物理教學中培養學生創新思維方法探索*——《物理教育中培養學生創新素養》子課題研究概要

物理教學中培養學生創新思維方法探索*
——《物理教育中培養學生創新素養》子課題研究概要

黃國龍

(鎮海中學浙江 寧波315200)

*寧波市“十二五”教育規劃重點課題“物理教育培養學生創新素養探索”的研究成果之一，編號：YZD12021

摘 要：本文首先揭示現行中學物理教學中創新思維培養存在的問題和不足；其次根據創新思維的一般特性和中學物理教學的實際，確定中學物理創新思維方法培養的內容；最后，介紹有效培養學生創新思維方法的一些具體做法．

關鍵詞：物理教學創新教育創新思維

作者簡介：黃國龍(1964-)，男，特級教師，主要從事中學物理教學及研究.

收稿日期：(2014-12-22)

1問題的提出

現行中學物理教學中，雖然學生創新思維方法培養的途徑和策略較多，但存在如下問題和不足.

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

傳統物理教學中較多局限于物理必修課程中實施創新思維培養，物理創新思維培養內容和策略比較零亂，缺乏系統性．由于探究時空限制引起創新活動缺乏深刻性、自主性、體驗性，從而使創新思維培養策略缺乏課程化和深刻性．因而需要通過開發實施高水平的物理創新思維培養選修課程和研究性課題研究來促使創新思維活動的開放性，從而使物理創新思維培養深度化．

(2)物理競賽教學功利化和應試化，缺乏有效培養學生創新思維

高中物理競賽是培養創新思維的重要途徑，然而，近幾年高中物理競賽教學中存在如下問題.

競賽目的急功近利．學校、教師和學生把獲獎能保送、加分做為競賽目的．參賽學生缺乏對物理的一種內在興趣和熱情，缺乏對學習物理持續的動力，更缺乏對物理的專業抱負和志趣．

競賽教學高度應試化．現在物理競賽資料繁多，復雜、超綱、偏難題目較大，使物理競賽成為高度應試化的活動，缺乏對學生進行創新思維的培養，嚴重偏離物理競賽的原先宗旨．

(3)學教方式傳統化，缺乏創新思維培養需要創新的學習方式和教學方式

創新思維培養需要有創新的學習方式和教學方式．然而，傳統物理創新教學中缺乏創新學習方式和教學方式，缺乏類似科學探究背景中創新思維方法的展現和發揮過程，從而使創新思維方法培養停留在形式上，學生對創新思維方法沒有得到內化．

2中學物理教學中創新思維方法培養內容

課題組根據創新思維一般性結合中學物理教學特殊性，整合中學物理競賽教學，在整合一般性創新思維基礎上，確定中學物理教學中創新思維方法培養體內容．

2.1一般性創新思維方法培養內容

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

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

(3)側向思維方法．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，創新解決問題．

2.2 物理創新思維方法培養內容

(1)等效思維方法．能根據等效關系把復雜、陌生問題轉化為簡單、熟悉問題，創新提出探究問題和解決問題．

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

(3)移植構建思維方法．能移植應用熟悉領域的相關知識和方法構建熟悉、簡單物理模型解答陌生領域復雜的物理問題，使復雜問題得到創新解答．

(4)對稱思維方法．能根據物質世界對稱性，運用時空、物理本質對稱性創新提出問題，創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遇到的困難，能從更一般的角度構建模型、提出理論、運用方法，創新解答新的問題．

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

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

3中學物理教學中培養學生創新思維方法探索

3.1整合物理競賽教學活動科學系統開發實施物理創新思維方法培養課程

課題組重組原有物理競賽社團活動，整合物理創新思維培養，科學開發《物理創新思維方法》課程，主要章節內容和課時安排如表1所示．綜合運用“物理知識創新教學模式”、“物理方法創新教學模式”、“學術研討式”、“辯論式”、“探究式”等創新的自主學習方式來實施創新思維方法課程．

表1　物理創新思維方法培養表

續表

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

【例1】如圖1所示，質量為m，帶電荷量為Q的粒子放在離無限大導電板d處．現釋放該粒子，求它經過多長時間到達板上．不計粒子重力．

圖1

常規解法:本題的常規解法是運用鏡像法等效構建鏡像電荷-Q，根據庫侖定律和牛頓第二定律列出

電荷位移x滿足dr=-dx，結合

得

創新解法:教師引導學生綜合運用等效、一般化、類比等思維方法創新解答這個問題．

運用等效思維方法構建鏡像電荷模型：根據電勢等效方法構建鏡像電荷Q′,得

圖2

把運動鏡像電荷-Q等效為處于導體板上O點固定不動點電荷Q″(圖2)，根據

得

運用一般化思維方法構建一般模型：點電荷在電荷Q″作用下做直線運動，電荷Q受到電場力為

因而可以把點電荷運動近似為很扁的橢圓運動，長半軸

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

扁橢圓運動的運動周期為

電荷到達板所需時間等于半個運行周期

綜合解得

由上分析可知，通過綜合運用等效、一般化、類比等思維方法，創新降解解答這個疑難物理競賽問題．

3.2構建實施“方法創新探究模式”培養學生物理創新思維方法

課題組根據方法創新特點整合物理競賽教學，構建方法創新探究模式，有效地培養學生物理創新思維方法．

圖3

物理方法創新探究模式流程如圖3所示，特點是：以學生認知中原有方法為基礎，以新的問題情景為切入點，以探究解答為動力，以方法求真探索創新和臻美創新為核心，以構建新的方法結構、培養學生創新思維方法為目標．學生原有方法包括思維方法，所創設新問題情境應能揭示原有方法的局限性，同時隱含了新的思維方法；當學生探究失敗時，教師應引導學生進行求真探究(探究新的正確方法)；當學生探究成功時，教師應引導學生進行臻美創新(尋求更簡潔、更一般的方法)．

案例分析2：運用方法創新探究模式探究“電荷分布規律”．

創設新的問題

圖4

【例2】如圖4所示，在電場強度為E的勻強電場中放置一個均勻金屬球，其半徑為R，由于靜電感應，在球上產生了面電荷，面電荷密度為σ，試探究σ和圖中標出的θ角的關系式．

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

圖5

根據如圖5(b)所示的幾何關系得

Δs1=R2ΔθΔφΔs2=r2ΔθΔφ

結合ΔE1=ΔE2,E=2πkδ0，得

導致悖論，揭示錯誤：針對這個解答，有些學生運用特殊化方法導致悖論：即令θ=90°時，推得δ→∞，這顯然與事實(θ=90°位置δ應最小)矛盾．這個悖論揭示學生原有解答是錯誤的．

創新解答1:部分學生通過等效構建“雙球電荷”模型解答這個問題：

如圖6(a)所示，電荷密度分別為ρ和-ρ的兩個半徑都為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d→0時，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”模型在重疊處產生水平向右的勻強電場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任一點P產生的場強大小為

圖6

結合σ=ρ dcosθ解得

創新解答2：運用一般化、等效、移植等創新思維方法創新探究電荷分布規律．

圖7

圖8

運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電場時，可把兩鏡像電荷等效為偶極子．偶極子在球面上任意點P產生電場強度為

P點徑向電場強度滿足

Er+Ecosθ=4πkδ

即

結合

從而解答

在探究上述電荷分布規律過程中，學生的特殊化、一般化、等效、移植等多種創新思維方法得到充分發揮，創新地解答復雜靜電問題，多種創新思維方法得到有效培養．

3.3實施“悖論”①*①這里的“悖論”是科學研究中悖論的引申(移植到物理教學中).探究教學 培養學生創新思維方法在科學“悖論”探究中科學家自覺地運用創新思維方法發現科學“悖論”，揭示原有理論隱含的客觀矛盾；運用創新思維方法分析科學“悖論”產生的原因，為提出新的科學理論打下基礎；運用創新思維方法探究“悖論”、消除“悖論”，提出新的物理理論．雖然中學生探究物理過程和科學家探究物理過程在目標和難度上是不同的，但某種意義上講，學生探究物理知識過程與科學家探究物理學過程中運用思維方法具有相似性．中學物理教學中實施“悖論”探究教學對于學生探究物理知識和物理創新教學具有十分重要的價值，是培養學生創新思維方法一有效的途徑．

物理“悖論”探究教學中創新思維方法培養思路是：創設一些適合學生認知水平且能夠激發探究興趣和創新思維的問題情境，引導學生經歷發現“悖論”、探究“悖論”原因、解答“悖論”問題等“悖論”探究過程，內化相關物理創新思維方法，從而培養學生的創新思維方法．

案例分析3：在探究“潛艇功率”、“悖論”過程中培養學生的創新思維方法

問題情景：

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

圖9

(1)在導致“悖論”過程中，培養學生創新思維方法

在導致“悖論”過程中，可運用對稱創新思維方法、特殊情形推理、運動可逆性、多角度思維等方法導致“悖論”，培養創新思維方法．

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

vd=vr-v0=4m/s

在Δt時間內有質量為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

運用對稱思維方法導致“悖論”:部分學生運用相對性原理(事實上是對稱創新思維方法一具體形式)導致“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速度從潛艇左端進水口s1進入管道，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

根據相對性原理，消耗的電功率在不同參照系中應相同，但上述兩種解法得出不同結果，導致“悖論”．這個“悖論”意味著上述解答存在問題．教師把探究上述錯解原因及正確解法做為學生探究課題．

(2)在分析“悖論”原因過程中，培養學生創新思維方法

在分析“悖論”產生的原因過程中，可運用特殊化思維、一般化思維、發散思維等方法分析“悖論”原因，培養學生的創新思維方法．

特殊化思維分析錯誤原因:對于特殊情形(假若沒有安倍力)，潛艇管道向左運動，根據連續性原理(v1s1=v3s3)和圖10可知v3>v1．原因是由于管道兩端水對進入管道的水要做功，從而導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．錯解原因之一是認為安倍力做功所消耗的電能等于流進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，培養學生創新思維方法

在探究解答“悖論”問題過程中，可運用等效、類比、對稱、一般化、移植模型等創新思維方法，創新解答物理問題，培養學生的創新思維方法．

運用發散思維，創新物理模型:從流體連續性角度分析，根據連續性原理v2s2=v3s3，由于長方體管道內橫截面積相等，因而水在長方體管道內應做速度為vd=4m/s的勻速運動，而不是加速運動．安倍力做功消耗電功率即為安倍力對流進潛艇內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

運用對稱創新思維方法，簡化探究過程：部分學生運用對稱思維方法(巧選潛艇參照系)探究解答：根據連續性原理，水在長方體管道內做速度為vr=34m/s的勻速運動，安倍力對流進管道內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

結果與地面參照系解答結果相同，符合相對性原理，大大簡化解題過程．

參 考 文 獻

1黃國龍,等.物理教育中培養學生創新素養探索課題研究概要.物理通報，2015(1):13～17

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

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