王艷輝　周文革

摘 要 本文分析和凝練了高等學(xué)校理工科課程的“抽象內(nèi)容具體化、課本知識實(shí)用化、復(fù)雜問題簡單化”的CAS教學(xué)策略。以大學(xué)物理課程為例，介紹了其創(chuàng)新能力培養(yǎng)功能：具體化培養(yǎng)興趣，實(shí)用化引導(dǎo)主動性以及簡單化培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞 具體化;實(shí)用化;簡單化;創(chuàng)新能力培養(yǎng);理工科課程

中國已經(jīng)完成全面建成小康社會的歷史任務(wù)，進(jìn)入創(chuàng)新型國家行列，必須深入實(shí)施科教興國戰(zhàn)略、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，培養(yǎng)造就大批德才兼?zhèn)涞母咚刭|(zhì)人才[1]。對于高等學(xué)校教育，教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》明確指出：理學(xué)、工學(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、提高學(xué)生正確認(rèn)識問題、分析問題和解決問題的能力、激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)[2]。

高等學(xué)校理工科課程如何實(shí)現(xiàn)上述的教育目標(biāo)？ 《綱要》明確指出“結(jié)合不同課程特點(diǎn)、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機(jī)融入課程教學(xué)，達(dá)到潤物無聲的育人效果。”[2]大學(xué)理工科課程均包含較多的原理、定理，它們大多不能由生活中常見現(xiàn)象直接呈現(xiàn)，因而較為抽象難懂;大學(xué)理工科課程均具有很強(qiáng)的實(shí)用性，它們的知識廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代生活、前沿科技中;大學(xué)理工科課程均蘊(yùn)含大量創(chuàng)新能力培養(yǎng)元素，所有規(guī)律、定理、方法等的發(fā)現(xiàn)過程都運(yùn)用了各種復(fù)雜問題簡單化的能力。針對大學(xué)理工科課程特點(diǎn)，作者在2010年提出了教研融合、思政融入的“雙三結(jié)合”教學(xué)模式[3]，并給出了類比學(xué)習(xí)法的具體實(shí)例[4]。經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)積累，本文提出“抽象內(nèi)容具體化、課本知識實(shí)用化、復(fù)雜問題簡單化”（CAS）的理工科課程創(chuàng)新能力培養(yǎng)策略。“抽象內(nèi)容具體化”激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，以興趣為基礎(chǔ)，通過“課本知識實(shí)用化”引導(dǎo)學(xué)習(xí)主動性，并在眾多“復(fù)雜問題簡單化”的能力培養(yǎng)范例中提升創(chuàng)新能力。以下結(jié)合大學(xué)物理課程，分別進(jìn)行闡述。

1 抽象內(nèi)容具體化，增加趣味性

如前所述，大學(xué)理工科課程所包含的原理、定理、方法等大多不能由生活中常見現(xiàn)象直接呈現(xiàn)，因而較為抽象難懂;大學(xué)理工科課程均強(qiáng)調(diào)內(nèi)容的科學(xué)性嚴(yán)謹(jǐn)性、包含大量的公式因而略顯枯燥乏味。然而研究表明，當(dāng)學(xué)習(xí)過程本身讓學(xué)生感覺有趣、愉快時，他們表現(xiàn)出積極、主動的學(xué)習(xí)行為[5]?？梢?，有趣的內(nèi)容、能帶來愉悅體驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程將促使學(xué)生主動接受知識，從而在學(xué)習(xí)過程中耳濡目染地接受思維能力訓(xùn)練，在潛移默化中接受熏陶。因此我們采用“抽象內(nèi)容具體化”策略（具體化，即concretization，簡記為C），用視頻、動畫、圖片等視聽資源直觀呈現(xiàn)抽象的原理、現(xiàn)象等，降低學(xué)生學(xué)習(xí)難度;用有趣的工作、生活場景創(chuàng)設(shè)趣味學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的愉悅體驗(yàn)。

例如，在講解多普勒效應(yīng)時，學(xué)生很難理解“當(dāng)接收者靠近波源，接收頻率增大”這一物理現(xiàn)象，課程設(shè)計了動畫，圖1為動畫截圖① 。從動畫中可以直觀地看到，波源（喇叭）發(fā)出聲波，聲波向右傳播;dt 時間內(nèi)，波向前傳播了AB的距離，接收者靠近波源走了AC的距離;從圖可知，當(dāng)接收者靜止于A 處，能夠接收到的波數(shù)為BA 段，當(dāng)接收者靠近波源，能夠接收到的波數(shù)為BC段，因此由于接收者靠近波源，dt 時間內(nèi)多接收到AC段的波數(shù)，接收頻率增大?？梢娊柚鷦赢嬛庇^呈現(xiàn)抽象的物理量變化或物理過程，能讓抽象難懂的內(nèi)容變得直觀易懂有趣，從而降低學(xué)習(xí)難度，并增加學(xué)習(xí)趣味性。

除了動畫，大學(xué)物理課程還通過熟悉的生活場景幫助學(xué)生理解物理知識。例如用雨滴打擊傘面產(chǎn)生壓強(qiáng)幫助學(xué)生理解氣體分子壓強(qiáng)，用走路擺臂來說明何為一次全振動，用員工遲到工資的三種扣除法和波函數(shù)位相類比幫助學(xué)生理解波函數(shù)的三種形式，用飲料罐的各種狀態(tài)直觀有趣地說明熱力學(xué)系統(tǒng)的分類等① 。這些生活情境實(shí)現(xiàn)了“抽象內(nèi)容具體化”，使內(nèi)容易懂易記、生動有趣，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，并在多次訓(xùn)練中培養(yǎng)思維能力，在潛移默化中接受熏陶。

2 課本知識實(shí)用化，提高主動性

如前所述，大學(xué)理工科課程均具有很強(qiáng)的實(shí)用性，它們的知識廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代生活、前沿科技中[6]?！罢n本知識實(shí)用化”（實(shí)用化，application，簡記為A），即是利用各種形式，包括制作和教材內(nèi)容配套的線上課程等，充分講解知識點(diǎn)在現(xiàn)代生活、各個專業(yè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并依據(jù)“適時、適量、最優(yōu)”的原則精選應(yīng)用實(shí)例，有機(jī)融入課堂教學(xué)。

例如在剛體定軸轉(zhuǎn)動的動能定理一節(jié)，將迪斯科轉(zhuǎn)盤模型化，如圖2所示，分析如何控制迪斯科轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以保障安全運(yùn)行;在角動量定理一節(jié)，將石磨、舂碓模型化，分析石磨、舂碓的工作原理;利用角動量守恒知識分析我國的跳水運(yùn)動冠軍如何實(shí)現(xiàn)優(yōu)美的轉(zhuǎn)體動作;在理想氣體狀態(tài)方程一節(jié)，分析氣溫隨高度遞減的規(guī)律和原因、高海拔地區(qū)水燒不開的原因;介紹麥克斯韋速率分布律在制造原子彈的鈾提純過程中的應(yīng)用;介紹大學(xué)物理知識在1904年、1907年、1918年、1921年、1922年、1925年、1927年、1929 年、1937 年、1943 年、1974年、1994年、2017年諾貝爾物理學(xué)獎工作中的應(yīng)用①，② 。

大量的生活實(shí)例、前沿科技實(shí)例展示了知識的力量與科技的魅力，讓學(xué)生深刻體會到“學(xué)有所用”，從而提高學(xué)習(xí)的積極主動性，形成“學(xué)以致用”的意識和習(xí)慣、培養(yǎng)崇尚科學(xué)、獻(xiàn)身科學(xué)的精神。

3 復(fù)雜問題簡單化，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

核心規(guī)律一般都是簡單的，但是它卻隱藏在復(fù)雜的現(xiàn)象之中?？茖W(xué)家們在長期的研究過程中總結(jié)出一套研究和發(fā)現(xiàn)規(guī)律的有效方法，即去除復(fù)雜的表面想象，使復(fù)雜問題簡單化（簡單化，simplification，簡記為S），從而找出本質(zhì)的規(guī)律。復(fù)雜問題簡單化的能力是創(chuàng)新思維能力的精髓。數(shù)學(xué)家斯坦·古德爾郵的一句名言是，數(shù)學(xué)的本質(zhì)不是把簡單的事情復(fù)雜化，而是把復(fù)雜的事情簡單化。對數(shù)學(xué)如此，對研究自然界的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動基本規(guī)律的物理學(xué)更是如此。作為高等學(xué)校理工科各專業(yè)的基礎(chǔ)課程，大學(xué)物理課程有機(jī)融入了近百例思維能力訓(xùn)練② ，以提升學(xué)生復(fù)雜問題簡單化的能力，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決實(shí)際問題的能力，促進(jìn)創(chuàng)新人才、拔尖人才在前沿科技領(lǐng)域的成長?！皬?fù)雜問題簡單化”能力訓(xùn)練包括如下方面：

建立物理模型。模型的方法是辯證唯物主義矛盾論中重點(diǎn)論的方法，通過訓(xùn)練，學(xué)生形成分析問題、解決問題抓住主要矛盾、矛盾的主要方面進(jìn)行研究的思維習(xí)慣和能力。物理學(xué)的研究對象包含多個要素，具有很多特征。為了使研究簡單同時又能得出所研究問題的結(jié)論，在研究時，根據(jù)所討論問題的基本要求，保留研究對象或過程的基本特征，進(jìn)行理想化的簡化，使其可以用數(shù)學(xué)語言描述。物理學(xué)的研究對象一般較為復(fù)雜，因此建立物理模型是一種很重要的復(fù)雜問題簡單化的能力和研究方法。除了質(zhì)點(diǎn)模型、剛體模型、彈簧振子模型、理想氣體分子模型等最基本的模型，大學(xué)物理課程中設(shè)計了多例建立物理模型的訓(xùn)練。例如圖2中的將迪斯科轉(zhuǎn)盤模型化;在角動量定理章節(jié)，將舂碓模型化為質(zhì)點(diǎn)繞定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動問題② ;在分析高海拔地區(qū)水燒不開的原因時，講解氣體壓強(qiáng)隨高度的變化，因而建立氣體溫度不隨高度變化的模型[7]。

透過現(xiàn)象看本質(zhì)。本質(zhì)是事物的根本屬性，是構(gòu)成事物各要素之間的內(nèi)在聯(lián)系?，F(xiàn)象是事物的外部聯(lián)系和表面特征，是事物的外在表現(xiàn)[8]。任何實(shí)際的物理過程，各要素間的關(guān)系往往錯綜復(fù)雜，本質(zhì)有時也以假象呈現(xiàn)，從而誤導(dǎo)觀察者得出錯誤的結(jié)論，例如亞里士多德認(rèn)為重的物體比輕的物體落地快、羅馬教皇擁護(hù)地心學(xué)與哥白尼認(rèn)為太陽是宇宙的中心等。這就要求科學(xué)研究要善于觀察、深入思考，透過事物的外在聯(lián)系和表面特征，研究事物的根本性質(zhì)。透過現(xiàn)象看本質(zhì)給解決撲朔迷離的復(fù)雜問題指明了方向，因而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題簡單化。

大學(xué)物理課程包含了較多透過現(xiàn)象看本質(zhì)的思維能力訓(xùn)練，如分析摩擦生熱以及電功的微觀機(jī)理、分析多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生原因、由電流的磁效應(yīng)分析磁鐵的磁效應(yīng)產(chǎn)生原因等的研究過程都借助于透過現(xiàn)象看本質(zhì)的研究方法①。眾多的透過現(xiàn)象看本質(zhì)的思維能力訓(xùn)練，提高了觀察能力、辯證思維能力，培養(yǎng)了勇于質(zhì)疑的精神，這些可貴的品質(zhì)在日常生活、工作中同樣非常重要。

科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)可以直接呈現(xiàn)結(jié)果，可以直觀呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)研究、學(xué)習(xí)簡單化。大學(xué)物理課程充分利用現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)視頻或動畫、實(shí)驗(yàn)圖片直觀展示物理現(xiàn)象、物理過程。例如，在能量按自由度均分一節(jié)，通過觀察桌球游戲中球的運(yùn)動變化，理解x 方向的動能向y 方向、z 方向以及轉(zhuǎn)動自由度轉(zhuǎn)移;又如前面提到的華人科學(xué)家葛正權(quán)實(shí)驗(yàn)、水波演示多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)、沖量與動量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)、伽爾頓板實(shí)驗(yàn)……① 這些課程實(shí)驗(yàn)使學(xué)生掌握科學(xué)的觀察和實(shí)驗(yàn)的方法，牢牢地樹立實(shí)踐檢驗(yàn)真理的世界觀。

極限的思維方法。物理學(xué)中的一般規(guī)律普遍適用，研究相對簡單的極限情況，容易得出問題的基本結(jié)論，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題簡單化。例如用圖表法和極限的分析方法，得出熱力學(xué)概率的特點(diǎn);伽利略斜面實(shí)驗(yàn)中，考慮摩擦力為零、斜面傾角為0°這兩種理想情況，得出慣性定律① 。

類比的思維方法。物理學(xué)的某些研究對象具有相同的根本性質(zhì)，我們在講授類似的現(xiàn)象時，會引導(dǎo)學(xué)生靈活運(yùn)用類比法來研究和學(xué)習(xí)，使學(xué)生逐步形成透過現(xiàn)象看本質(zhì)的能力、知識遷移能力，并建立普遍聯(lián)系的世界觀和方法論。例如在講電勢、電勢能的定義時，通過復(fù)習(xí)重力勢能函數(shù)、彈性勢能函數(shù)、萬有引力勢能函數(shù)，同學(xué)們自己推導(dǎo)得出電勢能函數(shù)、電勢的表達(dá)式。這種經(jīng)過精細(xì)加工的學(xué)習(xí)內(nèi)容，將在頭腦中形成長時間記憶存儲[9] 。

課程還有機(jī)融入了其他辯證思維能力訓(xùn)練，如過程和要素、分析與綜合、歸納與演繹、批判地繼承等。大量科學(xué)思維能力訓(xùn)練有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和解決實(shí)際問題的能力，從而實(shí)現(xiàn)了課程高階性。

除了能力訓(xùn)練，課程還精選思政元素，進(jìn)行品德培養(yǎng)和價值引領(lǐng)。通過對神舟十七號載人飛船、墨子號通信衛(wèi)星、華人科學(xué)家葛正權(quán)實(shí)驗(yàn)、諾貝爾獎獲得者楊振寧工作、周朝的日晷、宋朝的羅盤等中國元素的介紹，進(jìn)行愛國主義教育，激起學(xué)生民族自豪感。

4 實(shí)踐效果與討論

通過CAS教學(xué)改革，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識掌握程度、自主學(xué)習(xí)意識、思想素養(yǎng)、創(chuàng)新能力等都顯著提升，主要表現(xiàn)為：

其一，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性明顯提高。這表現(xiàn)為課堂到課率提高，達(dá)到98%;考試通過率提高，高于96%;優(yōu)秀率提高，學(xué)生成績分布向高分端偏移，如圖3所示（以2021年、2023年的成績?yōu)闃颖荆?。學(xué)生對課程的滿意度提高，學(xué)生對大學(xué)物理課程任課教師的評分都在90分以上，遠(yuǎn)高于其他科目。

其二，學(xué)生參加課外拓展項(xiàng)目的積極性明顯提高，成效顯著。例如，我院學(xué)生2023年在第六屆全國大學(xué)生嵌入式芯片與系統(tǒng)設(shè)計比賽中，榮獲全國二等獎2項(xiàng)、三等獎1項(xiàng)。在2023年十一屆全國大學(xué)生光電設(shè)計競賽中，榮獲全國一等獎1項(xiàng)、中部地區(qū)賽二等獎3項(xiàng)、中部地區(qū)賽三等獎4項(xiàng)。

其三，學(xué)生的社會服務(wù)意識明顯加強(qiáng)。例如，學(xué)生能積極參加三下鄉(xiāng)志愿者活動、科普志愿者服務(wù)活動，并多次被省級、校級媒體報道。

經(jīng)過多年建設(shè)，大學(xué)物理創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式日趨完善，課程思政模式得到了廣泛的認(rèn)可，并在2021年被認(rèn)定為湖南省課程思政示范課程、湖南省精品在線開放課程、湖南省線上線下混合式一流課程。

這些實(shí)踐表明，大學(xué)物理課程通過“抽象內(nèi)容具體化、課本知識實(shí)用化、復(fù)雜問題簡單化”實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程思政模式是行之有效的。大學(xué)物理課程將通過線上課程動態(tài)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)捕捉學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)和效果，綜合線下的學(xué)生反饋情況，持續(xù)改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)模式，為各專業(yè)更多高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的涌現(xiàn)打好基礎(chǔ)。

與大學(xué)物理類似，大學(xué)理工科課程的主要教學(xué)內(nèi)容均為對研究對象的認(rèn)知、對復(fù)雜問題的處理，它們的知識也都廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代生活、前沿科技中。因而“抽象內(nèi)容具體化、課本知識實(shí)用化、復(fù)雜問題簡單化”的課程思政模式同樣適用于大學(xué)其他理工科課程?！敖虩o定勢，學(xué)無定法”，很多其它教學(xué)模式成效顯著，例如清華大學(xué)王青教授的小班翻轉(zhuǎn)課堂就很成功[10]。

建設(shè)教育強(qiáng)國，是全面建成社會主義現(xiàn)代化強(qiáng)國的戰(zhàn)略先導(dǎo)，建設(shè)教育強(qiáng)國，龍頭是高等教育[11]。躬耕教壇、強(qiáng)國有我，高等學(xué)校的每門課程都要發(fā)揮好育人作用，構(gòu)建“全員全程全方位育人大格局” [2] ，為早日實(shí)現(xiàn)教育強(qiáng)國目標(biāo)而共同努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 習(xí)近平.高舉中國特色社會主義偉大旗幟為全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家而團(tuán)結(jié)奮斗———在中國共產(chǎn)黨第二十次全國代表大會上的報告[N]. 人民日報，2022-11-01.

[2] 教育部.高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要[EB/OL].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202006/t20200603_462437.html（2020-06-06）[2023-12-6].

[3] 王艷輝，唐利強(qiáng). 量子力學(xué)課程的素質(zhì)教育———“雙三結(jié)合”教學(xué)模式[J]，大學(xué)物理教育?？?010，22：26-27，31.

WANG Y H. Quality education in quantum mechanics—“Double tri-combination”teaching mode[J]. College Physics（Education Monograph）， 2010， 22： 26-7， 31. （in Chinese）

[4] 王艷輝.同軸帶電剛體轉(zhuǎn)動慣量與磁矩的大小比較[J]，物理與工程，2010，20（2）：19-21，33.

WANG Y H. Comparison the moment inertia with magneticmonent of a charged rigid body when rotating about thesame axis[J]. Physics and Engineering， 2010， 20（2）： 19-21， 33. （in Chinese）

[5] 李亞玲. 情緒認(rèn)知與管理[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2013：112-113.

[6] 龍桂魯，秦國卿. 量子密鑰分發(fā)與量子安全直接通信[J]. 物理與工程，2014，24（2）：3-12.

LONG G L， QIN G Q. Quantim key distribution and quantumsecure direct communication[J]. Physics and Engineering，2014， 24（2）： 3-12. （in Chinese）

[7] 張三慧. 大學(xué)物理（力學(xué)、熱學(xué)）[M]. 安宇，阮東，李巖松，修訂. 北京：清華大學(xué)出版社，2018：288-289.

[8] 《馬克思主義哲學(xué)》編寫組. 馬克思主義哲學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2009：103-104.

[9] 奧姆羅德J E. 教育心理學(xué)精要[M]. 雷靂，柳銘心，郭菲，等，譯. 北京：中國人民大學(xué)出版社，2013：45-46.

[10] 王青. 小班教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂：《費(fèi)曼物理學(xué)Ⅱ》的十年教學(xué)實(shí)踐———紀(jì)念費(fèi)曼先生百年誕辰[J]. 物理與工程，2018，28（4）：20-38.

WANG Q. Small group reaching and flipped classroom：Feynman Physics Ⅱ》 Ten Years Teaching Experiment—To commemorate the Centenary of the Birth of RichardPhillips Feynman[J]. Physics and Engineering， 2018，28（4）： 20-38. （in Chinese）

[11] 新華社. 習(xí)近平在中共中央政治局第五次集體學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)加快建設(shè)教育強(qiáng)國 為中華民族偉大復(fù)興提供有力支撐[EB/OL].2023-05-29.教育部網(wǎng)站，http：//www.moe.gov.cn/jyb_xwfb/s6052/moe_838/202305/t20230529_1061907.html