論物理解題思維結構與教學

摘 要： 學生物理解題的思維結構由聚匯思維與發散思維、直覺思維與邏輯思維交替進行。物理解題的一般行為過程歸納為一個反復進行的過程：理解問題→尋找策略，嘗試→再前進若干步→遇到新的問題→重新理解問題→尋找新策略，嘗試→再前進若干步→又遇到問題……直到最后成功。物理解題的共同特征是問題理解、表征，尋找策略（嘗試錯誤，策略建立）和策略變換。

關鍵詞： 物理解題 思維結構 解題教學

分析學生解題過程中各個環節的思維類型與思維要素，形成解題的合理思維結構是物理教學的重要任務。我們把學生的解題過程分為“審題、探索、表述、回顧”四個環節，為培養學生思維的創造性和深刻性，最重要的是探索、回顧兩個環節。

審題聚匯問題的各個信息，理解問題內部各個表征，明確思維目標，接著就是從不同類型、不同層次、不同角度等方面探索、構思各種不同的處理方案，即尋找策略，然后對這些模糊的粗略的念頭進行檢驗與評價，即策略變換、策略建立的過程。面臨著的大量假設和猜測，一般學生是不能逐一作出檢驗的。因此選擇主要是依靠直覺思維來進行的。探索階段可分為檢索聯想與評價決策兩個層次。

例如：一條粗細均勻的銅導線彎成如圖一所示形狀，它的質量為m，上面水平一段長為L，處在勻強磁場中，磁感應強度為B，B與導線垂直，導線下面兩端分別插在兩個淺水銀槽里，兩槽水銀面與一帶開關的外電源電動勢為E聯接。當S接通的瞬間，導線便從水銀槽里跳起來。設跳起的高度為h，求通過銅導線橫截面的電荷量是多少？

學生在探索過程中的思維活動大致如圖二所示。

一些教師立足于用“磁場力F=BLI”為論據進行啟發，把“檢索聯想”完全抹殺殆盡，而“評價決策”也就不存在了，這種只研究教材不研究學生物理思維活動的作法，在物理教學中是十分普遍的。難怪學生上課聽得懂，課后卻無法完成作業了。表面看起來把探索階段的各種聯想反映到課堂上來，不回避探索中的失敗，似乎不大得體，主要是與教師常用的、得心應手的、訓練有素的邏輯思維的講法不同。當前，有見地的物理教師提出實行以“推遲判斷”為特征的解題思維結構教學，把暴露物理思維過程當作物理探究教學的重要原則，給學生以自由表現的時間和空間，是值得提倡的。

審題是從直覺思維開始的。直覺思維是學生基于有限的數據資料和事實，調動一切已有的知識經驗，對客觀事物的本質及其規律聯系作出迅速的識別、敏銳的洞察、直接的理解和整體判斷的思維過程。直覺思維總是從整體上把握聯想的方向。聯想是學生由一種心理過程引入另一種與此相聯系的心理過程，是學得的抽象化的知識得以具體化的必要環節。巴甫洛夫指出：“任何一個新問題的解決，都要利用主體經驗中已有的同類課題。”因此學生需要在審題的基礎上通過聯想，使頭腦中學得的知識復活起來，把它納入相應知識系統，從而產生對問題性質的理解，進一步找到解決課題的途徑和方法。學生在審題之后，教師可以啟發學生根據條件和目標，進行順向、逆向、橫向、縱向等多向的、發散的聯想，回憶與問題有關的知識技能，培養學生聯想、轉換、組合的能力。

心理學意義上的“問題”，并非那種一目了然、唾手可得的簡單問題，而是指條件不充分、求解方向比較模糊、客體的本質隱藏較深的這樣一類需要學生在頭腦中不斷翻轉客體的復雜問題。顯然，對許多復雜問題的創造性解法不是立即想出來的。學生在解答問題中往往嘗試了各種可能性，這種嘗試引導學生從失敗走向成功。學生的各種嘗試在原則上是不同的，是為一個自覺目的所指引，常常以一個明確的假設為先導，是自覺地加以組織，組成一個明確的探究系統，并經常以一種心理實驗的形式出現的。只有在極低的水平上，這些嘗試活動才是一個盲目的猜測。實際情況常常是這樣的，思維發散并不限于問題解決的開始的某個階段，在問題解決的中間過程，也有思維發散。因此，一個物理問題的解決，常常需要在各個層次中有思維發散。對于復雜的多層次的物理問題的解決尤其如此。為什么對許多復雜的問題學生不能立即獲得創造性的解決?一個關鍵原因是題目條件不充分，即題目現有的信息量還不足以顯示題目隱含的物理關系。因此，面對復雜問題的求解，一項重要的任務是要從現有信息中產生新信息，增加題目條件的信息量。解題中的各種嘗試提供了這種機會。從每次嘗試中，都可以得出有用的輔助信息(如每個條件在題目中的整個物理過程中的作用是什么?各個條件在所對應物理過程的相互關系是什么?導致解題失敗的原因是什么?等等)，借助于它們去徹底弄清題目中隱蔽的物理關系這個深層信息，經過過濾、分析與綜合，為創造性解決問題確定方向，實現條件與目的的溝通。

回顧階段是解決問題之后的思考，通常是總結解題規律，檢查解題中出現的知識缺陷，實際上，回顧與探索息息相關，是探索過程的繼續和深化，它可以從逆向、縱向、橫向的聯系去進行發散思維，從條件與結論的變更、推廣或延伸進行聯想，把性質類似的習題化歸為同一類型，或注意某些習題的實用性，用來解決一批習題。這是從同一來源中產生各種輸出，從而又獲得新的信息，形成系統的知識系列。如上例，思維的目標是求通過導體橫截面的電荷量的表達式。從題目中所述的物理過程來看，可以從電流的定義式出發，從沖量和動量的關系出發，也可以從能的轉化和守恒的觀點出發，也可以從牛頓運動定律出發，等等，這些都可作為啟發學生進行發散思維的出發點。

解法一：導線的質量應該很小，導線本身重量可略去不計。通電瞬間可認為導線僅受到一個磁場力F=BLI的作用。設通電時間為Δt，在這段時間內，導線所受的沖量FΔt=BILΔt，根據動量定理，沖量等于動量的變化，即BILΔt=mvt。

由機械能守恒定律或拋體運動規律知：v=，

所以BLΔt=mv=m，

q=。

解題以后一想，題目中銅導線獲得的能量是由電能轉化來的，并且又被全部轉化為重力勢能。根據能量轉化與守恒定律也可求得通過導線的電量。

解法二：設導線受磁場作用力這段時間為Δt，位移為Δs。那么mgh=FΔs=BILΔs=BLΔs。對初速度為零的勻加速運動來說，平均速度==。

上式可以寫成mgh=BqL=BLq。

所以q=，結論與解法一相同。

解法三：因為I=，F=BIL，

所以q===。

解法四：根據牛頓第二運動定律，

F=BL=ma=m，

∴q=。

從以上各種解法中可以看到，物理中的某些常用方法和結論，若能突破限制，從以發現的研究對象或方法之間的聯系或對比，把現有的范圍延伸到相鄰的有關內容，也就具有標新立異的作用。對學生來說，思維不落俗套、善于獨辟蹊徑就是創造性。上面幾種證法來自學生，經過整理深化也能成為探索物理問題的重要方法。

總結上例結果，可將中學生物理解題的一般行為過程歸納為一個反復進行的過程：理解問題→尋找策略，嘗試→再前進若干步→遇到新的問題→重新理解問題→尋找新策略，嘗試→再前進若干步→又遇到問題……直到最后成功。從中可以進一步歸納出中學生解題的若干共同特征，即問題理解、表征，尋找策略（嘗試錯誤，策略建立）和策略變換，見圖三。

根據對上例的分析，解題中問題解決有三個要素：問題理解、策略建立和策略變換，其中，策略變換在問題解決中具有重要意義，即好的問題解決者，善于變換策略。

解題的各個環節，審題是從直覺思維開始的，然后由聚匯思維明確目標，通過發散思維去探索，再由直覺思維做出選擇，用判斷推理表述出來，最后通過發散思維進行回顧。這種由聚匯思維與發散思維、直覺思維與邏輯思維交替進行的過程，形成解題的思維結構。要培養學生思維的創造性，就必須在直覺思維與發散思維上下功夫。

教師的啟發，應該和學生解決問題的思考序列同步，如果學生跨越了思考序列的層次，就應該安排“反思”程序，達到暴露被掩蓋了的思維環節的效果。根據解題的不同環節，形成解題的思維結構，有助于訓練思維的敏捷性，錘煉思維的深刻性，發展思維的批判性，啟迪思維的創造性。