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在大学物理教学中进行逻辑思维训练的教学探讨
发布时间:2022-04-13 点击: 发布:《教育教学论坛》杂志社
在大学物理教学中进行逻辑思维训练的教学探讨 
蒋登辉
(长沙理工大学 物理与电子科学学院,湖南  长沙   410114)
 在理工科学校中,由于基础学科的劣势,大学物理课时被大幅压缩,逻辑思维课程则被普遍忽视。如何在大学物理学教学中进行有效的思维逻辑训练面临不小的挑战。在本文中,通过分析了大学物理教学和逻辑思维训练在理工科学校面临的困境,阐明了在大学物理教学中引入思维逻辑训练的必要性,总结了在大学物理教学中进行逻辑思维训练的优势。进而,以“卡诺循环”知识点的教学为例,详细介绍了在大学物理教学中如何进行思维逻辑训练,并总结了相关注意事项。
关键词思维逻辑训练;大学物理教学;理工科高校
基金项目2019年度湖南省教育厅一般项目,“纳米黏土异质结界面构建及其光催化性能研究”(19C0079)。
作者简介蒋登辉,1981.12,男,湖南长沙,讲师,博士,长沙理工大学物理与电子科学学院和湖南省柔性电子材料基因工程重点实验室,研究方向:半导体异质结光化学转化及其应用研究。
[中图分类号]G642.421     [文献标识码]A   
 
The teaching discussion on thinking logic training in college physics teaching
Denghui Jiang
Hunan Provincial Key Laboratory of Flexible Electronic Materials Genome Engineering, School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China
 
Abstract:Due to the disadvantages of basic subjects, college physics class are greatly compressed, and the courses of logical thinking training are generally ignored in science and engineering colleges of china. How to carry out effective thinking logical training in college physics teaching is facing big challenge. Herein, we analyzed the difficulties of physics teaching and logical thinking training in science and engineering colleges, clarified the necessity of introducing thinking logic training, and summarizes the advantages of logical thinking training in college physics teaching. Furthermore, taking the teaching of "Kano Cycle" knowledge points as an example, we introduced in detail how to train thinking logic in college physics teaching, and summarized the relevant precautions.
 
Keywords: Thinking logic training, college physics teaching, science and engineering colleges
 
 
一、引言
大学教育是高等教育体系最重要组成部分,是培养高级专门人才和职业人员的重要环节和渠道。经过40多年的改革和发展,我国大学教育已经具有一定规模,并为我国培养了大量的大学生。随着社会经济的高速发展,对大学生的要求越来越高,特别是对创新能力的要求。因此,对大学生创新能力的培养成了大学教学中的重要目标。创新能力的培养通常离不开逻辑思维能力的培养。只有具有良好的思维逻辑能力,大学生才能独立思考和分析问题,提出个人的见解,为人类知识体系做出自己的贡献。因此,对于大学生进行思维逻辑训练是非常重要的。
物理学是研究物质、能量和物质间的相互作用的学科,是自然科学和工程技术发展的基础。物理学的理论与实验高度结合,其学习过程对于人们的逻辑思维的训练和科学素养培养极为重要。逻辑思维是人运用概念、判断、推理等思维类型反映事物本质与规律的认识过程。[1, 2]对于理工类大学生而言,自然科学和工程技术知识是其主要学习和研究的对象,因而科学的逻辑思维训练必不可少的。因此,大学物理学也是大学理工科类专业必修的公共基础课。尽管如此,大学物理学教学本身面临诸多问题,特别是对于以工科为主的高校,如学时大幅减少,学生学习积极性欠缺等[3, 4]。因此,如何在大学物理学教学面临新问题的情况下,进行有效的思维逻辑训练非常值得探讨。
 
二、理工科类高校大学物理教学现状
尽管大学物理课程对理工科的大学生意义重大,上至学校下至学生对大学物理课程的往往重视不够。根据2010年教育部最新发布的《理工科类大学物理课程教学基本要求》,工科专业大学物理教学核心内容,建议学时数不低于126学时,而对于理科、师范类非物理专业和需要加强物理基础的特点工科专业,课程学时数不应该低于144学时[5]。然而,实际上很多高校开设的大学物理理论教学课时大幅低于这一要求,特别是以工科为主的高校。例如,对于电子信息类专业需要加强物理基础,课时不应低于144学时,然而实际有的高校两个学期只开始了112学时,而其他需要学习大学物理B类的专业仅仅设置了44学时[6]。
当然,大学物理课程的学时被大幅地压缩,有多方面的原因:从高校的角度来看,结合本校特点和优势学科,发展特色专业是高校生存之道,因此,高校会在特色专业和优势学科上,投入更多的资源。[7]特别是工科类高校,由于专业间的“马太效应”,优势的工科专业获得的资源越来越多,基础学科的投入将可能不断减少。体现在课程设置上,专业课程的学时安排得到一定加强,而大学物理这类基础课程课时被压缩。
从学生角度而言,物理类专业课理论性比较强,对学生的数学和逻辑推导能力要求比较高,加之就业较差,物理类专业对学生缺乏吸引力。对于工科专业的学生对大学物理感兴趣的就更少了。首先,大学物理学习需要高等数学的微积分思想作为基础,而高等数学通常是理工科学生进入大学阶段学习的第一个难点,大一的第一学期刚学完高等数学,学生的数学基础普遍比较薄弱,大一第二学期开始学习大学物理,很多基础较差的学生感觉比较吃力,无法跟上教学要求,极大地挫伤了学习积极性。[8]因此,大部分学生仅仅为了通过考试和取得学分。总之,学生对大学物理不够重视,也没有积极学习的意愿。
在课时被大幅压缩现状下,大学物理学要完成众多知识点的讲解,导致课堂教学中很多章节都被删减。这对大学物理知识体系造成冲击,极大地破坏了知识体系的完整性和逻辑性。为了在有限课时内完成大纲规定的教学任务,教师多侧重知识点的讲解,知识体系的逻辑性讲解变少,更谈不上对学生思维逻辑的训练。例如,我校大学物理B(下)电磁学教学中,由于课时限制《静电场中的导体和电介质》一章被删除,学完“真空中的静电场”一章,直接进入了“稳恒电流的磁场”章节的学习,正常认知过程,很难从静电场一下过渡到电流的磁场认知,认识的逻辑性上被极大破坏。如何在有限的学时内,进行有效的思维逻辑训练具有相当的挑战性。
 
三、逻辑思维训练在理工科学校面临的问题与困境
尽管科学的逻辑思维训练对理工科类大学生相对的重要,但是逻辑思维训练的课程在高校中往往处于边缘地位,极大的被忽视。从高校的层面来看,专业的逻辑课程设置在高学非常缺乏。首先,由于逻辑课程的知识都是抽象化的,和实用性的课程相比很难胜出,因此大部分高校大学课程中没有专门的思维逻辑训练课程[9]。另外,如果通过专业课程进行思维逻辑训练,由于不同专业,专业知识领域不同,需要专门的专业教师才能够进行,这样每个专业都需要专门的教师,势必大大增加整个学校的人力资源成本。
从学生层面来看,特别对于工科类学生,多侧重对专业知识的学习和专业技能的训练,不注重逻辑思维能力的训练。学生通常认为学好专业知识最重要,对毕业找工作和以后的发展更有帮助,更容易忽视逻辑思维的训练。如果利用专业课程进行思维逻辑训练,学生学习的所有的知识都是新知识,在没有完全理解新知识的情况下,学生很难体会到专业知识里的科研思维逻辑。因此,通过专业课进行科研思维逻辑训练,对于学生来说无疑难度非常大,从而导致学生更加没有学习的积极性。
 
四、在大学物理教学中进行逻辑思维训练的优势
现在的教育理论认为:学生在课堂教学过程中学习知识,是在教师的指导下由学生主动构建知识的认识过程。学生学习认知过程的发展同人类整体的认识过程的历史进展是一致的[10]。大学物理知识完全反应了人类对世界认识发展历程。大学物理教学中的难点问题,往往也是物理学发展史上人类认识事物物理本质的难点。因此,任一个物理知识点形成都是科学家科研思维逻辑的结晶。可以看出,大学物理课程是进行科研思维逻辑训练极佳的平台,在训练大学生思维逻辑能力上具有天然的优势。
不仅如此,利用大学物理课程是进行科研思维逻辑训练还有诸多其他优势。首先,学生经过高考,对基本物理概念都有较好的理解和认识,不会像专业知识那样完全没有认知。因此,学生具有较好的知识储备。第二,大学物理课程知识点之间和物理概念建立本身具有极强逻辑性。因此,在少学时情况下,通过大学物理教学加强思维逻辑的训练,可以最大程度地发挥课程本身的优势。另外,大学物理学是公共基础课,所有理工专业的学生都要学习,因此,通过大学物理课程对学生进行科研思维逻辑的训练,大大节约了学校的人力资源。总之,相比利用专业课进行科研思维逻辑的训练,在大学物理教学中进行思维逻辑训练,优势明显。
 
五、大学物理教学中如何进行思维逻辑训练
1.“卡诺循环”知识点中的思维逻辑训练
在大学物理教科书中,“卡诺循环”知识点通常放在“循环过程”章节中进行讲授。教科书中通常不会介绍卡诺循环是如何推导出来的,这导致学生通过会通过死记硬背的方法去记住卡诺循环的四个过程。如果我们能从卡诺角度,也就是研究者的角度,了解是如何推导出卡诺循环的过程的话,就能够很好的理解卡诺循环的四个过程。这里以此知识点的教学为例,介绍如何进行科研逻辑训练。
首先,我们要介绍卡诺循环的研究背景,让学生了解卡诺循环研究时代意义。因此,我们先得介绍:19世纪初,虽然蒸汽机在工业、交通运输中已经广泛使用,但是蒸汽机效率仍然非常低,不到5%。这导致当时工业界普遍关心两个问题:第一,热机是否有极限?第二,什么样的热机工质是最理想的?由于当时相关的理论也未形成,因此卡诺在这样的背景进行研究。然后,我们需要接着介绍但是人们对“热量”这个概念的基本认知,让学生清楚:在卡诺那个时代,人们相信的是“热质”说。此理论认为,热是一种称为“热质”(caloric)的物质,是一种无质量的气体,物体吸收热质后温度会升高,热质会从高温的物体流到低温的物体。在热机大范围应用前,人类的大规模的动力通常来自水力,通过水轮机转换能量,水流从高处流向低处过程与热质从高温物体流向低温物体过程,看上去非常相似。因此,启发学生认识到:卡诺极有可能利用热机与水轮机对比进行思考,把“热质”从高温流向低温,推动热机做功,类比于水流从高处流向低处,重力推动水轮机做功一样[11]。通过这个类比,启发学生,卡诺可以得到一个重要结论:热动力机至少工作于一个高温热源和一个低温热源之间。
第二,继续通过热机与水轮机的对比,卡诺可能还考虑到,水流从高处流向低处时,如果不放置水轮机,会造成水流做功的损失。同样,工质与热源间传热时有温差的话,热源先要将工质加热到与热源相同的温度,这样就会引起做功的损失。因此,吸热时工质应与高温热源的温度极为接近,而放热时工质与低温热源的温度也应极为接近。理想情况下,工质在高温热源温度下实现定温吸热过程;工质在低温热源温度下实现定温放热,这样热机才是具有最高的效率。
另外,卡诺可能还注意到:蒸汽动力装置的给水泵中,水被绝热压缩,压力升高,但水的温度不升高,低温的给水在锅炉中自热源吸热时,温差很大热量损失大。于是,卡诺提出如果以空气作为工质的设想,因为空气绝热压缩时温度升高,如果升高到与高温热源同温度下定温吸热,就可避免损失。并且在理想情况下,为了减少损耗,工作物质在不和热源接触时,没有热量的损失,必然为绝热过程。这样我们就通过已知背景知识,一步一步推导出:卡诺循环是由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成。当然,我们在课堂上,要特别强调“热质”说是不正确的,循环过程中传递的不是“热质”而是热量。
 
2.教学中的注意事项
首先,大学物理教师需熟悉物理学史,在宏观上了解历史上某一物理问题的研究过程。对具体某一个物理现象要有较为深入的了解,如科学家是如何思考,如何做实验,最后采取什么样的方法,得出具体的结论。只有这样,教师讲授过程中,才能从已有的知识,引导学生思考,从而构建知识网络,理解相应的知识点[12]。而不是直接记忆,或者从现代已知的知识体系去理解知识点。
第二,进行逻辑训练的具体问题需要仔细挑选。挑选难度适中的问题,学生有一定知识储备,而又不能太过简单。训练问题讲解时间5~10分钟内为宜。太短起不到思维训练的目的,时间太长可能挤压其他知识点的讲解。
第三,思维逻辑训练过程完成后非常适宜进行思政教育。因为任何知识的探索过程都不是一件容易的事情,科学家探索问题的过程必定是曲折的,科学家在研究过程中表现了的坚持不懈锲而不舍的探索精神是值得我们学习的。
 
六、结束语
在理工科学校中,由于基础学科的劣势,大学物理课时被大幅压缩,逻辑思维课程则被普遍忽视。在少学时的情况下,在大学物理教学中引入科学思维逻辑训练,不仅能够一定程度上缓解少学时对大学物理知识体系逻辑性的破坏,还能够最大程度地发挥课程本身的优势,对学生进行有效地科学思维逻辑训练,节约了高校的人力资源。在大学物理教学中进行科学思维逻辑训练,通常以历史上科学家研究此物理问题的角度进行教学,从已有的背景知识,引导学生从研究者的角度进行思考,构建知识网络,从而理解相应的知识点。因此,大学物理教师需熟悉物理学史。进行逻辑训练的知识点要难度适中,讲解时间5~10分钟内为宜。思维逻辑训练过程完成后还非常适宜进行思政教育。
参考文献
[1] 顾晓安, 基于逻辑思维训练的大学生教学与指导方法探索[J], 黑龙江教育(高教研究与评估), 2020, (06): 7-8.
[2] 袁建辉, 俞师, 彭雯琦, 陈斯颖, 浅谈物理学史在大学物理课堂教学中的作用[J], 教育教学论坛, 2020, (04): 352-353.
[3] 李树发, 陈春雷, 少学时大学物理教学中存在的问题及教学改革[J], 现代职业教育, 2019, (04): 100-101.
[4] 赵学阳, 鲁婷婷, 高辉, 杨爽, 赵婧瑜, 应用型本科院校大学物理教学改革的探索与实践[J], 科技风, 2020, (19): 67.
[5] 王新练, 杜亚冰, 董海鹏, 黄晓亚, 王文芳, 大学物理教学的困境与思考[J], 安庆师范学院学报(自然科学版), 2012, 18(01): 104-107.
[6] 薛小刚, 徐娟, 蔡平, 熊健, 科研融入大学物理教学,促进创新思维培养[J], 科技视界, 2018, (12): 60-62.
[7] 文晓霞, 袁令民, 李凌, 冯友君, 王强, 基于新工科理念的大学物理课程教学改革与思考[J], 科技经济导刊, 2020, 28(03): 113-114.
[8] 吴昊, 杨治辉, 大学物理和高中物理在教学思想上的差异分析,  2020教育信息化与教育技术创新学术研讨会年会中国重庆, 2020, pp. 2.
[9] 胡楚芳, 胡银根, 大学教育要重视逻辑课程的设置[J], 宜春学院学报, 2020, 42(07): 117-120.
[10] 张雷, 黄志敏, 张荣, 郭治天, 刘海顺, 发挥物理基础课程优势 聚焦科学思维能力培养[J], 教育教学论坛, 2020, (30): 245-246.
[11] 白静, 赵龙, 基于潜科学分析理念的“卡诺循环”教学课件设计[J], 湘潭师范学院学报(社会科学版), 2009, 31(06): 170-171.
[12] 唐焕芳, 如何引入物理学史改进大学物理教学[J], 现代物理知识, 2003, (04): 51-54.