基于大创项目的工科学生科学思维方式培养

董锋斌　皇金锋　蒋军　冉启武

[摘 要]学生的科学思维水平决定着他们以后专业发展的深度和广度，培养大学生的科学思维是个漫长而系统的工程。工科大学生长期接受的教育和训练大多数是逻辑思维方式，而对于非逻辑思维方式的训练较少，这样易形成思维定式。针对阻碍学生形成全面科学思维方式的原因，以大学生创新项目为平台，围绕项目实施中项目申报、研究和总结等各个阶段，讨论如何引导和培养工科大学生的科学思维方式，以期为提高工科大学生的科学思维水平提供参考借鉴。

[关键词]工科大学生；创新项目；科学思维方式

[中图分类号] G424 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2019）05-0066-03

纵观科学发展史，人们的思维方式对科学技术的发展具有至关重要的作用。每一次科学技术的创新革命都与科学家的超前变革的思维方式有直接关系[1-2]。我国高校培养的理工科大学生是科学研究的主力军，他们的思维水平直接影响我国的科学技术未来发展的速度和质量。如何培养工科大学生的思维方式，是高校教育面临的主要问题之一。如何在有限的时间内，有效地形成工科大学生的科学思维，是每一位高校教师都应该思考的问题[[3]]。

为了提高大学生的科学思维水平，培养学生的创造性思维，本文剖析了阻碍普通高校工科大学生形成全面科学思维方式的原因，并以大学生创新项目为平台，对如何培养工科大学生的科学思维方式进行了详细探讨。

一、科学思维方式的分类及其特点

科学思维方式可分为三种类型：第一种是逻辑思维，它是基于概念、判断、推理等形式对客观世界的间接、概括的反映过程。它包括形式逻辑思维和辩证逻辑思维两种形态。逻辑思维是最基本的一种思维类型，比如分析、综合、归纳、演绎和比较都是应用逻辑思维的一些科学方法。第二种是形象思维，它是在形象地反映客体的具体形状或姿态的感性基础上，通过意象、联想、想象来揭示对象本质及其规律的思维形式。形象思维具有以下特点：突出形象，能发挥人右脑半球的功能运用意象进行思维加工，使人能够看到隐藏在事物深层的本质和规律，直观形象地揭示对象的本质和规律。在形象思维过程中，将意象“随意地”再生和组合，能突破现实的局限，抓住主要矛盾，对研究对象进行极度地纯化和简化，便于揭示对象的本质和规律。第三种是直觉思维，它是不受固定逻辑规则约束而直接领悟事物本质的一种思维形式。直觉思维常常伴随着被称为“灵感”的心理体验和过程，其具有以下特点：认识发生的突发性，认识过程的突变性和认识成果的突破性。我们通常将形象思维和直觉思维称为非逻辑思维方式[[3]]。

二、普通高校工科大学生的科学思维方式现状分析

一般普通工科院校都开设有最少三十门课程，课堂教学在总学时上仍占很大比例，教师的讲课方式多半是灌输式，较注重数学推导和公式结论。学生多为被动接受，很少主动探究和应用。工科大學生长期接受的教育和训练大多数是逻辑思维方式，而对于非逻辑思维方式的训练较少。这样易形成思维定式，从某种角度来说这是压制了学生非逻辑思维方式的培养。虽然学生在学习过程中已初步形成了逻辑思维方式，但这仅是科学思维方式的一种。逻辑思维方式易使学生的思维呈现出以下特点。

（一）收敛性的思维方式

学生在接受知识时，对教材、教师、专家等的观点几乎全盘接受，对遇到与已学理论相矛盾的问题时，他们的思维会尽量向课本上的理论靠齐，很少有学生持有怀疑态度。笔者在指导学生实验时发现，学生对在实验过程中出现的实验现象、测量数据与理论不符，甚至相差较远时，不去思考理论的完善性、合理性，而是怀疑自己的做法不对，为了与理论保持一致，凑数据、编假数据的现象比较普遍[4-5]。做任何一个简单的实验，都可认为是调试一个小系统，系统的每个元素都会对系统的功能产生影响。当测量数据不满足课本上讲授的规律时，有可能是仪器仪表精度不够，有可能是学生的做法不对，也有可能是实验方案不合理，当然也有可能是理论不够完善。但绝大多数学生都认为是自己的做法不对，因为看到别的同学或文献报道说这样的实验条件应该有相应的结果或结论，而自己做的却与之不符，他们宁愿相信别人是对的，书本是对的，从而否定自己。

（二） 线性的思维方式

一个概念、理论的建立，总有一些合理的假设和抽象，否则讨论问题会过于复杂。例如从物理学中抽象出来的质点、刚体等概念，从电路理论中抽象出来的电阻、电感、电容等模型。实际的物理结构肯定和原来假设的条件有出入，但学生因过分相信书本的理论，习惯用线性的思维方式来考虑问题，他们认为有这样的已知条件应该有这样的结果、结论，这样的话他们就很难理解实践与理论矛盾的现象。以自动化专业所学的课程为例，在电路理论课程中，线性电路理论的内容占总学时的80%以上，电机与拖动基础课程中铁磁材料的磁化曲线被近似按线性磁场来处理，在电力拖动自动控制系统课程中建立三相异步电动机多变量数学模型时，忽略空间谐波、磁路饱和、铁芯损耗等[[6]]。一般来说，教学中讨论线性系统的情况偏多，学生习惯用线性思维方式考虑问题，这导致学生对非线性现象、理论难理解。但世界上存在的绝大部分系统是非线性的，学生的这种线性思维方式对他们解决实际问题、分析具体现象会起到阻碍作用。

（三）静态的思维方式

任何系统由低级系统向高级系统发展过程就是稳态（静态）的转换过程。世界的本原是运动的，静止仅是它的一种状态。也就说，静止是相对的，运动是绝对的。任何历史时期，在社会需求和实践的推动下，科学理论知识具有时效性的相对准确性，即人们认识客观世界总结规律得到的真理具有相对性。理工科大学生接受的知识为科学家验证过的理论，而追求理论的稳定性是科学家的理想之一，侧重于逻辑推导的逻辑思维方式会引导学生的思维方式具有静态性与收敛性。我们在指导学生实验时发现，很少有学生对实验过程中实验现象与课本理论不符的情况进行深刻分析，探究理论在形成过程中的条件是否已经发生改变，现有的理论是否需要完善等，他们只想一味地迎合已有的结论。

三、基于大学生创新项目的科学思维方式的培养

创造性思维方式的特征是逻辑思维方式与非逻辑思维方式的辩证统一和综合应用，是发散性思维和收敛性思维的优化综合。

从科学思维的三种分类来看，课堂教学为主的学生在逻辑思维的培养上占主要位置，学生在听课、阅读、做作业、计算、做验证性实验、小课时的课程设计等环节主要锻炼的是逻辑思维，而另外两种科学思维——形象思维和直觉思维没有得到相应地锻炼和培养。这两种思维正是学生创新意识、开拓精神的主要动力来源。值得庆幸的是国家教育部于2006年启动“国家大学生创新性实验项目”，于2012年启动“国家级大学生创新创业训练计划”，目的是转变高校目前的思想观念，培养创新型国家建设需要的高素质、高层次、具有现代科学思维方式的创新人才[[7]]。下面就围绕大学生创新创业训练计划项目实施的各个阶段，对如何培养工科大学生的科学思维方式进行讨论。

（一）项目申报阶段

在撰写项目申请书之前，指导学生阅读一定量的文献，结合自己的兴趣，找到一个研究方向，这本身就是学生主动学习过程中逻辑思维的培养。立项背景和研究意义让学生在所从事的专业上不再局限于课本的基础知识，而是拓宽了专业发展前景，进而为创造性的思维打下基础。特别是立项背景会引导学生理解一个系统的基本性质之一是环境适应性，只有适应环境的系统才能在竞争中取胜，只有满足社会发展和科技需求的课题才是有意义、有价值的。项目创新点的凝练，能培养学生发现问题的能力，提高学生对科学发现、发明的兴趣，激发学生的创新思维，培养学生的形象思维和直觉思维。拟解决的关键问题以及采用的研究方法和技术路线的论述，注重锻炼学生的想象力和意象创造。爱因斯坦曾指出“想象力比知识重要”，对一个问题的方案论证，能培养学生开放的思维方式，克服学生孤立封闭的收敛性思维。引导学生做项目预期计划及进度安排，让学生感到做任何事都应该有计划、有步骤、分阶段地进行，这能改变他们局部零散的思维方式，培养学生系统整体的思维模式。

（二）项目在研阶段

项目在研期间和实验过程学生都可能会遇到挫折、失败，教师应不断鼓励和引导他们，不断提高学生百折不挠的心理素质，增强他们不怕困难、努力攻关的顽强意志。在遇到技术难点时，和他们积极讨论，发挥他们的主观能动性，让他们想出不同的解决方法，有意锻炼他们将意象随意再生组合，突破现实局限，转化矛盾的辩证思维方式。在解决问题时，引导学生不拘一格地从仅有的信息尽可能扩展下去，朝着不同方向去探索各种不同的解决途径和答案。有时一个问题可能耗时耗力，与进度安排时间出入很大，这也纠正了学生的线性思维方式，培养了学生的动态思维方式。笔者在指导学生完成一个大学生创新项目时，研究内容是三相电压型逆变器系统的控制方法，有个学生就从三相电压型逆变器系统的控制目标出发，根据自动控制原理，讨论无论采取什么控制策略，其最终目的均是使偏差趋近于零，从而提出一种非线性控制方法，这种方法既非常用的线性PID控制，又有别于精确线性化、反步法、滑模变结构等非线性控制方法。他对这种凭着自己的直觉和灵感提出的方法起初具有一定的模糊性，我们根据偏差二阶微分方程根与系数的关系，用逻辑思维方法从数学角度证明了这种方法的合理性。最后我们通過实验验证了此控制方法的正确性，进而得到了一种非线性控制模型。此研究成果已发表在中文核心期刊《电力电子技术》2016年第5期上。此案例让学生理解创造性思维是逻辑思维方式与非逻辑思维方式的辩证统一和综合应用。

（三）撰写科技论文

相对于课程设计和毕业设计，大学生创新创业项目一般都有创新点，在完成了项目内容之后，指导学生撰写科技论文，这不仅能培养学生严谨的治学态度和实事求是的科学精神，还能提高学生的科技写作水平，更重要的是能让学生理解科学传统和科学变革的辩证关系，激励学生对专业未知领域进行大胆探索。论文需要创新点，创新点需要打破常规思维，这样就纠正了学生静态的、线性的、机械思维的方式，培养了学生动态的、普遍联系的辩证思维方式。

我们在指导学生完成的另一个大学生创新项目其研究内容是三相四桥臂电压型逆变器。项目完成后笔者让学生总结并写一篇科技论文，这位学生认真分析了带不对称负载的三相四线逆变器和四桥臂逆变器拓扑的优缺点，通过发散性思维提出了一种新型的三相四桥臂电压型逆变器电路拓扑。刚开始笔者对此并不认同，受收敛性思维的影响，笔者比较倾向目前存在三相四桥臂电压型逆变器拓扑，对他提出的新拓扑并不认可。后来他和笔者反复讨论，发现该拓扑既能削弱无中性线电感四桥臂逆变器第四桥臂开关动作产生的谐波对三相输出的影响，又能解除有中性线电感四桥臂逆变器的中性线电感导致系统产生的耦合，我们通过实验验证了该拓扑的合理性。此研究成果已发表在中文核心期刊《电力电子技术》2015年第5期上。

四、结束语

自2006年以来，我们曾指导学生申报并完成国家级、省级大学生创新项目近10项，学生自己撰写并发表科技论文近10篇。以项目为平台，学生的科学思维方式得到了培养，这也收到了较好的效果。从参加项目的学生毕业设计质量上看，他们分析实际问题、解决问题的能力明显提高，部分毕业设计论文还获了奖。从毕业生的去向来看，参加项目的大部分学生都考取了研究生，愿意继续深造。

学生的科学思维水平决定着他们以后专业发展的深度和广度，培养大学生的科学思维是个漫长而系统的工程。本文仅讨论了以大学生创新项目为平台，如何培养和提高学生的科学思维方式，希望这能为提高工科大学生的科学思维水平提供参考。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 张礼建，徐小钦.当代科学哲学与理工科大学生科学思维培养[J].重庆大学学报（社会科学版），2000（4）：133-136.

[2] 张礼建.科学哲学与理工科大学生科学思维培养的关系探索[D].重庆：西南师范大学硕士学位论文，2001.

[3] 关士续，申仲英，吴延涪，等.自然辩证法概论 [M]. 北京：高等教育出版社，2003：138-198.

[4] 刘梦琴，邝代治，冯泳兰，等.以创新能力培养为核心构建多元化实践教学体系[J].实验室研究与探索，2014（3）：189-193.

[5] 吕栋梁，王其军，舒运德，等.如何让本科生在实验教学中体会和学习创新[J].实验室科学，2009（1）：71-73.

[6] 李发海，王岩.电机与拖动基础 [M]. 北京：清华大学出版社，2006：1-7.

[7] 姜丹，张洋，孟庆繁，等.大学生生命科学创新实验大赛的实践与思考[J].中国教育技术装备，2015（6）：140-142.

[责任编辑：陈 明]