科研融入大学物理教学,促进创新思维培养
中图分类号： O4-4；G642 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0060-003
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.026
物理学是研究物质世界的基本结构、基本相互作用和普遍运动规律的一门学科，是一切自然科学的基础。在人类社会发展史上，物理学的每一突破都带来生产力的巨大发展和社会的变革。以蒸汽机等一系列机械的产生和应用为标志的第一次工业革命是建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，以电力应用和无线电通讯实现为标志的第二次工业革命是经典麦克斯韦电磁学发展的结果，以激光、电子计算机出现为标志的第三次技术革命是量子理论和相对论等近代物理学发展的结果，物理学是科学技术和社会发展的巨大推动力。物理学的每一次进步、巨大突破和重要成果，无不体现了创新思维。[1]创新思维，是指在一定的内在的创新动机的驱动下，或者在外在的启发的刺激下，利用自身思维有意识的或者下意识的大脑的活动，在直觉、灵感等抽象思维的帮助下，以渐进性或突发性的形式，对已有的知识经验的再加工、再创造，以此途径获得新颖、独特的有价值的新观念、新知识、新方法、新产品等创造性成果的高级思维活动。创新思维能力是人的各种思维能力中最复杂、最重要、最可贵、层次最高的一种能力，是创新能力的核心。创新人才的培养，已经成为我国实现工业化跨越式发展、建设创新型国家和社会的一项基础工程，而作为创新人才培养的核心内容，创新思维的培养已经目前我国工科高等教育的最重要教学培养目标之一，新世纪理工科各专业课程建设和教学改革等无不把创新思维培养作为重要的目标和衡量教学及改革工作成效的重要指标。[2]大学物理在整个理工科专业学生培养体系中处于十分重要的基础地位，对于理工科各专业的学生而言，学好大学物理不仅是进入到更为深入的专业课学习的基础，也是藉此形成科学的思维方式和物理的思想方法、发展自身创新思维的关键。大学物理教学工作对于提高理工科大学生的科学素养十分关键，是整个面向创新能力培养体系中的关键一?h。近年来，面向创新能力的培养，如何在使学生理解物理思想、形成物理方、提高科学素养的基础上，培养学生的创新思维成为理工科大学物理教学关注的焦点。
1 大学物理教学的现状和在创新思维培养中存在的问题
近十五年以来，随着信息技术的快速发展，知识更新和知识传播的速度大大加快，加上信息技术本身在教学领域的应用，对理工科各专业的培养模式和课程体系建设提出了新的要求，理工科高等教育改革不断深入。近年来，大学物理教育成果显著，教材建设进展快速，大学物理教师教学水平显著提升。然而，很多高校忽视大学物理在科学思维方式、科学素养培养方面的作用，基于学科与大学物理的直接关系，减少大学物理教学学时，大学物理的基础地位正在受到前所未有的冲击。根据教育部发布的《理工科类大学物理课程教学基本要求》，理工科专业大学物理教学学时不应该低于144学时，然而，实际上，很多高校大学物理教学时数都远远低于这一要求。[3]例如，桂林电子科技大学电子信息等专业，大学物理A开设两学期共112学时，而计算机等专业，大学物理B类和C类则仅为48学时。大学物理具有完整的知识理论体系，同时需要以高等数学为基础，授课学时的减少，使得教师受限于完成教学大纲规定内容难以扩充和发散。在已经固化的教师和学生评价体系下，考试成为教学的中心，考什么讲什么。在传统的“灌输”模式下，教师成为主体，讲授传统的沿袭了数十年的内容。教师注重例题的讲授，学生侧重习题的练习，陷入到题海战术中，学生学习的积极性、主动性和创造欲望大幅度的降低。在这种情况下，大学物理教学改革乏力，教学模式的探索进展缓慢。
面向创新思维培养目标，目前我国大学物理教学过程中存在着诸多问题。首先，传统的大学物理课程体系的束缚，限制了创新思维培养。例如，许多大学使用的物理教材内容比较陈旧，特别是其中的例题、示例等已经远远落后于现代科技和工业的发展，难以激发学生学习兴趣、满足社会创新性人才培养要求。近来，尽管这一现实已经被意识到，理论物理学的完美框架体系使得许多教师沉迷于经典内容的传授，忽略了物理思想方法和创新思维的培养，甚至将两者经典理论体系的知识传授和创新思维的培养对立起来，缺乏进行大学物理教学改革的勇气。其次，在教学方式上，受限于教学内容的理论框架的束缚，多采用传统填鸭式教学模式，不鼓励学生进行物理学习的思维创新，导致许多学生的物理能力以及创新能力不断下降。在传统的教学模式中，教师成为课堂的主人公和教学过程的把控者，通过填鸭式的教学方式将教案上所有的内容条理清晰的呈现在学生的面前，不鼓励学生自己去探索并且发现物理知识。而学生则只需专注于教师的讲解，记录重要的内容以应对考试。实际上，现代教学理论强调将学生作为课堂主题，教师作为知识的传播者，在学生学习的过程中起到辅助和指导的作用。然而，教学与科研的脱节，使得大学物理教学过程的设计上经典内容缺乏科技前沿的滋润，教师很难给学生提出更多有针对性的建议和个性化的指导，学生体验不到学习乐趣，缺乏激发创造思维的源泉和培养创造思维的土壤。如何在培养学生物理思想和方法的基础上，培养学生的创造思维，是新时期大学物理教学的一个亟待解决的具有挑战性的问题。 2 科研融入大学物理教学对创新思维培养的意义和相应策略
创新思维成果的取得和人们长期科研的探索、刻苦钻研是分不开的，正是在思维过程中实践、探索，不断的锻炼和提高自身的理论水平、实验能力和分析解决问题的能力，创新性成果不断获得。从创新思维的培养角度讲，科研活动过程本身内在的包含了创新思维形成的全部过程，并设计其形成的外在的刺激因素，科研课题和科学问题是培养创新思维和创新能力的最佳“磨刀石”。将科研这一创新过程，融入到大学物理教学这一物理思维和思想方法培养过程，对于激发学生学习兴趣，进而启蒙学生的创新意识、培养学生的创新思维具有非常重要的意义。
2.1 科研融入大学物理教学，促进教学内容的革新
当前许多高校在大学物理教学，一直沿袭五十多年前的教学体系，仍以经典物理为主要内容（力学、热学、电磁学和光学），与中学物理存在大量重叠，习题老旧。另一方面，近代物理内容偏少，而且往往取自20世纪早期研究成果，很少反映最新的科技前沿。作为教学的核心部分，教学内容是否生动丰富、是否涉及科技前沿，往往直接影响学生思维是否活跃，从而根本上决定课堂效果。科研课题往往不仅涉及到物理理论范围内的最新研究进展以及前沿的问题，由于学科交叉，化学、材料等学科的前沿课题往往也涉及到基础物理理论。例如，目前处于材料科学与工程和化学前沿领域的纳米材料组装与生长，涉及到的基础物理理论就很多。在讲授“热力学基础”部分熵增加原理时，可以引入纳米晶自组装现象，将最新的原位透射电镜观察纳米晶不同堆积方式组装成的超晶格结构的视频在课堂上播放，不仅激发学生学习兴趣，进而深入理解熵增加原理，同时促使学生思考纳米晶自组装的驱动力，达到激励创新思维的目的。又如，在讲授“真空中的静电场”时提到了库伦定律和带电体的相互作用的一些基本内容，为了渗透微积分的思想，教材只是简单的列举了一些传统的例题，如均匀带电线和点电荷相互作用力等，这让学生感觉到这些内容与现实生活和科技前沿都很遥远。[4]但是如果教师可以把“纳米颗粒如何通过偶极静电作用取向接合生长成为纳米线”等不同学科的科技前沿作为例子融入到教学课堂，让学生了解和体会基础理论如何在学科交叉和科研前沿中发挥作用，不仅可以更好的引起学生强烈的好奇心，进而引起浓厚的物理学习兴趣，而且能够促进学生进行积极的思考激发创新意识。
2.2 科研融入大学物理教学，促进学科交融的教师队伍建设
教师知识体系和教师队伍的创新是学生创新能力和创新思维培养的基础。现今世界科学技术高速发展，学科高度交叉，新理论、新技术、新成果、新方法层出不穷，这要求教师在科研中保持活力，一直处在学科前沿，确保物理水平的先进性。因为，教师学术水平和科研水平不足，不仅难以胜任教学创新的需要，也无法为学生提供创新知识与创新能力辅导。同时，大学物理教学团队要以最快的速度更新知识，通过自身知识体系的创新以满足创新思维培养的要求。[5]21世纪人类进入知识大爆炸时代，知识的更新速度和学科交叉程度前所未有，教学团队不仅需要了解到本学科内的最新研究成果，也要关注基础理论在其他学科前沿领域的应用，如此才能促进教学内容的发散和深入，进而活跃学生思维、提升学生分析与解决问题的水平。这种发展趋势，不仅要求教师个人提高自身学术水平，也对教师队伍的建设提出了新要求、新挑战。长期以来，传统的教学理念使得很多理工科高校形成了以物理教育或理论物理教育背景为主的、专门从事大学物理课程教学的师资队伍，缺乏深入的科?W研究作风和学科交流氛围，是导致整体教学内容偏旧、教学模式单一的主要原因之一。以科研促进教学，打破学科樊笼的束缚，建设多学科交叉的创新型大学物理教学团队，为大学物理基础教学与交叉学科前沿融合，促进创新思维培养提供了新的思路。
2.3 科教协同促进大学物理教学方式变革，培养创新思维
传统的大学物理教学，采用大班集中课堂讲授的授课模式，这与大学物理系统的知识理论体系和其基础地位有关。然而，近年来，过于强调知识点的讲授而忽略物理思想和方法的培养的趋势，使得大学物理课堂的学生规模正在不收控制的扩大，大学物理教学的基础地位大大的降低。以桂林电子科技大学为例，大学物理A每班学生人数大约100人以上，而大学物理B则达到每班140人以上。课堂学生人数的增多，极大的限制了师生互动的频率和范围，在这种形势下，如何扭转传统的教学模式？教学和科研是高等院校的两大基本职能，以科研带动教学，为理工科院校大学物理教学模式的改革和创新提供了新的思路。
科学研究在于创新， 创新一般情况下否定了或者改善了传统的旧有的东西，在课堂教学中将科研融入大学物理教学，首先要进行教学模式的创新，改变传统的教师“灌输”式讲授、学生被动接受的教学模式。一方面，将科研与课堂教学紧紧的结合在一起，使“科研课题”或 “科研问题”在教学以及学习中要发挥它的重要性，给物理教学带上“研究”的性质，老师针对课题或问题讲课，学生带着课题或问题去学习，促进实时互动、激发学生独立思考和创新的热情。采用以问题为主线，将问题教学贯穿于整堂课中，让学生自主寻求解决办法或小组讨论，最终得出结论的课堂教学方法，明确了学生的主题地位，提高了学生在大学物理课堂中的参与性，为培养大学生创新能力奠定了基础。[6]另一方面，教师根据大学物理教学内容选择相关科研课题，组成学习研究小组，给学生参与科研的机会。科研课题和科学问题往往具有开放性，科研课题的提出具有开放性，可以从不同角度、不同课程中获取灵感综合提出；科研课题的解决往往存在多种可能方案，学生可以融合多个物理知识点，进行整合分析得出。教师指导学生利用课外时间查阅相关科研课题文献，鼓励学生勇于质疑、敢于想象。通过参与科研创新过程进一步加深对物理课程的理解，激发灵感，以此锻炼学生的创新意识、促进创新思维的培养。
3 结语
大学物理是工科高校本科科学素质培养中的关键，虽然作为一门基础课，其内容相对稳定，但并非是与科学研究不相干或无研究可做的。将大学物理教学片面地理解成知识点的单纯传授，不仅不利于使学生理解其中的物理思想和方法，也不利于促进学生的思维活跃性和能动性，进而损害学生创新思维的培养。[7]科研同教学实现有机关联，教学相长，促进学生科学素质和创新思维的培养。只有不断学习和借鉴各学科领域的最新研究成果，创新教学内容、教学方式和教学队伍，找到基础物理在其中发挥作用新的研究课题，在新时期、新世纪使得基础物理教学焕发新的生命力。
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