談高中物理空間想象能力的培養

摘 要： 本文從分析高中生空間想象能力的現狀入手，結合自身的教學實際提出了在高中物理教學中提高學生的空間想象能力的策略和體會。

關鍵詞： 高中物理教學 空間想象能力 現狀分析 培養策略

學生進入高中普遍覺得物理難學，甚至包括一些初中物理成績優秀的學生。在初中他們容易接受直觀、形象、簡單的物理現象及知識，而一旦進入高中，教材對學生的要求已經上升到具備一定的抽象概括能力和空間想象能力。空間想象能力的欠缺直接制約著高中物理的學習。例如，初中學習的二力平衡，屬于一維直線的問題，學生接受起來不存在困難；而在高中學習的是不在同一直線上的多力平衡，屬于二維平面甚至是三維空間的問題，這就要求學生具備較強的空間想象能力。筆者認為高中物理教師在教學中應注重培養學生的空間想象能力。

一、空間想象能力的概念及影響因素

所謂空間想象能力，就是人們借助想象把某種事物在自己頭腦中虛擬的空間方位和范圍上進行定位的一種高級思維的能力。這個空間方位和范圍的虛擬過程就是空間想象。想象的結果與客觀實際情況之間的差異大小，體現了個體空間想象能力的大小和水平的高低。它受制于三大因素：一是個體本身的形象思維和抽象思維能力；二是個體在進行想象前所積累的知識和已經具有的空間概念；三是將要被定位的這種事物本身的某些時空特征[1]。

二、高中生物理空間想象能力現狀分析

在平時的教學中，筆者發現很多學生在構建空間圖像時不夠準確，甚至出現較大的偏差，從而導致對物理過程分析的錯誤，大致體現在以下三個方面。

1.空間定位錯誤。

案例1：在學習圓周運動之火車在傾斜的鐵軌上轉彎時，如圖1所示。很多學生認為其圓軌道與斜面平行，把圓心定位在斜面與水平面的交點處，而錯誤地認為火車受到的合外力沿斜面向下，如圖2所示。而實際上火車的圓軌道是水平圓，火車受到的合外力是水平方向的。

為什么會出現這樣的錯誤呢？筆者認為隨著人們生活水平的提高，生活學習在城市的學生越來越多，這就使得他們的生活范圍較為狹小，野外實習機會有限，與大自然接觸越來越少，取而代之的是互聯網等虛擬世界逐漸占據他們的生活，這就在某種程度上造成了他們空間想象能力的缺失。

2.立體情景平面化。

案例2：在涉及點電荷的等勢面時，學生第一感覺總是想到是以點電荷為圓心的一系列同心圓，而不是想到以點電荷為球心的一系列同心球面，容易將立體的情景不假思索地進行平面化。學生雖然生活在現實空間之中，所學習的物理現象也都是以空間為舞臺發生的，但在審視物理問題時往往缺乏空間觀念。造成這種現象的一個重要原因是教師在教學時揭示教材內容力度不夠，對于電場線和磁感線的教學，我們用圖形呈現在學生面前的只是平面圖形，缺乏對電場線和磁感線立體形象的充分揭示，有些教師甚至連起碼的說明都沒有，這就給學生留下了一個片面的形象錯覺[2]。

3.立體圖與三視圖之間的轉化存在障礙。

案例3：如圖4所示，AB和CD是足夠長的平行光滑導軌，其間距為l，導軌平面與水平面的夾角為θ，整個裝置處在磁感應強度為B、方向垂直于導軌平面且向上的勻強磁場中，AC端連有阻值為R的電阻，若將一質量為m、垂直于導軌的金屬棒EF在某處由靜止釋放，金屬棒及導軌的電阻不計，求：

（1）金屬棒下滑過程中的最大速度；

（2）通過電阻R的最大電流。

本題給出的是立體圖，本是更加形象直觀，但在對金屬棒的運動過程的分析當中不便進行受力分析。若能把立體圖轉換成側視圖，然后對金屬棒進行受力分析，問題將會更加明朗。但很多學生在解這種類型的題目時，往往沒有轉換圖形的習慣，而是直接在題目所給的立體圖上直接進行受力分析，導致思維混亂。

三、高中生物理空間想象能力培養策略

能力的培養關鍵在于活動的開展。有效、有目的的活動能夠促進能力的提高與鍛煉。根據高中生的認知規律和教學實際物理學科的特點，筆者歸納了以下四點關于空間想象能力的培養策略。

1.研讀教材，樹立空間意識。

要想更好地培養學生的空間想象能力，筆者認為最重要的是教師要研讀教材，發掘有關內容，樹立學生的空間意識。物理學是一門研究我們賴以生存的客觀物質世界基本結構、相互作用的自然科學，如果在物理教學中教師脫離空間來談空間，那么學生的空間想象能力也就只能停留在膚淺的水準。比如，在電場線或磁感線的教學中，教師時刻要強調電荷周圍存在電場，電流或磁體周圍存在磁場，既然是周圍，就涉及空間的范圍了。這時，教師要指導學生應該超越課本上的平面圖形上升到空間領域進行想象，必要時可借助其他手段進行形象的描述。

2.善用模型，豐富想象素材。

空間想象能力是大量的空間記憶表象的組合與升華。要培養學生的空間想象能力，就必須豐富他們的空間想象素材。而模型教學是目前最有效、最便捷、最直觀的教學。例如對于地球自轉時各地角速度相同而線速度不同，部分學生難以理解，此時教師可以出示地球儀這一實物模型來引導學生以此為表象建立空間想象分析各地做圓周運動的圓心位置及相應的半徑，從而輕松得出角速度相同但線速度不相同，甚至對于兩極的線速度為零學生也能夠理解，并且在以后學習萬有引力之衛星繞地球運動時，學生也可以以此模型為記憶表象在頭腦中建立空間圖形。

3.巧用多媒體，補充空間素材。

在教學中有些模型是難以制作、難以獲得的。此時我們不得不依靠視頻、動畫、圖片等來補充學生的空間想象素材。例如在學習等量同種電荷周圍電場時，無論是課本上的圖片，還是習題中的圖都是平面的。我們也很難找到立體的模型來呈現其周圍空間的電場，此時須利用多媒體。圖6是多媒體呈現的空間電場圖片，由此可幫助學生樹立空間意識，補充學生的空間想象素材。

4.轉換圖形，強化想象能力。

幾何圖形是一種視覺符號，與表象的形成密切相關，因此，圖形及圖形的加工、變換能力在培養與發展空間想象能力的過程中起了關鍵作用[3]。教師在教學過程中，要有意識地引導學生根據需要將立體圖轉換成三視圖，或將三視圖想象成立體模型，學生只有靈活地進行圖形轉換，才能更好地發展空間想象能力。

四、教學體會

高中生物理空間想象能力的培養絕非一朝一夕之事，而是需要經歷一個不斷積累、循序漸進的過程，其培養過程貫穿整個高中物理教學。作為一線教師，我們應把培養學生的空間想象能力作為有意識的教學活動，引導學生用空間的觀念去看待物質世界。

參考文獻：

[1]王同德.如何培養學生學習地理的空間想象能力[J].創新教育與素質教育，2006.

[2]孫正川.物理教學中培養學生空間想象能力的體會[J].黃石教育學院學報，1988.

[3]甄艷蕊.淺談高中數學空間想象能力的培養[J].神州，2012.