高中物理教學中三維建構培養創新思維能力的探討

張玉良

中共中央、國務院《關于深化教育改革，全面推進素質教育的決定》明確了實施素質教育要以培養學生創新能力為重點，以培養創新能力為核心的創新教育成為教育發展的主題。新修訂的高中物理課程標準，將物理課程課程目標中的具體目標（三維目標：知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀）深化為“物理核心素養”，共有物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度和責任等四大類，細分為14條的具體描述，其核心是創新思維能力的培養。如何在高中物理教學中培養學生的創新思維能力，是每位物理教師必須面對和研究的重要問題。在我多年的教學實踐中，依據建構主義理論和三維智力理論，做了一些有效的嘗試和探討。

我將其概括為實踐“七個核心要素”，即情境創新、概念創新、觀念創新、方法創新、應用創新、實踐創新、猜想創新等?！扒榫场笔莿撔碌摹皽卮病?，“概念”是創新的“細胞”，“觀念”是創新的“靈魂”，“方法”是創新的“主動脈”，“應用”是創新的“助推器”，“實踐”是創新的“源泉”，“猜想”是創新的“翅膀”。

一、情境創新

唐殿強主編的《創新能力教程》指出的創新能力形成的第二原理：

環境是人的創新能力形成和提高的重要條件。環境優劣影響著個體創新能力發展的速度和水平。

建構主義理論指出，人在一定情境下，面臨新事物、新現象、新問題和新信息時，會根據情境中的線索，調動頭腦中事先準備好的多方面、多層次的先前經驗來解釋這些新信息，解答這些新問題，賦予它們意義。知識的意義總是存在于情境之中的。學習總是在一定情境之中進行的，人不能超越具體的情境來獲得某種知識。學習時的情境不是個無關因素，而是有機地卷入了建構活動。

情境是創新的“溫床”。在物理教學中，首先給學生創造一個好的教學情境借以引導啟發學生發掘問題，思考問題，探索事物本質屬性的物理環境，從而激發學習興趣，使其積極開展思維活動，從而激發創新的火花。

教學過程是一個不斷發現問題、分析問題、解決問題的動態過程。學生的創造性思維往往是由遇到要解決的問題而引發的，提出恰當的問題，就會使學生自覺克服學習中所遇到的困難，解決要解決的問題。因此精心創設問題情境是培養學生創新思維的必要手段。

我根據不同的教學內容分別創設了智慧課堂、思辨課堂、探究課堂、說題課堂、想象課堂等。創設的主要方法有：利用實驗創設物理情境、聯系生活創設物理情境、通過物理學史創設物理情境、利用現代教育技術創設物理情境及綜合創設物理情境等。

如，在人教版高一物理必修1第三章第二節彈力的教學中，創設發生各種形變的情境，如彈簧、橡皮、衣服、口香糖、黑板、籃球、鉛筆、礦泉水瓶等，讓學生觀察總結其特點，引導學生思考如何驗證發生了形變，如何驗證微小形變，最后如何測量微小量。既為進一步學習游標卡尺、螺旋測微器及天體的測量打下基礎，也激發學生思考對于實際中不好直接測量的一些量，如非常大的量和非常小的量、危險物品的檢測等，提出很多設想和方法。學生會聯想到初中物理中測導線的直徑、曹沖稱象等，并把第一章學習的測瞬時速度的方法聯系起來，可提出高鐵車廂中顯示的車速原理是什么，如何測量飛機的飛行速度和光速等，促使學生對這些問題有一個深入的思考，培養創新的意識，埋下創新的種子。

二、物理概念創新

美國心理學家吉爾福特（J.P.Guilford）創立的智力三維結構模式理論認為智力結構應從操作、內容、產物三個維度去考慮。并用三個緯度的立體模型來描述智力的結構。智力活動就是人在頭腦里加工（即操作過程）客觀對象（即內容），產生知識（即產物）的過程。如圖所示。

依據這一理論，在物理概念教學中，要讓學生體會概念的建立過程，充分利用圖形、圖像、符號等進行思維的加工，從而誘發創新的種子。

概念是創新的“細胞”。大力強化物理概念教學，突出深刻理解物理概念引入的必要性、科學性及應用性，突出物理概念創新是創新思維能力培養的基礎。建立了“五環節”概念教學法，即論證（概念建立的必要性、可行性、科學性）、繪制概念圖、類比、應用、科技寫作等五環節進行物理概念的教學，極大地提高了優秀學生理解和應用物理概念的能力。

如在科技寫作方面，學生寫出了很多優秀的文章，體現了學生對物理概念的深入理解，也體會到概念是解決問題的基礎。以下是2017屆高三學生霍新幸寫的小論文：

速 度

483班 霍欣幸

提到“速度”，我們在日常生活中已積累起一些感性認識，知道其可以反應快慢，例如，大家早已熟悉的“飛機速度比自行車大”之類的表述。然而，考慮到“速度”作為物理學基本概念之一，我們理應更加深入地了解其在物理學與生活中的區別。

1.物理學中的速度

高中教科書中利用比值定義法將位移與發生該段位移所用時間定義為速度，國際制單位為米每秒。根據時間的長短，又將其分為瞬時速度與平均速度，前者相對于時間非常非常短以至于趨于零，后者則是在較長一段時間內而言。而正如我們已了解到的，位移是由初位置指向末位置的有向線段，有大小和方向，速度亦是如此，大小方向，缺一不可。顯然，生活中，我們很少談及速度的方向，路程似乎也比位移更加常見，實際上，我們平時所說的速度，實則為物理學中的平均速率-路程與時間的比值。以上為物理學中的速度，此處只淺談一二。

2.生活中的速度

生活中，我們在多種情景下需要借助“速度”來描述性質，例如打字速度、說話速度、閱讀速度、翻譯速度，等等。在此情況下，“速度”不再具有嚴格的物理特征，它更多的是用來形容某種動作的快慢與多少。例如，人們談及到汽車速度時，往往會說“70邁”，而不是“50米每秒”再加之“東偏北37.5度”，無疑，后者有些死板了。再者，我們往往會說翻譯時英譯漢是30個單詞每分鐘，漢譯英300個漢字每小時，等等。速度的單位都變得和物理學中不一致了。至此，我們不難發現，生活中往往關注的是數字本身，以象征多與少，快與慢，而不再糾結于其大小和方向。

3.和諧作用，彰顯“大物理”之美

物理學嚴肅正統，當慎重待之；但日常生活中卻著實不必拘泥其中。以“速度”為例，知其物理意義，亦能于生活中靈活駕馭，從生活走向物理，從物理回歸生活，如此，方為正道。

三、物理觀念創新

觀念是創新的“靈魂”。教學中注重培養學生形成經典物理和現代物理的物質觀、運動觀、能量觀、相互作用觀等，突出觀念創新是物理創新思維的關鍵。初步試驗了以物理觀念為基礎，以模型建立為核心，以邏輯推理為線索的問題解決策略，大大提高了學生的具體分析能力，有力地提高了學生的科學思維能力。

如在習題教學中，培養學生對同一問題從不同角度思考的意識和能力，可以針對問題的特點分別從力和運動的觀點、能量的觀點、動量的觀點去思考處理，通過建立不同的物理模型，逐步形成清晰的物理觀，并在解決實際問題中創造性地運用相關觀念。

四、物理方法創新

創新能力形成的第四原理：創新思維是人的創新能力形成的核心與關鍵。創新思維的一般規律是：先發散而后集中，最后解決問題。

方法是創新的“主動脈”。掌握科學思維方法，加強科學思維方法的訓練。物理思維是抽象思維、形象思維、直覺思維等的具體體現，掌握分析綜合、等效、類比等思維方法，及理想化、整體隔離、微元、合成分解、矢量標量、比值定義等物理方法，學會把發散思維和抽象思維結合起來。在學習和實踐的過程中有意識地進行科學思維方法的訓練。

如在矢量概念的教學中，到高三高考復習時可以綜合力學和電磁學等，通過例題如2017年高考全國1卷理綜物理25題，理解矢量方法在處理問題中的重要作用，體會物理學引入矢量概念的必要性，進一步認識到矢量不僅僅是一個概念，更是一種方法。

五、應用創新

應用是創新的“助推器”。教師要充分利用教材和習題進行創新思維的培養，充分挖掘教材中的創新思維事例，使學生領悟科學方法。對此我們設立了物理故事會，每名學生都要歸納總結出我的物理故事，不定期進行交流展示。依據創新能力形成的第三原理（實踐是人創新能力形成的唯一途徑）對教學中最大的資源——習題，應發揮其培養學生創新思維能力方面的最大作用，解題是學生學習中最多最重要的實踐活動，對此我們采取了以學生為主的習題采風課、習題辯論課、說題競賽、自編習題等多種活動課，展示學生的思維，杜絕老師代替學生思考的教學方法，對培養學生的創新思維能力起到重要作用。

六、實踐創新

依據創新能力形成的第三原理，通過實驗探究活動和聯系生產生活實際，培養創新思維能力是重要途徑。實踐是創新的“源泉”。設置一些實驗探究活動，讓學生經歷探究過程，體驗探究的方法，理論聯系實際，潛移默化，循序漸進，對學生形成創新思維能力至關重要。聯系生產生活實際的常見問題，使學生主動地運用學習的物理知識和方法，解釋其中的原理和現象，能激發其想象力和興趣，對形成創新能力是一種催化劑。

如在人教版物理必修2第五章第7節“生活中的圓周運動”教學中，讓學生自制“水流星”“圓錐擺”，并親自體驗向心力；在人教版物理選修3-2第四章第6節“互感和自感”教學中，讓學生進行“手拉手”體驗自感，等等。

七、猜想創新

猜想是創新的“翅膀”。鼓勵大膽猜想，打破思維定勢，提高思維的敏銳性和創造性。主要有類比猜測、對稱猜測、對比猜測、逆向猜測等。

在物理學的發展過程中，類比明顯地起著啟示、探索、開路和創新的作用，許多新概念、新規律、新理論的提出借助于類比猜想。如愛因斯坦將光電效應與黑體輻射類比，猜想光的性質與熱輻射性質可能相同，提出了光子說，成功地解釋了光電效應的規律，等等。同樣，在物理教學中，可以通過類比、對稱、逆向等引導學生猜想。如萬有引力定律F=Gm1m2/r2和庫侖定律F=kQ1Q2/r2表達形式完全相同，因此，可讓學生猜想，引力場與靜電場應該具有一些相同性質，以及猜測為什么會有這種相似。在電場的教學中，精心設計教學過程，類比重力場讓學生猜測電場所具有的性質，也可仿照電勢概念引入“重力勢”。有學生通過類比探究發現，浮力做功也有與路徑無關的特點，他引入了浮力勢能的概念，直覺地建立了包括浮力勢能在內的“類機械能守恒定律：物體在液體中運動，如果不考慮液體的阻力，只有重力和浮力做功，那么，動能、重力勢能和浮力勢能之間可以相互轉化，但它們的總和保持不變”。浮力勢能概念本身并不重要，但學生這種類比能力和直覺創新精神是值得贊揚的。

對于較為復雜物理的物理習題，尤其對高考理綜物理25題，在分析思路時，同樣需要猜想，猜想簡單的、特殊的，從最基本的公式、定義出發，往往能快速獲得解題思路。

注：此文是河北省教育科學“十三五”規劃課題《農村中學三維建構培養物理創新思維能力的研究》的階段研究成果，立項編號1604012。

編輯 李琴芳