（课程与教学论专业论文）大学物理实验教学中培养学生创新能力的研究.pdf

大学物理实验教学中培养学生创新能力的研究 摘要 面对当前大学物理实验教学中忽视学生创新能力培养的现状，本文分析了大 学生的创新能力结构，在调查大学生在物理实验学习中创新能力状况的基础上， 提出了大学物理实验教学的新模式一一探究型教学模式和开放型教学模式，并且 设计了具体的课例。这种教学模式以建构主义教学理论、非线性自组织理论，后 现代主义教育教学观为指导充分体现大学物理实验培养学生创新能力的内在功 能。为了实旅好新的教学模式，发挥大学物理实验培养学生创新能力的载体作用， 本文进一步阐述了大学物理实验内容的选题与开发，并对培养大学生物理实验创 新能力的途径进行了探讨。 关键词：大学物理实验教学：创新能力；内在功能；教学模式；实验选题与开 发 r e s e a r c ho nc u l t i v a t i n gc o l l e g es t u d e n t s a b i l i t yt oi n n o v a t i o n i nt h ep h y s i c a le x p e r i m e n t t e a c h i n go fc o l l e g e a b s t r a c t i nt h ef a c eo fi g n o r i n gc o l l e g es t u d e n t s a b i l i 锣t oi n n o v a t i o ni nt h ep h y s i c a l e x p e r i m e n tt e a c h i n g ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo fa b i l i t yt oi n n o v a t i o no f c o l l e g es t u d e n t s o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o nt o c o l l e g es t u d e n t s a b i l i t yt o i n n o v a t i o ni nt h ep h y s i c a le x p e r i m e n to fc o l l e g e ，t h en e w t e a c h i n gm o d e l s ，e x p l o r i n g a n do p e n i n gt e a c h i n gm o d e l ，a r ep u tf o r w a r da n dt h et e a c h i n gp l a n sa r ed e s i g n e d a c c o r d i n gt oc o n s t r u c t i v i s tt e a c h i n gt h e o r y 、n o n l i n e a rs e l f - o r g a n i z a t i o nt h e o r ya n d p o s t - m o d e r n i s tp e r s p e c t i v e so ne d u c a t i o na n dt e a c h i n g ，t h e s em o d e l sf u l l yi n c a r n a t e s t h ei n h e r e n tf u n c t i o no fp h y s i c a le x p e r i m e n tt h a tc u l t i v a t e st h ei n n o v a t i v ea b i l i t yo f c o l l e g es t u d e n t s i no r d e rt of u r t h e rc a r r yo u tt h en e wm o d e l s ，t h i sp a p e ra l s o e l a b o r a t e st h es u b j e c t s e l e c t i n ga n d e x p l o i t a t i o no ft h ep h y s i c a le x p e r i m e n tc o n t e n t f i n a l l y , s e v e r a lc o r r e l a t i v ea p p r o a c h e sa r ed i s c u s s e do n k e yw o r d s ：p h y s i c a le x p e r i m e n tt e a c h i n go fc o l l e g e ；a b i l i t yt oi n n o v a t i o n ； i n h e r e n tf u n c t i o n ；t e a c h i n gm o d e l ；s u b j e c t s e l e c t i n ga n de x p l o i t a t i o n o fe x p e r i m e n t 插图清单 图2 一l 创新能力结构1 0 图2 - - 2 创新能力结构关系图1 0 图2 3 好奇心和求知欲分布直方图1 3 图2 - - 4问题意识统计分布直方图1 4 图2 5直觉思维和逻辑思维能力统计分布直方图1 5 图2 6 发散思维能力、批判思维能力和想象思维能力的统计分布直方图1 7 图2 7 动手能力、交流合作能力、观察能力统计分布直方图1 9 图2 8 动手应用能力统计分布直方图2 0 图2 p 9 反思与评价能力统计分布直方图2 0 图2 - - 1 0 创新能力各因素变化趋势2 2 图4 1惠斯通电桥和菲涅尔、牛顿环干涉图样3 6 图4 2 光栅形成远景3 8 图4 3 光栅形成近景3 8 图4 4 研究二极管的伏安特性曲线电路图3 8 图4 5 二极管伏安特性曲线3 9 图4 6惠斯通电桥电路图4 0 图4 7霍尔效应原理图4 0 图4 8霍尔效应应用示意图4 0 图4 9 有故障的惠斯通电桥电路示意图4 1 图4 一l o 光杆杠法测杨氏弹性模量4 2 图仁1 l 非平衡电桥原理图4 3 图5 一l探究型教学环节流程图4 8 图5 2 金割效应物理摆仪器示意图4 9 图5 3m a t l a b 模拟金割效应物理摆周期的最小点位置5 0 图5 4 计算机采集数据示意图；“5 l 图5 5金割效应物理摆数据处理软件界面5 1 图5 6 计算机采集处理数据绘制的曲线5 3 图5 7网上预约实验流程图5 7 图5 8开放型教学环节流程图5 9 图5 9网上预约界面6 0 图5 1 0 二阶响应电路原理图6 0 图5 1 l 二阶响应电路连接电路图6 2 图5 一1 2 二阶响应电路欠阻尼波形图6 2 图5 一1 3 二阶响应电路l f 缶界阻尼波形图6 3 图5 一1 4 二阶响应电路过阻尼波形图6 3 图5 一1 6 欠阻尼状态轨迹6 4 图5 一1 7 临界阻尼与过阻尼状态轨迹6 4 图5 1 8 二阶响应电路创新设计图6 5 图6 - - - 1热声制冷实验装置7 0 图6 2应用热敏电阻改进设计电路图7 l 图7 一l地震报警器电路7 3 表格清单 表2 - - 1态度和频率强度划分表1 2 表2 2 好奇心和求知欲的调查结果1 2 表2 3问题意识的调查结果1 3 表2 4 直觉思维和逻辑思维能力调查结果1 4 表2 5 发散思维能力、批判思维能力和想象思维能力的统计表1 5 表2 - - 6 动手应用能力、交流合作能力、观察能力调查表1 7 表2 7 应用能力调查结果表1 9 表2 8反思和评价能力四个问题的统计结果2 0 表2 9 创新能力各因素平均值的检验2 1 表2 一l od u n n e t tt 3 法比较创新能力各因素平均水平的差异2 l 表2 1 1 创新能力各因素相关系数2 2 表2 1 2 因子分析法相关矩阵2 3 表3 一l建构主义学派分类表2 6 表3 2 非线性自组织理论与教学应用对照表3 0 表5 1金割效应物理摆测量数据5 2 表5 2 补充数据表5 3 表5 3 计算结果表5 4 表5 4 实验仪器列表6 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得 金鳇至些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过 的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示谢意 学位论文作者签字别向兰签字眺叩年月罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒肥王些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅或借阅本人授权 金胆：些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：，1 ，。；，苣 签字日期妒7 年厂月7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址； 电话： 邮编： 磅， 议“之年 秘川 名 翘 签 日 师 字 导 签 致谢 在我的导师梅忠义副教授的精心指导下，本人完成了毕业论文的相关研究工 作和撰写三年的研究生学习使我感受颇深的是导师严谨治学的态度和深厚的学 术造诣，是导师的悉心指导使我能够顺利完成这篇论文，谨此向我的导师表示衷 心的感谢! 同时，我要感谢理学院的各位领导和各位老师对我的教诲，我相信在将来的 工作和学习中，这些教诲会对我产生重大影响 感谢何晓雄院长、邓铁如教授对我的教导和帮助 感谢罗乐副教授、马力平副教授、高峰副教授、邓小玖教授对我的教导。 在我做论文期间，赵瑛老师、倪菱湖老师、胡亚敏老师对我提供了无私的 帮助，在此一并表示深切的谢意! 我还要感谢我的研究生同学罗正平、宋玉梅、王乐乐以及其他同学在我学 习期间对我的无私帮助和热情支持。 最后，我要感谢我的父母和家人对我多年来的无私支持、关怀和照顾，再次 向他们表示敬意! 作者：刘向远 2 0 0 7 5 2 第一章绪言 1 1 研究问题的提出 人类进入2 l 世纪，知识经济成为社会发展的重要特征。知识经济是种以 创新为主导的经济，它涉及到知识创新、科技创新，管理创新、理论创新、制 度创新、教育创新等等方面在发达国家经济发展中，美国和日本的经济增长 率6 0 一8 0 来自于科技创新，而我国的仅为3 9 【1 1 由此看出，创新对社会经 济发展起着重要作用 然而，创新的主体是创新人才，而衡量创新人才的重要指标是创新能力1 2 1 从某种意义上讲，人人具有创新能力但是，知识经济的快速发展急需要高素 质的创新能力，这样的创新能力从何而来? 由此，人们不约而同地把目光投向 了对培养创新人才承担重任的各级各类高校。 确实，高校是人才培养的中心，然而高校从事创新教育要以一定的课程为 载体。对于高等工科院校，大学物理实验几乎覆盖了所有专业，常常是工科大 学生进入大学后首先接触到的实践课，也是他们进行科学探究活动的第一阵地， 因此，大学物理实验具有良好的创新教育功能，对于培养大学生的创新能力有 着特殊的作用。其具体表现在口l ； 一大学物理实验课是理论与实践相结合、动脑与动手相结合、发现问题 与解决问题相结合的课程。 二大学物理实验课是观察与实验相结合、思考与判断相结合、个性与共 性相结合的课程。 三大学物理实验课是学生在教师指导下独立进行的教学环节。在大学物 理实验课上，需要独立思考的习惯，需要一丝不苟的态度，需要持之以恒的精 神，需要勇于创新的勇气 但是，当我们考察一下当今大学物理实验教学的现实情况，却让人感到大 为惊诧。 在工科高校教学中，大学物理实验作为基础学科，其创新教育功能和载体 作用早已为人们所共识，在培养学生创新能力方面的作用和地位是显而易见的。 而具有讽刺意味的是，人们一边强调实验教学对培养学生创新能力的重要性的 同时，另一边又做着“自食其言”的事，好像教的是大学物理实验，至于学生 的创新能力却抛在脑后。口头上，文章里大谈实验教学与能力培养相结合的多 了，实际上，大学物理实验教学越来越偏离其创新教育功能，走向无人问津的 荒凉境地，以至于问题越来越多，形势越来越严峻 首先，大学物理实验教学与培养学生创新能力相剥离。这表现在对教学效 果的评价过高上，几乎所有的人都认为实验教学改革能够带来全面教学改革的 突破性进展，实验是培养学生动手能力的有效手段，学生只要能完成实验要求 的目标，创新能力就能有所发展表现在教学程式的呆板上，尽管许多人大声 疾呼改变不适应培养学生创新能力的教学模式，但是这种教学模式好像天生就 是这样，一方面，教师苦口婆心地讲解，黑板上图解清晰，步骤鲜明，另一方 面，学生按部就班，照葫芦画瓢，一做就会至于学生到底学到了什么，就连 学生自己也不清楚：大多数教师干脆什么也不问教师和学生都有同一种感觉： 实验做完就算完了吧l 何必苦苦追阀试问：这样的教学结果除了给学生带来 得过且过的经历，还有什么呢? 这样的教学模式还能继续下去吗? 其次，实验内容不适应学生创新能力发展的需要。大家都知道有的传统实 验已经做了几十年了，时代发展了，有的仪器不用了，被新的手段取代了，是 否还有再做的必要了? 有的实验太复杂，学生感到厌恶；有的实验太简单，不 能启迪学生的思维在实验内容上是否给以适当的优化组合，使其符合学生能 力发展的需要呢? 如今，以学生为中心了，学生想的多了，个性多样化了，学 生自己想做的东西多了，那么，我们能否考虑在现有的实验室水平基础上开发 和扩展实验内容，让学生有更多喜欢做的，而又乐于去思考的实验呢? 能否给 学生自己动手研究探索开辟更广阔的途径昵? 甚至让学生超越实验室的禁锢走 向大自然的氛围呢? 再者，实验教学的投入较多，而学生应得的创新能力甚少教师从准备实 验到上课讲解、辅导，一个内容用上好几个小时，学生从预习到做实验也要用 上好几个小时，二十至三十个实验做下来，教师和学生的时间和精力投入很多， 教师很累，学生很苦，然而学生能力提高甚微，这对教和学的双方是不是划算 呢? 另外，现成的实验仪器用的多了，动手做的反而少了；实验的具体过程提 示多了，而学生自己思考的反而少了，整个实验做下来，以一份实验报告作为 评价，多少让人感觉有些缺憾。实验教学的高投入与实际教学效果的巨大落差 虽早已存在，但确实也再度成为普遍关注的热点，以至于在一些大学中，为数 不少的人甚至主张取消基础物理实验课程1 4 j 再次，由于计算机和网络技术的高速发展给传统实验教学带来了挑战。一 方面，计算机用于实验采集和处理数据，学生的某些认知过程无形中被取代了； 另一方面，一些实验以模拟和仿真的形式在网络间传播。原先可以直接用感官 完成的任务，现在被鼠标与键盘取而代之了。有人甚至主张有了如此简单的高 技术手段，何苦再费时费力做那些相比之下陈旧落后的实验呢? 看来，如何正 确运用计算机和网络技术达到提高学生创新能力值得我们深思。 或许，有人认为：你所说的是大学物理实验教学中的一些现实问题，但是， 这么多年来，我们不是以这种方式“生产”出了许多社会上的中坚人物吗? 他 们如果缺少创新能力，我们的社会如何有今天的辉煌成就呢? 这样的说法有其 正确的一面，但是只要我们看看一些发达国家的情况，再审视一下国内，与别 人相比差距有多么明显，与自己的期望值相比差距有多大! 这不禁让我们扪心 2 白问：是我们的教师有问题? 还是我们的学生有问题? 再不，就是我们所依据 的教育理论有问题? 然而，教育不承认学生无能，教育学理论也是几经检验的 真理，教师本身也不是症结所在 那么，我们到底该怎么做呢? 笔者认为：该是我们重新认识学生创新能力 结构的时候了；该是我们改变传统的实验教学模式的时候了t 该是我们重新设 计实验内容的时候了为了达到这些目的，通过对现实的判断，同时基于对实 验教学的思考，笔者认为有以下几个主要研究的问题： 一、调查大学生在物理实验学习中创新能力的状况，分析大学生的创新能 力存在哪些问题7 二、从分析现实问题出发，怎样以教育理论为指导，把大学物理实验刨新 教育功能与培养学生创新能力相结合，从而构建培养大学生创新能力 的物理实验教学的新模式? 三、如何使物理实验内容与教学模式相配套? 探讨实验内容的选题与开发 问题。 这三个问题是相辅相成的，相互联系的，具有一定的层次性和结构性 笔者意在通过研究寄寓以下厚望：( 1 ) 解决大学物理实验教学中培养学生 创新能力的一些实际问题，从而对当前实验教学改革具有一定的指导意义和参 考价值。( 2 ) 在大学物理实验教学中，使忽视学生创新能力培养的形势得到扭 转，创新观念深入大学物理实验教学之中 1 2 研究的内容、方法、现有条件及解决办法 根据前面提出的所要研究的问题，本论文研究的内容主要是如何构建培养 学生创新能力的大学物理实验教学模式，教学模式的具体详述以笔者参与过的 教学实验为基础逐步展开，在此之前，首先调查分析大学生创新能力结构中存 在的问题，得出具有建设性的结论，作为教学新模式的直接依据，调查的内容 主要涉及创新意识、创新思维能力、创新实践能力、反思和评价能力。另外， 为了正视现实问题，解决问题，理论的视野和高度是至关重要的。如今，建构 主义关于学习、认知和能力的理论，已成为指导教学研究与实践很有影响力的 理论。再者，勃勃兴起的非线性机制的自组织理论，从自然科学的新视角出发， 成为指导培养学生创新能力的新理论。还有，后现代主义关于教育教学的理论， 对教育教学提出了前所未有的新观点，让人耳目一新。最后，探讨研究性实验、 设计性实验、综合性实验的选题与开发以及培养学生创新能力的多种途径 本论文以具有代表性的几所理工科大学的有关专业大学生为抽样调查对 象，以合肥工业大学物理实验中心为依托，该中心有很强的师资条件，高素质 的业务水平，实验设施齐全，在全国理工科大学中具有一定的代表性因此所 得结论具有较普遍的意义 论文研究的方法尽量做到多样化，主要有文献法、闯卷调查法、比较法、 案例分析法和理论分析法为了弄清学生在实验过程中创新能力存在的问题， 特别编制了一套问卷，对学生进行调查研究；论文应用建构主义教学理论、非 线性机制的自组织理论以及后现代主义的教育教学观进行理论阐述；列举案例 并进行理论分析；另外，做纵向与横向比较能够看清楚问题的本质，在文中还 引用了大量的文献 笔者在导师的指导下，深入物理实验课堂听课并作调查研究，了解到大学 物理实验教学中存在的问题；参与了有关设计性实验、研究性实验、综合性实 验的开发和研制，掌握了一部分实验资料；通过上网、浏览图书和学术性杂志 等等，查阅到相当多的相关资料，这些环境和经历构成了笔者研究此课题的现 有条件。 当研究进一步深入时，笔者采取以下办法来解决问题：作问卷调查，了解 学生物理实验方面的创新能力情况；争取物理实验教师的帮助，将改革思路应 用于物理实验教学；访谈老师和学生，虚心听取他们的意见和建议；进一步深 入实验教学和相关科研，充实内容并完善研究中存在的不足；搜集更多的相关 文献资料，及时掌握国内外有关研究的新动向，进行对比研究等等。 1 3 本文所涉及的概念及其界定 本文所使用相关概念主要有创新、创新能力、大学物理实验、大学物理实 验教学、教学模式等等。 创新一一普遍意义的理解是指：发现新事物，提出新理论，有所新发展、 新运用并有新成果产生的过程创新的本质是指有不同于往常的、积极意义的 “新”。它的意义和“创造”( c r e a t i v i t y ) 一词紧密相连，与“革新”( i n n o v a t i o n ) 一词相互包容，因此可以说，创新具有创造与革新的合成含义，体现出新颖性、 继承性、变革性、价值性、先进性的特征。人类社会的历史就是不断创新的历 史，创新是人类社会的主旋律，创新与人类社会共存，共同发展。物理学与人 类社会发展紧密联系，它的每一次创新都对人类社会产生了举足轻重的影响， 能够充分体现出创新的本质含义 创新能力一一是指创新主体在发现新事物、提出新理论、实践新成果过程 中所表现出的创新意识、创新思维能力、创新实践能力、反思与评价能力的总 和。这种能力能够直接影响人在创新活动过程中的活动效率，属于人的个性心 理特征范畴。 大学物理实验一一是用实验方法研究物理学规律的课程，是大学物理学重 要的组成部分，它的一个显著特点是它的实践性。其内容包括力学、光学、熟 学、电磁学以及近代物理的实验内容。具体任务包括：1 ) 物理实验的基本理论 和知识的学习；2 ) 实验技能的训练和动手能力的培养；3 ) 实验数据处理能力 4 的培养；4 ) 实验结果的综合分析和表述能力的培养；5 ) 以物理实验为载体， 进行实验设计能力的培养，实践探索精神和创新能力的培养。其分类大致有验 证性实验、研究性实验、设计性实验、综合性实验等。 大学物理实验教学以大学物理实验课为载体，从教和学的规律出发， 发生在教师、学生和教学媒体之间的认知活动其目的是让学生受到严格的、 系统的实验技能训练，掌握进行科学实验的基本知识、方法和技巧；两且培养 学生敏锐的观察力和严谨的思维能力，培养学生理论联系实际、分析问题和解 决问题的能力，培养学生与动手相适应的创新能力和创新精神。 教学模式是指在一定的教育思想、教学理论的指导下，根据大学生的 心理特点和社会的现实需求，在教育环境中展开的教学活动的稳定的结构形式。 它不是教学方法的简单叠加，而是在正确运用教学媒体和教学方法的基础上， 尊重教学规律，而形成的一整套稳定的教学结构形式 5 第二章大学生创新能力结构的分析与调查研究 2 1 大学生创新能力结构的分析 关于创新能力结构问题，中外众多的心理学家和教育家都发表过争鸣，看 法不完全一致，其中，谈的较多的是创造力结构1 9 9 9 年l o 月，在中国比较 教育研究会第十届年会上，我国著名教育家顾明远教授认为：创新与创造没有 本质区别，区分二者的概念没有太大的意义l ”因此笔者将创造力结构和创新 能力结构融合在一起，探讨大学生的创新能力结构 著名心理学家吉尔福特认为人的创新能力主要包括六个组成部分。即敏感 性、流畅性、灵活性、独创性、再定义性和洞察性嗍 敏感性，即容易接受新事物，发现新问题 流畅性，即思维敏捷，反应迅速，对于特定的问题情境能顺利产生多种疑 问或提出多种答案。 灵活性，即具有较强的应变能力和适应性，具有灵活改变定向的能力。 独创性，即产生新的非凡思想的能力，表现为产生新奇、罕见、首创观念 和成就。 再定义性，即善于发现特定事物的多种方法 洞察性，即能够通过事物的表面现象，把握其内在含义及本质特性。 心理学家托仑斯曾经提出一份含有2 1 个项目的学生创造性鉴定表【7 1 ，具体 包括： ( 1 ) 专心致志地听讲、观察事物和行动。 ( 2 ) 说话和写作时能应用类推。 ( 3 ) 能使眼、手、脑并用于阅读、书写、绘画。 ( 4 ) 认真努力完成老师布置的作业 ( 5 ) 有敢于向权威的观点挑战的倾向。 ( 6 ) 有查对各种原因的习惯。 ( 7 )能精细地观察物体。 ( 8 )愿意把发现的东西告诉别人 ( 9 )即使到时间也继续干。 ( 1 0 ) 能从乍一看无关联的地方看出关联来。 ( 1 1 ) 能把学到的东西应用于日常生活。 ( 1 2 ) 有好奇心。 ( 1 3 ) 自发地应用实验法和发现法。 ( 1 4 ) 有了发现兴奋得发狂 ( 1 5 ) 能设想结果，并证明它的正确性 ( 1 6 ) 很少心不在焉地做事。 6 ( 1 7 ) 能重新组合物体和思想 ( 1 8 ) 敏锐地观察和提问。 ( 1 9 ) 独立自主地决定学习上的研究课题 ( 2 0 ) 探索问题的可能性 ( 2 1 ) 能进一步想出新想法，并使之丰富 根据以上心理学家对创新能力结构的观点，再结合当前很多相关文章论述 有关创新能力结构的概念隅l ，笔者对创新能力结构具有的共同点作如下归纳： 1 、创新意识：是指潜藏在创新主体内心的、意在追求创新的一种心理冲动， 是创新欲望、愿望、观念和思想的总和象吉尔福特提到的。敏感性”以及心 理学家托伦斯提到的( 1 2 ) 、( 1 4 ) 、( 1 8 ) 、( 2 1 ) 项都属于创新意识范畴 创新意识是创新活动的开端。是创新的内在驱动力。创新意识强的人不仅 时时有追求新知识、新发现的欲望，而且常常将创新欲望变成一种自觉行动， 从而以新的视角来看待问题例如物理学家伽利略、牛顿、爱因斯坦等人就有 很强的创新意识伽利略进入教堂，看到被风吹动的吊灯，意识到这个“灯摆” 的周期性。牛顿看到苹果落地不由自主地想到苹果为什么不往天上掉。爱因斯 坦在创建相对论前就意识到光速不变原理的存在正是由于这些科学家具有超 强的创新意识才使得他们能够作出进一步研究从而取得新成果。可以想见，如 果一个人连创新意识都没有，那么何谈什么创新能力，所以创新意识是创新能 力的必要前提。特别对于大学生，强烈的创新意识，能够空前激发他们创新思 维和创新实践行为。 创新意识包括求知欲，好奇心和问题意识。其中，最重要的是问题意识， 它也是创新意识的本质所在。英国哲学家波普尔说；。科学知识的增长永远始于 问题，终于问题一一愈来愈深化的问题，愈来愈触发新问题的问题”。物理学家 的创新之举几乎都来自于问题意识例如，泡利提出“中微子假说”来自于b 衰变的质量不守恒问题，普朗克提出量子假说源于黑体辐射的困惑，薛定谔提 出波函数方程是受到物质波的启发，如此等等因此，对大学生而言，强烈的 问题意识是他们具有创新意识的核心 2 、创新思维能力：是指创新主体在一定的知识、经验和实践基础上，伴随 思维方式的改变而提出新理论、新观点和新想法的思维能力。吉尔福特提出创 新能力结构中有五项属于创新思维能力范畴，托伦斯提出的( 2 ) 、( 5 ) 、( i 0 ) 、 ( 1 5 ) 、( 1 7 ) 、( 2 0 ) 项属于创新思维能力范畴，第( 2 1 ) 项包含有创新思维能 力的成分。 创新思维能力是创新能力的核心，贯穿于创新活动的始终刨新思维能力 强的人，常常能突破传统的思维模式，以崭新的思维方式发现问题和解决问题， 并能获得一系列新成果。世界上，凡是有建树的科学家都有很强的创新思维能 力，象伽利略突破亚里士多德的理论，认识到物体下落与重力大小无关；德布 7 罗意从实物粒子与光子的类比中，推理得出波粒二象性理论等等因此。创新 思维能力是大学生创新能力的集中体现。 创新思维能力主要包括以下五种能力： ( 1 ) 发散思维能力：是指从不同角度或以不同方式分析、解决问题的能力 我们常说的举一反三就属于这样一种能力，吉尔福特提出的流畅性、灵活性、 独创性，再定义性和洞察性基本上属于发散思维能力，托伦斯提出的( 1 7 ) 、( 2 1 ) 项就包含有发散思维的成分 ( 2 ) 逻辑思维能力：是以概念、判断、推理等思维形式，达到对事物本质 和规律认识的思维能力人类社会大多数理论成就都是通过逻辑思维获得的， 能否自觉地应用逻辑思维来创新是衡量一个人创新思维能力的重要标志托伦 斯提出的第( 2 ) 项就属于逻辑思维范畴 ( 3 ) 批判思维能力：是指一种不盲从权威，敢于标新立异的独创性思维能 力批判性思维能将入的思维从传统模式的枷锁下解放出来，从而对同一事物 获得不同于往常的、崭新的认识。托伦斯调查的第( 5 ) 项就属于这种能力 ( 4 ) 直觉思维能力：是指不依赖完整的分析过程与逻辑程序，而是从整体 上把握研究对象，依靠经验和直感，快速地作出判断和结论的思维能力直觉 思维对科学发展起着巨大的推动作用，阿基米德。浴盆中的直觉”产生了浮力 定律就是一例。 ( 5 ) 想象思维能力：是指借助想象进行思维的能力。想象是科学发现的重 要途径。爱因斯坦说：“想象力是科学研究中的实在因素”；量子论之父普朗 克在其自传中指出，创造性的科学家必须具备“对新观点的一种活跃的自觉想 象力，这些新观点不是演绎得出的，而是通过艺术家一般的创造性想象得出的”。 物理学家常常能够通过想象展开思维，例如，爱因斯坦在1 6 岁时曾这样问自己： 如果他能以光的速度跟着光波跑，将会出现怎样的现象昵? 这个看起来十分天真 的问题，使他在以后关于物理学基本问题的研究中，陷入深刻的矛盾之中。十 年执着的追求、想象，终于在一天清晨，在头脑中浮现出同时性是相对的观念， 由此相对论应运而生。瑞士的巴尔末，不受力学系统处理问题的传统观念束缚， 借用几何图形想象氢光谱线波长会趋近于某个极限值，进而猜测到波长之间的 平方关系，建立了巴尔末公式。 3 、创新实践能力：是指创新主体把新思想付诸实施，实现创新成果的行为 能力。托伦斯的调查中，第( 1 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 7 ) 、( 8 ) 、( 9 ) 、( 1 1 ) 、( 1 3 ) 、( 1 6 ) 项就属于创新实践能力，第( 1 7 ) 项包含有创新实践能力的因素。创新活动中， 要检验和实现自己的创新设想，实践是唯一的途径。古人说：“纸上得来终觉浅， 绝知此事要躬行”，这也是从理性认识回归实践的第二次飞跃因此，刨新实践 能力是大学生创新能力结构中不可忽缺的因素。 大学物理实验课最明显的特征是其实践性，从这个角度来看，大学生的创 l 新实践能力应该包括以下几个方面： ( 1 ) 动手应用能力，主要包括这样几种能力：组装仪器的能力，即对实 验仪器进行操作，使之组合成某一套实验装置；调试装置的能力，即对实验装置 进行调试，以达到某一个或一系列的工作点；测量能力，印使用工具测量某些物 理量，从而达到实验目的；数据处理能力，即通过分折、综合实验数据，抽象 出物理量之间的规律；故障处理能力，即当实验进程遇到障碍时，能够想出 办法排除故障；应用能力，即应用所学知识分析新问题，解决新问题的能力， 是动手应用能力的较高层次 ( 2 ) 交流合作能力。是指创新个体之闻交换信息、相互协作的能力现代 科学的发展，越来越需要群体的共同协作来完成。在创新实践中，个体之问的 交流合作能够聚集集体的智慧来克服困难中的关键问题，从而获得巨大成功。 ( 3 ) 观察能力：是指人运用感官作用于客观环境所表现出的精确而敏锐 的并能抓住事物本质特征的认知能力观察力是智力活动的开端，是进行创新 活动的前提条件。评价观察力发展水平的标志为：观察的深刻性、观察的理解 性、观察的敏锐性、观察的全面性 4 、反思与评价能力：反思能力指的是对自己的思想和行为的正确性的一 种监控和调节能力，属于元认知范畴；评价能力是指对自己和他人的思想和行 为是否符合客观实际的认识能力，与自我意识有关自我反思能力和正确评价 能力常常结伴而行托伦斯的调查中第( 6 ) 、( 1 9 ) 项属于这个范畴，第( 2 0 ) 、 ( 2 1 ) 项含有反思与评价能力的成分。 由于创新活动所得的结果具有新颖性和独创性，其正确性需要经过实践的 检验。创新主体对自己要有清醒的认识，既不能妄自菲薄又不能狂妄自大，要 时时反省自己，检查哪些想法是对的，哪些行为有失误。对于认定的真理要坚 定信仰；对错误的观点要勇于放弃或修正。在科学发展史上，象布鲁诺、哥白 尼都能坚持真理，至死不悔，爱因斯坦发表相对论时受到许多人的攻击和谩骂， 但他坚信自己理论的正确性，经过实践的检验，最终证明他的理论是正确的。 正确的评价能力能够使创新主体的创新设想更趋符合客观实际。通过评价 自己，做到有自知之明，认识自己的创新价值的新颖性和独创性体现在哪些方 面，应该采用怎样的措施完善创新步骤。通过评价别人，取人之长，补己之短， 从而完善自我，增强思维的能动性。 从这里很容易看出，自我反思和正确的评价能力能够进一步激发人的问题 意识，强化创新意识。 因此，自我反思和正确的评价能力是大学生创新能力结构中的重要人格因 素，缺少这种因素将会严重阻碍他- t n 仓, j 新能力的发展，破坏创新能力结构的完 整性。 总之，大学生的创新能力结构包括创新意识、创新思维能力、创新实践能 9 力、反恩与评价能力 创新能力结构各要素不是独立的，而是相互联系，相辅相成，环环相扣， 具有系统性的特征。其结构如下图2 一l 所示 刨 新 能 力 好奇心 求知欲 问题意识 动手应用能力 交流合作能力 观察能力 反思能力 评价能力 图卜1 创新能力结构 从创新活动的顺序来看，一般先有创新意识，经过创新思维，接着是创新 实践，最后是自我反思和对正确性的评价。 从相互关联来看，首先，创新思维能力是核心，贯穿于整个创新活动的始 终。其次，创新意识是起点，创新实践是对创新思维的落实，自我反思和正确 的评价能力起“反馈”作用，从而形成一个“正反馈”系统。它们的联系如下 图2 2 所示。 厂 l 1 1 1 i 创 图2 - - 2 创新能力结构关系图 l o 能力 2 2 大学生物理实验创新能力的调查与分析 大学物理实验作为培养大学生创新能力的课程载体，具有创新教育的功能 、i 纠，有着很强的实践性为了明确大学物理实验教学中大学生创新能力的状况， 笔者特别地傲了一次问卷调查研究，通过对调查结果的深入分析找出原因和差 距，以便为大学物理实验教学中如何培养大学生的创新能力提供直接的依据。 2 2 1 大学生物理实验创新能力的问卷调查过程 1 、问卷的设计根据“凡是存在皆可测量”的原理【1 0 】，从学生的实际情 况出发，通过查资料，走访多位专家和教师，吸收他们宝贵意见，经过反复对 比、筛选、修改，最后形成了5 0 个问卷题目这些题目分别考察学生创新能力 结构中四个方面、总共1 2 个小项的内容每个小项至少以2 个相关问题出现每 个问题从态度或频率表现的程度来考查。态度设五个等级：。非常、很、有点( 基 本) 、不、不管( 反对) ”，频率也设五个等级：“总是、经常、有时、很少、从 不”为了使闯卷能反映学生的真实情况，在问卷确定之前，首先在一个4 5 人 的小班进行了一次试测，以便掌握学生答题的时间，了解学生对问卷的看法， 对不足之处又进行了修改，这样提高了问卷的严密性和可适用性问卷的整个 设计见附录1 2 、问卷调查的实施过程本次问卷调查的对象是工科大学生，笔者选取 在工科大学中具有代表性的两所学校一所“2 1 l ”重点大学和一所一般本 科院校作为调查对象，分别随机抽取3 2 5 名和1 8 5 名学生。这些大学生的物理 实验课程接近尾声，有大学物理实验的完整经历，学生分布于1 2 个专业 调查采取集中学生答卷的方式。首先将学生集中于某一班级，由任课教师 做调查动员，消除学生的顾虑，诚实答卷，独立完成，以答完每一道题为有效 问卷，发放问卷5 1 0 份，回收5 0 0 份，回收率9 8 。考虑到学生答卷时的心理 变化有可能对答题结果造成负面影响，经反复比较，舍弃了其中4 0 份问卷，这 样问卷的有效率达到9 2 。问卷的结果运用计算机软件e x c e l 2 0 0 3 和s p s s l 4 0 进行统计处理。 3 、问卷的信度和效度这两个方面是笔者始终考虑的问题，由此在设计时 采取对每个考查点至少用两道相关题来考查，以便计算出分半信度通过加权 赋值，用计算机软件计算得信度系数r = o 8 3 8 。效度采用内容效度来衡量。笔者 深入实际了解学生的实际情况，列出了调查细目表，又参照了一些文献，得到 多位专家和教师的认可，具备一定的内容效度l 。 2 2 2问卷的整体统计结果与分析 作整体统计分析时，为了便于分析，笔者对每个问题的态度或频率表现的 程度作了强度划分，共划分为三个等级：较高或强、中、较低或弱如下表2 一l 所示： 表2 - - i 态度和频率强度划分表 l 、创新意识的表现：一部分学生好奇心和求知欲较弱，大部分学生问题意 识差。下表2 2 列出好奇心和求知欲的调查结果。 表2 - - 2 好奇心和求知欲的调查结果 较高或强中较低或弱总和 1 新的实验前，我感觉到新奇 的频率表现： 2 9 4 8 2 3 l o o 下图2 3 为统计分布直方图。 图2 3 好奇心和求知欲分布直方图 大约1 4 的学生好奇心和求知欲表现较弱。在所设计的有关好奇心的两个 问题中表现较弱的学生分别占2 3 、2 6 ；有关求知欲的两个问题中表现较弱 的学生占2 5 和5 1 。这个结采和人们通常认为的大学生好奇心强、求知欲旺 盛不太吻合，这也说明有一部分大学生在物理实验中的好奇心、求知欲有待提 高。 令人担忧的是大学生在物理实验中的问题意识表现太差。下表2 3 列出了 调查学生问题意识的一组问题及统计结果 表2 3 问题意识的调查结果 较高或强中较低或弱总和 厶墼堑!【塑堑j【墼堑!【墼堑j 5 实验时，我是按照课本上的实验 步骤“依葫芦画飘”，并不认真去想3 9 4 3 1 8 1 0 0 为什么： 下图2 - - 4 为统计的分布直方图： 图2 - - 4 闯愿意识统计分布直方图 由以上统计可看出：大学生问题意识差。这可以解释大学生创新意识差的 主要原因在大学物理实验教学中，教师往往按部就班教学，以完成教学任务 为目标，没有设计较多的问题情境；学生习惯于按本索骥，以完成实验作业为 目标，常常把问题简单化，即使出现问题也很少思考。 2 、创新思维能力的表现：直觉思维和逻辑思维能力相对较强，发教思维能 力、批判思维能力和想象思维能力较差。下表2 - - 4 列出逻辑思维能力( 问题 1 5 - - 1 8 ) 和直觉思维能力( 问题2 3 2 4 ) 的调查结果。 表2 4直觉思维和逻辑思维能力调查结果 1 4 下图2 - - 5 为统计分布直方图 圈2 - - 5 直觉思维和逻辑思维能力统计分布直方圈 在直觉思维方面的两个问题中分别有3 0 、3 2 频率表现较高，5 2 ，4 l 中等；在逻辑思维方面的四个问题中分别有1 5 、2 5 、2 l 、3 4 频率表 现较高，中等频率的人数分别为2 6 、5 4 、4 3 、4 1 。这是由于实验教学 中经常进行这些方面的思维训练，大多数学生往往通过经验和逻辑推理来解决 问题。但是，学生受到逻辑思维训练也存在不全面的问题，例如，问题1 5 的考 察说明约6 0 的学生缺乏相应的训练除此之外，约有2 0 - - 3 0 的学生直觉 思维能力有待提高。 下表2 5 是发散思维能力( 问题l l 1 4 ) 、批判思维能力( 问题l 卜2 2 ) 和想象思维能力( 问题2 5 2 8 ) 的调查结果： 表2 - _ 5 发散思维能力、批判思维能力和想象思维能力的统计表 较高或强 中 较低或弱总和 ! 墼堑!f 墼堑!【墼堑! 墼墅! 1 1 在思考同一物理实验问题时，我 试图用多种方法来解决： l o 4 0 5 0 1 0 0 下图2 6 是发散思维能力、批判思维能力和想象思维能力的统计分布直方图： 1 6 图2 6 发散思维能力、批判思维能力和想象思维能力的统计分布直方图 以上这几个方面最能体现学生的创新思维能力，但是在所考查的有关发散 思维能力和想象思维能力的问题中，竟有高达5 3 的学生频率表现较弱：特别， 批判思维能力的表现耐人寻味，在三个态度问题的考查中，态度反映强度较高 和基本赞同的人数高达7 3 、8 5 、9 1 ，然而频率表现较高的仅1 l ，较弱 的占5 6 。这说明许多学生尽管有批判性思维的意识，但是真正让他们去实践， 能够去做，这样的学生却很少究其原因：( 1 ) 在大学物理实验教学中缺少这 些方面的教学环节。( 2 ) 传统的教学观仍然统治着课堂，基本的教学方式仍是 灌输式，即教师讲，学生按教师所讲做实验。( 3 ) 课堂教学体现的是以。教师 和知识”为权威，学生敢说敢做的个性受到压抑 3 、创新实践能力的表现：动手应用能力、交流合作能力、观察能力总体表 现较强。这与大学物理实验的实践性相一致，学生经常从事实验的基本操作， 喜欢交流信息，互动学习，观察力发展较快。下表2 - - 6 是动手能力( 问题2 9 - - 3