谈高中物理想象力的类型与培养途径

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  物理教学的过程,即是使学生在学习、探索前人的科学成果的过程中获得知识形成能力过程。在这个过程中培养学生的创造性思维能力尤为重要,而创造性思维离不开想象力。想像是一切创造活动的源泉。在中学物理的理论知识、习题之中包含着大量的可培养学生想象力的素材,教师应不失时机地挖掘这些内容,有目的地培养学生的想象力。根据中学物理教学的特点,笔者将想象归纳成如下几种类型。
  一、运用理想性实验,培养非现实实验过的想象
  理想性实验在物理学史中为意大利物理学家伽利略所首创,他在批驳亚里士多德的错误论、树立自己的正确观点的时候,使用了这一思维方法。这种实验不用实际操作,说服力强,后来被许多杰出的物理学家所使用。理想性实验具有极强的想象性,是人们在大脑中构想的非现实存在的实验。实验者凭借想象中理想化的仪器和设备,在理想的条件下,进行理想化的“操作”和“观察”,依靠逻辑的力量来完成想象中的实验。
  在中学物理中存在很多理想性实验,教学过程中要使学生掌握这一思想方法,使他们能够真正进入到理想化的境界,靠想象和逻辑思维来达到分析和理解问题掌握知识的目的,从而培养他们的想象能力。例如,高中课本“饱和汽和气压”一节,在建立汽和液的动态平衡的概念时,用的就是理想性实验方法。教材中设计了一个装有部分液体的密闭容器,引导学生想象这里面分子的运动状态。在这个实验中学生并不能真正观察到容器中分子的运动情况,但这个过程靠想象运用已有的知识是能够达到的,这就是理想化的观察。最后要使学生在脑海里想象出在单位时间内回到液体中的分子数等于从液面飞出的分子数这一动态平衡的图景。在教学中有些内容需要教师努力创设情境,引导学生进行理想化的想象。
  二、探求解决问题的简单途径,培养假说性的想象
  很多物理问题原本非常复杂,但如果弄清事物的本质,在研究问题时作适当的假设,复杂的问题一下子变得简单易解,这里的假设需要的是想象力。由于这种想象是非真实性的,因此,我们也称之为假象、虚设想象。这是种处理问题很有效的方法。例如,设有垂直于地面且互相平行的两堵墙A和B,两墙水平距离为L。从距地面高h的A点以初速度V水平抛出一小球,球与墙的碰撞都是弹性碰撞,问小球落地点距的水平距离有多远?落地前与墙发生了几次碰撞?
  这个问题如果一步步地计算出每次碰撞后小球下落的距离是相当麻烦的。分析物理过程:小球发生的是弹性碰撞,每次碰撞后速度大小不变,且入射角与反射角相等。根据这些条件,这样可以把它假设成一次平抛运动。小球所走的水平距离与在墙内所走的水平距离之和是相称。设碰撞n次,落地点距A水平距离为x,从而h=gt2/2,s=vt。由此求出,用它除以L,取整数就是碰撞次数n。若小球落地前碰到A上,n为偶数,x=s-nL;若小球落地前碰到B上,n为奇数,x=(n 1)L-s。
  在讲课时,若能适当地运用假想、虚想,有利于帮助学生理解复杂问题。
  三、弄清物理过程的复杂性,培养空间想象
  解决一个物理问题,关键是清楚物理过程,复杂的物理过程难于一下子认清,这需要借助于想象力,在头脑中形成正确的物理图像。而想像的依据是已知条件和物理规律。例如,某年的高考题:一物体放在光滑水平面上,初速为零。先对物体施加一向东的力F,历时1秒钟;接着又把此力改为向西,大小不变,历时1秒钟;如此反复,只改变力的方向,共历时1分钟。在1分钟内:
  A.物体时而向东运动,时而向西运动,在1分钟末静止于初始位置之东。
  B.物体时而向东运动,时而向西运动,在1分钟末静止于初始位置。
  C.物体时而向东运动,时而向西运动。在1分钟末继续向东运动。
  D.物体一直向东运动,从不向西运动。在1分钟末静止于初始位置之东。
  这道题很多学生答错,关键是感觉物理过程复杂,不能够根据物理规律凭借想象形成正确的物理图景。在这里形成正确的物理图景的关键是把复杂问题分解想象出这样的过程:
  物体具有向东的初速度,现向西施加一恒力,此物体要做匀减速运动,方向继续向东。这样上面的物理图景就清楚了。物体先做匀加速运动1秒钟,再做匀减速运动I秒钟,之后再做匀加速运动1秒钟,这样循环往复,一直向东运动,直到1分钟末停止,由此很明显选择D。学生往往因为经验干扰,加上过程复杂。而一下能在头脑中想像出正确的物理过程。
  四、运用直观的比喻,培养形象化的想象
  在物理学中,由于很多物理现象不直观,尤其是近代物理中有很多深奥抽象的物理现象,学生对其内部过程很难想象和理解。因此,只能借助于我们已有的物理经验进行形象化的模拟帮助想象和理解。如电场中的电力线、磁场中的磁力线都是形象化的描述电场和磁场性质的。
  在讲分子运动论时为了阐明分子的大小,教师可做如下形象的比喻启发学生想象:乒乓球直径约为3.8厘米,而地球直径约为127420千米,如果把乒乓球放大到地球那么大小,分子放大同样倍数,才只有乒乓球那么大。
  在讲原子内部能级时,学生往往很难理解,对原子内部能量为负值,而且只能存在不连续的量子化状态,想像困难。教师可以运用形象的比喻帮助学生模拟想象。例如,做这样的比喻:原子中的电子好像是在井下的一个小球,要把它拉上来,外力要给它做功,因此,它的能量是负值。假如在井下立一个梯子,每一个阶梯相当于能级,电子在不同的阶梯上相当于处于不同的能量状态,显然能级是不连续的。当电子处于井底时能量最低,也最稳定,就是基态,当电子处于其他较高能级时就是激发态。
  以上就中学物理常用的和主要的想像类型做了讨论,这些类型不是孤立的,在解决问题或探索新知的过程中往往是它们的互相融合。
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