大学生解决问题能力的中间层次锻炼

李祖斌

(南开大学 物理科学学院，天津 300071)

大学对学生的培养应当是多层次、多角度、全方位的，在教授学生专业的知识之外，也更应注重对学生各种能力的培养. 而其中，发现问题、思考问题、解决问题的能力则是重中之重，是大学教育中应不断加强、不断探索的课题.

以锻炼方式的难易程度来考虑，对大学生解决问题能力的培养可以是多层次的. 可以在授课中，通过课后作业的方式，锻炼学生直接使用课堂知识解决问题的能力，这是“基础层次”的能力训练，其目的是让学生通过习题的练习掌握所学的知识.而在课堂之外，学生亦有多种机会锻炼自己的能力.比如“中国大学生物理学术竞赛”(CUPT)[1-3]，就是给出十几道开放性题目，需要学生自己搜集资料、设计实验、采集数据、理论分析，是结合已知与未知、实验与理论的能力锻炼，自由度更加广阔，可以算作“较高层次”的能力培养. 而如“国家大学生创新性实验计划项目”这类进入实验室、参与导师科研项目，则是更加“高层次”的创新能力的锻炼[4-6]，需要学生学习全新的知识，针对具体项目设计实验、分析理论、独立完成. 这种层次的能力锻炼已经是接近研究生层次的研究性能力的培养了.

但是，可以看到，在“基础层次”和“较高层次”“高层次”的能力培养之间，还缺少了中间的一环. 也就是能够衔接课堂知识与全新知识及科研能力这两个层次的过渡层次. 这个“中间层次”的能力锻炼，应该具有一定的自由度和开放性，可以用课堂知识或者稍微拓展的知识来解决问题. 但相对课后作业题目，又应有一定的扩展性和实际性.其目的是帮助学生更好的理解所学知识，在此基础上学习如何运用这些知识解决一些较复杂和较实际的问题.

另外，培养学生分析问题、解决问题的能力也是课程思政的要求，在教育部印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》中[7]，对理工科类课程推进课程思政建设中指出：“要在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力.”所以，对学生的分析问题、解决问题能力的锻炼本身也是课程思政的目的. 同时，也可以在题目中融入思政元素，培养学生勇于探索、追求新知的科学精神.

大学物理课程是理工院校中非物理专业的必修课程，目的是培养学生的科学素养与科学思维. 对于非物理专业的理科学生，参与CUPT或者物理类的大学生创新项目这类“高层次”锻炼，与其专业培养目标不符，比较难以实现，所以反而更适合展开“中间层次”的能力训练. 因此，在大学物理的授课中，除了课后作业的基础训练，增加了“课后思考题”这种较为开放的拓展题目作为“中间层次”的能力训练，锻炼学生们运用所学知识、解决具体问题的能力. 从效果来看，学生们参与度很高，完成度也很出色，有不少同学思维清晰，分析问题到位，得到了预想的锻炼.

1 大学物理中的实践

在讲授大学物理课程时，以课后思考题形式布置了课后练习，鼓励学生积极参与，取得了良好效果. 下面，以力学部分为例，来看一下具体情况.

1.1 思考题及其针对的知识点

在选取思考题题目时，以掌握知识点和锻炼分析问题、解决问题的能力为目的，所以题目难度不会超出课后作业题太多，同时题目应具有一定自由度和开放性，需要学生自己设定简化条件，选取合适的定律、定理解决问题. 为了吸引学生的兴趣，也尽可能增加题目的趣味性，还可以结合当时社会热点话题提出问题，比如在电影《流浪地球》热映期间，就曾提出过电影情节中涉及的物理问题.

在力学部分授课中，曾布置的课后思考题及其针对的授课知识点如表1所示.

表1 力学部分的思考题

1.2 学生参与情况及反馈

在授课中，考虑到学生的精力和时间有限，课后思考题并不是要求学生必须完成的内容. 学生可以根据自身能力和时间选择参与与否. 所以学生的参与度是非常有参考价值的. 在2020—2021年度春季学期的授课中，两个教学班级(力学A班41人，力学B班61人)的参与情况如图1所示. 图中题目号与表1相对应. 因为课时和具体授课情况，题目并未全部布置给学生.

图1 学生参与题目人数比例

可以看出，学生们的参与度是非常高的，尽管作为非物理专业的学生，物理并非专业类课程. 这也反映了学生对这种思考题的设置的认可，以及获得知识、得到相关训练的意愿.

再来看一下学生们的完成情况. 以10分为基准，6～7分为部分完成题目(能使用正确原理解决问题，但未能具体且完整地分析问题)，8～9分为基本完成题目(能基本正确地、完整地分析问题)，10分为优秀完成题目(能正确地、完整地分析问题)，两个班级的完成情况如图2所示.

图2 学生参与题目得分情况

可以看出，学生们的完成情况也很出色，得分都比较高. 这表明学生们积极认真的思考了题目并给出了合理的解答，而且愿意投入时间去做这些题目，愿意得到相关训练.

授课结束后，通过调查问卷的形式，收集了学生们对课后思考题这一教学形式的意见建议. 在“课后思考题是否起到了积极意义？”这一问题的回答中，力学A班(41人)参与投票的31人全部选择了“有意义”，占100%；力学B班参与投票52人，41人选择“有意义”占比78.8%，11人选择“一般”占比21.2%，无人选择“无意义”. 从投票结果看学生们还是非常认可课后思考题这种练习方式的，也从中得到积极的锻炼.

在“你希望思考题的改进方向”的投票中，力学A班选择“更加接近生活实际”28人，占90.3%，选择“增加动手实验”7人，占22.6%，选择“分组完成”9人，占29.0%，选择“增加展示环节”6人，占19.4%，选择“增加题目难度”7人，占22.6%.

学生们提出的其他建议包括：“最好简单但有思维含量，可以引起更多思考”，“可以增加科幻小说中某些情节背后物理原理的探讨”，“结合一下历史上科学家做过的有趣实验和思考”，“希望能体现一些学科交叉的内容”，“可以更加注重趣味性和探讨性，让大家分组合作解决”，“加强物理与生活的联系，挖掘生活中的物理奥秘，提高学习物理的兴趣”，等等. 这些建议非常有价值，表达出学生对多样化学习形式的需求，是今后进一步完善这类“中间层次”锻炼的方向.

另外，在“给师弟师妹出题”环节中，学生们也广开思路，提出了很多非常有意思的题目，比如：

1) 当墙壁上的石英钟因电池电能耗尽停动时，秒针往往停在刻度盘上“9”的位置，为什么？(力矩平衡)

2) 还有15分钟就要上课了，但是你的大物作业还没有写完. 预计写完大物作业要一个小时，请问你以多快的速度边跑边写能在上课前正好把作业赶完？(时间膨胀效应)

3) 据《西游记》描述，金箍棒“重一万三千五百斤”，“有二丈长短”. 而孙悟空平时却把它变作绣花针藏在耳中. 根据生活常识，估算绣花针要以多大的速度运动，才能与金箍棒一样重；以多大的速度运动，才能与金箍棒一样长？(质速关系和长度收缩效应)

4) 试解释猫在空中不借助外力实现自身旋转过程中的角动量守恒.(角动量守恒)

5) 体质测试扔实心球时，出手方向与地面成多少度时，可以扔得最远？(运动的合成)

6) 从角动量角度分析为什么太阳系八大行星轨道共面且公转方向一致.(角动量守恒)

7) 自行设计参数，计算电影《功夫》中火云邪神两指夹子弹所用的力.(动能定理)

8)n块相同的木板重叠，最多能够伸出桌面多远？(质心及力矩)

这些题目新颖而又富有想象力，非常具有参考价值，完全可以作为思考题在以后的教学中使用.同时，让学生们出题，也是对他们知识掌握情况、理解深入情况的检验，好的题目也表明了学生进行了深入的思考，物理的思维也得到了训练.

2 课程思政的融入

首先，对学生解决问题能力的培养本身也是课程思政的要求. 在《高等学校课程思政建设指导纲要》中指出：“理学、工学类专业课程. 要在课程教学中把马克思主义立场、观点方法的教育与科学精神的培养结合起来，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力. 理学类专业课程，要注重科学思维方法的训练和科学伦理的教育，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感.”在大学物理课程中设置中间层次能力训练的实践，正是基于这一目的，通过较为开放和实际的题目设置，培养学生用物理方法分析问题、解决问题的能力；同时，解题的过程，也是对学生科学方法、科学思维的一种训练.

其次，在思考题的设置中，可以结合实际事例，有机地融入思政元素，引导和激发学生的爱国主义情操、培养学生科学精神和素养. 例如，在我国大力发展航天事业的事迹中，针对火箭发射、天宫号运行等实际问题，可以针对动量定理、机械能守恒定律、角动量定理等知识点提出相应的题目，激发学生们的爱国热情，激励他们投身祖国建设事业；再如，在电磁学课程中，以电、磁类比的模式，要求学生基于“磁荷”的假说构建新的磁介质模型，并讨论可能的验证实验，引导学生认识到科学发展中“大胆假设，小心求证”的科学思维和方法.

3 讨论

对学生解决问题能力的培养，应该是一个循序渐进、由易到难的过程. 作为衔接基础能力和高层次能力的过渡，中间层次的能力培养是非常必要的，是全方位提升学生能力的必不可少的一个环节. 同时，这一环节的设置也可以作为学生成绩考核的一部分，使得学生过程化考核的形式更加多样化，更加具有实际意义. 比如前文列举的班级，因为并不是要求必做，所以思考题是作为平时成绩的额外加分项处理的. 当然，这部分教学内容也可以作为平时成绩的一部分，可以由任课教师根据具体情况自由把握.

基于中间层次的解决问题能力锻炼的目标，除了本文提出的思考题模式，也可以尝试更多的内容和方式. 例如在实验课上，组织学生设计自主实验，扩展学生们的实验能力.形式上，可以采用分组协作的形式，锻炼学生们合作沟通的能力；进而也可以设置汇报环节，锻炼学生们总结、报告的能力，等等.

同时，针对不同课程，中间层次的能力锻炼可以有不同的设置. 作为基础课程的大学物理，其相关的中间层次训练不会超出基础知识太多. 而对于更加深入的专业课程，可以设置更为专业和有一定深度的能力训练. 帮助学生深入理解所学知识，学会运用知识解决问题. 另外，因材施教，针对不同年级的学生也应该有不同的锻炼模式. 例如，针对大一学生，中间层次的锻炼可以略偏向基础层次，注重从课本的理论知识向实用的衔接. 大学物理课程中，思考题的设置，就更偏向于作业的形式. 而对于较高的二三年级学生，则可以在专业课中，尝试更加有难度和切合实际的题目，更加偏向于较高层次的能力训练.

网络时代，资源、信息极大扩展，授课模式也可以多种多样. 针对学生解决问题能力的锻炼，也以借用网络的优势，进行线上的活动；或借用计算机模拟，实现现实中比较难实现的实验模拟.

教学相长，在给学生提出问题的同时，教师也需要深入地思考相关知识，对知识的理解也得到了加强. 例如，在教授电磁学部分时，设置的课后思考题“静电平衡的极限”，基于此问题的深入思考和探索发表在《大学物理》杂志上[8].

总之，“中间层次”的能力训练，目的是为了全面提高学生能力，其内容和形式可以根据课程的不同而多种多样. 抛砖引玉，授课教师应本着“以学生为本”的出发点，积极探索可行方案，找到适合自己课程的训练内容和形式，提升学生能力，为国家建设培养优秀人才.