对中学生物理思维能力的探索

巩金海　顾晓红　李　夏

到了高中阶段，学生普遍反映物理难学，想不到解决物理问题的关键，很多学生为此而苦恼。高中物理难在何处?可从以下几方面看出：(1)初中教材对物理现象一般只作定性说明，有时进行简单的定量计算；而高中教材对物理现象经常是作模型抽象、定量说明、数学化描述等，内容和形式上的跨度很大。(2)初中教材对物理概念的引入一般比较直观形象；而高中教材则相对抽象复杂。(3)初中物理的规律少且简单，数学表达式也比较简单；高中物理的规律往往涉及到多个变量，数学表达式比较复杂，还要经常用图像来描述，对数学运用、数理结合、抽象思维能力等方面的要求提高了很多。(4)从物理方法上讲，初中物理主要围绕观察实验，概念和规律的引入、总结一般是从某一现象、实际生活经验中得出，直接而简单，实验方法也不复杂；高中物理较多地利用逻辑推理、逻辑思维对客观现象进行概括、归纳，抽象出概念、规律，这些概念、规律不再直接形象，有些甚至与我们的日常生活经验相“悖”。(5)做习题的方式不一样，初中习题多是套公式；而高中物理习题必须先把题目所给的信息想象成一个过程。以上这些差别均表明：从初中物理到高中物理，内容上是从现象到本质，这就要求学生的思维应从具体过渡到抽象，难学主要是在思维上出现了障碍。

一、从学生认知发展阶段分为“具体运算阶段”和“形式运算阶段”

根据皮亚杰的认知发展阶段理论，中学生已处于“形式运算”为主的阶段。处于形式运算阶段的中学生，可以在头脑中把形式和内容分离开来，根据假设来进行逻辑推理。然而，大量调查表明，初中阶段的学生，甚至有相当大一部分的高中生，在对待物理现象、物理概念或规律时，他们的思维尚处于由具体运算阶段向形式运算阶段的过渡时期。而处于具体运算阶段的中学生，他们能进行初步的逻辑运算，但一般还离不开具体事物的支持，还不能组成一个结构的整体和一个完整的系统，他们主要是从自己的体验中判断和感知思维。例如，人站在椅子上，他们都知道椅子对人有支持力，而人站在地面上，他们却很难感到地面对人的支持作用，这种带有浓重的主观色彩的思维，是造成中学生物理学习困难的主要原因之一。

数学是学生最早系统学习的学科之一。在处理抽象的、复杂的数学问题上，中学生可以由前提通过逻辑推理得出结论，他们已经习惯了不管有无具体事物，都可了解形式中的相互关系与内涵的意义，显示出形式运算的基本特征。而面对与生活经验密切相关的物理问题，他们不会仅仅满足于“理”上的推导论证，而要寻求“物”中的事实给予证明。多数情况下，他们需要凭借具体形象的支持进行逻辑推理。物理理论一般都是建立在理想化的模型基础上，而学生实际观察到的现象并非与之完全相同，这使得中学生不能找到完全符合“理”的“物”，不能由具体思维过渡到形式思维。

二、从学生认知风格上分为“具体型”和“抽象型”

根据个体进行信息加工所利用的概念水平高低，可把认知风格分为具体型和抽象型。抽象型的学生，能够看到某个问题的多方面，可以避免刻板印象，能够容忍情境的模糊度进行抽象程度较高的思维。物理学具有精确性和模糊性辩证统一的特点，从这一点上说，抽象型的学生适合学习物理。而具体型的学生则能比较深入地分析某个观点或情境，但要向他们提供尽可能多的有关信息，否则很容易造成偏见。具体型的学生思维特点是“精确、严密的”逻辑推理。绝对“精确”地思考物理问题，相当于无法忽视“次要矛盾”，突出主要矛盾处理物理问题，这是学习物理的大忌。具体型的学生可以学好抽象化程度很高的数学，因为这些问题都是形式化的，也需要“相当精确性”的思维，只要逻辑推理正确就可以正确解决数学问题。但具体型的学生无法“容忍”物理的“模糊性”，从而造成物理学习的困难。他们对物理现象、物理过程及研究对象不善于抓主要矛盾舍次要方面，构造简洁鲜明的物理图景。他们眼里只有“真实”而不习惯“理想”，他们不理解物理上对“轻滑轮”、“质点”的处理。什么时候考虑重力，明明有阻力而不考虑，结论还精确吗?

由于从启蒙开始，学生就开始学习数学，加之受“数理不分家”的影响，许多学生把物理学习等同于物理知识的学习，再等同于物理公式的记忆，最后等同于数学的运算，他们将物理当做数学来学，把物理学成了“无理”。爱因斯坦曾经指出：“在建立一个物理学理论时，基本概念起了最主要的作用。……所有的物理学理论都是起源于思维与观念，而不是公式。”

三、从物理课程特点上要求学生具备“形象思维”和“抽象思维”

物理思维分为两种：形象思维和抽象思维。一般认为，形象思维是通过形象来反映和把握事物的思维活动，运用知觉形象、表象以及想象都是形象思维的基本形式。抽象思维是根据一定的系统知识，遵循特有的逻辑程序来认识事物的思维活动。概念、判断和推理是抽象思维的基本形式。两种思维各具特点，在学习活动中反映出来。形象思维通过形象的加工来认识客观事物，而抽象思维则是通过概念的判断和推理来反映客观事物。在对事物作结论时，形象思维是根据事物的形象特征，对不同事物的形象进行比较，摈弃它们互不相同的特征，对它们的共同特征加以概括。抽象思维是根据某一种对象和现象或者一系列对象和现象的本质方面用概念加以概括。一切物理概念、规律的表述都是思维概括的结果，如质点、刚体、理想气体、点电荷、光滑表面、力、功、能等。从概念的原型转化为突出事物特点的典型化的形象过程，是一种形象的概括。从摈弃事物的非本质的性质，而突出地抽取其本质性质的过程来说，又是一种抽象的概括。形象思维和抽象思维相辅相成，具有协同的特点。

物理同样离不开创新。形象思维和抽象思维都具有创造性，但前者往往具有知觉性，而后者具有逻辑性，两者不可代替。形象思维所使用的思维材料及思维结果一般都是加工改造或重新创造出来的形象。形象思维对形象的加工改造，一般都体现在形象的变革上，这种形象的变革往往带有创造性。例如，艺术家构思人物形象，技术人员设计产品的形象思维都具有这样的特点。正如原苏联著名物理学家卡皮查所说：“在科学发展的一个特定阶段，在我们必须找出新的概念时，对于需要这种问题的科学家来说，知识渊博和传统训练不是他们最重要的特点，在这种情况下，看来需要的是想象力和十分具体的思想，尤其需要大胆，在必须寻求新的基本概念时，在数学中极需要的严格合乎逻辑的思想会对科学家的想像力起阻碍作用。”而抽象思维的材料和结果都是一些概念和判断，它的过程要遵循一定的逻辑规则。因此，它的创造性受到逻辑的制约，像归纳推理、类比推理都具有较强的创造性。

物理思维能力主要包括：物理抽象能力、物理概括能力、判断推理能力、综合分析能力、发散思维等。物理思维的基本方法是：分析、综合、比较、抽象、概括、直觉想象等。例如，对实际问题进行合理简化，把实际问题简化为典型物理问题，把复杂事物抽象为物理模型或归人典型的物理过程，这需要物理抽象能力；把同类物理事件概括为普遍结论，将实际问题中的物理本质提炼出来，这需要物理概括能力；对物理命题的合理性作出判断，对各种独立的物理现象间的异同点作比较，找出物理现象或物理过程的因果关系，利用归纳法进行推论，利用演绎推理得出结论，利用类比法进行推理，这都需要物理判断和推理能力；把研究对象从整体中隔离出来加以分析，把复杂的物理过程分解为若干个子过程加以讨论，综合运用各部分物理知识解决一个问题，全面考虑问题的各种因素后综合得出正确结论，这需要物理综合分析能力。找出对同一物理问题的不同解法，用简捷的非常规的方法解决物理问题，全面探讨物理问题的各种结果，提出探索性问题或新见解需要发散思维。

物理学不仅是一门科学，它还是一种智慧。物理学在它的发展历程中，形成了一系列独特而卓有成效的思想和方法，对整个自然科学乃至社会科学的发展都有贡献，具有其他学科无法比拟的优势与作用。中学生学习物理的目的，并不是为了明天去进一步研究物理，著名教育家斯金纳说得好：“学生将学过的东西忘得一干二净时，最后剩下来的就是教育的本质了。”这称之为本质的东西就是思维方式与价值观念，它们构成了文化基因的核心。

责任编辑张茂林