談高中物理空間想象能力的培養(yǎng)

摘 要： 本文從分析高中生空間想象能力的現(xiàn)狀入手，結(jié)合自身的教學(xué)實(shí)際提出了在高中物理教學(xué)中提高學(xué)生的空間想象能力的策略和體會。

關(guān)鍵詞： 高中物理教學(xué) 空間想象能力 現(xiàn)狀分析 培養(yǎng)策略

學(xué)生進(jìn)入高中普遍覺得物理難學(xué)，甚至包括一些初中物理成績優(yōu)秀的學(xué)生。在初中他們?nèi)菀捉邮苤庇^、形象、簡單的物理現(xiàn)象及知識，而一旦進(jìn)入高中，教材對學(xué)生的要求已經(jīng)上升到具備一定的抽象概括能力和空間想象能力?？臻g想象能力的欠缺直接制約著高中物理的學(xué)習(xí)。例如，初中學(xué)習(xí)的二力平衡，屬于一維直線的問題，學(xué)生接受起來不存在困難；而在高中學(xué)習(xí)的是不在同一直線上的多力平衡，屬于二維平面甚至是三維空間的問題，這就要求學(xué)生具備較強(qiáng)的空間想象能力。筆者認(rèn)為高中物理教師在教學(xué)中應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力。

一、空間想象能力的概念及影響因素

所謂空間想象能力，就是人們借助想象把某種事物在自己頭腦中虛擬的空間方位和范圍上進(jìn)行定位的一種高級思維的能力。這個空間方位和范圍的虛擬過程就是空間想象。想象的結(jié)果與客觀實(shí)際情況之間的差異大小，體現(xiàn)了個體空間想象能力的大小和水平的高低。它受制于三大因素：一是個體本身的形象思維和抽象思維能力；二是個體在進(jìn)行想象前所積累的知識和已經(jīng)具有的空間概念；三是將要被定位的這種事物本身的某些時空特征[1]。

二、高中生物理空間想象能力現(xiàn)狀分析

在平時的教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)很多學(xué)生在構(gòu)建空間圖像時不夠準(zhǔn)確，甚至出現(xiàn)較大的偏差，從而導(dǎo)致對物理過程分析的錯誤，大致體現(xiàn)在以下三個方面。

1.空間定位錯誤。

案例1：在學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動之火車在傾斜的鐵軌上轉(zhuǎn)彎時，如圖1所示。很多學(xué)生認(rèn)為其圓軌道與斜面平行，把圓心定位在斜面與水平面的交點(diǎn)處，而錯誤地認(rèn)為火車受到的合外力沿斜面向下，如圖2所示。而實(shí)際上火車的圓軌道是水平圓，火車受到的合外力是水平方向的。

為什么會出現(xiàn)這樣的錯誤呢？筆者認(rèn)為隨著人們生活水平的提高，生活學(xué)習(xí)在城市的學(xué)生越來越多，這就使得他們的生活范圍較為狹小，野外實(shí)習(xí)機(jī)會有限，與大自然接觸越來越少，取而代之的是互聯(lián)網(wǎng)等虛擬世界逐漸占據(jù)他們的生活，這就在某種程度上造成了他們空間想象能力的缺失。

2.立體情景平面化。

案例2：在涉及點(diǎn)電荷的等勢面時，學(xué)生第一感覺總是想到是以點(diǎn)電荷為圓心的一系列同心圓，而不是想到以點(diǎn)電荷為球心的一系列同心球面，容易將立體的情景不假思索地進(jìn)行平面化。學(xué)生雖然生活在現(xiàn)實(shí)空間之中，所學(xué)習(xí)的物理現(xiàn)象也都是以空間為舞臺發(fā)生的，但在審視物理問題時往往缺乏空間觀念。造成這種現(xiàn)象的一個重要原因是教師在教學(xué)時揭示教材內(nèi)容力度不夠，對于電場線和磁感線的教學(xué)，我們用圖形呈現(xiàn)在學(xué)生面前的只是平面圖形，缺乏對電場線和磁感線立體形象的充分揭示，有些教師甚至連起碼的說明都沒有，這就給學(xué)生留下了一個片面的形象錯覺[2]。

3.立體圖與三視圖之間的轉(zhuǎn)化存在障礙。

案例3：如圖4所示，AB和CD是足夠長的平行光滑導(dǎo)軌，其間距為l，導(dǎo)軌平面與水平面的夾角為θ，整個裝置處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直于導(dǎo)軌平面且向上的勻強(qiáng)磁場中，AC端連有阻值為R的電阻，若將一質(zhì)量為m、垂直于導(dǎo)軌的金屬棒EF在某處由靜止釋放，金屬棒及導(dǎo)軌的電阻不計，求：

（1）金屬棒下滑過程中的最大速度；

（2）通過電阻R的最大電流。

本題給出的是立體圖，本是更加形象直觀，但在對金屬棒的運(yùn)動過程的分析當(dāng)中不便進(jìn)行受力分析。若能把立體圖轉(zhuǎn)換成側(cè)視圖，然后對金屬棒進(jìn)行受力分析，問題將會更加明朗。但很多學(xué)生在解這種類型的題目時，往往沒有轉(zhuǎn)換圖形的習(xí)慣，而是直接在題目所給的立體圖上直接進(jìn)行受力分析，導(dǎo)致思維混亂。

三、高中生物理空間想象能力培養(yǎng)策略

能力的培養(yǎng)關(guān)鍵在于活動的開展。有效、有目的的活動能夠促進(jìn)能力的提高與鍛煉。根據(jù)高中生的認(rèn)知規(guī)律和教學(xué)實(shí)際物理學(xué)科的特點(diǎn)，筆者歸納了以下四點(diǎn)關(guān)于空間想象能力的培養(yǎng)策略。

1.研讀教材，樹立空間意識。

要想更好地培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，筆者認(rèn)為最重要的是教師要研讀教材，發(fā)掘有關(guān)內(nèi)容，樹立學(xué)生的空間意識。物理學(xué)是一門研究我們賴以生存的客觀物質(zhì)世界基本結(jié)構(gòu)、相互作用的自然科學(xué)，如果在物理教學(xué)中教師脫離空間來談空間，那么學(xué)生的空間想象能力也就只能停留在膚淺的水準(zhǔn)。比如，在電場線或磁感線的教學(xué)中，教師時刻要強(qiáng)調(diào)電荷周圍存在電場，電流或磁體周圍存在磁場，既然是周圍，就涉及空間的范圍了。這時，教師要指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)該超越課本上的平面圖形上升到空間領(lǐng)域進(jìn)行想象，必要時可借助其他手段進(jìn)行形象的描述。

2.善用模型，豐富想象素材。

空間想象能力是大量的空間記憶表象的組合與升華。要培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力，就必須豐富他們的空間想象素材。而模型教學(xué)是目前最有效、最便捷、最直觀的教學(xué)。例如對于地球自轉(zhuǎn)時各地角速度相同而線速度不同，部分學(xué)生難以理解，此時教師可以出示地球儀這一實(shí)物模型來引導(dǎo)學(xué)生以此為表象建立空間想象分析各地做圓周運(yùn)動的圓心位置及相應(yīng)的半徑，從而輕松得出角速度相同但線速度不相同，甚至對于兩極的線速度為零學(xué)生也能夠理解，并且在以后學(xué)習(xí)萬有引力之衛(wèi)星繞地球運(yùn)動時，學(xué)生也可以以此模型為記憶表象在頭腦中建立空間圖形。

3.巧用多媒體，補(bǔ)充空間素材。

在教學(xué)中有些模型是難以制作、難以獲得的。此時我們不得不依靠視頻、動畫、圖片等來補(bǔ)充學(xué)生的空間想象素材。例如在學(xué)習(xí)等量同種電荷周圍電場時，無論是課本上的圖片，還是習(xí)題中的圖都是平面的。我們也很難找到立體的模型來呈現(xiàn)其周圍空間的電場，此時須利用多媒體。圖6是多媒體呈現(xiàn)的空間電場圖片，由此可幫助學(xué)生樹立空間意識，補(bǔ)充學(xué)生的空間想象素材。

4.轉(zhuǎn)換圖形，強(qiáng)化想象能力。

幾何圖形是一種視覺符號，與表象的形成密切相關(guān)，因此，圖形及圖形的加工、變換能力在培養(yǎng)與發(fā)展空間想象能力的過程中起了關(guān)鍵作用[3]。教師在教學(xué)過程中，要有意識地引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)需要將立體圖轉(zhuǎn)換成三視圖，或?qū)⑷晥D想象成立體模型，學(xué)生只有靈活地進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)換，才能更好地發(fā)展空間想象能力。

四、教學(xué)體會

高中生物理空間想象能力的培養(yǎng)絕非一朝一夕之事，而是需要經(jīng)歷一個不斷積累、循序漸進(jìn)的過程，其培養(yǎng)過程貫穿整個高中物理教學(xué)。作為一線教師，我們應(yīng)把培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力作為有意識的教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生用空間的觀念去看待物質(zhì)世界。

參考文獻(xiàn)：

[1]王同德.如何培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)地理的空間想象能力[J].創(chuàng)新教育與素質(zhì)教育，2006.

[2]孫正川.物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生空間想象能力的體會[J].黃石教育學(xué)院學(xué)報，1988.

[3]甄艷蕊.淺談高中數(shù)學(xué)空間想象能力的培養(yǎng)[J].神州，2012.