具體、實用和簡單化(CAS)的理工科課程創新能力培養策略

王艷輝　周文革

摘 要 本文分析和凝練了高等學校理工科課程的“抽象內容具體化、課本知識實用化、復雜問題簡單化”的CAS教學策略。以大學物理課程為例，介紹了其創新能力培養功能：具體化培養興趣，實用化引導主動性以及簡單化培養創新能力。

關鍵詞 具體化;實用化;簡單化;創新能力培養;理工科課程

中國已經完成全面建成小康社會的歷史任務，進入創新型國家行列，必須深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，培養造就大批德才兼備的高素質人才[1]。對于高等學校教育，教育部印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》明確指出：理學、工學類專業課程要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感、提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力、激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當[2]。

高等學校理工科課程如何實現上述的教育目標？ 《綱要》明確指出“結合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物無聲的育人效果?！盵2]大學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象直接呈現，因而較為抽象難懂;大學理工科課程均具有很強的實用性，它們的知識廣泛運用于現代生活、前沿科技中;大學理工科課程均蘊含大量創新能力培養元素，所有規律、定理、方法等的發現過程都運用了各種復雜問題簡單化的能力。針對大學理工科課程特點，作者在2010年提出了教研融合、思政融入的“雙三結合”教學模式[3]，并給出了類比學習法的具體實例[4]。經過多年經驗積累，本文提出“抽象內容具體化、課本知識實用化、復雜問題簡單化”（CAS）的理工科課程創新能力培養策略?！俺橄髢热菥唧w化”激發學習興趣，以興趣為基礎，通過“課本知識實用化”引導學習主動性，并在眾多“復雜問題簡單化”的能力培養范例中提升創新能力。以下結合大學物理課程，分別進行闡述。

1 抽象內容具體化，增加趣味性

如前所述，大學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象直接呈現，因而較為抽象難懂;大學理工科課程均強調內容的科學性嚴謹性、包含大量的公式因而略顯枯燥乏味。然而研究表明，當學習過程本身讓學生感覺有趣、愉快時，他們表現出積極、主動的學習行為[5]?？梢?，有趣的內容、能帶來愉悅體驗的學習過程將促使學生主動接受知識，從而在學習過程中耳濡目染地接受思維能力訓練，在潛移默化中接受熏陶。因此我們采用“抽象內容具體化”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抽象的原理、現象等，降低學生學習難度;用有趣的工作、生活場景創設趣味學習情境，提高學生學習的愉悅體驗。

例如，在講解多普勒效應時，學生很難理解“當接收者靠近波源，接收頻率增大”這一物理現象，課程設計了動畫，圖1為動畫截圖① 。從動畫中可以直觀地看到，波源（喇叭）發出聲波，聲波向右傳播;dt 時間內，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，當接收者靜止于A 處，能夠接收到的波數為BA 段，當接收者靠近波源，能夠接收到的波數為BC段，因此由于接收者靠近波源，dt 時間內多接收到AC段的波數，接收頻率增大?？梢娊柚鷦赢嬛庇^呈現抽象的物理量變化或物理過程，能讓抽象難懂的內容變得直觀易懂有趣，從而降低學習難度，并增加學習趣味性。

除了動畫，大學物理課程還通過熟悉的生活場景幫助學生理解物理知識。例如用雨滴打擊傘面產生壓強幫助學生理解氣體分子壓強，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位相類比幫助學生理解波函數的三種形式，用飲料罐的各種狀態直觀有趣地說明熱力學系統的分類等① 。這些生活情境實現了“抽象內容具體化”，使內容易懂易記、生動有趣，從而激發學生學習積極性，并在多次訓練中培養思維能力，在潛移默化中接受熏陶。

2 課本知識實用化，提高主動性

如前所述，大學理工科課程均具有很強的實用性，它們的知識廣泛運用于現代生活、前沿科技中[6]?！罢n本知識實用化”（實用化，application，簡記為A），即是利用各種形式，包括制作和教材內容配套的線上課程等，充分講解知識點在現代生活、各個專業領域的具體應用，并依據“適時、適量、最優”的原則精選應用實例，有機融入課堂教學。

例如在剛體定軸轉動的動能定理一節，將迪斯科轉盤模型化，如圖2所示，分析如何控制迪斯科轉盤轉速以保障安全運行;在角動量定理一節，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動冠軍如何實現優美的轉體動作;在理想氣體狀態方程一節，分析氣溫隨高度遞減的規律和原因、高海拔地區水燒不開的原因;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用;介紹大學物理知識在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年諾貝爾物理學獎工作中的應用①，② 。

大量的生活實例、前沿科技實例展示了知識的力量與科技的魅力，讓學生深刻體會到“學有所用”，從而提高學習的積極主動性，形成“學以致用”的意識和習慣、培養崇尚科學、獻身科學的精神。

3 復雜問題簡單化，培養創新能力

核心規律一般都是簡單的，但是它卻隱藏在復雜的現象之中?？茖W家們在長期的研究過程中總結出一套研究和發現規律的有效方法，即去除復雜的表面想象，使復雜問題簡單化（簡單化，simplification，簡記為S），從而找出本質的規律。復雜問題簡單化的能力是創新思維能力的精髓。數學家斯坦·古德爾郵的一句名言是，數學的本質不是把簡單的事情復雜化，而是把復雜的事情簡單化。對數學如此，對研究自然界的物質結構和運動基本規律的物理學更是如此。作為高等學校理工科各專業的基礎課程，大學物理課程有機融入了近百例思維能力訓練② ，以提升學生復雜問題簡單化的能力，從而培養創新思維和解決實際問題的能力，促進創新人才、拔尖人才在前沿科技領域的成長?！皬碗s問題簡單化”能力訓練包括如下方面：

建立物理模型。模型的方法是辯證唯物主義矛盾論中重點論的方法，通過訓練，學生形成分析問題、解決問題抓住主要矛盾、矛盾的主要方面進行研究的思維習慣和能力。物理學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論，在研究時，根據所討論問題的基本要求，保留研究對象或過程的基本特征，進行理想化的簡化，使其可以用數學語言描述。物理學的研究對象一般較為復雜，因此建立物理模型是一種很重要的復雜問題簡單化的能力和研究方法。除了質點模型、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，大學物理課程中設計了多例建立物理模型的訓練。例如圖2中的將迪斯科轉盤模型化;在角動量定理章節，將舂碓模型化為質點繞定點的轉動問題② ;在分析高海拔地區水燒不開的原因時，講解氣體壓強隨高度的變化，因而建立氣體溫度不隨高度變化的模型[7]。

透過現象看本質。本質是事物的根本屬性，是構成事物各要素之間的內在聯系?，F象是事物的外部聯系和表面特征，是事物的外在表現[8]。任何實際的物理過程，各要素間的關系往往錯綜復雜，本質有時也以假象呈現，從而誤導觀察者得出錯誤的結論，例如亞里士多德認為重的物體比輕的物體落地快、羅馬教皇擁護地心學與哥白尼認為太陽是宇宙的中心等。這就要求科學研究要善于觀察、深入思考，透過事物的外在聯系和表面特征，研究事物的根本性質。透過現象看本質給解決撲朔迷離的復雜問題指明了方向，因而實現復雜問題簡單化。

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

科學的實驗方法。物理學是以實驗為基礎的學科，實驗可以直接呈現結果，可以直觀呈現物理現象，從而實現研究、學習簡單化。大學物理課程充分利用現場實驗、實驗視頻或動畫、實驗圖片直觀展示物理現象、物理過程。例如，在能量按自由度均分一節，通過觀察桌球游戲中球的運動變化，理解x 方向的動能向y 方向、z 方向以及轉動自由度轉移;又如前面提到的華人科學家葛正權實驗、水波演示多普勒效應實驗、沖量與動量關系的實驗、伽爾頓板實驗……① 這些課程實驗使學生掌握科學的觀察和實驗的方法，牢牢地樹立實踐檢驗真理的世界觀。

極限的思維方法。物理學中的一般規律普遍適用，研究相對簡單的極限情況，容易得出問題的基本結論，實現復雜問題簡單化。例如用圖表法和極限的分析方法，得出熱力學概率的特點;伽利略斜面實驗中，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。物理學的某些研究對象具有相同的根本性質，我們在講授類似的現象時，會引導學生靈活運用類比法來研究和學習，使學生逐步形成透過現象看本質的能力、知識遷移能力，并建立普遍聯系的世界觀和方法論。例如在講電勢、電勢能的定義時，通過復習重力勢能函數、彈性勢能函數、萬有引力勢能函數，同學們自己推導得出電勢能函數、電勢的表達式。這種經過精細加工的學習內容，將在頭腦中形成長時間記憶存儲[9] 。

課程還有機融入了其他辯證思維能力訓練，如過程和要素、分析與綜合、歸納與演繹、批判地繼承等。大量科學思維能力訓練有效提升了學生的創新思維能力和解決實際問題的能力，從而實現了課程高階性。

除了能力訓練，課程還精選思政元素，進行品德培養和價值引領。通過對神舟十七號載人飛船、墨子號通信衛星、華人科學家葛正權實驗、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，進行愛國主義教育，激起學生民族自豪感。

4 實踐效果與討論

通過CAS教學改革，學生的學習興趣、知識掌握程度、自主學習意識、思想素養、創新能力等都顯著提升，主要表現為：

其一，學生的學習積極性明顯提高。這表現為課堂到課率提高，達到98%;考試通過率提高，高于96%;優秀率提高，學生成績分布向高分端偏移，如圖3所示（以2021年、2023年的成績為樣本）。學生對課程的滿意度提高，學生對大學物理課程任課教師的評分都在90分以上，遠高于其他科目。

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

其三，學生的社會服務意識明顯加強。例如，學生能積極參加三下鄉志愿者活動、科普志愿者服務活動，并多次被省級、校級媒體報道。

經過多年建設，大學物理創新能力培養模式日趨完善，課程思政模式得到了廣泛的認可，并在2021年被認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。

這些實踐表明，大學物理課程通過“抽象內容具體化、課本知識實用化、復雜問題簡單化”實現創新能力培養的課程思政模式是行之有效的。大學物理課程將通過線上課程動態學習數據捕捉學生的學習狀態和效果，綜合線下的學生反饋情況，持續改進教學內容、教學方法、教學模式，為各專業更多高素質創新型人才的涌現打好基礎。

與大學物理類似，大學理工科課程的主要教學內容均為對研究對象的認知、對復雜問題的處理，它們的知識也都廣泛運用于現代生活、前沿科技中。因而“抽象內容具體化、課本知識實用化、復雜問題簡單化”的課程思政模式同樣適用于大學其他理工科課程?！敖虩o定勢，學無定法”，很多其它教學模式成效顯著，例如清華大學王青教授的小班翻轉課堂就很成功[10]。

建設教育強國，是全面建成社會主義現代化強國的戰略先導，建設教育強國，龍頭是高等教育[11]。躬耕教壇、強國有我，高等學校的每門課程都要發揮好育人作用，構建“全員全程全方位育人大格局” [2] ，為早日實現教育強國目標而共同努力。

參考文獻

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