讓學生的思維靈動起來

周久

(南京師大附中,江蘇 南京 210003)

眾所周知,“威爾遜云室”是由英國物理學家威爾遜發明的.“威爾遜云室”的基本原理是利用純凈的蒸氣做絕熱膨脹,使溫度降低達到過飽和狀態.當帶電粒子射入后,在經過的路徑上產生離子,過飽和氣以離子為核心凝結成小液滴,從而顯示出粒子的徑跡.威爾遜是怎樣想到利用這個原理的?這與他的一段經歷有關.威爾遜曾于1894年在英國的本內維斯峰天文臺小住了數周,山峰間云霧飄渺的風景給他留下了深刻的印象.1895年,卡文迪許實驗室主任湯姆遜給了他一項任務,要他設計一種能夠顯示出電子徑跡的儀器,他想起了那一段經歷,山峰間神奇的云霧現象給了他靈感,經過多次試驗,終于在1896年成功地制造出了“威爾遜云室”.

與其他重大發明或發現一樣,威爾遜這項發明充分彰顯了思維的巨大力量.

思維的發展在人的發展中起著舉足輕重的作用.人為什么是地球上最偉大的生靈?因為人類能夠進行高級思維.正如恩格斯所說,思維是地球上最美麗的花朵.有學者曾說過,人類的最后一條“高速公路”架在哪里?就架在思維的時空中,人的發展要實現超越,思維的超越才是真正的超越.還有學者說過,人類的偉大在于思想的偉大,人類唯一的匱乏在于思想的匱乏,更好的思維會使這個世界更加美好.

教育承載著教書育人的偉大歷史使命.我們應當育什么樣的人?育人格健全的人.所謂人格,就是指一個人在社會化過程中形成和發展的思想、情感及行為的特有統合模式,而在人的行為中,思維是最為重要的要素之一.

一位詩人說過:教育不是要注滿一桶水,而是要點燃一把火.這把火是什么火?筆者以為主要是思維之火與創造之火.教育就是教人去思維,教人怎樣去思維,教人如何更深刻地思維.學生思維能力的培養主要通過課堂的學科教學實現.筆者以為學科教學有3個維度,這就是學科知識、學科思維和學科文化.學科思維是學科的內核,學科思維體現了學科的獨特的價值和無窮的魅力.從學生的素質角度看,思維品質是學生最重要的素質,因此,應當讓學生進入思維的世界,讓學生進入思維的世界的核心是對學生思維品質的培養.

物理學科是自然科學的一門重要學科,物理學給人類最寶貴的貢獻是物理學獨特的思維方法.物理教學的課堂應當重視培養學生思維的多樣性,既要培養學生的邏輯思維能力,也要重視培養學生的形象思維、直覺思維、靈感思維、聯想思維和推理思維等等.雖然由直覺、靈感等非邏輯思維得到的結論并不一定都是可靠的,但是人類的科學發展史發展表明,這些思維無疑是最重要的科學思維.

譬如,“威爾遜云室”的發明就是形象思維與聯想思維綜合的產物.

譬如,直覺就是個好東西.如果說邏輯是思維的結果,那么直覺就是思維的騰飛.愛因斯坦說過,真正可貴的是直覺.培根也說過,人類主要憑機遇和直覺而不是邏輯發現了藝術和科學.

什么是直覺思維呢?沒有經歷明確的邏輯步驟而獲得結論的思維就是直覺思維.

在物理學研究最簡單的變速運動時,伽利略設想,最簡單的變速運動的速度應該是均勻變化的,但是,速度的變化怎樣才算均勻呢?他考慮了兩種可能:一種是速度的變化對時間是均勻的;另一種是速度的變化對位移是均勻的.伽利略的判斷是,速度隨時間均勻變化的直線運動是最簡單的勻變速運動.伽利略的這個正確判斷就是運用直覺思維的結果.

直覺思維與科學猜想往往是相伴的,培養學生的直覺思維必須經常鼓勵學生大膽地猜想,我們在教學中必須保護學生的猜想意識.

圖1

例1.如圖 1所示,忽略空氣阻力的影響,當物塊從一定高度自由下落,壓縮彈簧至速度為零的時刻(彈簧始終在彈性限度內),物塊的加速度大小是比重力加速度大還是小?

對該題的判斷主要依據猜想,而猜想的依據是運動的對稱性,利用對稱性的判斷就是一種直覺思維.

譬如,科學推理是重要的.科學推理是抽象思維能力的一種表現.

伽利略的理想斜面實驗對牛頓第一定律的建立起到舉足輕重的作用.現行教材中在描述伽利略的理想斜面實驗時有這樣一段敘述,“若將后一個斜面放平,球會滾動多遠?結論顯然是,球將永遠滾動下去.”

我們可以問學生,這個結論中的“顯然”在哪里?事實上,這里的“顯然”是建立在科學推理的基礎之上的,沒有科學推理的過程就不能得出正確的結論,換句話說,這里的結論并不是“顯然”的.

物理課堂教學也應當重視培養學生思維的靈活性,因為在思維品質的要素中,靈活性是十分重要的.思維的靈活性屬于發散性思維的范疇.發散性思維就是人們沿著不同的方向、采用不同的視角去思考問題.它具有多向性、靈活性和敏捷性的特點.當思維方向進入“山重水復”的境地時,如果轉變一下思維的方向,可能就會“柳暗花明”.

如何培養學生思維的靈活性呢?引導學生經常變換角度看問題是一種有效的途徑.筆者經常跟學生說:換個角度看問題,可能看到另一個世界,可能發現一片新的天地.

圖2

例2.如圖 2所示,設空間存在豎直向下的勻強電場和垂直于紙面的勻強磁場.已知一個離子自A點從靜止開始運動,在電場力和洛倫茲力的作用下,該離子沿曲線ACB運動,到達B點時速度為零,C點是運動的最低點,忽略重力.若已知 E、B、m、q,能否求出離子到達C點時的速度大小?

考察離子從A點至C點的運動,對離子水平方向的分運動運用動量定理和對整個過程運用動能定理,就可求出正確的結果.這是一種能量與動量相結合的分析思路,這也是一種常用的分析思路.換一個角度思考問題,解決這個問題還可以采用別出心裁的獨創性思維,即構造一對大小相等的速度,從而得到兩個分運動:勻速直線運動與勻速圓周運動,這兩個分運動的合運動軌跡就是離子運動的軌跡.由這兩個分運動的速度迭加也可求出正確的結果.這是一種基于運動學的分析思路.這種從能量與動量相結合的思路轉變為運動學的思路,正是體現了思維的靈活性.

物理學科是一門實驗科學,物理實驗教學是物理課堂教學的主要內容之一,我們可以通過物理實驗方案的設計來培養學生思維的靈活性.

譬如在“探究加速度與力的關系”這一探究性實驗中,關鍵是要測出小車運動的加速度值或比較不同控制條件下的加速度.我們可以讓學生設計實驗思路,并讓學生對自己的多種設計方案做出評估與選擇,而在這種設計、評估和選擇的過程中,學生的思維空間就被打開了.在本實驗中,小車會受到斜面的滑動摩擦力,如何消除斜面對小車摩擦力的影響?我們也可要求學生進行方案的設計,并在設計的基礎上,對不同的方案做出評估,進而在評估的基礎上選擇方案.

思維的靈活性不僅反映了思維的品質與品位,也是抑制思維定勢負面作用的重要法寶.心理學的研究表明,思維定勢是一種經驗,也是一種反應傾向,它使人的思維循著某種習慣性的思路進行,因此它對于解決同樣情境的問題具有較高的成功率.但是,思維定勢的負面作用不可忽視,思維定勢會使人自以為是,當面臨新問題的時候,它會阻礙人們接受新的事物.顯然,思維定勢與人的創造力發展是背道而馳的.

對于思維定勢的負面影響,讓它充分地暴露和通過相似模型進行比較是克服它的好辦法.值得指出的是,在克服思維定勢負面影響的過程中,學生思維的周密性將會得到完善,而思維的周密性是思維品質的一個重要特征.

例3.在演示了“法拉第圓筒”實驗后,可以向學生提出這樣的問題:如果用一根導線將帶電的金屬球殼(相當于法拉第圓筒)的內表面與驗電器連接(如圖3所示),驗電器的箔片是否會張開?為什么?

圖3

這個問題,對于多數學生來說是一道越不過去的“坎”,且每屆學生都會重復同樣的錯誤,很少有學生發現,用小球接觸圓筒內表面后跟驗電器接觸,與用導線連接圓筒內表面跟驗電器這兩種現象間的差異.究其原因,是思維定勢的負面影響在作祟.將這兩種貌似相同的模型放在一起,學生在犯錯后通過比較與鑒別就會一下子恍然大悟.

在物理課堂教學中,學生的思維能否靈動起來與教師的教學模式是有很大關系的.因為一切思維都是從問題開始的,所以筆者倡導“以問題為中心”的課堂教學模式.

所謂“以問題為中心”的課堂教學模式,就是將問題作為學科知識建構與誘發學科思維的載體,以整體設計的平行問題組、遞進問題鏈或輻射問題簇串聯于整個教學過程,并恰當地嵌入各個教學環節中.以教師的問題誘導使學生產生疑問,進而提出問題,或者教師設計情境啟發學生發現問題,通過師生對話、學生獨立思考或討論等方式解決問題,而在解決問題的過程中使學生獲得體驗,喚起學生思維的活力,并實現“知識與技能,過程與方法,情感態度與價值觀”的有機融合,從而促進學生全人格的健康發展.在“以問題為中心”的課堂教學中,教師設計并提出的問題要戒多忌平庸,即在課堂教學中不要一味地追求問題的數量,而應當關注問題的質量與品質.教師設計的問題應當是有意義的問題,有價值的問題,或者是能夠激發學生學習興趣的問題.

譬如學習“磁場”第一節,可以用這樣的問題導入:候鳥在每年一度的大規模遷徙中能夠準確無誤地飛行,是什么為它們進行了準確的導航?

教師設計的問題不僅要有意義、有價值、有興趣,還要有挑戰性,而問題的挑戰性強弱正體現了思維品質的要求.

譬如,在學習“法拉第電磁感應定律”時,可以設計這樣的問題:教材中說“閉合電路常常是一個匝數為 n的線圈,而且穿過每匝線圈的磁通量總是相同的.由于這樣的線圈可以看成是由n個單匝線圈串聯而成的,因此整個線圈中的感應電動勢是單匝線圈的 n倍,即你對這段話有沒有疑問?這個問題可以使學生更準確、更深刻地理解法拉第電磁感應定律,同時從中也培養了學生追問的習慣和敢于懷疑的科學態度.

教師設計的問題不僅要有意義、有價值、有興趣、有挑戰性,還要設計出讓學生產生懷疑的問題.正如物理學家費爾曼曾經指出的:“在科學中,懷疑是舉足輕重的.”有懷疑才能有深刻的思維.英國著名的哲學家培根也說過一句極富有哲理的話:“如果你從肯定開始,必將以譬如說,在講“萬有引力定律的問題告終;如果你從問題開始,則將以肯定結束.”這說明沒有懷疑就沒有真正的確信.科學的發展史表明,沒有懷疑,就沒有科學.

能夠激起學生懷疑的問題,通常應當是似乎沒有疑義的“定論”.應用”時,教師可以提出這樣的問題:在同步軌道上互成120°分布3顆同步衛星能夠實現真正的全球衛星通信嗎?

教師設計的問題通常還需要有遞進性的特征,這樣才能將學生的思維引向深入與深刻,才能促進學生思維品質的優化與思維品位的提升.

例如在“測定電池的電動勢和內阻”的實驗教學中,可以設計這樣的遞進性問題鏈.

問題1:為什么不用一只電流表(或電壓表)與電阻箱去測電池電動勢和內電阻?

問題2:用一只電流表(或電壓表)與電阻箱做該實驗,運用作圖法處理實驗數據一定不能得到較準確的結果嗎?

問題3:如果你認為能夠得到較準確的結果,那么你有哪些具體的方案?

上述問題組中的后兩個子問題對學生的思維是富有挑戰性的,是培養學生思維的深刻性與靈活性的好素材.

在實施“以問題為中心”的課堂教學模式中,不僅需要教師精心地設計問題,更為重要的是,教師要善于對學生進行啟疑.教師應當尊重學生課堂上提問題的權力,教師應當保護學生提問題的積極性,教師應當鼓勵學生敢于提出問題.這對于學生形成靈動的思維是至關重要的.

一個人能否經常地提出問題,是一個人創造性能力高低的重要標志.一個人有沒有思想?關鍵是能不能獨立思考與獨立判斷,能否在思考與判斷的基礎上懷疑事物和進行質疑.正如諾貝爾物理學獎評委會主席桑?斯萬伯格所說的,傳播已確定的真理固然重要,但教會學生質疑傳統思維則更為重要.

懷疑與質疑是一種意識,是一種習慣,是一種能力,更是一種精神.在教學中教師應當精心呵護,耐心培育.

我們應當追求這樣的課堂,讓學生的思維靈動起來,使學生成為智慧的人,這是高質量的素質教育對我們提出的要求,這當然也是我們應當追求的課堂教學.

1 郭道勝.讓學生進入思考的世界.濟南:山東人民出版社,2006.53,85,220

2 郭亨杰.思維的拓展.南京:江蘇科學技術出版社,2000.44

3 田世昆,胡衛平.物理思維論.南寧:廣西教育出版社,1996.15

4 張楚廷.課程與教學哲學.北京:人民教育出版社,2003.140,364