大學(xué)生解決問題能力的中間層次鍛煉

2022-10-25 09:20:40李祖斌

大學(xué)物理 2022年10期

李祖斌

(南開大學(xué) 物理科學(xué)學(xué)院，天津 300071)

大學(xué)對(duì)學(xué)生的培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)是多層次、多角度、全方位的，在教授學(xué)生專業(yè)的知識(shí)之外，也更應(yīng)注重對(duì)學(xué)生各種能力的培養(yǎng). 而其中，發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的能力則是重中之重，是大學(xué)教育中應(yīng)不斷加強(qiáng)、不斷探索的課題.

以鍛煉方式的難易程度來(lái)考慮，對(duì)大學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)可以是多層次的. 可以在授課中，通過課后作業(yè)的方式，鍛煉學(xué)生直接使用課堂知識(shí)解決問題的能力，這是“基礎(chǔ)層次”的能力訓(xùn)練，其目的是讓學(xué)生通過習(xí)題的練習(xí)掌握所學(xué)的知識(shí).而在課堂之外，學(xué)生亦有多種機(jī)會(huì)鍛煉自己的能力.比如“中國(guó)大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競(jìng)賽”(CUPT)[1-3]，就是給出十幾道開放性題目，需要學(xué)生自己搜集資料、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、采集數(shù)據(jù)、理論分析，是結(jié)合已知與未知、實(shí)驗(yàn)與理論的能力鍛煉，自由度更加廣闊，可以算作“較高層次”的能力培養(yǎng). 而如“國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”這類進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室、參與導(dǎo)師科研項(xiàng)目，則是更加“高層次”的創(chuàng)新能力的鍛煉[4-6]，需要學(xué)生學(xué)習(xí)全新的知識(shí)，針對(duì)具體項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析理論、獨(dú)立完成. 這種層次的能力鍛煉已經(jīng)是接近研究生層次的研究性能力的培養(yǎng)了.

但是，可以看到，在“基礎(chǔ)層次”和“較高層次”“高層次”的能力培養(yǎng)之間，還缺少了中間的一環(huán). 也就是能夠銜接課堂知識(shí)與全新知識(shí)及科研能力這兩個(gè)層次的過渡層次. 這個(gè)“中間層次”的能力鍛煉，應(yīng)該具有一定的自由度和開放性，可以用課堂知識(shí)或者稍微拓展的知識(shí)來(lái)解決問題. 但相對(duì)課后作業(yè)題目，又應(yīng)有一定的擴(kuò)展性和實(shí)際性.其目的是幫助學(xué)生更好的理解所學(xué)知識(shí)，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)如何運(yùn)用這些知識(shí)解決一些較復(fù)雜和較實(shí)際的問題.

另外，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力也是課程思政的要求，在教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中[7]，對(duì)理工科類課程推進(jìn)課程思政建設(shè)中指出：“要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力.”所以，對(duì)學(xué)生的分析問題、解決問題能力的鍛煉本身也是課程思政的目的. 同時(shí)，也可以在題目中融入思政元素，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索、追求新知的科學(xué)精神.

大學(xué)物理課程是理工院校中非物理專業(yè)的必修課程，目的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)與科學(xué)思維. 對(duì)于非物理專業(yè)的理科學(xué)生，參與CUPT或者物理類的大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目這類“高層次”鍛煉，與其專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)不符，比較難以實(shí)現(xiàn)，所以反而更適合展開“中間層次”的能力訓(xùn)練. 因此，在大學(xué)物理的授課中，除了課后作業(yè)的基礎(chǔ)訓(xùn)練，增加了“課后思考題”這種較為開放的拓展題目作為“中間層次”的能力訓(xùn)練，鍛煉學(xué)生們運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、解決具體問題的能力. 從效果來(lái)看，學(xué)生們參與度很高，完成度也很出色，有不少同學(xué)思維清晰，分析問題到位，得到了預(yù)想的鍛煉.

1 大學(xué)物理中的實(shí)踐

在講授大學(xué)物理課程時(shí)，以課后思考題形式布置了課后練習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與，取得了良好效果. 下面，以力學(xué)部分為例，來(lái)看一下具體情況.

1.1 思考題及其針對(duì)的知識(shí)點(diǎn)

在選取思考題題目時(shí)，以掌握知識(shí)點(diǎn)和鍛煉分析問題、解決問題的能力為目的，所以題目難度不會(huì)超出課后作業(yè)題太多，同時(shí)題目應(yīng)具有一定自由度和開放性，需要學(xué)生自己設(shè)定簡(jiǎn)化條件，選取合適的定律、定理解決問題. 為了吸引學(xué)生的興趣，也盡可能增加題目的趣味性，還可以結(jié)合當(dāng)時(shí)社會(huì)熱點(diǎn)話題提出問題，比如在電影《流浪地球》熱映期間，就曾提出過電影情節(jié)中涉及的物理問題.

在力學(xué)部分授課中，曾布置的課后思考題及其針對(duì)的授課知識(shí)點(diǎn)如表1所示.

表1 力學(xué)部分的思考題

1.2 學(xué)生參與情況及反饋

在授課中，考慮到學(xué)生的精力和時(shí)間有限，課后思考題并不是要求學(xué)生必須完成的內(nèi)容. 學(xué)生可以根據(jù)自身能力和時(shí)間選擇參與與否. 所以學(xué)生的參與度是非常有參考價(jià)值的. 在2020—2021年度春季學(xué)期的授課中，兩個(gè)教學(xué)班級(jí)(力學(xué)A班41人，力學(xué)B班61人)的參與情況如圖1所示. 圖中題目號(hào)與表1相對(duì)應(yīng). 因?yàn)檎n時(shí)和具體授課情況，題目并未全部布置給學(xué)生.

圖1 學(xué)生參與題目人數(shù)比例

可以看出，學(xué)生們的參與度是非常高的，盡管作為非物理專業(yè)的學(xué)生，物理并非專業(yè)類課程. 這也反映了學(xué)生對(duì)這種思考題的設(shè)置的認(rèn)可，以及獲得知識(shí)、得到相關(guān)訓(xùn)練的意愿.

再來(lái)看一下學(xué)生們的完成情況. 以10分為基準(zhǔn)，6～7分為部分完成題目(能使用正確原理解決問題，但未能具體且完整地分析問題)，8～9分為基本完成題目(能基本正確地、完整地分析問題)，10分為優(yōu)秀完成題目(能正確地、完整地分析問題)，兩個(gè)班級(jí)的完成情況如圖2所示.

圖2 學(xué)生參與題目得分情況

可以看出，學(xué)生們的完成情況也很出色，得分都比較高. 這表明學(xué)生們積極認(rèn)真的思考了題目并給出了合理的解答，而且愿意投入時(shí)間去做這些題目，愿意得到相關(guān)訓(xùn)練.

授課結(jié)束后，通過調(diào)查問卷的形式，收集了學(xué)生們對(duì)課后思考題這一教學(xué)形式的意見建議. 在“課后思考題是否起到了積極意義？”這一問題的回答中，力學(xué)A班(41人)參與投票的31人全部選擇了“有意義”，占100%；力學(xué)B班參與投票52人，41人選擇“有意義”占比78.8%，11人選擇“一般”占比21.2%，無(wú)人選擇“無(wú)意義”. 從投票結(jié)果看學(xué)生們還是非常認(rèn)可課后思考題這種練習(xí)方式的，也從中得到積極的鍛煉.

在“你希望思考題的改進(jìn)方向”的投票中，力學(xué)A班選擇“更加接近生活實(shí)際”28人，占90.3%，選擇“增加動(dòng)手實(shí)驗(yàn)”7人，占22.6%，選擇“分組完成”9人，占29.0%，選擇“增加展示環(huán)節(jié)”6人，占19.4%，選擇“增加題目難度”7人，占22.6%.

學(xué)生們提出的其他建議包括：“最好簡(jiǎn)單但有思維含量，可以引起更多思考”，“可以增加科幻小說(shuō)中某些情節(jié)背后物理原理的探討”，“結(jié)合一下歷史上科學(xué)家做過的有趣實(shí)驗(yàn)和思考”，“希望能體現(xiàn)一些學(xué)科交叉的內(nèi)容”，“可以更加注重趣味性和探討性，讓大家分組合作解決”，“加強(qiáng)物理與生活的聯(lián)系，挖掘生活中的物理奧秘，提高學(xué)習(xí)物理的興趣”，等等. 這些建議非常有價(jià)值，表達(dá)出學(xué)生對(duì)多樣化學(xué)習(xí)形式的需求，是今后進(jìn)一步完善這類“中間層次”鍛煉的方向.

另外，在“給師弟師妹出題”環(huán)節(jié)中，學(xué)生們也廣開思路，提出了很多非常有意思的題目，比如：

1) 當(dāng)墻壁上的石英鐘因電池電能耗盡停動(dòng)時(shí)，秒針往往停在刻度盤上“9”的位置，為什么？(力矩平衡)

2) 還有15分鐘就要上課了，但是你的大物作業(yè)還沒有寫完. 預(yù)計(jì)寫完大物作業(yè)要一個(gè)小時(shí)，請(qǐng)問你以多快的速度邊跑邊寫能在上課前正好把作業(yè)趕完？(時(shí)間膨脹效應(yīng))

3) 據(jù)《西游記》描述，金箍棒“重一萬(wàn)三千五百斤”，“有二丈長(zhǎng)短”. 而孫悟空平時(shí)卻把它變作繡花針藏在耳中. 根據(jù)生活常識(shí)，估算繡花針要以多大的速度運(yùn)動(dòng)，才能與金箍棒一樣重；以多大的速度運(yùn)動(dòng)，才能與金箍棒一樣長(zhǎng)？(質(zhì)速關(guān)系和長(zhǎng)度收縮效應(yīng))

4) 試解釋貓?jiān)诳罩胁唤柚饬?shí)現(xiàn)自身旋轉(zhuǎn)過程中的角動(dòng)量守恒.(角動(dòng)量守恒)

5) 體質(zhì)測(cè)試扔實(shí)心球時(shí)，出手方向與地面成多少度時(shí)，可以扔得最遠(yuǎn)？(運(yùn)動(dòng)的合成)

6) 從角動(dòng)量角度分析為什么太陽(yáng)系八大行星軌道共面且公轉(zhuǎn)方向一致.(角動(dòng)量守恒)

7) 自行設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算電影《功夫》中火云邪神兩指夾子彈所用的力.(動(dòng)能定理)

8)n塊相同的木板重疊，最多能夠伸出桌面多遠(yuǎn)？(質(zhì)心及力矩)

這些題目新穎而又富有想象力，非常具有參考價(jià)值，完全可以作為思考題在以后的教學(xué)中使用.同時(shí)，讓學(xué)生們出題，也是對(duì)他們知識(shí)掌握情況、理解深入情況的檢驗(yàn)，好的題目也表明了學(xué)生進(jìn)行了深入的思考，物理的思維也得到了訓(xùn)練.

2 課程思政的融入

首先，對(duì)學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)本身也是課程思政的要求. 在《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中指出：“理學(xué)、工學(xué)類專業(yè)課程. 要在課程教學(xué)中把馬克思主義立場(chǎng)、觀點(diǎn)方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來(lái)，提高學(xué)生正確認(rèn)識(shí)問題、分析問題和解決問題的能力. 理學(xué)類專業(yè)課程，要注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感.”在大學(xué)物理課程中設(shè)置中間層次能力訓(xùn)練的實(shí)踐，正是基于這一目的，通過較為開放和實(shí)際的題目設(shè)置，培養(yǎng)學(xué)生用物理方法分析問題、解決問題的能力；同時(shí)，解題的過程，也是對(duì)學(xué)生科學(xué)方法、科學(xué)思維的一種訓(xùn)練.

其次，在思考題的設(shè)置中，可以結(jié)合實(shí)際事例，有機(jī)地融入思政元素，引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)主義情操、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和素養(yǎng). 例如，在我國(guó)大力發(fā)展航天事業(yè)的事跡中，針對(duì)火箭發(fā)射、天宮號(hào)運(yùn)行等實(shí)際問題，可以針對(duì)動(dòng)量定理、機(jī)械能守恒定律、角動(dòng)量定理等知識(shí)點(diǎn)提出相應(yīng)的題目，激發(fā)學(xué)生們的愛國(guó)熱情，激勵(lì)他們投身祖國(guó)建設(shè)事業(yè)；再如，在電磁學(xué)課程中，以電、磁類比的模式，要求學(xué)生基于“磁荷”的假說(shuō)構(gòu)建新的磁介質(zhì)模型，并討論可能的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展中“大膽假設(shè)，小心求證”的科學(xué)思維和方法.

3 討論

對(duì)學(xué)生解決問題能力的培養(yǎng)，應(yīng)該是一個(gè)循序漸進(jìn)、由易到難的過程. 作為銜接基礎(chǔ)能力和高層次能力的過渡，中間層次的能力培養(yǎng)是非常必要的，是全方位提升學(xué)生能力的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié). 同時(shí)，這一環(huán)節(jié)的設(shè)置也可以作為學(xué)生成績(jī)考核的一部分，使得學(xué)生過程化考核的形式更加多樣化，更加具有實(shí)際意義. 比如前文列舉的班級(jí)，因?yàn)椴⒉皇且蟊刈觯运伎碱}是作為平時(shí)成績(jī)的額外加分項(xiàng)處理的. 當(dāng)然，這部分教學(xué)內(nèi)容也可以作為平時(shí)成績(jī)的一部分，可以由任課教師根據(jù)具體情況自由把握.

基于中間層次的解決問題能力鍛煉的目標(biāo)，除了本文提出的思考題模式，也可以嘗試更多的內(nèi)容和方式. 例如在實(shí)驗(yàn)課上，組織學(xué)生設(shè)計(jì)自主實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展學(xué)生們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?形式上，可以采用分組協(xié)作的形式，鍛煉學(xué)生們合作溝通的能力；進(jìn)而也可以設(shè)置匯報(bào)環(huán)節(jié)，鍛煉學(xué)生們總結(jié)、報(bào)告的能力，等等.

同時(shí)，針對(duì)不同課程，中間層次的能力鍛煉可以有不同的設(shè)置. 作為基礎(chǔ)課程的大學(xué)物理，其相關(guān)的中間層次訓(xùn)練不會(huì)超出基礎(chǔ)知識(shí)太多. 而對(duì)于更加深入的專業(yè)課程，可以設(shè)置更為專業(yè)和有一定深度的能力訓(xùn)練. 幫助學(xué)生深入理解所學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用知識(shí)解決問題. 另外，因材施教，針對(duì)不同年級(jí)的學(xué)生也應(yīng)該有不同的鍛煉模式. 例如，針對(duì)大一學(xué)生，中間層次的鍛煉可以略偏向基礎(chǔ)層次，注重從課本的理論知識(shí)向?qū)嵱玫你暯? 大學(xué)物理課程中，思考題的設(shè)置，就更偏向于作業(yè)的形式. 而對(duì)于較高的二三年級(jí)學(xué)生，則可以在專業(yè)課中，嘗試更加有難度和切合實(shí)際的題目，更加偏向于較高層次的能力訓(xùn)練.

網(wǎng)絡(luò)時(shí)代，資源、信息極大擴(kuò)展，授課模式也可以多種多樣. 針對(duì)學(xué)生解決問題能力的鍛煉，也以借用網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行線上的活動(dòng)；或借用計(jì)算機(jī)模擬，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中比較難實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M.

教學(xué)相長(zhǎng)，在給學(xué)生提出問題的同時(shí)，教師也需要深入地思考相關(guān)知識(shí)，對(duì)知識(shí)的理解也得到了加強(qiáng). 例如，在教授電磁學(xué)部分時(shí)，設(shè)置的課后思考題“靜電平衡的極限”，基于此問題的深入思考和探索發(fā)表在《大學(xué)物理》雜志上[8].