物理教学中的空间智能因素及开发策略

姜连国

(北京市第八十中学 北京 100102)

多元智能理论是新课程的理论支柱之一.新课程要求认真对待而不是忽视学生的个别差异，提倡在可能的范围内使具有不同智能的学生都能受到同样好的教育[1].实践中要求在了解学生智能特点的基础上，根据学生的智能差异实施个性化教学，实现教与学的最优组合，使每个学生得到最大限度的发展机会.在空间智能与教育教学的关系方面，国内外的研究主要集中在学生空间智能差异的表现和空间智能的开发上，教学实践中发现，高中学生空间智能的差异对物理学习存在一定的影响，在某些特定知识的学习中，这种影响表现得非常突出.

1 空间智能及其在物理课程中的地位

在美国哈佛大学心理学教授加德纳提出的8种智能中，空间智能又称视觉空间智力.这种智能主要指感受、辨别、记忆和改变物体的空间关系并以此进行思维的能力.具有较强视觉空间智能的人，对细微的视觉细节有敏锐的洞察力，擅长以图、表、影像表达事物，或将语言、文字转换为心理图像，具有良好的方向感和定位感[2].

在普通高中物理课程标准的研制背景中提及个体差异对课程设置的影响，指出每个学生天生就具有各自不同的才能，学校课程的设置要有利于不同智力潜能的开发，学科课程标准的制定要考虑学生智力类型的差异，使之具有更广泛的适应性[3].目前国内、外关于物理教学与多元智能结合方面的研究很少，其中文献[2]运用实证研究的方法对中学生的多元智能进行了调查，提出在课程与教学中发展学生多元智能的观点，并结合物理教学的特点，提出了发展学生多元智能的教学策略.但空间智能的差异对物理学习的影响尚无人关注.

2 学生空间智能的差异及其对物理学习的影响

通俗地说，空间智能即在脑中形成一个外部空间世界的模式并运用和操作这模式的能力.包括对色彩、线条、结构、形状和空间关系的敏感性以及通过平面图形或立体造型等形式，再现空间关系的能力，还包括发达的空间思维和定位能力[4].调查发现，中学生的空间智能呈标准正态分布；男女生没有明显差异；不同学校学生间有一定差异,城市重点中学学生明显高于农村普通学校和职业中学学生[2].学生个体之间的空间智能存在明显差异，导致对相关物理内容的学习效果不同.教学中发现，空间智能对物理学习的影响突出表现在如下几个方面.

2.1 能否准确感知研究对象

学生的空间感知能力首先体现在是否具有清楚的空间方位感，即是否对“东、西、南、北、上、下”6个空间方位有清晰的体验.有的学生在生活中没有清楚的空间方位概念，对东西南北的认识局限在初中地理课中“上北下南左西右东”的画图规范上，造成在纸上画出的东南西北方向与真实空间中的东南西北无法对号入座，甚至出现“上就是北，下就是南”的误解.这类学生在涉及空间问题，如地球自转、地磁场问题时，暴露出理解上的困难，导致在题目中无法作出判断.

【例1】太阳从东边升起，西边落下，是地球上的自然现象，但在某些条件下，在纬度较高地区上空飞行的飞机上，旅客可以看到太阳从西边升起的奇妙现象，看到这现象的条件是

A．时间必须是在清晨，飞机正在由西向东飞行，飞机的速率必须较大

B．时间必须是在清晨，飞机正在由东向西飞行，飞机的速率必须较大

C．时间必须是在傍晚，飞机正在由西向东飞行，飞机的速率必须较大

D．时间必须是在傍晚，飞机正在由东向西飞行，飞机的速率必须较大

如果清楚日出、日落与地球自转的关系，很容易得出本题正确答案为选项D.有些学生空间方位感模糊，借助于画图解决时，反而可能误入歧途.如图1所示，根据太阳光方向和地球自转方向的关系，A点为傍晚，要想看到太阳从西边升起的奇妙现象，飞机应该自A点向右飞，如果按照“上北下南左西右东”的画图规范，答案应为选项C，产生这种错误是因为根据图中所示的地球自转方向，在A点应为左东右西，跟学生的固有观念正好相反.

图1

【例2】国庆阅兵中，当飞机匀速飞过天安门广场上空时，机翼保持水平，飞行高度不变.由于地磁场的作用，金属机翼上有电势差.设飞行员左方机翼末端处的电势为U1，右方机翼末端处的电势为U2

A．若飞机从西往东飞，U1比U2高

B．若飞机从东往西飞，U2比U1高

C．若飞机从南往北飞，U1比U2高

D．若飞机从北往南飞，U2比U1高

本题是一道电磁感应的常规题目，只要弄清北京地区的地磁场指向北下方，根据右手定则就不难得出水平飞行时U1比U2高的结论，正确答案为选项A，C.同理，当飞机竖直起降时，也可得出上升时西侧电势高，下降时东侧电势高的结论.若飞机下方吊一段金属长绳，则东飞时上端电势高，西飞时下端高，南北飞行时无电势差.类似的题目还有宇宙射线中不同的带电粒子飞临地球时的偏转问题，此类题目若不能准确理解北半球的地磁场分布，即使题目给出如图2所示的地磁场示意图，仍然无法解决.

图2

在圆周运动问题中，有时支持面会对轨道面的确定产生干扰作用，不能明确区分轨道面和支持面，导致向心力分析错误.这种干扰在火车转弯类问题的解决中影响较大，因为学生没有铁路弯道的实践经验，仅凭教师结合示意图进行讲解，很难区分倾斜的支持面和水平的运动圆周.相反，借助电脑三维动画模拟上述过程，分别展示支持面和水平圆周轨道，就可以轻松突破这一障碍.另外，在具体问题的求解中，有时由于审题不细，也会导致类似的错误.

图3

【例3】一种玩具的结构如图3所示，竖直放置的光滑铁圆环的半径为R=20 cm，环上有一个穿孔的小球，仅能沿环做无摩擦滑动，若圆环绕着通过环心的竖直轴O1O2以10 rad/s的角速度旋转(g取10 m/s2)，则小球相对环静止时，与环心O的连线与O1O2的夹角θ可能是

A．30° B．45° C．60° D．75°

小球在水平面内做圆周运动，重力与圆环力的合力沿水平方向充当向心力，按照这一分析，结合题目所给的几何关系很容易得到正确答案为选项C，但如果错误地认为，小球沿圆环在竖直面内做匀速圆周运动，则无法找到正确的处理思路.

2.2 能否想象物体在空间的旋转

空间智能较好的学生在思考有关概念和解释信息时，会用清晰的视觉想象进行思考，乐于三维图画之类的游戏，能够想象研究对象的不同侧面.涉及三维立体对象问题的分析中，空间智能强的学生能够根据需要,从不同角度分析研究对象，能选择合适的视角将立体图改画为平面图并进行分析.视觉空间能力欠缺的学生，由于难以想象研究对象不同侧面的构造，找不出相关量之间的几何关系，导致理解困难.比如，在示波器、电视机显像管原理的学习中，难以想象仪器的立体构造，不能准确构建电子沿轴线前进和垂直于轴线偏转的图景，导致对其工作原理的理解困难，无法导出控制条件与偏转参数之间的关系；当带电粒子与磁场方向成一定夹角进入匀强磁场时，无法分析粒子的受力与运动的变化关系，想象不出粒子运动轨迹(等距螺旋线)的形状；在三维立体情境中，无法确定安培力与磁场、电流方向的关系，画不出导体棒的受力分析图，等等.

【例4】如图4所示的坐标系中，在x,y轴上距离原点均为r的两点A,B处各固定一个正的点电荷，电荷量均为Q.求在z轴上距离原点也为r的C点电场强度大小和方向.

图4

图5

不难求出

与z轴的夹角等于z轴与底面的夹角，即

学生求解过程中需要较多的立体几何知识，如果不能明白三棱锥各个边角之间的关系，则无法完成由立体到平面的图形转换，无法得出正确结论.

2.3 能否从各个角度描述物体

物理概念和物理规律有多种表达方式，仅数学表达就有方程式、函数、图像等.能否从各个角度描述同一概念或规律，能否准确理解同一概念或规律的不同表达方式，实现不同表达方式之间的转换，是学生视觉空间能力强、弱的标志之一.

在机械波的图像的学习中，部分学生将波的图像等同于质点的空间位置分布，或认为质点沿波形图迁移，从而导致原理错误.部分学生无法根据波的图像与传播方向确定各质点的振动规律，在波的图像与振动图像结合类问题中就束手无策.

在分析物理过程时，爱好美术的学生，能根据物理过程作出分析示意图，在图中找出相关物理量之间的联系，擅长用图像处理问题，能够根据需要画出完整的过程图像.在分析追及、相遇类问题中确定位移关系，带电粒子在有界磁场的运动问题中确定圆心、半径位置与几何关系，或者涉及弹簧弹力变化与物体位移关系问题时，这种智能的作用更加突出.

3 物理教学中的空间智能开发策略

在加德纳提出的8种智能中，包括空间智能在内的4种智能是由日常生活与工作所接触的具体物体所激发.这4种智能都是受外部物体影响的，而且个体可以通过与外部世界中物体的相互作用不断使这4种智能得到发展和完善并趋于系统化.由于中学物理课程的内容是与客观世界中的物质有关的，所以，物理课程的教学可以培养和发展学生的空间智能，同时，发展学生的空间智能，可以使空间智能出色的学生对物理课程产生浓厚的兴趣，可以使学生主动运用空间智能辅助物理学习，使空间智能欠缺的学生得到适当的提高，将空间智能对物理学习的负面影响降到最低.

3.1 利用“教师期望效应”帮助实现空间智能的自我开发

加德纳认为，每一种智能都可以开发和培养，智力可以在任何年龄阶段发展，或不同智力层次的人都可以通过一定的教育，在智力的各个方面得到不同程度的发展.这为教育提供了一个平等的机会，也对教师提出了如何开发学生多元智能环境的要求.导致学生空间智能欠缺的因素很多，除先天遗传因素外，有些学生是失败经历导致自我归因偏差，长期逃避空间思维形成的，有些学生尚不清楚自己的空间智能欠缺，只是在相关知识的学习中遇到了更多的障碍.对于这两类学生，利用“教师期望效应”，可以帮助实现空间智能的自我开发[5].教师期望是教师对学生未来的行为或学业成绩的推演，是建立在教师对学生现状了解的基础上的.教师期望效应是指教师对其期望采取的相应行动发生在学生身上的结果.教学中利用自我实现预言效应，对学生提出空间智能提升期望，相信学生通过锻炼能够实现空间智能的自我开发，学生会按照教师所期望的方向塑造自己的行为，主动采取有效手段提升自己的视觉空间智能.

3.2 化抽象为具体 开发抽象思维和空间思维

加德纳在新的智能层次与结构研究中，认为每一种智能都有其特定的符号系统和独特的发展轨迹.经由良好的教育，人在各方面的潜能都可以得到发展.如果给予适当的鼓励、培养和教育，大多数人可以使自己的各项智能都发展到很高的水平.空间智能的培养始终抓住图像表征这一核心，首先，化抽象为具体，在观察的基础上展开想象，完成从形象到抽象的过渡.空间想象力是空间智能的基础，采用有效的教学方法，可以使学生的空间想象能力得到充分的锻炼.例如,明确物理概念、规律的多种表达，解释不同表达方式的共性与区别，学会在不同表达方式之间灵活转换.探索同一物理问题的多种求解途径，辨析不同方法所采用的手段和数学工具，比较不同方法对这种问题的适应性.帮助、引导学生用图形、图画等艺术语言表示物理对象和过程.尝试用方程、表格、图像等不同数学手段表述物理规律.等等.

3.3 利用图形呈现策略培养视觉空间智能

物理教学中,许多内容都可以用图形表示，利用图形呈现可以将物理现象和过程直观地、形象化地表现出来，激发学生的兴趣，帮助学生建立对客观事物的真实、准确、形象的认识，有助于学生对抽象概念和原理进行想象和理解.

图形呈现是连接观察、想象及逻辑思维的桥梁和纽带，在教学中运用媒体手段可以实现图形呈现，传统的媒体手段包括板书、板画、挂图、模型、实验仪器和实物等，形象、生动的评议也可以激发学生的兴趣，唤起学生的表象，促进学生的想象.现代化的媒体手段主要指与计算机有关的多媒体技术，包括演示文稿、视频、音频、动画和图片等.

参考文献

1 钟启泉,等. 为了中华民族的复兴为了每位学生的发展(基础教育课程改革纲要(试行))解读. 上海：华东师范大学出版社，2001. 235～246

2 陈娴. 多元智力观与物理教学策略. 北京：高等教育出版社，2008.5

3 物理课程标准研制组. 普通高中物理课程标准(实验)解读. 武汉：湖北教育出版社，2004.7～9

4 (美) 托马斯·阿姆斯特朗著.课堂中的多元智能——开展以学生为中心的教学. 张咏梅,等译. 北京：中国轻工业出版社，2003. 2～4

5 刘竑波. 多元智能与教师. 上海：上海教育出版社，2005.4