物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法探索*
——《物理教育中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)》子課題研究概要

黃國龍

(鎮(zhèn)海中學(xué)浙江 寧波315200)

*寧波市“十二五”教育規(guī)劃重點(diǎn)課題“物理教育培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)探索”的研究成果之一，編號：YZD12021

摘 要：本文首先揭示現(xiàn)行中學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新思維培養(yǎng)存在的問題和不足；其次根據(jù)創(chuàng)新思維的一般特性和中學(xué)物理教學(xué)的實(shí)際，確定中學(xué)物理創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)的內(nèi)容；最后，介紹有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法的一些具體做法．

關(guān)鍵詞：物理教學(xué)創(chuàng)新教育創(chuàng)新思維

作者簡介：黃國龍(1964-)，男，特級教師，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.

收稿日期：(2014-12-22)

1問題的提出

現(xiàn)行中學(xué)物理教學(xué)中，雖然學(xué)生創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)的途徑和策略較多，但存在如下問題和不足.

(1)注重必修課程中封閉性的創(chuàng)新思維教學(xué)，缺乏在開放性選修課程中深層次地實(shí)施創(chuàng)新思維培養(yǎng)

傳統(tǒng)物理教學(xué)中較多局限于物理必修課程中實(shí)施創(chuàng)新思維培養(yǎng)，物理創(chuàng)新思維培養(yǎng)內(nèi)容和策略比較零亂，缺乏系統(tǒng)性．由于探究時(shí)空限制引起創(chuàng)新活動缺乏深刻性、自主性、體驗(yàn)性，從而使創(chuàng)新思維培養(yǎng)策略缺乏課程化和深刻性．因而需要通過開發(fā)實(shí)施高水平的物理創(chuàng)新思維培養(yǎng)選修課程和研究性課題研究來促使創(chuàng)新思維活動的開放性，從而使物理創(chuàng)新思維培養(yǎng)深度化．

(2)物理競賽教學(xué)功利化和應(yīng)試化，缺乏有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維

高中物理競賽是培養(yǎng)創(chuàng)新思維的重要途徑，然而，近幾年高中物理競賽教學(xué)中存在如下問題.

競賽目的急功近利．學(xué)校、教師和學(xué)生把獲獎(jiǎng)能保送、加分做為競賽目的．參賽學(xué)生缺乏對物理的一種內(nèi)在興趣和熱情，缺乏對學(xué)習(xí)物理持續(xù)的動力，更缺乏對物理的專業(yè)抱負(fù)和志趣．

競賽教學(xué)高度應(yīng)試化．現(xiàn)在物理競賽資料繁多，復(fù)雜、超綱、偏難題目較大，使物理競賽成為高度應(yīng)試化的活動，缺乏對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，嚴(yán)重偏離物理競賽的原先宗旨．

(3)學(xué)教方式傳統(tǒng)化，缺乏創(chuàng)新思維培養(yǎng)需要?jiǎng)?chuàng)新的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式

創(chuàng)新思維培養(yǎng)需要有創(chuàng)新的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式．然而，傳統(tǒng)物理創(chuàng)新教學(xué)中缺乏創(chuàng)新學(xué)習(xí)方式和教學(xué)方式，缺乏類似科學(xué)探究背景中創(chuàng)新思維方法的展現(xiàn)和發(fā)揮過程，從而使創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)停留在形式上，學(xué)生對創(chuàng)新思維方法沒有得到內(nèi)化．

2中學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)內(nèi)容

課題組根據(jù)創(chuàng)新思維一般性結(jié)合中學(xué)物理教學(xué)特殊性，整合中學(xué)物理競賽教學(xué)，在整合一般性創(chuàng)新思維基礎(chǔ)上，確定中學(xué)物理教學(xué)中創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)體內(nèi)容．

2.1一般性創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)內(nèi)容

(1)發(fā)散思維方法．能通過觀念、知識、方法和技術(shù)等信息的重新組合，多角度地發(fā)散思維來審視研究問題，創(chuàng)新提出和解決問題．

(2)直覺思維方法．能運(yùn)用思辨思維、想象思維、聯(lián)想思維、靈感思維提出問題、分析解決問題．

(3)側(cè)向思維方法．能從橫向視角另辟蹊徑提出、分析和解決問題．

(4)逆向思維方法．能從與已有思路的反方向去思考問題，創(chuàng)新解決問題．

2.2 物理創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)內(nèi)容

(1)等效思維方法．能根據(jù)等效關(guān)系把復(fù)雜、陌生問題轉(zhuǎn)化為簡單、熟悉問題，創(chuàng)新提出探究問題和解決問題．

(2)類比思維方法．能運(yùn)用已有的知識、方法將新的復(fù)雜問題與熟悉簡單問題或其他相似事物進(jìn)行類比，從而創(chuàng)新地提出探究問題和解決新的復(fù)雜問題．

(3)移植構(gòu)建思維方法．能移植應(yīng)用熟悉領(lǐng)域的相關(guān)知識和方法構(gòu)建熟悉、簡單物理模型解答陌生領(lǐng)域復(fù)雜的物理問題，使復(fù)雜問題得到創(chuàng)新解答．

(4)對稱思維方法．能根據(jù)物質(zhì)世界對稱性，運(yùn)用時(shí)空、物理本質(zhì)對稱性創(chuàng)新提出問題，創(chuàng)新解答疑難物理問題．

(5)一般化思維方法．針對特殊問題、模型、理論在解答新的問題時(shí)遇到的困難，能從更一般的角度構(gòu)建模型、提出理論、運(yùn)用方法，創(chuàng)新解答新的問題．

(6)整體思維方法．能從系統(tǒng)、整體的角度綜合分析多體相互作用、多過程運(yùn)動、不同運(yùn)動形式轉(zhuǎn)化等問題，使復(fù)雜問題得到創(chuàng)新解答．

(7)特殊化思維方法．針對運(yùn)用原有理論和方法解答問題所得的一般性結(jié)果，能從特殊的角度進(jìn)行推理，對特殊推理結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，來揭示原有理論和方法存在問題．

3中學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法探索

3.1整合物理競賽教學(xué)活動科學(xué)系統(tǒng)開發(fā)實(shí)施物理創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)課程

課題組重組原有物理競賽社團(tuán)活動，整合物理創(chuàng)新思維培養(yǎng)，科學(xué)開發(fā)《物理創(chuàng)新思維方法》課程，主要章節(jié)內(nèi)容和課時(shí)安排如表1所示．綜合運(yùn)用“物理知識創(chuàng)新教學(xué)模式”、“物理方法創(chuàng)新教學(xué)模式”、“學(xué)術(shù)研討式”、“辯論式”、“探究式”等創(chuàng)新的自主學(xué)習(xí)方式來實(shí)施創(chuàng)新思維方法課程．

表1　物理創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)表

續(xù)表

案例分析1：運(yùn)用等效、一般化、類比等思維方法創(chuàng)新降解求解物理競賽“微積分問題”．

【例1】如圖1所示，質(zhì)量為m，帶電荷量為Q的粒子放在離無限大導(dǎo)電板d處．現(xiàn)釋放該粒子，求它經(jīng)過多長時(shí)間到達(dá)板上．不計(jì)粒子重力．

圖1

常規(guī)解法:本題的常規(guī)解法是運(yùn)用鏡像法等效構(gòu)建鏡像電荷-Q，根據(jù)庫侖定律和牛頓第二定律列出

電荷位移x滿足dr=-dx，結(jié)合

得

創(chuàng)新解法:教師引導(dǎo)學(xué)生綜合運(yùn)用等效、一般化、類比等思維方法創(chuàng)新解答這個(gè)問題．

運(yùn)用等效思維方法構(gòu)建鏡像電荷模型：根據(jù)電勢等效方法構(gòu)建鏡像電荷Q′,得

圖2

把運(yùn)動鏡像電荷-Q等效為處于導(dǎo)體板上O點(diǎn)固定不動點(diǎn)電荷Q″(圖2)，根據(jù)

得

運(yùn)用一般化思維方法構(gòu)建一般模型：點(diǎn)電荷在電荷Q″作用下做直線運(yùn)動，電荷Q受到電場力為

因而可以把點(diǎn)電荷運(yùn)動近似為很扁的橢圓運(yùn)動，長半軸

運(yùn)用類比思維方法簡化推理過程：此運(yùn)動模型與天體運(yùn)動模型相似，運(yùn)用類比思維方法得

扁橢圓運(yùn)動的運(yùn)動周期為

電荷到達(dá)板所需時(shí)間等于半個(gè)運(yùn)行周期

綜合解得

由上分析可知，通過綜合運(yùn)用等效、一般化、類比等思維方法，創(chuàng)新降解解答這個(gè)疑難物理競賽問題．

3.2構(gòu)建實(shí)施“方法創(chuàng)新探究模式”培養(yǎng)學(xué)生物理創(chuàng)新思維方法

課題組根據(jù)方法創(chuàng)新特點(diǎn)整合物理競賽教學(xué)，構(gòu)建方法創(chuàng)新探究模式，有效地培養(yǎng)學(xué)生物理創(chuàng)新思維方法．

圖3

物理方法創(chuàng)新探究模式流程如圖3所示，特點(diǎn)是：以學(xué)生認(rèn)知中原有方法為基礎(chǔ)，以新的問題情景為切入點(diǎn)，以探究解答為動力，以方法求真探索創(chuàng)新和臻美創(chuàng)新為核心，以構(gòu)建新的方法結(jié)構(gòu)、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法為目標(biāo)．學(xué)生原有方法包括思維方法，所創(chuàng)設(shè)新問題情境應(yīng)能揭示原有方法的局限性，同時(shí)隱含了新的思維方法；當(dāng)學(xué)生探究失敗時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行求真探究(探究新的正確方法)；當(dāng)學(xué)生探究成功時(shí)，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行臻美創(chuàng)新(尋求更簡潔、更一般的方法)．

案例分析2：運(yùn)用方法創(chuàng)新探究模式探究“電荷分布規(guī)律”．

創(chuàng)設(shè)新的問題

圖4

【例2】如圖4所示，在電場強(qiáng)度為E的勻強(qiáng)電場中放置一個(gè)均勻金屬球，其半徑為R，由于靜電感應(yīng)，在球上產(chǎn)生了面電荷，面電荷密度為σ，試探究σ和圖中標(biāo)出的θ角的關(guān)系式．

學(xué)生錯(cuò)解:虛設(shè)球內(nèi)的勻強(qiáng)電場由如圖5(a)所示的兩個(gè)無限大均勻帶電(面電荷密度為σ0)平板產(chǎn)生的，兩平板剛好與球相切．由于球內(nèi)電場強(qiáng)度為零，因而一個(gè)平板與半球面電荷在球心O產(chǎn)生的電場強(qiáng)度大小相等．在球面上任取一微元Δs1，此微元在左面平板上相對應(yīng)的微元為Δs2[如圖5(b)所示]．兩微元在球心產(chǎn)生電場強(qiáng)度分別為

圖5

根據(jù)如圖5(b)所示的幾何關(guān)系得

Δs1=R2ΔθΔφΔs2=r2ΔθΔφ

結(jié)合ΔE1=ΔE2,E=2πkδ0，得

導(dǎo)致悖論，揭示錯(cuò)誤：針對這個(gè)解答，有些學(xué)生運(yùn)用特殊化方法導(dǎo)致悖論：即令θ=90°時(shí)，推得δ→∞，這顯然與事實(shí)(θ=90°位置δ應(yīng)最小)矛盾．這個(gè)悖論揭示學(xué)生原有解答是錯(cuò)誤的．

創(chuàng)新解答1:部分學(xué)生通過等效構(gòu)建“雙球電荷”模型解答這個(gè)問題：

如圖6(a)所示，電荷密度分別為ρ和-ρ的兩個(gè)半徑都為R均勻帶電球體球心的距離為d(d?R)，重疊部分電荷為零．取表面積為ΔS，高為dcosθ的小長方體微元，其帶電荷量為Δq=ρΔSdcosθ，當(dāng)d→0時(shí)，這些電荷只分布在ΔS表面上，電荷面密度為σ=ρ dcosθ．由如6(b)圖可知，“雙球電荷”模型在重疊處產(chǎn)生水平向右的勻強(qiáng)電場E，只要E-E0=0，則本題中金屬球表面上電荷分布與“雙球電荷”模型不重疊處表面的電荷分布等效，也為σ=ρ dcosθ．由電場疊加原理得雙球電荷在球內(nèi)任一點(diǎn)P產(chǎn)生的場強(qiáng)大小為

圖6

結(jié)合σ=ρ dcosθ解得

創(chuàng)新解答2：運(yùn)用一般化、等效、移植等創(chuàng)新思維方法創(chuàng)新探究電荷分布規(guī)律．

圖7

圖8

運(yùn)用移植思維方法簡化推理過程．在R?d條件下，在球面上和球面外激發(fā)電場時(shí)，可把兩鏡像電荷等效為偶極子．偶極子在球面上任意點(diǎn)P產(chǎn)生電場強(qiáng)度為

P點(diǎn)徑向電場強(qiáng)度滿足

Er+Ecosθ=4πkδ

即

結(jié)合

從而解答

在探究上述電荷分布規(guī)律過程中，學(xué)生的特殊化、一般化、等效、移植等多種創(chuàng)新思維方法得到充分發(fā)揮，創(chuàng)新地解答復(fù)雜靜電問題，多種創(chuàng)新思維方法得到有效培養(yǎng)．

3.3實(shí)施“悖論”①*①這里的“悖論”是科學(xué)研究中悖論的引申(移植到物理教學(xué)中).探究教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法在科學(xué)“悖論”探究中科學(xué)家自覺地運(yùn)用創(chuàng)新思維方法發(fā)現(xiàn)科學(xué)“悖論”，揭示原有理論隱含的客觀矛盾；運(yùn)用創(chuàng)新思維方法分析科學(xué)“悖論”產(chǎn)生的原因，為提出新的科學(xué)理論打下基礎(chǔ)；運(yùn)用創(chuàng)新思維方法探究“悖論”、消除“悖論”，提出新的物理理論．雖然中學(xué)生探究物理過程和科學(xué)家探究物理過程在目標(biāo)和難度上是不同的，但某種意義上講，學(xué)生探究物理知識過程與科學(xué)家探究物理學(xué)過程中運(yùn)用思維方法具有相似性．中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)施“悖論”探究教學(xué)對于學(xué)生探究物理知識和物理創(chuàng)新教學(xué)具有十分重要的價(jià)值，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法一有效的途徑．

物理“悖論”探究教學(xué)中創(chuàng)新思維方法培養(yǎng)思路是：創(chuàng)設(shè)一些適合學(xué)生認(rèn)知水平且能夠激發(fā)探究興趣和創(chuàng)新思維的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)“悖論”、探究“悖論”原因、解答“悖論”問題等“悖論”探究過程，內(nèi)化相關(guān)物理創(chuàng)新思維方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方法．

案例分析3：在探究“潛艇功率”、“悖論”過程中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方法

問題情景：

【例3】潛艇下方有推進(jìn)器，用絕緣材料制成的直線通道推進(jìn)器構(gòu)成，其原理示意圖如圖9所示．在直線通道內(nèi)充滿電阻率ρ1=0.2Ω·m的海水，通道中a×b×c=0.3m×0.4m×0.3m的空間內(nèi)，存在勻強(qiáng)磁場B=6.4T，方向垂直通道側(cè)面向外．磁場區(qū)域上、下方各有a×b=0.3m×0.4m的金屬板M和N，當(dāng)其與直流電源相連后，在兩板之間的海水中產(chǎn)生大小恒為I=1.0×103A的電流．設(shè)電流只存在于磁場區(qū)域，海水密度ρ2=1.0×103kg/m3．當(dāng)潛艇以恒定速度v0=30m/s前進(jìn)時(shí)，海水在出口處相對于推進(jìn)器的速度v=34m/s，試求一個(gè)管道所消耗的電功率大小．

圖9

(1)在導(dǎo)致“悖論”過程中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法

在導(dǎo)致“悖論”過程中，可運(yùn)用對稱創(chuàng)新思維方法、特殊情形推理、運(yùn)動可逆性、多角度思維等方法導(dǎo)致“悖論”，培養(yǎng)創(chuàng)新思維方法．

錯(cuò)誤解法:在地面參照系中，安倍力推動潛艇功率為 P電1=BIcv0，從管道右側(cè)出來水相對地面的速度為

vd=vr-v0=4m/s

在Δt時(shí)間內(nèi)有質(zhì)量為m的水由靜止加速到速度為vd．安倍力做功使水加速消耗電功率為滿足

電阻上消耗的熱功率為

解得

Pr=5×105WP電1=5.76×104W

P電2=3.84×103W

消耗總電功率為

P電=Pr+P電1+P電2=5.614 4×105W

運(yùn)用對稱思維方法導(dǎo)致“悖論”:部分學(xué)生運(yùn)用相對性原理(事實(shí)上是對稱創(chuàng)新思維方法一具體形式)導(dǎo)致“悖論”．以潛艇為參照系，電阻上消耗熱功率還是

Pr=I2R=5×105W

水以v0=30m/s速度從潛艇左端進(jìn)水口s1進(jìn)入管道，以vr=34m/s速度從右端出水口s3流出，推動水加速消耗的電功率滿足

m=ρs3vrΔt

解得

消耗總電功率為

根據(jù)相對性原理，消耗的電功率在不同參照系中應(yīng)相同，但上述兩種解法得出不同結(jié)果，導(dǎo)致“悖論”．這個(gè)“悖論”意味著上述解答存在問題．教師把探究上述錯(cuò)解原因及正確解法做為學(xué)生探究課題．

(2)在分析“悖論”原因過程中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法

在分析“悖論”產(chǎn)生的原因過程中，可運(yùn)用特殊化思維、一般化思維、發(fā)散思維等方法分析“悖論”原因，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方法．

特殊化思維分析錯(cuò)誤原因:對于特殊情形(假若沒有安倍力)，潛艇管道向左運(yùn)動，根據(jù)連續(xù)性原理(v1s1=v3s3)和圖10可知v3>v1．原因是由于管道兩端水對進(jìn)入管道的水要做功，從而導(dǎo)致這部分水動能增加．在本問題中，由于安倍力和管道左右水對流入管道的水共同做功使這部分水動能增加．錯(cuò)解原因之一是認(rèn)為安倍力做功所消耗的電能等于流進(jìn)管道部分水的動能增量．

圖10

(3)在探究解答“悖論”問題過程中，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方法

在探究解答“悖論”問題過程中，可運(yùn)用等效、類比、對稱、一般化、移植模型等創(chuàng)新思維方法，創(chuàng)新解答物理問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維方法．

運(yùn)用發(fā)散思維，創(chuàng)新物理模型:從流體連續(xù)性角度分析，根據(jù)連續(xù)性原理v2s2=v3s3，由于長方體管道內(nèi)橫截面積相等，因而水在長方體管道內(nèi)應(yīng)做速度為vd=4m/s的勻速運(yùn)動，而不是加速運(yùn)動．安倍力做功消耗電功率即為安倍力對流進(jìn)潛艇內(nèi)水所做功功率和反作用力對潛艇做功功率之和，滿足

P安=BIcv0+BIcvd

解得

P安=6.528×104W

消耗總的電功率為

P電=5.652 8×105W

運(yùn)用對稱創(chuàng)新思維方法，簡化探究過程：部分學(xué)生運(yùn)用對稱思維方法(巧選潛艇參照系)探究解答：根據(jù)連續(xù)性原理，水在長方體管道內(nèi)做速度為vr=34m/s的勻速運(yùn)動，安倍力對流進(jìn)管道內(nèi)水所做功消耗的電功率為P安=BIcvr，解得

P安=6.528×104W

消耗總的電功率為

P電=5.652 8×105W

結(jié)果與地面參照系解答結(jié)果相同，符合相對性原理，大大簡化解題過程．

參 考 文 獻(xiàn)

1黃國龍,等.物理教育中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新素養(yǎng)探索課題研究概要.物理通報(bào)，2015(1):13～17

2王浩川,等．構(gòu)建一般化電荷模型求解靜電物理問題．物理通報(bào)，2014(6):72～74

3金旭統(tǒng),等．對一道物理高考題錯(cuò)解分析及創(chuàng)新解答．物理通報(bào)，2014(10):91～93