如何通过物理教学发展想象力.docx

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如何通过物理教学发展想象力

如何通过物理教学发展想象力

索杨军

2006年11月23日

按：

此文曾于2007年在全国教师教育教学科研成果评选中荣获二等奖。

想象力远比知识更重要，知识是有限的，而想象概括着世间的一切，推动科学不断进步，是知识进化的源泉和动力。

爱因斯坦

素质教育的目的在于自主创新，创新是一个民族富于生命力的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。

创新思维的核心是想象，俗话说：

“不怕做不到，就怕想不到”，正是这个意思。

大胆的想象，丰富的想象，可使人独辟蹊径去思考问题，奇特巧妙地解决问题，有所发明，有所创造。

学习自然科学，是发展想象力的最佳途径与必由之路，尤其是物理学，比较抽象，难以理解，有不可比拟的优势，学好物理学可使学生的想象力发生质的飞跃。

大科学家爱因斯坦正是这方面的典范，他通过“追光”的想象，最终创立了狭义相对论；他通过“升降机”的想象，最终创立了广义相对论；他通过“光子盒”的想象试验，最终证明了量子力学的自恰性……

总之，想象力的培养是重中之重，为此，笔者在教学中进行了一些尝试：

1.深挖教学内容，提炼想象素材

古代思想家荀况言：

“不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海”。

想象力的培养也不是一蹴而就的，需要一点一滴去积累，这就要求我们从简单枯燥的教学内容中挖掘出丰富有趣的想象素材。

例如，解释“摩擦生热”这一现象，不能只局限于得出结论：

机械能转化为内能，要进一步启发学生，类比能看见的宏观现象去揭露看不见的微观本质：

正是由于相互摩擦的两个接触面上的分子增加了相互碰撞的机会，彼此的分子运动速度都加快，从而使温度升高，内能增大。

再比如，对于“流体流速大的地方压强小”这一规律，难理解难记忆，多数学生只能通过具体的实验现象去帮助记忆，其实通过想象其微观本质很容易理解：

流体中一点受到的某个方向的压力，等于这点附近的分子对这个方向的碰撞力之和。

流体静止时，因为分子无规则运动是随机的，向各个方向的几率相等，所以向各个方向的压强相等；流体流动时，分子动能分成了两部分：

①定向运动动能；②无规则运动动能。

即分子动能的一部分被规则的定向运动取代，剩下的无规则运动的那一部分动能必然减小，而在流动方向侧面方向受到的压强正是由无规则运动引起的，其必然会减小。

又比如，学习了能量守恒，可向学生出示下列简单题目：

一条刚性铁链，将两头拴在天花板上的不同点，呈自然悬垂状态（即铁链形状为“悬链线”），用手抓住铁链中间任一点向下拉，试问铁链的重心是上升还是下降。

乍一看，向下拉，重心会下降，其实不然。

因为拉力对铁链做的功，必将转化为铁链的某种能量，根据题意，该能量不会是弹性势能（刚性铁链不会伸长），只能是重力势能，所以重心必然上升。

这样教学不仅使学生更加全面、深刻、灵活、牢固地掌握了知识，更重要的是使其思维能力得到了大幅提高，知识、能力双丰收。

2.适当增加难度，让学生跳起来摘苹果

教学内容要有一定的难度，难度大的知识或问题包含更广更深的想象空间，难度不够，想象力的发展便缺乏充足的营养，一味追求降低难度是片面的，尤其是对尖子生。

这也体现了因材施教的原则。

爱因斯坦曾将学习研究比作钻木板，他要在最厚而不是最薄的地方钻孔。

当然难度不能过高，不宜挫伤学生的积极性，合适的难度是指该知识或问题高于学生现有的水平，但通过学生努力以至于教师指导完全能够理解掌握。

例如，学完能量守恒或运动学方程，可出示下列题目：

水库放水，出水口的深度为h，按理想流体（忽略摩擦）求出水速度。

解此题之前，可尝试让学生猜想出水速度跟哪些因素有关，跟哪个物理常数有关，思维能力高的学生会根据静止液体压强公式p=ρgh得出，跟液体的密度ρ以及出水口深度h有关，跟常数g有关。

如果用“流线”模型，套“伯努利方程”求解此题，简单方便，但对发展想象力没有多大帮助，只能加强对方程的记忆。

解一，出水口水的动能增加了，水面上水的重力势能减少了，因能量守恒，二者等量。

即：

mgh=1/2·mv2

得：

解二，因忽略摩擦，故可将水面上的水假想为“自由落体”，是它直接自由下落到达出水口（类似于“隧道贯穿”效应），于是可由运动学方程求解。

h=1/2·gt2①

v=gt②

解①②联立的方程组，得：

为何跟h有关很容易理解。

为何跟g有关较容易理解，可想象在月球上，出水速度必然变慢，正是因为g变小，也可想象在太空中，出水速度为0，正是因为g变为0。

为何跟ρ无关不容易理解，因为密度大的虽然出水口压强大，压力大，但液体质量大，遵循牛二定律，加速度不变。

具体到解法一，显而易见，减少的势能与增加的动能同比增大或减小；具体到解法二，不难理解，不论质量大小如何，有同样的重力加速度，于是有同样的下落速度。

一道只告诉了水位h的题目，似乎毫无头绪，通过大胆假设与巧妙思维，迎刃而解，既深化了对物理规律的理解，又训练了思维能力。

再比如，对于内能的概念，分子平动动能很容易理解，其形成原因是分子热运动，微观反映为分子热运动的剧烈程度，宏观表征为物体的温度；而分子势能却难以理解，其形成原因是分子间有作用力，微观反映为分子间距，宏观表征为物体的体积。

如何让学生很好地理解分子势能呢？

可将两个分子比作两个小球，其间作用力看作一根弹簧，虽然此弹簧看不见，但它与分子作用力有一定的类比性。

当分子处于平衡位置时，弹簧处于自由状态，没有伸长也没有压缩，此时的分子势能为零；当某种外力要使弹簧伸长或压缩时，都必须克服引力或斥力而做功，这就转化为分子势能，使分子势能增大。

对此，可出示题目进行强化训练：

①晶体熔化时为何体积会发生巨大的变化？

就是因为晶体熔化时的特点是“吸热恒温”，吸热表明内能增加，而温度不变表明分子动能不变，于是分子势能必然增加，分子间距发生变化，体积当然会变化。

②水凝固成冰时为何会将水管胀裂？

正是分子势能释放出来，转化为机械能的结果。

3.发扬教学民主，鼓励学生质疑猜疑，科学探究

科学探究的过程一般包括提出问题、猜想假设、设计实验、进行实验或收集证据、分析论证、交流合作与评估等环节，而其中最重要的莫过于提出问题和猜想假设。

思维总是从问题开始的，学生只有感到疑惑，有解决问题的需要，才会开动脑筋去思考，因此在整个教学中，教师要精心设疑，设疑要抓住时机，决不能把一节课简单地变成一连串的一问一答。

教师的设疑为学生的模仿做了表率，但学生依然是被动的，学生质疑则变成了主动，学生提出问题，可以使学习成为一个有准备的、主动地、时刻注意的过程，另外，“提出问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题可能只是一个数学技巧或实验技能而已，而提出一个问题、新的可能性，或从新的角度看旧的问题，需要有创造性的想象力，标志科学在真正进步。

”这句话同样引自大科学家爱因斯坦，他本人正是这方面的榜样。

在教学中如何培养学生质疑好问的可贵品质呢？

这就要求教师发扬教学民主，形成一种宽松活跃、师生平等的学习氛围，不能局限于老师问学生答，要激发学生想问、敢问、善问，活跃学生的思维，使他们的聪明才智得以发挥。

对于好问的学生，要大加赞赏，树立为楷模，因为榜样的力量是无穷的。

在提出问题的基础上，教师要引导学生激励学生进行猜测假设，牛顿曾说：

“没有大胆的猜测假设，就不可能有发明创造”。

猜测不等于瞎猜，学生会依据已有的知识经验，借用以前遇到类似问题的解法，尽可能做出合理猜测。

举一简单例子：

串联电路各点电流大小有什么关系？

学生可类比水流，会做出两种猜测：

一，各点电流大小相等；二，从正极出发到负极电流越来越小，很少有人做出第三种猜测：

从正极出发到负极电流越来越大。

当然对于第三类学生，绝不能无端指责批评，打击积极性，因个人情况参差不齐，每个人的思路不可能沿着一条直线顺利抵达终点而不走弯路，重要的是鼓励学生放开思路，大胆猜疑，一个出色的解决思路往往来自于似乎荒谬怪诞的猜测，要告诫学生：

1.不要害怕犯错误闹笑话，生怕遭到同学的冷眼与讥讽，对于其他同学的不良行为要说服教育，要让学生谨记失败是成功之母；2.不要迷信权威害怕权威，包括对前人、书本、老师的恐惧，生怕对他们有所冒犯而将自己的思维禁锢在一个小小的圈子，要知道任何人都会出错，没有绝对正确更没有一贯正确，正如爱因斯坦言：

“正因为我蔑视了权威，最后竟也变成了权威”。

科学探究，方法科学有章可循，但道路曲折难以预测，不是一帆风顺的，要求教师发扬民主，激励学生自信自爱，善于发现他们不成熟和不完善的设想或尝试中所蕴含的思维火花，及时给予鼓励支持，引导他们一步步走向成功。

4.通过一题多解、一解多释，培养学生求异思维、发散思维的能力

求异思维与发散思维是创造思维的主要成分，在教学中训练学生的求异思维与发散思维有助于培养想象力，要提倡学生寻求一个问题的多种不同解法，一种解法的多种解释，而教师要对学生的回答从主意的多少、主意的种类和主意的新奇性三方面进行评价，给予强化，给学生获得成功的喜悦，增强求异思维与发散思维的欲望。

例如，学完热膨胀，可出示题目：

铁环膨胀时内圆周长如何变化？

解一，分割法。

由于铁物质膨胀时，每一点向各个方向的膨胀速度是相同的，即呈现"各向同性"，所以可想象铁环有许多同心圆拼成，每个同心圆膨胀前后的周长之比是相同的，于是得出内圆周长增大。

解二，填补法。

想象在铁环中间填补上空缺，即变成一个完整的铁圆。

假设铁环膨胀时内圆周长没有增大，则在衔接处由于挤压必然会出现褶皱，这显然是荒谬的，可见假设不成立，内圆周长增大。

解三，相似法。

由于膨胀时呈现“各向同性”，则膨胀前后的两个铁环必然为“相似体”，对应线段成比例，内圆周长增大。

同一问题，从不同角度、不同侧面，用不同方法去分析思考，得到几种解法，它们相互补充，更加完善，既发展了思维能力，又使问题得到彻底解决。

再例如，学习了阿基米德原理，可出示题目：

将船上的石头扔到水底，水面是上升还是下降？

解题前，可试着让学生猜测结果，再和计算结果比较，作出反思，效果会更好。

解一，石头在船上时，依据漂浮条件与浮力原理，有：

ρ水gV排=G船+ρ石gV石①

石头扔到水底时，石头排开水的体积等于自身体积，则：

ρ水gV*排=G船+ρ水gV石②

由于ρ水＜ρ石，比较①②两式，不难得出：

V*排＜V排，即水面下降。

解二，石头在船上时，依据漂浮条件与浮力原理，有：

ρ水gV排=G船+G石①

将石头扔到水底，仍将石头与船看作一个整体，这个整体除受浮力外，还受到水底向上的支持力F，则：

ρ水gV*排+F=G船+G石②

同样，比较①②两式，更容易看出：

V*排＜V排，即水面下降。

解三，如果将石头沉入水底想象为钢制轮船翻入水底，问题会变得再简单不过了。

轮船漂浮在水面时，有：

ρ水gV排=ρ铁gV铁①

沉船后，排开水的体积等于轮船自身体积，则：

V*=V铁②

由于ρ水＜ρ铁，比较①②两式，一目了然：

V*排＜V排，即水面下降。

三种解法，思维越来越巧妙，想象越来越丰富，解法也越来越简单，尤其是解三，其实质更是一针见血地击中了要害：

沉船前，排开水的体积等于跟船等重的水的体积；沉船后，排开水的体积等于轮船自身的体积。

毫无疑问，水面当然是下降了。

5.启蒙想象意识，感悟想象方法，激发想象热情

孔子言：

“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，爱因斯坦也说：

“兴趣是最好的老师”，都指出了培养兴趣的重要性。

充分利用物理现象的趣味性，巧妙创设情境，设置悬念，引起认知冲突，导致学生急切的期待行为，进而激发求知欲。

例如，讲“液体的压强”时，可用饮料瓶、软橡胶管等模拟“帕斯卡裂桶”实验，一杯水竟然能产生神奇的力量，出乎人们的意料，与学生的猜测想象截然相反，使学生感到新奇与惊异，从而深刻地认识到水的压强只与深度有关，而与水的形状、质量等无关。

物理知识只有和日常生活联系起来，学以致用，才会更加生动有趣，因此，除了课堂教学要注意多联系生活和生产的实际事例外，还应该充分利用课外活动，开展兴趣活动，使物理学习更加生动活泼。

例如开展一些小实验、小制作、小设计、小发明、小论文等创造活动，培养情趣，使学生的想象力以及动手能力得到锻炼和发展。

比如，学习摩擦，可指导学生写作“没有摩擦的世界”；学习重力，可写作“假如没有重力”，可制作“不倒翁”；学习杠杆，可制作“杆秤”；等等。

对于学生的作品，不能轻描淡写，要给予充分的肯定，从而使学生真正体验到成功的快乐，增强自信，切身感受到学习不再是沉重的负担，不再枯燥无味，而成为轻松愉快的享受，变“苦学”为“乐学”。

感受科学家的探究过程，树立向伟人学习的信念。

在这方面可以举办专门的讲座，也可以结合具体教学进行，在传授知识时适当插入科学史，介绍知识产生的背景、历程，介绍科学家刻苦努力探索的过程和思维的路子，也可以介绍一些后人或推翻否定、或补充完善前人观点的事例。

比如，伽利略如何想象并实验否定了亚里士多德关于力和运动的关系，得出正确结论：

力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因；牛顿如何想象与计算得出万有引力。

通过史实，使学生领略科学家如何质疑、如何猜测、如何探究，从中得到启迪，学习科学家敢于想象、善于想象、富于想象的高贵品质，进而认识到科学的本质是革命创新，激起学生克服困难标新立异的欲望、勇气和信心。

综上所述，应当从合理安排教学内容，科学训练思维方法，激发兴趣与热情三方面入手，发展学生的想象力，使学生富于创新意识、创新热情与创新能力，从而提高人才质量，为祖国建设培养出更好的创新人才。