉至A点，即绳处于水平位置，在小球与木板均静止的情况下释放小球，求小球落到最低位置C时木板的运动速度[4]。

图1 例题5.3.2-1

学生在解决这个问题时，对寻找定理定律产生困惑。力学中的运动定理和相应的守恒定律有六个，研究对象又分为质点和质点系两种，这样加起来一共十二个。如何在众多的定理定律中筛选出本问题所用的定理定律，就需要一个科学的逻辑思维过程。所以力学教学中进行学生思维能力的培养应该采取有效的方法。

(一) 教师提问激发学生积极思维

教师在课堂教学中应该采取有效的教学手段，要善于提问，激发和唤起学生思维，使之处于兴奋状态，这样就会产生较好的教学效果。在上例中，学生不知如何找到适合解决本题的定理定律，笔者试着提问学生，先选谁为研究对象，是质点还是质点系？如果选择小球，那么思考小球作为质点受力情况如何？再考虑力对时间的累积效应就会判断出质点的动量定理及守恒定律是否可用？考虑力对空间的累积效应就会判断出质点的动能定理及机械能守恒定律是否可用？通过对教师提出的一系列问题的回答，学生自然会得到结论：以上定理均不可用。那么如果选择小球、绳和支架板组成的质点系为研究对象，那就要思考质点系受到的外力情况如何？考虑外力对时间的累积效应就会判断出质点系的动量定理及守恒定律是否可用？考虑外力对空间的累积效应就会判断出质点系的动能定理及机械能守恒定律是否可用？通过回答教师的提问，学生很快得出结论：质点组水平方向动量守恒和质点系机械能守恒定律(或质点系动能定理)在本问题中是可用的。于是问题得到解决。在寻找适用的定理定律的过程中，教师的提问逐步地引导着学生进行积极主动地思考，调动了学生思维的积极性。这种积极思维非常重要，它一旦形成那么“老师一讲就明白，自己一做就糊涂”的困惑就得到解决。而且在教师不断地提问的过程中，学生增强了求知的欲望，他们带着问题听课会更认真专注，思维更活跃。

(二) 学生质疑养成自主思维习惯

学生质疑是学生在学习过程中对一些难于解决或疑惑的问题产生一种怀疑、困惑、探索的心理状态，这种状态能够促进学生积极主动思维，学生学会质疑就是要善于主动发现问题、大胆提出问题，这对于开拓学生思路、养成自主思维习惯都有着极为重要的意义[5]。在前例中，学生在教师的不断提问中积极思考已经把适用的定理定律找到了。在分析了物理过程以后，笔者留给学生一段时间，目的之一是让学生总结上述分析过程；目的之二是留给学生充分的时间，让学生思考、讨论、发现问题、提出问题。果然，学生中间有人窃窃私语，在讨论什么问题。借着这个机会笔者鼓励学生大胆发问，因为一个好的问题一定有利于发展学生思维能力。学生质疑：系统竖直方向动量守恒吗？笔者首先对提出质疑的学生们给予表扬，因为这个问题是一个不易发现而又值得研究的问题。其次，笔者问学生自己的结论是什么？学生中间有人认为系统竖直方向动量是守恒的，也有人认为系统竖直方向动量不守恒。于是，笔者接着问学生各自的结论得到证明了吗？认为守恒的学生们提出系统竖直方向重力等于地面支持力。认为不守恒的学生们解释为系统支持力不等于重力。认为守恒的学生们说重力与支持力相等是毫无疑问的也无需证明，如果系统是静止的，小球自然下垂，则重力与支持力相等确实无需证明。而现在系统中悬挂的小球在运动，那么重力与支持力还会相等吗？于是鼓励他们继续思考。认为不守恒的学生们给不出严格的逻辑推导过程，但对系统中的小球摆动到竖直状态的瞬间做了定性的解释。他们认为此时系统质心有向上的加速度，故支持力大于重力，笔者对他们的定性解释加以肯定的同时，指出他们的思考点是在特殊时刻特殊位置的讨论，具有片面性。鼓励所有同学，如果能把系统整个运动过程分析出来就全面了。可以定性分析，也可以定量计算分析。于是学生的思维更加兴奋了。对于系统动态过程中的重力与支持力的大小情况进行主动探索，深入思考。肃静了一会儿后，讨论声音逐渐增大。走进学生中间，倾听并时而参与其中，定性分析的同学很快有了结果，急着作解释。他们认为从水平A点到竖直C点运动过程中，球对绳的拉力是逐渐增大的。所以地面支持力逐渐增大的，而系统重力一直不变，所以支持力与重力不相等，故竖直方向的动量不守恒。定量计算的同学利用质心运动定理，并结合相对运动的速度变换关系得出系统质心竖直方向的加速度,从而得到系统受地面的支持力从小于系统重力增大到等于系统重力然后到大于系统重力的变化趋势。这个结论就是要给学生讲授的内容，通过学生的质疑和引导，学生们自己得到了答案。如果教师不提问，也不留时间给学生思考，一味地讲授，满堂灌，那学生的思维就逐渐僵化了。反之，教师引导学生产生质疑，学生就能够认真思考，自主分析，在这个过程中对问题的认识更加深刻，有效地锻炼了学生的思维能力，久而久之就培养出自主思维的好习惯。

物理学家海森堡说过“问题是思维的起点”。有了问题思维就活跃起来，无论老师提问还是学生质疑，只要从问题出发，都会开拓学生分析问题的思路，对思维能力的培养至关重要。

(三) 训练学生进行科学的逻辑思维

在培养学生养成自主思维习惯的过程中，仅靠引导他们善于主动思考还不够。因为科技发展的今天，需要大批卓越的科技人才，科技人才的思维能力还应该具备科学性和逻辑性。科学的逻辑思维能力也是卓越人才必备能力之一。力学的知识结构非常科学严密，逻辑性较强。通过力学课程的学习使学生形成较强的科学的逻辑思维能力，对他们以后的学习和成长具有重要意义[6]。教师应该采取归纳与演绎、分析与综合的科学方法，启发学生进行科学的逻辑思维。这样学生对知识的认识就会十分清晰完整，对知识的理解能力会明显提高。比如，质点系三大定理及守恒定律的导出思路十分相似，都是从简单到复杂再从复杂到特殊的分析和认识问题的思路，这样的思路非常具有逻辑性。讲授过程中教师可以引导学生按照动量定理及守恒定律导出的思路，来试着思考角动量定理及守恒定律的推导过程，再探索动能定理及机械能守恒定律的导出过程，逐渐地培养学生的逻辑思维能力。另外，教师应该采取“科学”、“理性”的分析方法训练学生形成科学的思维习惯。同时要注意纠正他们的“直觉”思维和“经验”思维。比如前面例题中，在分析过程中，有的同学“跟着感觉走”没有经过逻辑思考和科学计算就轻易得出支持力等于重力的结论。这样的“想当然”的思维，即便得出个结论也经不起推敲。但如果认真的从理性出发，严谨地思考，无论定性分析还是定量推导，都会得出科学合理的结论。

二、培养学生思维能力的途径

(一) 以科学家探索规律的思维历程为榜样，激发学生思维意识

人类对力学规律的研究始于公元前古代。众多的科学家致力于力学规律的研究。“苹果落地”的故事广为流传，这是牛顿思考引力过程的故事，“苹果落地”引发了牛顿一系列的质疑和猜想，经过不断地推理、分析和计算，最终证明了他的猜想是正确的，并建立了著名的万有引力定律。哥白尼敢于修订亚里士多德、托勒密等人的“地心说”，大胆提出设想“如果星体围绕太阳运动的话，很多地心说无法解释的自然现象就变得简单了”，依据这个想法，他大量搜寻资料，结合自己的观测和计算，几十年如一日，终于完成了《天体运行论》，成为“日心说”的创始人[7]。这样的例子不胜枚举，每一位物理学家，他们无不勇于质疑和设想，善于思考和钻研，他们的科学精神总能激发学生的求知欲望，激发学生的思维意识，鼓励学生在学习的路上要勤学好问，开动脑筋。

(二) 结合实验教学和实践训练，拓展学生思维能力

物理学是以实验为基础的科学。不少规律是从观察和实验总结出来的。笔者提倡理论课的课堂上多做演示性的实验，课下多去实践(比如去实验室做验证实验、参加大学生创新实验竞赛等)，结合实验教学与实践训练过程，进一步拓展学生的思维能力。比如在学习刚体角动量守恒时，可以在课堂上做一个简单易行又有趣的实验，“茹科夫斯基凳”[8，9]，让学生参与体验手握哑铃伸展双臂和收缩双臂时凳的转速变化，让学生根据自己的感受提出问题，思考解决。另外，老师可以带领学生走出校门实践一下，体会汽车经过身边时的多普勒效应现象。让学生有兴趣打开思维的大门，主动去探索[10]。

(三) 进行原理和公式的推导训练，形成科学严谨的思维模式

物理学中许多重大理论的发现靠大胆的猜想和假设，更需要严谨的数学计算和逻辑思维。严谨的思维可以在力学原理和公式的推导中得到训练和提高。有人认为“不用知道定理公式怎么导出的，背下来，会应用就行”。这种想法本身就是对科学知识的一种不严谨态度。其实原理和公式的推导过程本身就是对严谨思维的培养过程，通过推导可以再现其科学性、严谨性，使我们可以知其然更知其所以然，真正把知识学活学透。久而久之学生就能够逐渐形成“解决物理问题要讲究科学性和严谨性”的思维模式。

(四) 注重运用发散思维和逆向思维开拓学生的创新性思维和创造性思维

发散性思维是从不同角度、不同方面分析问题，能够利用多种方法解决问题的一种思维方式。运用发散性思维一方面可以打破思维局限，从而拓宽思维，使思维具有深度和广度，使头脑灵活、变通。比如力学中有不少问题可以进行一题多解。另一方面运用发散性思维可以产生与众不同的新思路、新方法。教学中适当给学生提供一些好素材，拓展学生的思维视野，培养学生的创新性思维，给人以耳目一新的感觉。拉格朗日的《分析力学》中没有借助牛顿力学常用的“矢量图形”的几何方法，反而完全“另辟蹊径”，用纯数学分析的方法来解决所有力学问题，成为一系列处理力学问题的新方法。

逆向思维是从相反的方向思考问题的一种思维方式，即“反其道而思之”。在教学中注重运用逆向思维，可以开拓学生的创造性思维，给人以“于无声处听惊雷”的感觉。比如刚体力学中，讲到工厂中很多机器的轴承都是刚性的硬杆，这是司空见惯的。生活中的洗衣机的转轴按照正向思维应该是刚性的，但这样会产生很大颤抖和噪音，加粗或加硬均无效，不得已“弃硬就软”来个逆向思维，颤抖和噪音问题豁然解决了。

三、结 语

以笔者的教学实践为例，探索了学生思维能力培养的多种方法和途径。实践证明，这些方法和途径在教学中是可以有效实施的。学生思维能力的培养具有长效意义，不是一蹴而就的，需要教师和学生长期共同的努力才行。学生在高校期间是各种思维能力得以提高的关键时期，抓住这一时期采取多种方法和途径培养学生的思维能力，为学生综合能力的提高奠定基础，这样才能具备卓越素质，有望成为卓越人才。