孫鐵斌

(無錫市輔仁高級中學(xué)，江蘇 無錫 214123)

當(dāng)前國家急需培養(yǎng)和造就一批創(chuàng)新人才,為提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家提供有力的人才支撐．面對這一現(xiàn)狀,在高中物理教學(xué)中對學(xué)生想象能力的培養(yǎng),就顯得十分重要.作為教師有必要了解物理想象能力對學(xué)習(xí)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(yǎng)學(xué)生想象能力的途徑,力爭為國家培養(yǎng)出大量有創(chuàng)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(guān)專家提出了“智力—技能—認(rèn)知結(jié)構(gòu)”能力理論,并結(jié)合物理學(xué)的特點,提出了新的物理能力基本理論:觀察、實驗?zāi)芰?物理思維能力,物理想象能力,物理運(yùn)算能力,運(yùn)用物理知識和科學(xué)方法的能力．這一能力理論較好地體現(xiàn)了物理能力的本質(zhì),既為物理能力理論的發(fā)展提供了有益的啟示,又為物理教學(xué)實踐給出了理論依據(jù)．

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(jìn)行組合和改造而產(chǎn)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(jìn)行觀察、分析、抽象思考和創(chuàng)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(xué)生在高中物理階段學(xué)習(xí)時所需要的想象,根據(jù)想象內(nèi)容的新穎程度和形成方式的不同,可分為再造想象和創(chuàng)造想象．再造想象就是根據(jù)言語的描述、數(shù)學(xué)的符號和圖樣的示意,在人腦中形成相應(yīng)的新形象的過程;創(chuàng)造想象就是在創(chuàng)造活動中,根據(jù)一定的目的、任務(wù),在人腦中獨(dú)立地創(chuàng)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(jīng)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(jìn)步,并且是知識進(jìn)化的源泉．”他認(rèn)為想象能力是從事物理學(xué)研究的極重要的能力．

同樣,學(xué)習(xí)物理學(xué)也離不開想象,它需要學(xué)生有豐富的想象能力．學(xué)生的想象能力不僅是他們認(rèn)識現(xiàn)實世界空間形式不可缺少的能力因素,也是他們形成和發(fā)展創(chuàng)造力的源泉,想象能力越豐富,就越能調(diào)動有限的知識和經(jīng)驗,就越能把它轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造力．

2 物理想象能力的基本要素

目前,一般認(rèn)為物理想象能力有4個基本要素其結(jié)構(gòu)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(jìn)行合理變換的能力;建立物理空間位置關(guān)系的能力;構(gòu)成理想化形象的能力;獨(dú)立建構(gòu)新的物理圖景的能力這4個要素構(gòu)成．其中形成物理圖景及對圖景進(jìn)行合理變換是物理想象能力的基礎(chǔ);建立物理空間位置關(guān)系的能力是物理想象力的關(guān)鍵;形成理想化形象的能力是物理想象能力的進(jìn)一步發(fā)展;獨(dú)立建構(gòu)新的物理圖景能力則是物理想象力飛躍與創(chuàng)新的體現(xiàn)．現(xiàn)逐一分析如圖1.

圖1 物理想象能力的結(jié)構(gòu)體系

2.1 形成物理圖景及對圖景進(jìn)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(tài)和物理過程,就必須去感知形象的物理情景,獲得有關(guān)問題的表象,喚起頭腦中已有表象進(jìn)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(xiàn)象的直接再現(xiàn)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(zhuǎn)化為典型物理問題的直接依據(jù)．

例1.人在騎自行車轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎時既不摔倒又能順利轉(zhuǎn)彎?

這個原始問題在學(xué)生頭腦中產(chǎn)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(dāng)經(jīng)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(zhì)的物理圖景,如圖3所示．

圖2 自行車轉(zhuǎn)彎

圖3 自行車轉(zhuǎn)彎圖

(2) 對圖景進(jìn)行合理變換的能力.

進(jìn)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(jìn)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(jìn)行合理的變換處理,即把復(fù)雜的空間問題圖景轉(zhuǎn)換為易于處理的平面圖景的能力．

圖4 傘轉(zhuǎn)動

例2.半徑為R的傘,以角速度ω轉(zhuǎn)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(xué)生頭腦中產(chǎn)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(dāng)經(jīng)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(cè)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(zhuǎn)動側(cè)視

圖6 傘轉(zhuǎn)動俯視

2.2 建立物理空間位置關(guān)系的能力

建立物理空間位置關(guān)系的能力,就是在頭腦中形成有關(guān)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(guān)系、物體位置的變化情況的能力．在中學(xué)物理教學(xué)中,建立物理空間位置關(guān)系的能力,主要體現(xiàn)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(xì)線懸掛于O點并處于靜止?fàn)顟B(tài)．已知球半徑為R,重為G,線長均為R．則每條細(xì)線上的張力大小為多少?

分析:在解決本題的物理問題時,關(guān)鍵在學(xué)生能否具有建立3個小球的物理空間位置關(guān)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(guān)系．在教學(xué)中,要有意識地進(jìn)行對三維空間問題的訓(xùn)練,把平面問題延伸到空間問題,使學(xué)生不斷增強(qiáng)想象能力．

圖8 三球相擠空間位置

(2) 建立物理圖景進(jìn)行動態(tài)想象的能力.

由于學(xué)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(jìn)行動態(tài)想象中,經(jīng)常不自覺地用動態(tài)過程中的一個靜止畫面來代替整個動態(tài)過程,從而造成想象障礙．為了克服用靜態(tài)代替動態(tài)想象障礙,必須有意識地訓(xùn)練學(xué)生對物理圖景進(jìn)行動畫式的動態(tài)想象,使他們在豐富的想象中把握事物發(fā)展的全貌．

圖9 板塊運(yùn)動

例4.如圖9所示,一質(zhì)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(zhì)量為m的小木塊A,m

分析:該題處理中需要學(xué)生運(yùn)用清晰的想象得出木板和物塊初、末、臨界狀態(tài)(A向左運(yùn)動最遠(yuǎn)處)的物理圖景,并能對物理圖景進(jìn)行動畫式的動態(tài)想象,在豐富的想象中把握板塊運(yùn)動變化的全貌．在經(jīng)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(yùn)動的物理動態(tài)圖景,如圖10所示．

圖10 板塊運(yùn)動動態(tài)圖

2.3 構(gòu)成理想化形象的能力

構(gòu)成理想化形象的能力,就是能排除多余的、次要的現(xiàn)象干擾,抓住物理現(xiàn)象的本質(zhì),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(tài)和發(fā)展變化過程,大大地方便了對物理實際問題的處理．

例5.進(jìn)行“交變電流”這一節(jié)內(nèi)容教學(xué)時,要引導(dǎo)學(xué)生理解交流發(fā)電機(jī)的工作原理并推導(dǎo)正弦交變電流的表達(dá)式,需要學(xué)生具有形成理想化形象的能力．

圖11 手搖交流發(fā)電機(jī)

分析:手搖交流發(fā)電機(jī),如圖11所示,向?qū)W生介紹簡易的交流發(fā)電機(jī)的構(gòu)造后,為研究方便,我們對發(fā)電機(jī)中的磁場及其線圈運(yùn)動進(jìn)行理想化處理,即將線圈所在空間的磁場視為勻強(qiáng)磁場,將線圈轉(zhuǎn)動視為勻速圓周運(yùn)動.這樣從外在條件上的理想化處理,學(xué)生理解不難,可是在教師用投影儀讓學(xué)生清楚地看到發(fā)電機(jī)線圈的真實繞法后圖12(a),許多學(xué)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(fā)引導(dǎo).當(dāng)教師介紹線圈的結(jié)構(gòu)后強(qiáng)調(diào)取其中一匝圖12(b)所示,研究所獲得的規(guī)律就可以替代全部線圈的規(guī)律,為建立理想的研究模型奠定了基礎(chǔ),指明了方向,經(jīng)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(fā)電機(jī)模型

2.4 獨(dú)立建構(gòu)新的物理圖景的能力

獨(dú)立建構(gòu)新的物理圖景的能力是物理想象力發(fā)展的最寶貴的一種能力．它與人的創(chuàng)造性直接相連,是人類科學(xué)創(chuàng)新活動的基本條件之一．在中學(xué)物理教學(xué)中,獨(dú)立建構(gòu)新的物理圖景能力,主要體現(xiàn)在以下兩方面.

(1) 獨(dú)立對已知圖景進(jìn)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(zhì)直管(內(nèi)徑遠(yuǎn)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(xué)生往往會覺得問題復(fù)雜,無法下手．教師可引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)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(fù)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(qiáng)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(xué)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(xué)中的一點點創(chuàng)新想象,往往會激起學(xué)生更廣闊、更深刻、更新穎獨(dú)特的創(chuàng)新想象.教師在課堂教學(xué)中創(chuàng)造性想象示范作用是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造想象能力的關(guān)鍵．教師惟有重視想象能力的培養(yǎng),將之有機(jī)地滲透到教學(xué)實踐中去,有意識、有針對性地采取得當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和措施,才能有效地提高學(xué)生的想象能力．

3 物理想象能力的培養(yǎng)途徑

作為高中物理教師,我們應(yīng)當(dāng)在教學(xué)活動中重視學(xué)生物理想象能力的培養(yǎng),充分挖掘一切可以調(diào)動學(xué)生思維活躍的因素,通過多種途徑培養(yǎng)學(xué)生的物理想象能力．根據(jù)想象能力的提高有層次性這一特點,想象能力的培養(yǎng)可以有以下幾個途徑．

3.1 利用物理史實,激發(fā)想象興趣

想象興趣是促使學(xué)生展開想象的推動力．要激發(fā)他們展開想象的興趣,就必須使他們認(rèn)識到想象在科學(xué)研究中所起的重要作用,從而使他們積極投入科學(xué)想象的過程中去．這就需要我們在科學(xué)家從事創(chuàng)造活動的歷史中,挖掘出一些精彩的片段或軼事介紹給學(xué)生．物理學(xué)發(fā)展史中的實例,無不反映了想象在科學(xué)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(xué)中教師要通過生動的介紹,激發(fā)學(xué)生自覺地進(jìn)行有意想象．

3.2 豐富表象儲備,形成想象基礎(chǔ)

教學(xué)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(yùn)動著的客觀事物的觀察和整合．在教學(xué)中教師應(yīng)該充分利用物理儀器進(jìn)行教學(xué),注重引導(dǎo)學(xué)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(diào)動學(xué)生的各種感官來認(rèn)識運(yùn)動著的客觀世界,充實學(xué)生的表象儲備,為學(xué)生提供豐富的物理表象．

3.3 強(qiáng)化作圖訓(xùn)練,重視想象表達(dá)

處理物理中的空間問題,關(guān)鍵是表達(dá)相關(guān)問題的圖示要清楚正確．如何訓(xùn)練學(xué)生具有這樣的作圖能力呢?教學(xué)中,首先讓學(xué)生弄懂實物圖和直觀圖之間的關(guān)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)．教師要訓(xùn)練學(xué)生畫出空間形體的直觀圖,然后再進(jìn)一步讓學(xué)生能畫出簡單直觀圖的三視圖,這是把直觀圖中復(fù)雜且關(guān)鍵的部分分解出來,轉(zhuǎn)換為便于研究的平面圖形．

3.4 突出語言轉(zhuǎn)換,發(fā)展想象能力

在教學(xué)中,教師要突出對文字語言、圖形語言、符號語言的相互轉(zhuǎn)化培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力．要讓學(xué)生根據(jù)文字語言的敘述或符號語言的函數(shù)關(guān)系式,描繪出符合其意的圖形來,要努力讓學(xué)生實施3種語言的靈活轉(zhuǎn)換,達(dá)到運(yùn)用自如的境界．實踐證明,較好的圖形及作圖藝術(shù)能夠為解題提供了方便,也實現(xiàn)了對圖形的認(rèn)識的質(zhì)的飛躍,達(dá)到圖形與推理相互滲透、相互促進(jìn)的理想效果．

3.5 運(yùn)用現(xiàn)代教儀,提高想象能力

利用多媒體教學(xué)的過程有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力,例如:將問題研究的對象,用圖景將其運(yùn)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(yùn)動模擬表現(xiàn)出來;采用圖文并茂的方式向?qū)W生提供信息,多媒體教學(xué)它能直觀、生動、形象地進(jìn)行教學(xué),有利于引起學(xué)生的注意力,充分調(diào)動學(xué)生的積極性,從而有效促進(jìn)學(xué)生空間想象能力的提高．

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