让学生的思维灵动起来

2010-07-24周久

物理教师 2010年3期

周久

(南京师大附中,江苏南京 210003)

众所周知,“威尔逊云室”是由英国物理学家威尔逊发明的.“威尔逊云室”的基本原理是利用纯净的蒸气做绝热膨胀,使温度降低达到过饱和状态.当带电粒子射入后,在经过的路径上产生离子,过饱和气以离子为核心凝结成小液滴,从而显示出粒子的径迹.威尔逊是怎样想到利用这个原理的?这与他的一段经历有关.威尔逊曾于1894年在英国的本内维斯峰天文台小住了数周,山峰间云雾飘渺的风景给他留下了深刻的印象.1895年,卡文迪许实验室主任汤姆逊给了他一项任务,要他设计一种能够显示出电子径迹的仪器,他想起了那一段经历,山峰间神奇的云雾现象给了他灵感,经过多次试验,终于在1896年成功地制造出了“威尔逊云室”.

与其他重大发明或发现一样,威尔逊这项发明充分彰显了思维的巨大力量.

思维的发展在人的发展中起着举足轻重的作用.人为什么是地球上最伟大的生灵?因为人类能够进行高级思维.正如恩格斯所说,思维是地球上最美丽的花朵.有学者曾说过,人类的最后一条“高速公路”架在哪里?就架在思维的时空中,人的发展要实现超越,思维的超越才是真正的超越.还有学者说过,人类的伟大在于思想的伟大,人类唯一的匮乏在于思想的匮乏,更好的思维会使这个世界更加美好.

教育承载着教书育人的伟大历史使命.我们应当育什么样的人?育人格健全的人.所谓人格,就是指一个人在社会化过程中形成和发展的思想、情感及行为的特有统合模式,而在人的行为中,思维是最为重要的要素之一.

一位诗人说过:教育不是要注满一桶水,而是要点燃一把火.这把火是什么火?笔者以为主要是思维之火与创造之火.教育就是教人去思维,教人怎样去思维,教人如何更深刻地思维.学生思维能力的培养主要通过课堂的学科教学实现.笔者以为学科教学有3个维度,这就是学科知识、学科思维和学科文化.学科思维是学科的内核,学科思维体现了学科的独特的价值和无穷的魅力.从学生的素质角度看,思维品质是学生最重要的素质,因此,应当让学生进入思维的世界,让学生进入思维的世界的核心是对学生思维品质的培养.

物理学科是自然科学的一门重要学科,物理学给人类最宝贵的贡献是物理学独特的思维方法.物理教学的课堂应当重视培养学生思维的多样性,既要培养学生的逻辑思维能力,也要重视培养学生的形象思维、直觉思维、灵感思维、联想思维和推理思维等等.虽然由直觉、灵感等非逻辑思维得到的结论并不一定都是可靠的,但是人类的科学发展史发展表明,这些思维无疑是最重要的科学思维.

譬如,“威尔逊云室”的发明就是形象思维与联想思维综合的产物.

譬如,直觉就是个好东西.如果说逻辑是思维的结果,那么直觉就是思维的腾飞.爱因斯坦说过,真正可贵的是直觉.培根也说过,人类主要凭机遇和直觉而不是逻辑发现了艺术和科学.

什么是直觉思维呢?没有经历明确的逻辑步骤而获得结论的思维就是直觉思维.

在物理学研究最简单的变速运动时,伽利略设想,最简单的变速运动的速度应该是均匀变化的,但是,速度的变化怎样才算均匀呢?他考虑了两种可能:一种是速度的变化对时间是均匀的;另一种是速度的变化对位移是均匀的.伽利略的判断是,速度随时间均匀变化的直线运动是最简单的匀变速运动.伽利略的这个正确判断就是运用直觉思维的结果.

直觉思维与科学猜想往往是相伴的,培养学生的直觉思维必须经常鼓励学生大胆地猜想,我们在教学中必须保护学生的猜想意识.

图1

例1.如图 1所示,忽略空气阻力的影响,当物块从一定高度自由下落,压缩弹簧至速度为零的时刻(弹簧始终在弹性限度内),物块的加速度大小是比重力加速度大还是小?

对该题的判断主要依据猜想,而猜想的依据是运动的对称性,利用对称性的判断就是一种直觉思维.

譬如,科学推理是重要的.科学推理是抽象思维能力的一种表现.

伽利略的理想斜面实验对牛顿第一定律的建立起到举足轻重的作用.现行教材中在描述伽利略的理想斜面实验时有这样一段叙述,“若将后一个斜面放平,球会滚动多远?结论显然是,球将永远滚动下去.”

我们可以问学生,这个结论中的“显然”在哪里?事实上,这里的“显然”是建立在科学推理的基础之上的,没有科学推理的过程就不能得出正确的结论,换句话说,这里的结论并不是“显然”的.

物理课堂教学也应当重视培养学生思维的灵活性,因为在思维品质的要素中,灵活性是十分重要的.思维的灵活性属于发散性思维的范畴.发散性思维就是人们沿着不同的方向、采用不同的视角去思考问题.它具有多向性、灵活性和敏捷性的特点.当思维方向进入“山重水复”的境地时,如果转变一下思维的方向,可能就会“柳暗花明”.

如何培养学生思维的灵活性呢?引导学生经常变换角度看问题是一种有效的途径.笔者经常跟学生说:换个角度看问题,可能看到另一个世界,可能发现一片新的天地.

图2

例2.如图 2所示,设空间存在竖直向下的匀强电场和垂直于纸面的匀强磁场.已知一个离子自A点从静止开始运动,在电场力和洛伦兹力的作用下,该离子沿曲线ACB运动,到达B点时速度为零,C点是运动的最低点,忽略重力.若已知 E、B、m、q,能否求出离子到达C点时的速度大小?

考察离子从A点至C点的运动,对离子水平方向的分运动运用动量定理和对整个过程运用动能定理,就可求出正确的结果.这是一种能量与动量相结合的分析思路,这也是一种常用的分析思路.换一个角度思考问题,解决这个问题还可以采用别出心裁的独创性思维,即构造一对大小相等的速度,从而得到两个分运动:匀速直线运动与匀速圆周运动,这两个分运动的合运动轨迹就是离子运动的轨迹.由这两个分运动的速度迭加也可求出正确的结果.这是一种基于运动学的分析思路.这种从能量与动量相结合的思路转变为运动学的思路,正是体现了思维的灵活性.

物理学科是一门实验科学,物理实验教学是物理课堂教学的主要内容之一,我们可以通过物理实验方案的设计来培养学生思维的灵活性.

譬如在“探究加速度与力的关系”这一探究性实验中,关键是要测出小车运动的加速度值或比较不同控制条件下的加速度.我们可以让学生设计实验思路,并让学生对自己的多种设计方案做出评估与选择,而在这种设计、评估和选择的过程中,学生的思维空间就被打开了.在本实验中,小车会受到斜面的滑动摩擦力,如何消除斜面对小车摩擦力的影响?我们也可要求学生进行方案的设计,并在设计的基础上,对不同的方案做出评估,进而在评估的基础上选择方案.

思维的灵活性不仅反映了思维的品质与品位,也是抑制思维定势负面作用的重要法宝.心理学的研究表明,思维定势是一种经验,也是一种反应倾向,它使人的思维循着某种习惯性的思路进行,因此它对于解决同样情境的问题具有较高的成功率.但是,思维定势的负面作用不可忽视,思维定势会使人自以为是,当面临新问题的时候,它会阻碍人们接受新的事物.显然,思维定势与人的创造力发展是背道而驰的.

对于思维定势的负面影响,让它充分地暴露和通过相似模型进行比较是克服它的好办法.值得指出的是,在克服思维定势负面影响的过程中,学生思维的周密性将会得到完善,而思维的周密性是思维品质的一个重要特征.

例3.在演示了“法拉第圆筒”实验后,可以向学生提出这样的问题:如果用一根导线将带电的金属球壳(相当于法拉第圆筒)的内表面与验电器连接(如图3所示),验电器的箔片是否会张开?为什么?

图3

这个问题,对于多数学生来说是一道越不过去的“坎”,且每届学生都会重复同样的错误,很少有学生发现,用小球接触圆筒内表面后跟验电器接触,与用导线连接圆筒内表面跟验电器这两种现象间的差异.究其原因,是思维定势的负面影响在作祟.将这两种貌似相同的模型放在一起,学生在犯错后通过比较与鉴别就会一下子恍然大悟.

在物理课堂教学中,学生的思维能否灵动起来与教师的教学模式是有很大关系的.因为一切思维都是从问题开始的,所以笔者倡导“以问题为中心”的课堂教学模式.

所谓“以问题为中心”的课堂教学模式,就是将问题作为学科知识建构与诱发学科思维的载体,以整体设计的平行问题组、递进问题链或辐射问题簇串联于整个教学过程,并恰当地嵌入各个教学环节中.以教师的问题诱导使学生产生疑问,进而提出问题,或者教师设计情境启发学生发现问题,通过师生对话、学生独立思考或讨论等方式解决问题,而在解决问题的过程中使学生获得体验,唤起学生思维的活力,并实现“知识与技能,过程与方法,情感态度与价值观”的有机融合,从而促进学生全人格的健康发展.在“以问题为中心”的课堂教学中,教师设计并提出的问题要戒多忌平庸,即在课堂教学中不要一味地追求问题的数量,而应当关注问题的质量与品质.教师设计的问题应当是有意义的问题,有价值的问题,或者是能够激发学生学习兴趣的问题.

譬如学习“磁场”第一节,可以用这样的问题导入:候鸟在每年一度的大规模迁徙中能够准确无误地飞行,是什么为它们进行了准确的导航?

教师设计的问题不仅要有意义、有价值、有兴趣,还要有挑战性,而问题的挑战性强弱正体现了思维品质的要求.

譬如,在学习“法拉第电磁感应定律”时,可以设计这样的问题:教材中说“闭合电路常常是一个匝数为 n的线圈,而且穿过每匝线圈的磁通量总是相同的.由于这样的线圈可以看成是由n个单匝线圈串联而成的,因此整个线圈中的感应电动势是单匝线圈的 n倍,即你对这段话有没有疑问?这个问题可以使学生更准确、更深刻地理解法拉第电磁感应定律,同时从中也培养了学生追问的习惯和敢于怀疑的科学态度.

教师设计的问题不仅要有意义、有价值、有兴趣、有挑战性,还要设计出让学生产生怀疑的问题.正如物理学家费尔曼曾经指出的:“在科学中,怀疑是举足轻重的.”有怀疑才能有深刻的思维.英国著名的哲学家培根也说过一句极富有哲理的话:“如果你从肯定开始,必将以譬如说,在讲“万有引力定律的问题告终;如果你从问题开始,则将以肯定结束.”这说明没有怀疑就没有真正的确信.科学的发展史表明,没有怀疑,就没有科学.

能够激起学生怀疑的问题,通常应当是似乎没有疑义的“定论”.应用”时,教师可以提出这样的问题:在同步轨道上互成120°分布3颗同步卫星能够实现真正的全球卫星通信吗?

教师设计的问题通常还需要有递进性的特征,这样才能将学生的思维引向深入与深刻,才能促进学生思维品质的优化与思维品位的提升.

例如在“测定电池的电动势和内阻”的实验教学中,可以设计这样的递进性问题链.

问题1:为什么不用一只电流表(或电压表)与电阻箱去测电池电动势和内电阻?

问题2:用一只电流表(或电压表)与电阻箱做该实验,运用作图法处理实验数据一定不能得到较准确的结果吗?

问题3:如果你认为能够得到较准确的结果,那么你有哪些具体的方案?

上述问题组中的后两个子问题对学生的思维是富有挑战性的,是培养学生思维的深刻性与灵活性的好素材.

在实施“以问题为中心”的课堂教学模式中,不仅需要教师精心地设计问题,更为重要的是,教师要善于对学生进行启疑.教师应当尊重学生课堂上提问题的权力,教师应当保护学生提问题的积极性,教师应当鼓励学生敢于提出问题.这对于学生形成灵动的思维是至关重要的.

一个人能否经常地提出问题,是一个人创造性能力高低的重要标志.一个人有没有思想?关键是能不能独立思考与独立判断,能否在思考与判断的基础上怀疑事物和进行质疑.正如诺贝尔物理学奖评委会主席桑◦斯万伯格所说的,传播已确定的真理固然重要,但教会学生质疑传统思维则更为重要.

怀疑与质疑是一种意识,是一种习惯,是一种能力,更是一种精神.在教学中教师应当精心呵护,耐心培育.

我们应当追求这样的课堂,让学生的思维灵动起来,使学生成为智慧的人,这是高质量的素质教育对我们提出的要求,这当然也是我们应当追求的课堂教学.

1 郭道胜.让学生进入思考的世界.济南:山东人民出版社,2006.53,85,220