物理培养策略教学

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摘要：探讨直觉思维的特性（整体性、三维性、突发性、随机性）和表现形式（直觉、灵感），结合物理教学实践提出培养直觉思维能力的方法和教学策略：1.重视结构教学，形成合理的认知结构，培养组块思维能力；2.重视整体分析，加强发散思维、优化思维的训练，增强直觉调控能力；3.鼓励大胆猜测，打破思维定势，提高直觉思维的敏锐性和创造性。关键词：直觉思维；灵感；方法场；知识组块；结构教学；直觉调控在物理学研究中，直觉思维是“以物理概念和物理表象结合而成的、具有整体功能的、以知识组块为思维材料而进行的思维，是人脑不借助于逻辑推理而综合运用已有知识、表象和经验知觉，以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物的物理实质，并迅速作出猜测、设想或突然领悟的思维”。[1](104)直觉思维在探索、发现物理规律过程中起着重要作用，有利于确定物理问题解决的方向和途径。安培从电流磁效应现象直觉到磁的成因是电流，提出了分子电流的假说，揭示了磁现象的电本质；法拉第由电能产生磁的现象，根据审美直觉提出了磁也能产生电的假说，然后通过大量的实验，发现了电磁感应现象；德布罗意根据作为波动的光具有位移性的事实，在审美直觉的驱动下大胆地提出了实物粒子也应具有波动性的科学假说，从而建立了物质波的重要概念；爱因斯坦更是一个具有极强直觉能力的科学大师，他在26岁和37岁时分别创立的狭义相对论和广义相对论，并不是在已有的理论体系基础上通过逻辑推理产生的，而是靠自己丰富的想象力、直觉和灵感，他说：“真正最可贵的因素是直觉。”“我相信直觉和灵感。”[2]中国科学院心理研究所有关脑部活动研究结果表明，灵感并不为少数“天才”所独有，它是逻辑思维和非逻辑思维的有机结合。[3]由此看来，直觉是一种重要的创造性思维。为此，笔者运用思维学理论，探讨直觉思维的特性和形式，结合自己的物理教学实践，提出物理教学中直觉思维能力的培养方法和教学策略。一、直觉思维的特性（一）整体性直觉思维是综合运用已有知识、表象、经验感觉，从整体上研究物理问题，从整体上把握物理对象和物理过程，把注意力和着力点放在物理问题的整体对外效应上。在对物理问题作总体分析的基础上，进行一种简约、紧缩、有选择和急速的推理思维，然后，以一种敏锐的观察力、有根据的想象力和判断力，以单刀直入的方式，一次从整体上揭示物理事物的本质。[1](105)（二）三维性直觉思维是一种直觉式、顿悟式的思维，它既不是物理经验和命题的简单归纳和总结，也不依据形式逻辑的规则进行思维，它没有固定的思维程序与格式，而是跳跃式地考察物理问题。著名科学家钱学森指出：“如果逻辑思维是线性的，形象思维是二维的，那么，灵感思维是三维的。”[4]灵感思维的三维性，可理解为灵感思维比抽象思维和形象思维具有更大的自由度，具有以各种不同的方式加工处理头脑中信息材料的可能性，获得物理抽象思维和形象思维活动所不能得到的思维成果。（三）突发性直觉和灵感的产生往往是突发的，灵感既可以发生在为解决物理问题进行苦思冥想时那种受主体指挥和控制的“现实思维”中，也可以发生在主体当时并不在思考所要想解决的问题，甚至在某种漫无目的、不受主体控制的“潜意识”中。（四）随机性直觉思维的随机性具有两方面的含义，首先，灵感的出现常常是人们预料不到的；其次，直觉思维的结果可能是正确的，也可能是错误的，它是对物理问题的直觉的猜测，其结论的正确性要靠实验来检验。当然，只有在主体积累了丰富的物理知识和经验的基础上，对物理学有浓厚的兴趣和强烈的探究欲，具有较强的物理思维能力和灵活分析、解决问题的方法，并对某一物理问题经过超常规的过量思考，才能产生直觉，显现灵感。“过量思考是促成灵感到来的必经阶段。”[5]苹果落地人人皆知，但只有牛顿才将之与物体间的引力联系起来，发现了万有引力定律；在水中受到浮力作用，人人都有体验，但只有阿基米德发现了浮力定律。二、直觉思维的形式（一）直觉直觉是运用有关知识组块和形象直感对当前问题进行敏锐的分析、推理，并能迅速发现解决问题的方向或途径的思维形式。在物理教学中，直觉有三种表现形式。1.直觉的判断：指人脑对客观存在的物理对象、物理现象、物理过程、物理系统的结构、特征、规律等的一种迅速的识别、直接的理解和整体的判断。2.直觉的启示：当主体沉思于某一物理问题而百思不得其解时，突然某一时刻，由于一个偶然的外部刺激，使他“茅塞顿开”，直觉得出问题的答案或解决问题的方法或途径。3.直觉的想象：当研究某一物理问题时，外界提供的信息不充分，那么，主体充分发挥想象力，把大脑中的所有知识组块和“潜知”调动起来，并进行重新组合、加工，然后与原有的信息结合，从而把一个未曾料到的关系、模型、形象构想出来。[1](109)（二）灵感英国著名病理学家贝弗里奇认为：“灵感是指对情况的一种突如其来的顿悟或理解。”钱学森认为，灵感是潜意识，当酝酿成熟时突然沟通涌现于意识成为灵感。[6]笔者认为，灵感是以已有的知识经验为基础，在意识高度集中之后产生的一种极为活跃的精神状态，这时人的思维会对百思不得其解的问题，产生突发性飞跃和敏锐的顿悟，从而解决问题。物理学研究中引发灵感大致有两种情形。一是外界偶然的刺激，包括得到哲学的启发，得到大自然或生活经验的启示，得到其他物理学工作者的启示，得到相邻学科的启示，受到某种情景的触发。二是物理概念、物理表象、物理方法等在大脑内的相互作用，使得潜意识获得足够的“能量”，跃迁到显意识。[1](110)可见，直觉是在多次反复的抽象思维和形象直感的基础上产生的，而灵感则是多次直觉的升华和结晶。直觉是创造的先导，灵感是创造活动的顿悟。三、直觉思维能力的培养方法和教学策略（一）重视结构教学，形成合理的认知结构，培养组块思维能力首先，要掌握物理学科的基本结构。布鲁纳提出：“结构的理解，能使学生从中提高他直觉处理问题的效果。”无结构零乱的信息难以形成直觉思维，当有秩序、有结构的信息从提供的信息中忽隐忽现时，就会活跃直觉思维。物理学科的基本结构是指物理学的基本概念、基本原理和基本方法、观念以及它们之间的相互联系所构成的理论框架。心理学上的格式塔学派认为：知识的整体由部分构成，但整体比部分之和的意义更大。要帮助学生理解物理概念和物理规律的内涵、外延以及它们之间的联系，将新知识纳入原有的认知结构；经常帮助学生建立起单元、章节以及全书的整体框架，使物理知识系统化，形成合理的物理学科的认知结构，积累组块思维的材料，借此获得直觉的判断和联想，进而提高直觉思维获得正确结论的概率。如，学过动能定理后可引导学生建构如下图所示的知识方法结构，形成动能定理的组块材料，学生不仅理解了建立动能定理的根据、内涵和外延，而且掌握了动能定理的最佳应用方向，在解决有关“位移类”动力学问题时，能凭直觉选用动能定理，作出简捷的解答。例1.如图1所示，一小木块以初速从A点进入粗糙水平轨道AB段，然后沿光滑竖直半圆轨道BC段运动，最后落到D点。已知AB=s，半圆轨道半径为R，小木块与AB段之间的动摩擦因数为μ。求小木块最后落到D点时的速率。解：对小木块从A→B→C→D全过程，因AB段粗糙机械能不守恒，而动能定理适用，列式为：，。其次，要全面训练物理思维方法和物理研究方法。直觉思维是一种瞬间思维，它是形象思维与抽象思维的凝结、简缩或跃进。因此，整个高中教学要有计划地全面介绍、系统训练学生的形象思维、抽象思维和直觉思维的各种方法与物理学研究方法。高中物理教材主要以知识逻辑发展为主线编写，物理思维方法、科学研究方法和辩证哲学方法都是穿插于其间的，教师应对这些方法进行系统的总结和归纳，使学生获得较系统的方法论知识。如研究物理事实用实验观察法；物理研究对象用抽象模型法；物理概念用总结归纳法；物理量定义用比值法或乘积法；发现物理规律用实验归纳法、演绎推导法和类比推理法等；分析复杂问题用等效法、理想化方法、假设方法、模拟研究和数学方法；相似问题用类比法；临界问题用辩证法……使学生头脑中形成方法场，促进直觉思维的发展。教学实践证明，知识与方法的完美结合，通过应用形成能力；物理知识、经验、方法、思想的积累和融合是产生灵感的先决条件。再次，要培养学生运用组块思维的习惯。直觉思维是知识组块与当前问题相互作用的产物。知识组块既可以是一个知识单元，还可以是一个问题类型或一个问题模式，但更多的情况是知识、方法和经验的浓缩，它作为一个整体被储存、提取和应用。组块思维是直觉思维的主要表现，要在学生形成知识组块的基础上，训练学生运用组块思维的习惯：重视基本问题的教学，使学生掌握基本问题的类型、物理情景以及解法和结论；注意新旧问题的比较和联想，将新问题转化为旧问题，将旧问题的结论和方法迁移应用于新问题；解决问题时通过理想模型的构建，提供直觉思维突变的模块，训练快速、正确解决问题并进行组块思维的习惯。实践表明，通过物理系列问题的分析，总结出它们的共性，对训练学生的组块思维，提高直觉迁移力是有利的。如，对动生电动势产生机理和电磁流量计、霍尔效应、磁流体发电机等问题的原理放在一起分析作比较，归纳出它们的共同点，等等。（二）重视整体分析，加强发散思维、优化思维的训练，增强直觉调控能力第一，重视过程教学，增加对物理知识理解的深度和广度。要重视物理概念、规律和物理问题的提出、形成或发现的过程教学，解决问题时要建立物理过程示意图，帮助学生发挥直观想象力。分析力学和电、磁场问题要画受力分析图、过程展示图，定电流、电磁感应问题要画等效电路图，等等，逐步积累直觉思维的经验。如，对碰撞过程的微观展示与分析，如图2所示，[7]有助于学生对“弹性碰撞、非弹性碰撞和完全非弹性碰撞定义、所遵循规律”的正确理解：弹性碰撞两小球经历压缩阶段和恢复阶段，从状态Ⅰ变化到状态Ⅴ，两小球完全恢复形状，碰撞过程中不仅动量守恒，而且机械能守恒（压缩阶段有部分动能转化为弹性势能，恢复阶段这部分弹性势能又逐渐转化为动能），所以碰撞前后动能相等；非弹性碰撞从状态Ⅰ变化到状态Ⅳ，不能完全恢复原状，碰撞过程中只有动量守恒；完全非弹性碰撞只有压缩阶段，从状态Ⅰ变化到状态Ⅲ，动量守恒，但丝毫不能恢复形状，压缩阶段减少的动能不是储存为弹性势能，而是由于内摩擦全部转化为内能了，因此，碰撞过程中机械能不守恒，而且动能损失最大。学生在头脑中建立了碰撞过程动态的形象直感，对三类碰撞所遵循规律的微观机理有深刻的认识，形成碰撞模型的知识组块，在分析其他类碰撞问题时必然表现出直觉判断力。第二，重视整体分析，增强宏观直觉调控力。在解决物理问题时，从宏观上对问题作整体分析，抓住物理问题的框架结构和本质关系，确定解决问题的总体思路和途径，并在此基础上进行大跨度、大步骤的整体思维，培养跳跃式思维能力。如研究对象整体化、物理过程全程化解题方法的应用，有利于增强宏观直觉调控力。

例2.如图3所示，固定斜面AB下端与光滑圆弧轨道BCD的B端相切，圆弧轨道半径为R，圆心O与A、D在同一水平面上，∠COB=θ。现有一个质量为m的小物体，从斜面上的A点无初速滑下，已知小物体与AB斜面的动摩擦因数为μ。求小物体在斜面上能够通过的总路程。解：从全过程出发，每当小物体在斜面上滑动时，由于摩擦发热均要消耗机械能，使小物体的最大高度不断降低，当在B点以下光滑圆弧轨道上滑动时机械能守恒，小物体左右振动最大高度不再降低。根据能量守恒定律可知这是全过程直觉洞察、调控的表现。第三，重视变式分析，增强思维发散力。在物理概念、规律教学中，引导学生多方位理解概念、规律的内涵，多角度体验研究方法。习题教学中，经常选择富有启发性的问题，或者对某一问题采用多种知识途径和方法求解，或者改变提问的角度、改变问题的条件、改变习题的类型等方式，把一个问题变化成多个问题，让学生思考、分析，有利于培养思维的发散力。例3.从不高的空中O点，以相等的速率朝着一切可能的方向，同时抛出若干个小球，试证：这些小球在落地前的任何时刻都处在同一个球面上。解法一：以O点为坐标原点，在一个竖直面上建立平面直角坐标系，如图4所示。研究该竖直平面上运动的小球在任意时刻都处在同一圆周上，命题即证。设某个小球抛出时初速方向斜向上与轴正向的夹角为，则它在时刻的坐标为设=,=；在任意确定时刻,、均有确定值，代入上述两式，可得上述两式是圆心坐标为（0，-）、半径为的圆的参数方程。表明圆心的位置沿轴向下以加速度作自由落体运动，而圆的半径（=）随时间成正比例增大。（节日的烟火，从远处看有的像一个球的形状，便是上述所证明的道理。）解法二：设想各小球从O点抛出的同一时刻，从O点自由落下一物体P，以物体P为参照物，则因为平抛运动，斜上抛、斜下抛运动，竖直上抛、竖直下抛运动均可看作是初速方向的匀速直线运动和自由落体运动的合运动，以物体P为参照物，各小球自由落体分运动与参照物自身的自由落体运动抵消了，在P上观察，各个小球向空间各个方向均作速度为的匀速直线运动，所以，任意时刻各个小球均处在以P为圆心，为半径的球面上。解法一数理结合推理严密，有利于提高学生应用数学解物理问题的能力。解法二运用假设法变换参照物，将运动合成思想、对称思想融合在一起，方法巧妙，富有动感，表现出直觉思维的独特性。第四，加强优化训练，增强直觉思维选优力。爱因斯坦认为，直觉是面对各种可能性作出正确选择的重要能力。[2](89)通过力学教学，要使学生从整体上掌握力学主规律之间的联系和特点（下图表所示）。同时通过实例的分析与探究，总结出解题优选原则：解决满足守恒定律条件的过程题选用守恒定律；解决与加速度直接有关的瞬时题选用牛顿第二定律；解决与时间直接相关的过程题选用动量定理；解决与对地位移直接相关的过程题选用动能定理；解决与相对位移直接相关的过程题选用能量守恒定律；一条规律解决不了时，再考虑其他规律和临界条件、隐含条件以及几何关系。教学实践表明，学生一旦领悟上述力学规律和解题规律性的本质，将表现出很强的针对实际问题运用组块思维优化选择规律解题的直觉判断力。（三）鼓励大胆猜测，打破思维定势，提高直觉思维的敏锐性和创造性1.鼓励学生大胆猜测牛顿说过，没有大胆的猜测就不可能有伟大的发现。猜测是一种合情推理，属于综合程度较高的直觉认识过程。布鲁纳说：“应该给学生一定的训练，使之认清猜想的合理性。”[8]第一，类比猜测。在物理学的发展过程中，类比明显地起着启示、探索、开路和创新的作用，许多新概念、新规律、新理论的提出借助于类比猜测。如类比水波、声波猜测光波的性质；卢瑟福将原子结构与太阳系模型类比，猜测原子的核式结构模型，等等。同样，在物理教学中，可以通过类比引导学生猜测。如万有引力定律F=Gm1m2/r2和库仑定律F=kQ1Q2/r2表达形式完全相同，因此，可让学生猜测，万有引力场与库仑力场所具有的一些相同性质：重力场中因为重力做功与路径无关，所以可以引入重力势能的概念，物体在重力场中运动，如果只有重力做功，那么动能与重力势能可以相互转化，但总机械能守恒。电场中因为电场力做功也有与路径无关的特点，所以，也可引入电势能的概念，如果只有电场力做功，那么，动能与电势能可以相互转化，但它们的总和不变（即两种场都具有能的性质）。在电场的教学中，精心设计教学过程，类比重力场让学生猜测电场所具有的性质，实践表明，对培养学生的直觉猜测、类比迁移能力是很有效的。有学生通过类比探索发现，浮力做功也有与路径无关的特点，他引入了浮力势能的概念，直觉地建立了包括浮力势能在内的“类机械能守恒定律：物体在液体中运动，如果不考虑液体的阻力，只有重力和浮力做功，那么，动能、重力势能和浮力势能之间可以相互转化，但它们的总和保持不变”。浮力势能概念本身并不重要，但学生这种类比能力和直觉创新精神是值得赞扬的。第二，审美猜测。从物理学的内容结构上看，以物质结构和运动为研究对象的物理学理论体系，呈现了异乎寻常的“对称、和谐、简洁、多样统一”等形式美。[1](163)如运用“对称性”解题，简洁明快，直觉猜测、对称美感蕴涵其中。在物理学中，物理模型、物体的运动、场的分布、电路和光路等，往往具有对称的特点。这些都能促成直觉显现，突破常规，开拓思路，使问题迅速而简捷地得到解决，有时甚至一眼看穿得到答案。例5.如图5所示，一条长为l的细线上端固定，下端拴一个质量为m的带电小球，置于方向水平、大小为E的匀强电场中。已知当细线离开竖直位置为角时，小球处于平衡状态。求小球带何种电荷，带电量为多少？如果使细线的偏角由增大到，然后将小球由静止释放，则角多大时，才能使细线到达竖直位置时小球速度刚好为零？学生利用三力平衡特点很容易求出小球带正电，电量为q=mgtan/E。但利用功能关系求时感到比较困难。应提示学生注意单摆运动对称特点，促成直觉显现，一下看出的大小。因为小球由A点静止释放后，将以O点为平衡位置振动（O点是重力场与电场合场的最低点）。根据振动的对称性，小球在速度为零的两振幅位置A和A′时，偏离平衡位置的角度相等，所以=2。在物理教学中，考察物理问题、物理对象、物理过程、物理规律、物理理论的美学特点，对学生进行审美教育，使学生具有鉴赏科学美的能力，引导学生进行合理的猜测。直觉往往受思维主体的审美情感所支配。爱因斯坦认为理论前提的简单性应当是评价理论价值的重要标准。数学家阿达玛认为，科学美感这种特殊的美感，是我们必须信任的向导。贝弗里奇也认为，有相当部分的科学思维并无足够可靠的知识作为有效推理的依据，而势必只能凭借鉴赏力的作用来作出判断。可以说，由美感产生的直觉是最高层次的直觉。什么是科学美？科学美就是人类对自然的情感，人类认识自然的一种境界，人类改造自然的一种进程。对学生来说，科学美的因素对他们思维活动的影响是潜在的、不被觉察的，但这种审美情感却是驱动学生直觉思维的一股强大力量。例如，有个物体，其比热、质量、初温分别为（c1、m1、T1）、（c2、m2、T2）……（cn、mn、Tn）。若将这些物体放在一个绝热的容器中，试求它们混合后共同的末温（设备物体的状态保持不变）。学生如果已知当只有两个物体相混合时，T=（c1m1T1+c2m2T2）/（c1m1+c2m2），他们也许会很自然地猜想到个物体相混合的结果是T=（c1m1T1+c2m2T2+…+cnmnTn）/（c1m1+c2m2+…+cnmn），而学生之所以会进行类比，原因就在于他们有这样一个心理倾向：希望相似的问题应当有相似的结果。这种愿望的产生正是追求和谐性的具体体现。[9]2.采用多种教学方法，开展多种课外创新活动在课堂教学中，针对学生的实际情况和具体教学内容，选择便于学生探索问题和发表见解的教学方法，如探索发现法、讨论法等。探索发现法是通过学生探究、以再发现的方式，培养学生的观察能力、实验能力、思维能力、问题解决能力和探究能力等，它的运用有利于学生在教师的指导下，大胆猜测、提出问题、探索解决问题的途径。讨论法是由教师根据教学需要提出问题，由学生事先准备，课堂上进行讨论，再由教师总结的一种教学方法，它的运用有利于学生通过深入思考，在有充分准备的基础上，发表自己的看法和见解。[9]另外，通过丰富多彩的课外活动（小实验、小论文、物理游戏、参观工厂和科技馆等）和劳技教育活动课（开展学习创造学理论和方法，小制作、小发明提案构思征文比赛和创新、发明实物展览、评奖等活动），培养学生的实践能力，直觉能力和创造性物化能力。我校通过改革物理课堂教学方法，拓展劳技教育创新途径，指导学生搞创造发明，已有121项学生发明作品获省级以上奖，12项发明获国家专利。实践证明，通过知识教学，注重直觉思维、创造性思维能力的培养和物理学科学研究方法、思维方法的训练，不仅能有效地提高学生的创新意识、创新能力，而且有力地促进学生科学学习观的形成，从根本上掌握物理学科的特点和遵循认知、思维规律的科学学习方法，提高认知水平、学习能力、思维品质和科学素养。最后应当指出，由于直觉思维具有随机性和偶然性，直觉思维的结果可能正确，也可能错误。因此，无论是课内还是课外，均要创设良好的学生主动学习、积极参与的教学活动氛围，建立平等的师生关系，采用民主型的教学方式，鼓励学生独立思考、大胆猜测。倘若猜错了，切不可训斥，应当引导和启发；如果猜对了，则应充分肯定、表扬；对具有创见性的想法和创新成果，则要大力表彰。这样才能不断激励和提高学生的直觉思维能力。参考文献：［1］阎金铎，等.物理思维论［M］.南宁：广西教育出版社，1996.［2］钟启泉.物理教育展望［M］.上海：华东师范大学出版社，2002.88,89.［3］刘英楠.我们的灵感从哪里来［N］.北京晨报，20030723（24）.［4］钱学森.思维学引论［M］.上海：上海人民出版社，1986.141.［5］刘爱伦.思维心理学［M］.上海：上海教育出版社，2002.280.［6］陈新夏，等.思维学引论［M］.长沙：湖南人民出版社，1988.328.［7］阎金铎，等.中学物理教材教法［M］.北京：北京师范大学出版社，1998.31.［8］朱铁成.物理教学思维学［M］.长春：吉林科学技术出版社.1996.171.［9］胡卫平.物理直觉思维能力的培养［J］.物理教学，2002，（9）：10—13.