物理教學中創造思維能力的培養

吉 恒 楊春艷

(1.云南省通海縣第二中學,云南 玉溪 652701;2.玉溪師范學院理學院,云南 玉溪 653100)

創造思維是指不依常規、尋求變異、想出新方法、建立新理論、從多方面尋求答案的開放式思維方式.創造思維包括類比思維、聯想思維、等效思維、模型思維、逆向思維和發散思維等,在高中物理教學中培養學生創造思維能力,使學生的思維方式逐步地從正向思維向逆向思維;從常規思維向立異思維;從直覺思維向抽象思維;從單向思維向發散思維遷移和擴展,這對于提高學生分析解決復雜的、綜合性的物理問題,增加解題準確度,加快解題速度,優化解題方法,都是十分有利的.

1 打破時空順序,培養逆向思維

正向思維是從題給的條件出發,按照事物發展的時間和空間順序去研究某一物理過程、物理現象的發生、發展,自始態到終態的思維方式.而逆向思維是一種創造性的思維,是人類進行創造性思維活動的重要形式.它同人們習慣的正向思維相反,不是由因求果,而是由果索因,它具有比正向思維更高層次的創造性和思維品質.物理學上很多重要規律的建立,新理論的誕生都是物理現象和結果引發,通過逆向思維實現的.所以在中學物理教學中善于培養學生的逆向思維能力,有利于培養和訓練思維的深刻性、靈活性、敏捷性、獨特性和創造性,是發展學生創造性思維能力的一個突破點和有效途徑.

圖1

例1.如圖1所示,一個由斜面和豎直放置的半徑為2.5 m的半圓環組成的光滑軌道,要想在平地上的 A點拋出一個小球,使它在半圓環的最高點 B處無碰撞地滑進環形軌道,再沿斜面上升到離地面 H=10 m高度的D點.試求應當在何處,以多大速度 v0,怎樣的拋射角拋出小球?

解析:此題若按正向思維,即按照 A→B→C→D的順序求解,由于初速度、拋射角及拋出位置均未知,所以要列方程求解相當復雜.若引導學生根據其運動的可逆性,通過逆向思維,將原來的運動模型轉換成D→C→B→A的運動模型,則求解就簡捷得多了.

取地面的重力勢能為零,D→A由機械能守恒定律得

小球由B→A作平拋運動,根據機械能守恒定律,可得

2 拓寬思路,培養聯想思維

聯想作為一種重要的創造性思維方法,能拓寬思路,將某個規律、某種方法,拓寬延伸至新的領域,從而使一些本來無法解決的問題,能借用已知規律求解,從而達到解決問題的目的.

例2.一均勻球體以角速度ω繞自己的對稱軸自轉.若維持球體不會被瓦解的唯一作用是萬有引力.則此球的最小密度是多少?

解析:學生接觸此題,一般都覺得很陌生,似乎與自己學過的知識相距甚遠,大有“山重水復疑無路”之感.然而,如果啟發學生聯想第一宇宙速度——衛星剛好,繞地球表面運轉的臨界線速度,那么,當地球自轉的角速度加快到臨界角速度,地球上的物體也就“漂浮”起來,成為地球表面的一顆衛星.這就表明,只靠萬有引力維持的任何星球,只要自轉達到相應的“第一宇宙角速度”,球體即將被瓦解.作了這樣的聯想,把陌生問題轉化為學生熟悉的問題,頓覺“柳暗花明又一村”:

可見,善于聯想,由此及彼,新舊知識得到溝通,思維得到啟迪和開拓,能力得到訓練和提高,點燃了創造思維的火花.

3 求同存異,培養類比思維

所謂類比思維[1],實際上是一種從特殊到特殊或從一般到一般的推理.它是根據兩個對象之間在某些方面的相同或相似而推出它們在其他方面也可能相同或相似的一種邏輯思維.類比作為一種重要的創造性思維方法,在解答習題時,可以將已知的原理、方法橫向類推到類似的新情景中去,從而使一些看來難以解決的問題,也會變得非常淺顯.

(1)逃逸速度大于真空中光速的天體叫做黑洞,設某黑洞的質量等于太陽的質量 M=1.98×1030kg,求它的可能最大半徑.

(2)在目前天文觀測范圍內,物質的平均密度為10-27kg/m,如果認為我們的宇宙是這樣一個均勻大球體,其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度 c,因此任何物體都不能脫離宇宙.問宇宙的半徑至少多大?

解析:本題涉及到天體物理學的前沿——黑洞的問題,要求學生大膽類比,把地球上物體的逃逸速度分別類推到關于黑洞和宇宙的問題中去,不難得到如下解法:

(2)把宇宙視為一普通天體,則質量為

其中M、R為宇宙的質量和半徑,ρ為宇宙的密度,則宇宙所對應的逃逸速度為

由于宇宙密度使得其逃逸速度大于光速,即

由(1)～(3)式可得

由此可見,運用類比方法,要求有深邃的洞察力,求同存異,摒去表象和次要因素,抓住問題的本質核心.那么,不管情景信息怎樣千變萬化,都可以化難為易,觸類旁通.

4 重視基本解題模式的建構,培養模型轉換思維能力

物理模型是物理思維的支柱之一,它對學生物理思維的整體發展起著舉足輕重的作用.因此,在物理教學中,要指導學生靈活運用物理模型分析和解答實際問題,在解決問題中培養與訓練學生的模型轉換思維能力.

例4.在離坡底15 m的山坡上豎直地固定一長15 m的直桿 AO,A端與坡底B間連有一鋼繩,一穿心于鋼繩上的小球從 A點由靜止開始沿鋼繩無摩擦滑下,如圖2所示,求其在鋼繩上滑行的時間t.

圖2

圖3

思維既是教學的基礎,又是教學的對象,而思維的靈魂在于它的創造性.物理教學不只是向學生傳授知識,更重要的是教會學生科學的思維和科學的方法,培養學生的創造力.因而在物理教學中培養學生的創造思維意識,激發和鼓勵學生經常用求異思維、逆向思維、聯想思維、類比思維和模型思維思考問題并提出與眾不同,標新立異的解題方法,這對于提高學生素質,為未來培養有創新意識和創造力的一代新人,無疑是十分重要的.

1 喬際平,劉甲珉.物理創造思維能力的培養.北京:首都師范大學出版社,1989.89～100