物理想象能力的基本要素及其培养途径

孙铁斌

(无锡市辅仁高级中学，江苏 无锡 214123)

当前国家急需培养和造就一批创新人才,为提高自主创新能力、建设创新型国家提供有力的人才支撑．面对这一现状,在高中物理教学中对学生想象能力的培养,就显得十分重要.作为教师有必要了解物理想象能力对学习和研究的重要作用,清楚物理想象能力的4个基本要素,知道培养学生想象能力的途径,力争为国家培养出大量有创新能力的人．

1 物理想象能力的重要作用

1.1 物理能力的新基本理论

近年来,在理论研究与物理实践研究中,有关专家提出了“智力—技能—认知结构”能力理论,并结合物理学的特点,提出了新的物理能力基本理论:观察、实验能力,物理思维能力,物理想象能力,物理运算能力,运用物理知识和科学方法的能力．这一能力理论较好地体现了物理能力的本质,既为物理能力理论的发展提供了有益的启示,又为物理教学实践给出了理论依据．

1.2 物理想象能力的定义

物理形象思维包括表象、直觉、想象．想象是物理形象思维中的最高形式．所谓想象,是在外在刺激的影响下,人脑中已有的表象进行组合和改造而产生新形象的心理过程．物理想象能力,主要是指对客观事物的空间形式进行观察、分析、抽象思考和创新的能力,就是在解决物理问题时,头脑中形成物理情景和物理模型的能力．

学生在高中物理阶段学习时所需要的想象,根据想象内容的新颖程度和形成方式的不同,可分为再造想象和创造想象．再造想象就是根据言语的描述、数学的符号和图样的示意,在人脑中形成相应的新形象的过程;创造想象就是在创造活动中,根据一定的目的、任务,在人脑中独立地创造出新形象的过程．

1.3 物理想象能力的重要作用

爱因斯坦曾经说过:“想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉．”他认为想象能力是从事物理学研究的极重要的能力．

同样,学习物理学也离不开想象,它需要学生有丰富的想象能力．学生的想象能力不仅是他们认识现实世界空间形式不可缺少的能力因素,也是他们形成和发展创造力的源泉,想象能力越丰富,就越能调动有限的知识和经验,就越能把它转化为创造力．

2 物理想象能力的基本要素

目前,一般认为物理想象能力有4个基本要素其结构体系如图1所示．从图1中可见,物理想象能力由:形成物理图景及对图景进行合理变换的能力;建立物理空间位置关系的能力;构成理想化形象的能力;独立建构新的物理图景的能力这4个要素构成．其中形成物理图景及对图景进行合理变换是物理想象能力的基础;建立物理空间位置关系的能力是物理想象力的关键;形成理想化形象的能力是物理想象能力的进一步发展;独立建构新的物理图景能力则是物理想象力飞跃与创新的体现．现逐一分析如图1.

图1 物理想象能力的结构体系

2.1 形成物理图景及对图景进行合理变换的能力

(1) 形成物理图景的能力.

所谓的物理图景是反映物理特点的一种映象具有一定的抽象性．形成物理图景的能力是最基本的物理想象能力．要解决物理问题,弄清物理状态和物理过程,就必须去感知形象的物理情景,获得有关问题的表象,唤起头脑中已有表象进行组织和改造,在头脑中形成新的物理图景．头脑中形成的物理图景,并不是物理现象的直接再现或临摹,而是反映原始问题的一种概括、抽象了的新形象,是把原始问题转化为典型物理问题的直接依据．

例1.人在骑自行车转弯时,需要倾斜一定的角度,问:满足什么样的条件,才能使人在骑自行车转弯时既不摔倒又能顺利转弯?

这个原始问题在学生头脑中产生的直接表象如图2所示,这并不是解决问题所需要形成的物理图景,当经过与原有表象的组合和改造后,在头脑中形成一个揭示物理本质的物理图景,如图3所示．

图2 自行车转弯

图3 自行车转弯图

(2) 对图景进行合理变换的能力.

进行合理变换的能力是指在涉及到的具体空间问题时,能够唤起头脑中已有表象进行组织和改造,在头脑中形成新的物理图景,并对空间问题图景进行合理的变换处理,即把复杂的空间问题图景转换为易于处理的平面图景的能力．

图4 伞转动

例2.半径为R的伞,以角速度ω转动时,求离地面高为h处的雨滴甩出后在地面上形成的半径r．

这个原始问题在学生头脑中产生的直接表象如图4所示,并不是解决问题所需要形成的物理图景,当经过与原有表象的组合和改造后,在头脑中形成一个揭示物理问题的物理图景,如用侧视、俯视方法处理空间问题获得如图5、图6所示的物理图景．

图5 伞转动侧视

图6 伞转动俯视

2.2 建立物理空间位置关系的能力

建立物理空间位置关系的能力,就是在头脑中形成有关问题的空间几何图景,包括明确物体的位置、物体间的相互位置关系、物体位置的变化情况的能力．在中学物理教学中,建立物理空间位置关系的能力,主要体现在以下两方面.

(1) 形成物理问题空间几何形象的能力.

图7 三球相挤

例3.如图7所示,将3个完全相同的光滑小球用不可伸长的等长细线悬挂于O点并处于静止状态．已知球半径为R,重为G,线长均为R．则每条细线上的张力大小为多少?

分析:在解决本题的物理问题时,关键在学生能否具有建立3个小球的物理空间位置关系的能力,就是在头脑中形成如图8所示的空间几何图景,明确小球的位置、小球间的相互位置关系．在教学中,要有意识地进行对三维空间问题的训练,把平面问题延伸到空间问题,使学生不断增强想象能力．

图8 三球相挤空间位置

(2) 建立物理图景进行动态想象的能力.

由于学生头脑中的物理图像倾向于分立的静止图画面,从而使他们在对物理图景进行动态想象中,经常不自觉地用动态过程中的一个静止画面来代替整个动态过程,从而造成想象障碍．为了克服用静态代替动态想象障碍,必须有意识地训练学生对物理图景进行动画式的动态想象,使他们在丰富的想象中把握事物发展的全貌．

图9 板块运动

例4.如图9所示,一质量为M、长为L的长方形木板B放在光滑的水平地面上,在其右端放一质量为m的小木块A,m

分析:该题处理中需要学生运用清晰的想象得出木板和物块初、末、临界状态(A向左运动最远处)的物理图景,并能对物理图景进行动画式的动态想象,在丰富的想象中把握板块运动变化的全貌．在经过与原有表象的组合和改造后,在头脑中形成一个揭示板块运动的物理动态图景,如图10所示．

图10 板块运动动态图

2.3 构成理想化形象的能力

构成理想化形象的能力,就是能排除多余的、次要的现象干扰,抓住物理现象的本质,形成抽象的、概括的、理想的物理图景的能力．通过建立物理理想模型,可以简化研究对象及其所处的状态和发展变化过程,大大地方便了对物理实际问题的处理．

例5.进行“交变电流”这一节内容教学时,要引导学生理解交流发电机的工作原理并推导正弦交变电流的表达式,需要学生具有形成理想化形象的能力．

图11 手摇交流发电机

分析:手摇交流发电机,如图11所示,向学生介绍简易的交流发电机的构造后,为研究方便,我们对发电机中的磁场及其线圈运动进行理想化处理,即将线圈所在空间的磁场视为匀强磁场,将线圈转动视为匀速圆周运动.这样从外在条件上的理想化处理,学生理解不难,可是在教师用投影仪让学生清楚地看到发电机线圈的真实绕法后图12(a),许多学生看不懂,建立物理研究对象的理想化模型受阻,这时就需要教师的启发引导.当教师介绍线圈的结构后强调取其中一匝图12(b)所示,研究所获得的规律就可以替代全部线圈的规律,为建立理想的研究模型奠定了基础,指明了方向,经分析研究建立的理想研究模型如图12(c)所示．

图12 手摇交流发电机模型

2.4 独立建构新的物理图景的能力

独立建构新的物理图景的能力是物理想象力发展的最宝贵的一种能力．它与人的创造性直接相连,是人类科学创新活动的基本条件之一．在中学物理教学中,独立建构新的物理图景能力,主要体现在以下两方面.

(1) 独立对已知图景进行加工、改造成为新的物理图景．

图13 螺线管

例6.如图13所示,竖直放置的等螺距螺线管高为H,该螺线管是用长为L的硬质直管(内径远小于H)弯制而成．一光滑小球从上端管口由静止释放,求小球滑到底部需要的时间是多少?

图14 斜面

图15 地球

分析:初看此题,许多学生往往会觉得问题复杂,无法下手．教师可引导学生通过想象,将它类比于已知的或熟知的原型,如图14所示．已知一斜面高为H,长为L,现有一小球从A点静止开始沿光滑直线轨道AB下滑到底部,需要的时间是多少? 这一新的物理图景建立,从而使得复杂的螺旋管中的问题得以十分方便地解决．

(2) 合理地猜想新的物理图景．

例7.如图15所示,已知地球表面大气压强为p=1.01×105Pa,地球半径为R=6.4×106m,试估算地球大气的总重力G．

图16 气柱

分析:初见这样的问题,学生不知如何下手,其实只要想到柱型容器底部所受的压力的大小,就是放在其中的液体、气体的重力的大小,可以从大气对地面压力考虑处理这一问题的办法,如图16所示．

教师在课堂教学中的一点点创新想象,往往会激起学生更广阔、更深刻、更新颖独特的创新想象.教师在课堂教学中创造性想象示范作用是培养学生创造想象能力的关键．教师惟有重视想象能力的培养,将之有机地渗透到教学实践中去,有意识、有针对性地采取得当的教学方法和措施,才能有效地提高学生的想象能力．

3 物理想象能力的培养途径

作为高中物理教师,我们应当在教学活动中重视学生物理想象能力的培养,充分挖掘一切可以调动学生思维活跃的因素,通过多种途径培养学生的物理想象能力．根据想象能力的提高有层次性这一特点,想象能力的培养可以有以下几个途径．

3.1 利用物理史实,激发想象兴趣

想象兴趣是促使学生展开想象的推动力．要激发他们展开想象的兴趣,就必须使他们认识到想象在科学研究中所起的重要作用,从而使他们积极投入科学想象的过程中去．这就需要我们在科学家从事创造活动的历史中,挖掘出一些精彩的片段或轶事介绍给学生．物理学发展史中的实例,无不反映了想象在科学家提出新的概念、新的假说、建立新的理论时所起的重要作用．教学中教师要通过生动的介绍,激发学生自觉地进行有意想象．

3.2 丰富表象储备,形成想象基础

教学实践证明:表象越贫乏,想象就越狭窄、肤浅;表象越丰富,想象就越开阔、深刻．而表象又源于人对运动着的客观事物的观察和整合．在教学中教师应该充分利用物理仪器进行教学,注重引导学生对实物与模型的观察、解剖和分析,开展模型制作、测量、参观等实际活动,充分调动学生的各种感官来认识运动着的客观世界,充实学生的表象储备,为学生提供丰富的物理表象．

3.3 强化作图训练,重视想象表达

处理物理中的空间问题,关键是表达相关问题的图示要清楚正确．如何训练学生具有这样的作图能力呢?教学中,首先让学生弄懂实物图和直观图之间的关系,直观图是表示实物图的平面图形,能够反映空间形体的关键结构．教师要训练学生画出空间形体的直观图,然后再进一步让学生能画出简单直观图的三视图,这是把直观图中复杂且关键的部分分解出来,转换为便于研究的平面图形．

3.4 突出语言转换,发展想象能力

在教学中,教师要突出对文字语言、图形语言、符号语言的相互转化培养学生的空间想象能力．要让学生根据文字语言的叙述或符号语言的函数关系式,描绘出符合其意的图形来,要努力让学生实施3种语言的灵活转换,达到运用自如的境界．实践证明,较好的图形及作图艺术能够为解题提供了方便,也实现了对图形的认识的质的飞跃,达到图形与推理相互渗透、相互促进的理想效果．

3.5 运用现代教仪,提高想象能力

利用多媒体教学的过程有助于培养学生的空间想象能力,例如:将问题研究的对象,用图景将其运动变化的过程描述出来;将物理实验不能演示的微观粒子的运动模拟表现出来;采用图文并茂的方式向学生提供信息,多媒体教学它能直观、生动、形象地进行教学,有利于引起学生的注意力,充分调动学生的积极性,从而有效促进学生空间想象能力的提高．

总之,物理教学不仅是传授物理知识与方法的过程,而且更是培养和激发学生想象力的过程,这两者应该是一致并相得益彰的．在日常的教学中,教师只有重视对学生空间想象力的培养,积极引领学生对空间问题的主动探究,才能有效地发展学生的空间想象能力、增强学生的形象思维能力,使学生茁壮成长为社会所需要的创造性人才．