在物理教學中讓學生的思維“天馬行空”

　　摘要：發散性思維對學生創新能力的培養起著十分重要的作用。本文就高中物理教學中如何培養學生的發散性思維例舉了從空間、時間和人文三個方面的案例。
　　關鍵詞：物理教學；發散思維；空間；時間
　　中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)2(S)-0035-3
　　
　　所謂“天馬行空”，原意是指駿馬無拘無束地極速奔馳，像是騰空飛行一樣。用來比喻詩文等氣勢豪放，不拘一格，也指思維異常活躍，思想極度發散。
　　高中學生思維活躍，好奇心較強。高中物理課程標準中強調：高中物理課程在內容上要加強與學生生活、現代社會及科技發展的聯系，反映當代科學技術發展的重要成果和新的科學思想，關注物理學的技術應用所帶來的社會問題。另外，也要求在日常教學活動中，從學生的現實生活出發，教學內容要符合學生認知邏輯的發展規律，這樣能更好地促進學生對知識的積極構建。這樣能使物理教學立足現實生活，反映現實生活，服務于現實生活。
　　因此，注重理性、抽象思維的培養，注重創新能力培養，成為當今物理教學的重要目標和任務。讓高中學生的思維繼續插上騰飛的翅膀，來幾次閃光的“天馬行空”，為他們將來成為具有創新性思維的創新型人才打好堅實的基礎。下面舉幾個案例加以說明。
　　
　　案例1：空間思維中的“天馬行空”
　　
　　若將地球表面看作一個巨大的拱形橋，橋面的半徑就是地球半徑。地面上有一輛汽車沿著赤道行駛（如圖1）。圖 1根據分析可知，汽車速度越大，地面對它的支持力就越小。會不會出現這樣的情況：速度大到一定程度時，地面對車的支持力為零？這時駕駛員與座椅之間的壓力是多大？他這時可能有什么感覺？［1］
　　學生在拱形橋的問題中已經知道，半徑越小時車對橋的壓力與重力之差越大，地球的半徑很大，這種效應可能不明顯；學生還知道，速度越大兩力之差就越大，所以會在地球上產生明顯的效應（比如說車輪剛好脫離地球表面，要多快呢？利用圓周運動的知識學生很快計算出v=gR≈7.9km/s。顯而易見，這么大的速度，在現實生活中汽車是不可能達到的。那么是不是真的就沒有現實意義呢？
　　例如，教師以逐漸增加的速度水平拋出幾個粉筆頭，讓學生畫出地球的球形狀，并把教師剛才拋粉筆頭的情形分別畫在同一張圖上（如圖2），學生可能會覺得畫出來的圖太夸張了。但在這張看似夸張的圖像上，立即有學生想到要是拋粉筆頭的速度再大一點，再大一點……。天吶！粉筆頭可能會：往前仍，但會打在老師的后腦勺上！而且要是老師拋完粉筆頭后往旁邊站一下，在不考慮空氣阻力的情況下，粉筆頭將永遠不會落回地面，成了地球的一顆衛星！在學生的一片驚訝聲中教師將牛頓的衛星草圖（如圖3）呈現出來，讓每一個學生在這種富有想象力的思維中贊嘆，并體會這種“成功”的喜悅。
　　
　　案例2：時間思維中的“天馬行空”
　　
　　假設A、B兩點相距340m，兩地“同時”引爆炮仗，設聲音在空氣中傳播的速度為340m/s，則聲音傳到對方的時間分別為多少？若兩個盲人在A、B兩鳴放炮仗，他們認為誰先放炮仗？（假設這兩個盲人無物理知識，且炮仗的聲音在傳播的過程中不減小）
　　一般的學生會認為聲音傳到對方的時間間隔為1s。兩個盲人均會認為是自己的炮仗先引爆，原因是兩個盲人均沒有扣減他們的測量時間，而且他們各自所選擇的參考系也不同。
　　現在將問題作進一步延伸。如圖4所示，假設在高速（速度非常大）運行的列車上，由車廂底部發出的閃光，則對在車上的人和站在地面上的來說，他們是否認為光到達車廂底部的時間是相同的？
　　由上述知，一般的學生會認為剛才兩個盲人各自認為自己的炮仗先引爆，另一個原因是這里有兩個事件（即：放了兩個炮仗）。而現在盡管有兩個參照系，但這里只有一個事件，因此不論是在車上的人，還是在地面上的人應該認為光到達車廂底部的時間都是相同的，這點不用質疑。果真如此嗎？
　　教師引導學生在黑板上畫出了站在地面上的人所“看到”的光傳播的路徑圖（如圖5）。
　　對于車上的人來說，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認為被接收的反射光是沿斜線傳播的。有學生開始感覺好象“不太對勁”，并開始計算……。
　　對于車廂里的人有：
　　Δτ=2hc；（式中c為光速）
　　對站在地面上的人有：在Rt△AMC中
　　h2+(vΔt2)2=(cΔt2)2（式中v為車速）
　　得：Δt=4h2c2-v2，
　　由上幾式不難得出：
　　Δt=Δτ1-(vc)2。
　　顯而易見，Δt＞Δτ。
　　綜上可見，同一個事件竟然在不同參照系里的人看，它同時發生，但沒有同時結束。此時學生會開始七嘴八舌地討論，他們的思維開始了“天馬行空”。經過一翻熱烈討論和激烈的思想斗爭之后，他們得到以下結論：由于光的速度（相對不同的參照系）是不變的，只要車的速度達到接近光速的水平，車上的一切物理過程和化學過程，甚至生命過程都變慢了，也就是神話里所說的：天上一天，地上十年。
　　點評：現在的社會是一個極其注重創新能力或者說創造能力的社會，培養學生出類拔萃的創新能力需要學生豐富的創新思維。而這種創新思維的培養，單靠嚴謹的邏輯思維是很難得到的，它還必須依靠學生“天馬行空”式的想象能力。
　　
　　案例3：人文思維中的“天馬行空”
　　
　　“1938年12月，德國物理學家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轟擊鈾核的實驗中，發現了生成物中原子序數為56的鋇。”［2］一個月以后終于證實，鈾核在俘獲一個中子后發生了一個重核裂變，變成兩個中等質量的核的反應過程——核裂變。這一發現為核能的利用開辟了道路。
　　同學認真閱讀上面這段話后，會得到這樣的信息：發現時間是1938年12月，地點是德國，事件是首次發現核裂變。然后，每一個學生馬上結合自己的歷史知識，開始思考，思維又天馬行空起來……。
　　同時，學生可能會有如下的猜想：懸！要是德國納粹首先將原子彈制造出來（完全有這可能！），那二次大戰的結局極有可能軸心國成為最后的戰勝國，我們國家到現在為止還有可能被日本占領著，我們學生可能……，不敢想了！而且，要是原子彈技術被某些“別有用心”的人（如恐怖分子等）掌握，那現在的世界就變得極不穩定，每個人都生活在恐怖之中。這時學生們的共同心聲：掌握高科技（如克隆技術，基因組技術，計算機技術……）的人必須具有一顆用科學技術為人類造福之心，用以保證我們科學技術的成果造福于人類，而不至于成為禍害。否則我們可能是克隆的“我們”，也可能是虛擬的“我們”……。
　　點評：中學物理教育應當摒棄“重知識，輕人文”的教育觀點和認為人文教育是人文科學的任務的想法。同時物理教師應提高自身的科學修養，使物理教育不但指向“物”，而且指向人，讓物理教育真正成為“立人”的教育！
　　現今的高中物理教學需非常重視培養學生的發散思維能力。通過上面的討論也表明：在培養學生的發散性思維的教學中，需要學生的想象能力和抽象能力同步發展。高中學生的思維正好處在幻想世界和現實世界的臨界點上，教師應該在發展學生抽象思維能力的同時，繼續讓學生保持具有幻想力的頭腦。正如心理學家維果茨基所說：在從幻想到現實感的過渡階段，幻想在發展過程中發生本質的新變化是青少年的想象力與概念思維建立起了親密的聯系。想象力被理性化，被融入進理性思維活動系統中，在青少年的人格新結構中開始發揮全新的功能。［3］這樣才能培養學生理性化、概念化了的高級想象能力，即高度的創新思維能力。
　　
　　參考文獻：
　　［1］普通高中課程標準實驗教科書《物理（必修1）》.人民教育出版社，2004，56
　　［2］普通高中課程標準實驗教科書《物理(選修3-5)》.人民教育