物理想象能力的基本要素及其培養途徑

孫鐵斌

(無錫市輔仁高級中學，江蘇 無錫 214123)

當前國家急需培養和造就一批創新人才,為提高自主創新能力、建設創新型國家提供有力的人才支撐．面對這一現狀,在高中物理教學中對學生想象能力的培養,就顯得十分重要.作為教師有必要了解物理想象能力對學習和研究的重要作用,清楚物理想象能力的4個基本要素,知道培養學生想象能力的途徑,力爭為國家培養出大量有創新能力的人．

1 物理想象能力的重要作用

1.1 物理能力的新基本理論

近年來,在理論研究與物理實踐研究中,有關專家提出了“智力—技能—認知結構”能力理論,并結合物理學的特點,提出了新的物理能力基本理論:觀察、實驗能力,物理思維能力,物理想象能力,物理運算能力,運用物理知識和科學方法的能力．這一能力理論較好地體現了物理能力的本質,既為物理能力理論的發展提供了有益的啟示,又為物理教學實踐給出了理論依據．

1.2 物理想象能力的定義

物理形象思維包括表象、直覺、想象．想象是物理形象思維中的最高形式．所謂想象,是在外在刺激的影響下,人腦中已有的表象進行組合和改造而產生新形象的心理過程．物理想象能力,主要是指對客觀事物的空間形式進行觀察、分析、抽象思考和創新的能力,就是在解決物理問題時,頭腦中形成物理情景和物理模型的能力．

學生在高中物理階段學習時所需要的想象,根據想象內容的新穎程度和形成方式的不同,可分為再造想象和創造想象．再造想象就是根據言語的描述、數學的符號和圖樣的示意,在人腦中形成相應的新形象的過程;創造想象就是在創造活動中,根據一定的目的、任務,在人腦中獨立地創造出新形象的過程．

1.3 物理想象能力的重要作用

愛因斯坦曾經說過:“想象力比知識更重要,因為知識是有限的,而想象力概括著世界上的一切,推動著進步,并且是知識進化的源泉．”他認為想象能力是從事物理學研究的極重要的能力．

同樣,學習物理學也離不開想象,它需要學生有豐富的想象能力．學生的想象能力不僅是他們認識現實世界空間形式不可缺少的能力因素,也是他們形成和發展創造力的源泉,想象能力越豐富,就越能調動有限的知識和經驗,就越能把它轉化為創造力．

2 物理想象能力的基本要素

目前,一般認為物理想象能力有4個基本要素其結構體系如圖1所示．從圖1中可見,物理想象能力由:形成物理圖景及對圖景進行合理變換的能力;建立物理空間位置關系的能力;構成理想化形象的能力;獨立建構新的物理圖景的能力這4個要素構成．其中形成物理圖景及對圖景進行合理變換是物理想象能力的基礎;建立物理空間位置關系的能力是物理想象力的關鍵;形成理想化形象的能力是物理想象能力的進一步發展;獨立建構新的物理圖景能力則是物理想象力飛躍與創新的體現．現逐一分析如圖1.

圖1 物理想象能力的結構體系

2.1 形成物理圖景及對圖景進行合理變換的能力

(1) 形成物理圖景的能力.

所謂的物理圖景是反映物理特點的一種映象具有一定的抽象性．形成物理圖景的能力是最基本的物理想象能力．要解決物理問題,弄清物理狀態和物理過程,就必須去感知形象的物理情景,獲得有關問題的表象,喚起頭腦中已有表象進行組織和改造,在頭腦中形成新的物理圖景．頭腦中形成的物理圖景,并不是物理現象的直接再現或臨摹,而是反映原始問題的一種概括、抽象了的新形象,是把原始問題轉化為典型物理問題的直接依據．

例1.人在騎自行車轉彎時,需要傾斜一定的角度,問:滿足什么樣的條件,才能使人在騎自行車轉彎時既不摔倒又能順利轉彎?

這個原始問題在學生頭腦中產生的直接表象如圖2所示,這并不是解決問題所需要形成的物理圖景,當經過與原有表象的組合和改造后,在頭腦中形成一個揭示物理本質的物理圖景,如圖3所示．

圖2 自行車轉彎

圖3 自行車轉彎圖

(2) 對圖景進行合理變換的能力.

進行合理變換的能力是指在涉及到的具體空間問題時,能夠喚起頭腦中已有表象進行組織和改造,在頭腦中形成新的物理圖景,并對空間問題圖景進行合理的變換處理,即把復雜的空間問題圖景轉換為易于處理的平面圖景的能力．

圖4 傘轉動

例2.半徑為R的傘,以角速度ω轉動時,求離地面高為h處的雨滴甩出后在地面上形成的半徑r．

這個原始問題在學生頭腦中產生的直接表象如圖4所示,并不是解決問題所需要形成的物理圖景,當經過與原有表象的組合和改造后,在頭腦中形成一個揭示物理問題的物理圖景,如用側視、俯視方法處理空間問題獲得如圖5、圖6所示的物理圖景．

圖5 傘轉動側視

圖6 傘轉動俯視

2.2 建立物理空間位置關系的能力

建立物理空間位置關系的能力,就是在頭腦中形成有關問題的空間幾何圖景,包括明確物體的位置、物體間的相互位置關系、物體位置的變化情況的能力．在中學物理教學中,建立物理空間位置關系的能力,主要體現在以下兩方面.

(1) 形成物理問題空間幾何形象的能力.

圖7 三球相擠

例3.如圖7所示,將3個完全相同的光滑小球用不可伸長的等長細線懸掛于O點并處于靜止狀態．已知球半徑為R,重為G,線長均為R．則每條細線上的張力大小為多少?

分析:在解決本題的物理問題時,關鍵在學生能否具有建立3個小球的物理空間位置關系的能力,就是在頭腦中形成如圖8所示的空間幾何圖景,明確小球的位置、小球間的相互位置關系．在教學中,要有意識地進行對三維空間問題的訓練,把平面問題延伸到空間問題,使學生不斷增強想象能力．

圖8 三球相擠空間位置

(2) 建立物理圖景進行動態想象的能力.

由于學生頭腦中的物理圖像傾向于分立的靜止圖畫面,從而使他們在對物理圖景進行動態想象中,經常不自覺地用動態過程中的一個靜止畫面來代替整個動態過程,從而造成想象障礙．為了克服用靜態代替動態想象障礙,必須有意識地訓練學生對物理圖景進行動畫式的動態想象,使他們在豐富的想象中把握事物發展的全貌．

圖9 板塊運動

例4.如圖9所示,一質量為M、長為L的長方形木板B放在光滑的水平地面上,在其右端放一質量為m的小木塊A,m

分析:該題處理中需要學生運用清晰的想象得出木板和物塊初、末、臨界狀態(A向左運動最遠處)的物理圖景,并能對物理圖景進行動畫式的動態想象,在豐富的想象中把握板塊運動變化的全貌．在經過與原有表象的組合和改造后,在頭腦中形成一個揭示板塊運動的物理動態圖景,如圖10所示．

圖10 板塊運動動態圖

2.3 構成理想化形象的能力

構成理想化形象的能力,就是能排除多余的、次要的現象干擾,抓住物理現象的本質,形成抽象的、概括的、理想的物理圖景的能力．通過建立物理理想模型,可以簡化研究對象及其所處的狀態和發展變化過程,大大地方便了對物理實際問題的處理．

例5.進行“交變電流”這一節內容教學時,要引導學生理解交流發電機的工作原理并推導正弦交變電流的表達式,需要學生具有形成理想化形象的能力．

圖11 手搖交流發電機

分析:手搖交流發電機,如圖11所示,向學生介紹簡易的交流發電機的構造后,為研究方便,我們對發電機中的磁場及其線圈運動進行理想化處理,即將線圈所在空間的磁場視為勻強磁場,將線圈轉動視為勻速圓周運動.這樣從外在條件上的理想化處理,學生理解不難,可是在教師用投影儀讓學生清楚地看到發電機線圈的真實繞法后圖12(a),許多學生看不懂,建立物理研究對象的理想化模型受阻,這時就需要教師的啟發引導.當教師介紹線圈的結構后強調取其中一匝圖12(b)所示,研究所獲得的規律就可以替代全部線圈的規律,為建立理想的研究模型奠定了基礎,指明了方向,經分析研究建立的理想研究模型如圖12(c)所示．

圖12 手搖交流發電機模型

2.4 獨立建構新的物理圖景的能力

獨立建構新的物理圖景的能力是物理想象力發展的最寶貴的一種能力．它與人的創造性直接相連,是人類科學創新活動的基本條件之一．在中學物理教學中,獨立建構新的物理圖景能力,主要體現在以下兩方面.

(1) 獨立對已知圖景進行加工、改造成為新的物理圖景．

圖13 螺線管

例6.如圖13所示,豎直放置的等螺距螺線管高為H,該螺線管是用長為L的硬質直管(內徑遠小于H)彎制而成．一光滑小球從上端管口由靜止釋放,求小球滑到底部需要的時間是多少?

圖14 斜面

圖15 地球

分析:初看此題,許多學生往往會覺得問題復雜,無法下手．教師可引導學生通過想象,將它類比于已知的或熟知的原型,如圖14所示．已知一斜面高為H,長為L,現有一小球從A點靜止開始沿光滑直線軌道AB下滑到底部,需要的時間是多少? 這一新的物理圖景建立,從而使得復雜的螺旋管中的問題得以十分方便地解決．

(2) 合理地猜想新的物理圖景．

例7.如圖15所示,已知地球表面大氣壓強為p=1.01×105Pa,地球半徑為R=6.4×106m,試估算地球大氣的總重力G．

圖16 氣柱

分析:初見這樣的問題,學生不知如何下手,其實只要想到柱型容器底部所受的壓力的大小,就是放在其中的液體、氣體的重力的大小,可以從大氣對地面壓力考慮處理這一問題的辦法,如圖16所示．

教師在課堂教學中的一點點創新想象,往往會激起學生更廣闊、更深刻、更新穎獨特的創新想象.教師在課堂教學中創造性想象示范作用是培養學生創造想象能力的關鍵．教師惟有重視想象能力的培養,將之有機地滲透到教學實踐中去,有意識、有針對性地采取得當的教學方法和措施,才能有效地提高學生的想象能力．

3 物理想象能力的培養途徑

作為高中物理教師,我們應當在教學活動中重視學生物理想象能力的培養,充分挖掘一切可以調動學生思維活躍的因素,通過多種途徑培養學生的物理想象能力．根據想象能力的提高有層次性這一特點,想象能力的培養可以有以下幾個途徑．

3.1 利用物理史實,激發想象興趣

想象興趣是促使學生展開想象的推動力．要激發他們展開想象的興趣,就必須使他們認識到想象在科學研究中所起的重要作用,從而使他們積極投入科學想象的過程中去．這就需要我們在科學家從事創造活動的歷史中,挖掘出一些精彩的片段或軼事介紹給學生．物理學發展史中的實例,無不反映了想象在科學家提出新的概念、新的假說、建立新的理論時所起的重要作用．教學中教師要通過生動的介紹,激發學生自覺地進行有意想象．

3.2 豐富表象儲備,形成想象基礎

教學實踐證明:表象越貧乏,想象就越狹窄、膚淺;表象越豐富,想象就越開闊、深刻．而表象又源于人對運動著的客觀事物的觀察和整合．在教學中教師應該充分利用物理儀器進行教學,注重引導學生對實物與模型的觀察、解剖和分析,開展模型制作、測量、參觀等實際活動,充分調動學生的各種感官來認識運動著的客觀世界,充實學生的表象儲備,為學生提供豐富的物理表象．

3.3 強化作圖訓練,重視想象表達

處理物理中的空間問題,關鍵是表達相關問題的圖示要清楚正確．如何訓練學生具有這樣的作圖能力呢?教學中,首先讓學生弄懂實物圖和直觀圖之間的關系,直觀圖是表示實物圖的平面圖形,能夠反映空間形體的關鍵結構．教師要訓練學生畫出空間形體的直觀圖,然后再進一步讓學生能畫出簡單直觀圖的三視圖,這是把直觀圖中復雜且關鍵的部分分解出來,轉換為便于研究的平面圖形．

3.4 突出語言轉換,發展想象能力

在教學中,教師要突出對文字語言、圖形語言、符號語言的相互轉化培養學生的空間想象能力．要讓學生根據文字語言的敘述或符號語言的函數關系式,描繪出符合其意的圖形來,要努力讓學生實施3種語言的靈活轉換,達到運用自如的境界．實踐證明,較好的圖形及作圖藝術能夠為解題提供了方便,也實現了對圖形的認識的質的飛躍,達到圖形與推理相互滲透、相互促進的理想效果．

3.5 運用現代教儀,提高想象能力

利用多媒體教學的過程有助于培養學生的空間想象能力,例如:將問題研究的對象,用圖景將其運動變化的過程描述出來;將物理實驗不能演示的微觀粒子的運動模擬表現出來;采用圖文并茂的方式向學生提供信息,多媒體教學它能直觀、生動、形象地進行教學,有利于引起學生的注意力,充分調動學生的積極性,從而有效促進學生空間想象能力的提高．

總之,物理教學不僅是傳授物理知識與方法的過程,而且更是培養和激發學生想象力的過程,這兩者應該是一致并相得益彰的．在日常的教學中,教師只有重視對學生空間想象力的培養,積極引領學生對空間問題的主動探究,才能有效地發展學生的空間想象能力、增強學生的形象思維能力,使學生茁壯成長為社會所需要的創造性人才．