物理教學應注重培養學生的創新思維能力

創新教育是指整個教育過程被賦予人類創新活動的特征，并以此為基礎，達到培養創新人才和實現人的全面發展為目的的教育。創新教育的內容包括創新精神、創新能力、創新人格三個方面。其中創新能力，主要包括創新思維能力、創造想象能力以及創造性的計劃、組織與實施某種活動的能力。其中創新思維能力處于首要位置。創新思維源于常規的思維過程，又高于常規的思維。它的特征是超越或突破人們固有的認識，使人們的認識“更上一層樓”。創新思維表現出個體在觀念層面新穎、獨特、靈活的問題解決方式，是創新實踐的前提與基礎。經驗性的研究表明，具有創新思維的人常常感受敏銳，思維靈活，能發現常人視而不見的問題并能多角度地考慮解決辦法；理解深刻，認識新穎，能洞察事物本質并能進行開創性地思考；實事求是，能合理運用發散與輻射、邏輯與直覺、正向與逆向等思維方式，不走極端，能把握事物的中間狀態等。這些品質是基礎教育階段思維訓練的重點。然而在教學效果的評價體系中，最有說服力的依然是考試成績。教師和學生為了拿到或提高一分，做著大量的、多種的、不懈的嘗試和努力，熟記各種定理定律的具體解題步驟，熟知典型物理圖景的構建和典型物理題目的解題思路等。大量的灌注使得學生思維僵化，形成了思維定勢，抑制了發散思維能力，學生的創新能力沒能提高，反而受到壓制。在物理知識和物理能力教學過程中，起教學主導作用的教師必須注重如何減少思維定勢的不利影響，注重發散性思維能力的培養，使得應試能力與創新能力都能得到提高，最終達到教學目的。

一、突破思維定勢，靈活運用物理知識解決問題

思維定勢是思考同類或相似問題的慣性軌道，來自于心理定勢。過去的思維影響當前的思維，形成了固定的思維模式。任何事物都有兩個方面，思維定勢可以省去許多摸索、試探的步驟，縮短思考時間，提高效率。在日常生活中，思維定勢可以幫助我們解決每天碰到的常見問題。在各種考試內容安排上，容易、中等難度的考題占試卷總分的80％以上，考查學生創新能力的考題比例雖然在增加，但其所占分值比例仍然很小。對于考場中的學生來說，時間是被限定的，十道考題中有八道熟悉與十道考題中只有兩道題熟悉相比，考出的成績肯定不同。這是因為學生通過大規模的解題訓練，熟知每塊教學內容的典型問題和相應的解題思路和解題方法，積累了對常見問題處理方法的思維模式。在教學中一定量的解題訓練能形成思維定勢，提高考試成績。另一方面，通過大量的解題訓練，由量變到質變，學生的思維能力得到了充分訓練，可以感悟出現象背后的本質，提高處理問題的能力。

思維定勢是客觀存在的，一旦解決了一個問題，下次遇到類似的問題或表面看起來相同的問題，還是可能會沿著上次思考的方向或次序去解決。例如一道高考題(如圖1)：為了使自由下落的帶正電粒子與帶負電粒子分開，在釋放點下方加了一個水平方向的電場，求粒子離開電場的位置。許多學生看到題后非常高興，認為“帶電粒子垂直進入勻強電場，粒子就做類平拋運動”，按照類平拋問題解題，結果失掉18分。問題出在類平拋的題做得太多了，形成了思維定勢，沒有對粒子的初始狀態和所受到的合外力進行認真分析，就想當然地確定粒子的運動狀態。實際上，初速度為零的粒子，在重力與電場力的合力作用下做勻加速直線運動。

為避免思維定勢的影響，在處理物理問題時，要把握住發生現象的決定因素，要避免用類似的現象得出結論卻不看適用條件，要在滿足相應的條件下得到正確結論。教師應該叮囑學生，碰到難題不要輕易放棄，碰到類似題不要盲目樂觀，每道物理題都是一個具體的物理現象，具體問題都存在其特殊性。只有用挖掘出的特殊性與學到的普遍規律相結合，才能得到正確的物理結論。如學生通過大量練習，對應用機械能守恒或動量守恒的解題步驟比較熟悉，但是在處理問題時，往往忽視對守恒條件的判定，特別是近似守恒現象的鑒別，反映出學生物理現象的觀察能力和對守恒定律本質的理解能力不強。這也正是教師在日常教學中不斷要求學生需要掌握的能力。

在進行創造活動時，要有意識地拋開以往思考這些問題時的習慣(思維程序和模式)，警惕和排除它對尋求新的設想所可能產生的束縛作用。擴大觀察問題的視角，擴大研究問題的途徑，多角度、多方面、靈活地審視問題，從而突破思維定勢的影響。

例如在豎直平面內有一個邊長為L的正方形，質量為m的金屬框。在其下方有一寬度也為L的水平區域，在該區域內有垂直紙面向里的勻強磁場(如圖2)。當線框勻速通過磁場過程中，求線框產生的熱量。

學生在解題時，由于是電磁感應現象，受思維定勢的影響，通常多數學生采用方法是當線框勻速通過磁場過程中：Mg=BIL；E=BLV；Vt=2L；Q=12Rt=I-Et=2mgL。

如果學生的物理知識扎實，從多個角度審視問題，用能量守恒定律就能直接找到答案，既節約了時間，又能夠正確地解答。當線框勻速通過磁場過程中，根據能量守恒定律可知，減少的重力勢能等于金屬框產生的熱量：Q=2mgL。

應試能力與創新能力的培養是矛盾的統一體，雖然兩種能力所要解決的問題范疇不太相同，但是具體到中學生學習中學物理的這一階段，提高應試能力與提高創新能力是相輔相成的。創新能力的核心是創新思維，創新思維是一切創新的源泉。創新思維不是一種單一的思維，主要是發散思維與收斂思維新穎靈活的有機結合。

二、培養運用發散思維能力，把握物理知識的廣度和深度

發散思維是從一個問題(信息)出發，突破原有的圈，充分發揮想象力，經不同的途徑，以不同的視角去探索，重組眼前的和記憶中的信息，產生新信息，使問題得到圓滿解決的思維方法。發散思維的特征是流暢性、變通性、獨創性。其中獨創性是發散思維的本質。發散思維的三個作用是核心性作用、基礎性作用和保障性作用。核心性作用表現為想象是人腦創新活動的源泉，聯想使源泉匯合，而發散思維就為這個源泉的流淌提供了廣闊的通道；基礎性作用表現為創新思維的技巧性方法中，有許多都是與發散思維有密切關系的；保障性作用表現為發散思維的主要功能就是為隨后的收斂思維提供盡可能多的解題方案。這些方案不可能每一個都十分正確、有價值，但是一定要在數量上有足夠的保證。

發散思維的培養需要寬松的教學環境。教師教得輕松，學生學得愉快。如果課堂氣氛活躍不足、嚴肅有余，那么學生就會有一種無形的壓抑感，將嚴重制約學生智能和創新精神的發展。所以教師應以民主、平等的態度對待學生，營造一種輕松、愉快、和諧的課堂氛圍。物理學中有許多知識、現象和實例頗具趣味性，教師要善于利用，讓學生心情舒暢地接受知識。寬松的教學環境、生動活潑的學習氛圍能最大限度地調動學生學習的主動性和創造性，使學生思維活躍，智力呈開放狀態。

發散思維的培養是在學生主動學習、主動探索的學習過程中完成的。創新性的見解往往就在學生的各抒己見之中，學生熱烈討論之時往往正是發散思維最為活躍之際。教師的主導作用在于能夠設計出讓學生自由討論的題目，能夠設計出有多種答案，并能澄清學生模糊、錯誤認識的題目，能夠設計出學生可能產生創造性見解的題目，而這是物理創新教學的藝術。所以教師要落實如何從“教”的角度去喚起學生的“學”，以學生活動為主線，讓每個學生參與教學全過程。

教師可結合物理學自身特點和不同教學內容，設計一些實驗、問題和情景，通過指導或引導，讓學生去操作、分析和探索，使學生成為知識的再發現者而不是接受者。教師要充分挖掘教材中的探索性成分，引導學生主動學習、主動探索，讓學生自己發現問題、發現規律，從而不斷提高學生的創新意識和創新能力。

為培養學生的發散思維，可在教學中提出一些不是只有固定答案的發散性問題，做一些一題多解、一題多變、一問多答的練習，促使學生廣泛地搜尋自己的記憶貯存、盡可能提取更多的信息來尋求答案。通過多種發散思維訓練、培養學生靈活、批判地考慮問題，提高學生思維的流暢性、變通性和獨創性，從而使學生的創新思維和創新能力得到實質性的提高。

受力分析是解決力學問題的基礎，也是高一物理教學的重點和難點。利用一題多解、一題多變、一問多答的練習，學生不僅可以掌握各個特殊狀態時平衡力之間的定量關系，還可以通過動態的變化，定性分析平衡力之間的動態變化規律。

例如對用兩根輕繩懸掛物體的受力分析，如圖3所示，通過一題多變，可以發現多個推論。

例如在圓環內用兩根輕繩使物體懸掛在圓心處，如圖4所示。當圓環在豎直平面內緩慢旋轉90度，問兩根繩上的拉力如何變化?

在處理三個力的動態平衡問題時，常采用三角形法。在緩慢轉動過程中，重力不變，兩根繩拉力的夾角不變。采用下面四種方法可以得到同樣結論：OA繩的拉力不斷減小，OB繩的拉力先增大，后減小。

方法一，利用數學圓的幾何知識可以得出結論。

方法二，利用相對性，假設圓環不動，讓重力方向改變900。用平行四邊形法則作圖可以得出結論。

方法三，利用直角三角形的幾何關系，如圖5所示。

方法四，利用正弦定理。

四種方法的運用，讓學生體會到從不同視角看待問題，利用不同知識去思考，解決問題，提高了發散思維的能力。

在進行發散思維訓練的同時，還必須注意進行收斂思維的訓練，因為兩種思維在創新思維中是同時并存、相輔相成的。

三、培養運用收斂思維能力，挖掘物理現象本質

收斂思維也叫做聚合思維、求同思維、集中思維，是創新思維的一種形式。它與發散思維不同，發散思維是為了解決某個問題，從這一問題出發，想的辦法、途徑越多越好，總是追求還有沒有更多的辦法。而收斂思維也是為了解決某一問題，在眾多的現象、線索、信息中，向著問題的一個方向思考，根據已有的經驗、知識去得出最好的結論和最好的解決辦法。收斂思維的特征是封閉性、連續性、求實性。發散思維是一種求異思維，為在廣泛的范圍內搜索，要盡可能地放開，把各種不同的可能性都設想到。收斂思維是一種求同思維，要集中各種想法的精華，達到對問題的系統全面的考察，為尋求一種最有實際應用價值的結果而把多種想法理順、篩選、綜合、統一。

傳統教學很少教會學生從總體上觀察學科知識系統，把握它們相互之間的關系和本質特征，這些正是創新教育鼓勵學生以更寬廣的視角，從分割的學科課程里“重新發現”的關鍵。例如在處理高中物理力學問題時，主要探討的問題是力的作用。為了提高學生處理問題的能力，物理教師訓練學生可從幾個方面著手。如從力的瞬時作用效果，如何改變物體的運動狀態；從力的作用效果在空間上的積累，如何使得能量轉移或轉換；從力的作用效果在時間上的積累，如何使得動量在物體之間轉移等。通過大量的習題訓練，使得學生對牛頓第二定律、動能定理和動量定理有深刻的理解和認識，能夠從瞬時、時間和空間三方面靈活地審視力學問題，掌握處理高中物理力學問題的基本能力。

事實上，世界上絕大多數的創造發明，都是原有事物的“再次發現”和“重新組合”，產生質變后才表現為“前所未有”。任何人都無法脫離自己的經歷憑空設想，即使是科幻作品所“創造”的外星人，也不過是作家思想表象里原有“部件”的“再次發現”和“重新組合”而已。例如牛頓定律的產生、萬有引力定律的得出絕非是一個蘋果作用的偶然結果。在教學中，教師一方面要注重物理學史的教育，讓學生學習科學家的思想品質，另一方面也要讓學生感受到收斂思維的過程。如高中物理力學中有三大定理(牛頓第二定律、動能定理和動量定理)，在應用中有機械能守恒和動量守恒兩個守恒定律。把保守力做的功看成勢能，就出現了機械能守恒定律。如果把效果力看成某一種力，則由牛頓第二定律可得出類似的力的守恒定律。這樣不僅使得三大定律對應著三個守恒定律，形成知識結構的對稱性，還通過對效果力的理解，學生對牛頓第二定律的本質有了更加深刻的理解。在對物體受力分析時，學生應該弄清究竟是哪個力的作用，哪些力之間的作用效果相互抵消了，沒被抵消的力產生了哪些效果。

如圖學生實驗探究物體的加速度與合外力的關系，學生通過墊高本來水平放置的木板，用重力的分力來平衡小車受到的摩擦力(如圖6)，認為懸掛的小桶重力等于對小車的拉力(即合外力)，用打點計數器測量加速度。然而學生實驗得出的圖像中，圖線開始是直的，但是隨著小桶重力的加大，圖線上端有些彎曲。通過誤差分析，學生理解到由于懸掛的小桶本身有質量m，小桶重力作用效果(mg=ma+Ma)不僅是對小車產生加速度，同時還對小桶產生了效果ma，繩的拉力小于小桶的重力mg，只有當實驗滿足m

在實際的物理教學過程中，無論是對物理知識的掌握，還是解題能力的訓練，都是發散思維與收斂思維不斷交替進行的過程。如在牛頓第二定律的教學中，定律內容很容易被學生所理解，教學的難點是要求學生具備應用牛頓第二定律解決實際問題的能力。解決該教學難點的思維方法是先發散，后收斂。先讓學生處理大量的有關問題，見識物體受到不同力的作用結果。然后進行收斂，由量變到質變，感悟出牛頓第二定律的有關問題主要是兩類，從已知物體受力情況確定物體的運動情況，從相反物體運動情況確定物理受力情況。問題的核心是求物體的加速度。

收斂思維與發散思維是一種辯證關系，既有區別，又有聯系，既對立又統一。沒有發散思維的廣泛收集、多方搜索，收斂思維就沒有了加工對象，就無從進行；反過來，沒有收斂思維的認真整理、精心加工，發散思維的結果再多，也不能形成有意義的創新結果，也就成了廢料。只有兩者協同動作，交替運用，創新過程才能圓滿完成。

如在做“用單擺測重力加速度”的分組實驗前，先提出“利用所學知識能設計哪些方法來測量本地區的重力加速度的值”，引導學生進行多方面的聯想，讓學生提出幾種方法。接著再讓學生進行收斂思維訓練，即指導學生根據科學性、精確性、可行性和簡約性，對各種實驗方法進行比較篩選，找出測本地g值較準確又簡單易行的“單擺方法”，取得收斂思維訓練的良好效果。

各種思維方法滲透于一切創造過程中。邏輯思維的過程形式與創新、創造過程密切相關，一切創造活動都是以邏輯思維為基礎的，運用邏輯思維對創造成果條理化、系統化、理論化有重要作用。邏輯思維的方法包括分析與綜合、分類與比較、歸納與演繹、抽象與概括等。在中學物理教學中，作為起主導作用的教師，必須培養學生的各種思維能力，必須清楚邏輯思維與創新思維的一般區別和關系，必須知道邏輯思維在創新中的積極作用和局限性。否則，教師在教學中會只重視邏輯思維的培養，忽視猜測、想象和頓悟等創新思維的教育，培養出的學生雖具有一定的應試能力，卻缺乏創新思維能力。所以，在中學物理教學過程中，教師應該有目的、有計劃地對學生進行創新思維的教育和訓練，這不僅可以培養學生的應試能力，還可以培養學生的科學創新能力。

作者單位北京市東城區教師研修中心

(責任編輯 黃蜀紅)