論初中生物理形象思維的培養

黃俊杰，張 陽，周加仙

（1. 上海市民辦新黃浦實驗學校，上海 200065；2. 華東師范大學教育學部，上海 200062；3. 華東師范大學教育神經科學研究中心，上海 200062）

一、引言

近年來，隨著新技術、新方法的應用，腦科學家開始從不同的角度來揭示人類認知活動的神經機制。日益豐富的腦科學研究成果也為構建基于腦科學的新型學習方式和教學方式提供了必要性和可能性。研究者根據這些研究成果在教育教學領域展開實驗，為課堂教學實踐提供了有益的啟示和幫助。一種學習能力的培養、學習品質的提升，或是任何一項知識的獲取、合作的建立、行為的變化、情緒的調節，以及注意力、記憶力、思維力、反應力和自控力的養成都離不開神經科學的支持。因此，中小學教師是“大腦的變革者”，教師對學生用腦學習規律越了解，就越容易在教育教學中取得突出效果。

物理學是研究物質基本結構、相互作用和一般運動規律的自然科學，以觀察、實驗為基礎，與人類生活、社會、科技的發展息息相關。初中物理知識的學習往往是從某一個物理現象展開的，很多現象發生的內在邏輯是抽象的，需要學生利用想象力去搭建與物理現象相符合的模型。為此，學好物理的前提是對現象有一定的敏感性，需要學生具備從實際現象中提煉出物理模型，并將物理模型的理論知識靈活地遷移、應用到實際現象中的能力，還需要學生擁有一定的想象力和獨立畫出抽象模型的能力。比如，磁場、電場是看不見摸不著的，卻普遍存在于日常生活中，學生需要善于觀察生活中的現象，根據磁鐵與鐵屑之間相互作用的現象來想象磁場的作用等。

然而，現實的教學工作往往只重視邏輯思維的發展，而嚴重地忽視了形象思維的培養，教師在抽象中教，學生在抽象中學。定義、概念、推理、公式、定律、定理都是抽象的，從而導致學生沒有形成與物理知識相對應的、正確的物理形象，這樣就構筑不出與物理知識相對應的物理圖景，不能建構物理過程的動態形象，不會運用形象思維來分析與解決物理問題。可見，學生可能精于解題，擅長考試，但不善于動手，更不善于想象和創新。到了高中階段，復雜抽象的物理概念就會使學生陷入困境，導致對物理感興趣的人越來越少。因此，初中物理教學應立足于形象思維，再過渡到抽象思維。物理形象思維是以物理表象（物理表象是物理形象在人腦中的間接的、概括的反映）為主要材料，通過分析、加工和改造來認識事物的內容、本質和規律的一種思維方式。物理形象思維的養成是對物理現象、物理事實、物理過程等進行分析、加工，把感性認識上升為理性認識的過程。初中物理教學要提升學生學習物理的興趣，必須要豐富學生頭腦中的物理表象。

在初中物理教學的過程中，培養學生形象思維的能力，需要采取“遞進式”的教育策略，具體包括：感知物理現象，儲存形象思維素材；操作物理實驗，促進形象思維的發展；運用形象思維，促進物理概念和規律的學習。

二、感知物理現象，儲存形象思維素材

初中物理與實際生活有著密不可分的關系，初中生雖然閱歷尚淺，但是已經具備了對生活現象進行觀察和總結的能力。從生活實際出發去觀察物理現象，并結合自身情況來思考物理現象，是學生積累物理表象的過程。讓學生充分地感知物理現象，豐富其表象庫，是培養學生形象思維能力的前提和基礎。

視覺信息的輸入對視覺表象有重要的影響。①Cattaneo，Zaira，Silvia Bona，Juha Silvanto，“Cross-adaptation Combined with TMS Reveals a Functional Overlap between Vision and Imagery in the Early Visual Cortex”，Neuroimage，Vol. 59，no. 3（2012），pp. 3015-3020.視覺表象是一種視覺記憶能力，是個體看到某一物體后能在頭腦中形成視覺形象的能力。當個體看到物體，在頭腦中形成物體的表象時，他的早期視覺皮層（又被稱為初級視覺皮層、布羅德曼17 區）被激活。例如，正電子發射斷層（PET）掃描的研究發現，與基線條件相比，被試在完成視覺表象任務時早期視覺皮層被激活。②Kosslyn，M.Stephen，et al.，“The Role of Area 17 in Visual Imagery：Convergent Evidence from PET and Rtms”，Science，Vol. 284，no. 5411（1999），pp.167-170.如果該區域受到經顱磁刺激（TMS）的干擾，那么個體的視覺表象能力就會下降，個體在完成視覺任務或者表象任務時就要花費更長的時間。③Cattaneo，Zaira，Silvia Bona，Juha Silvanto，“Cross-adaptation Combined with TMS Reveals a Functional Overlap between Vision and Imagery in the Early Visual Cortex”，Neuroimage，Vol. 59，no. 3（2012），pp. 3015-3020.這意味著如果學生能夠接收大量的視覺信息，這些視覺信息可以以表象的形式存儲到記憶中，從而形成學生的形象思維素材。因此，視覺信息激活個體的早期視覺皮層，而早期視覺皮層的激活使得個體擁有視覺能力和視覺表象能力。視覺表象是記憶、語言和思維等更高級認知過程的基礎，也是人類通過視覺進行學習的基礎。在物理學習過程中，教師需要給學生提供大量的視覺信息，這些視覺信息可以激發其早期視覺皮層，從而形成視覺形象。這些視覺形象暫存于腦中，經過反復的刺激，可以存儲到長時記憶中，從而形成學生的形象思維素材。因此，在教學中，教師要引導學生發現和感知生活中的物理現象，為物理學習儲備大量的形象思維素材，豐富表象庫。

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》提出：“遵循初中學生身心發展規律，貼近學生生活，關注學習生長點，以具體事實、鮮活案例、生活經驗和基本概念等引導學生進行理性思考。”④中華人民共和國教育部：《義務教育物理課程標準（2022 年版）》，北京師范大學出版社2022 年版，第4 頁。例如，在學習“光的直線傳播”前，可以引導學生觀察每天不同時段自己影子的大小情況，為學習“光的直線傳播”儲備形象思維的素材；在學習“慣性”前，引導學生體會在乘車時突然啟動或突然剎車時的反應，為理解“慣性”的概念儲備形象的圖像表征。鼓勵學生利用身邊的資源進行物理實驗，如將塑料藥瓶和塑料軟管做成潛水艇模型，研究其浮沉的原理。學生通過實踐形成的物理表征，將會得到更復雜的神經編碼，記憶更加鞏固、更加深刻。

此外，教師還要利用好教材插圖和網絡圖片等視覺資源。教材是基礎，物理教材中插圖數量多，不僅有實物圖，還有示意圖（受力圖、電路圖、光路圖等）、立體剖面圖（原子反應堆等），以及可與實物模型相配合的內燃機四步沖程圖等。網絡是一個巨大的資源庫，網絡圖片不僅增加了物理教材的形象感，為學生從生活中發現物理、學習物理提供了指引，而且為學生形象思維能力的培養奠定了很好的基礎。

最后，學生需要感知豐富的視覺信息，才能形成準確而全面的視覺形象。這在概念教學中尤為重要。例如，學生在學習“杠桿”這個概念時，如果只見過最基本的“桿狀杠桿模型”，就很難理解“滑輪是變形的杠桿”這一原理，也很難將自己頭腦中的“杠桿”與生活中其他杠桿類工具聯系起來。因此，教學中，教師要展示生產生活中各種各樣與杠桿有關的工具，讓學生在頭腦中對“杠桿”這個概念形成全面的表征，從而有利于之后解決與“杠桿”相關的一系列問題。

三、通過物理實驗，促進形象思維的發展

感知物理現象、接收豐富的視覺信息不僅需要學生觀察記錄，而且需要他們主動地與世界進行互動。參與物理實驗就是學生與物質世界進行互動的一種方式，學生在實驗過程中能夠創造并觀察大量的物理現象，豐富頭腦中的表象庫，為形象思維的發展奠定基礎。

在實驗的過程中，不僅僅是視覺通道，其他感覺通道也會被利用，這有利于個體形成全面且準確的表象和記憶。從信息豐富性的角度而言，能產生最多的信息首先是學生親自動手實驗，其次是演示實驗，再次是呈現圖片，最后是文字描述。因此，在物理教學中，實驗就顯得更加重要。當學生動手操作實驗時，不僅能觀察實驗現象，還能與物體進行互動，這些過程調動了學生的軀體感覺系統和軀體運動系統，這兩大系統幫助學生獲取更多的感知信息。①Beauchamp，S. Michael，Alex Martin，“Grounding Object Concepts in Perception and Action：Evidence from fMRI Studies of Tools”，Cortex，Vol. 43，no. 3（2007），pp. 461-468.學生接收多種感覺通道的信息，激活更廣泛的腦區，并將其整合起來，形成更加準確的表象和記憶，使得形象思維的內容更加準確。

有研究探討了學生在學習運動學概念時，不同實驗方式，如動手實驗、觀察實驗對學習效果和腦激活能產生不同影響。研究發現，學生動手參與物理實驗能夠提高對相關物理知識的推理能力。此外，當學生在進行物理推理測驗時，與觀察組相比，動手實驗組學生的背側前運動皮層（dPMc）、軀體運動皮層、軀體感覺皮層（M1、S1）、頂上小葉（SPL）、輔助運動區（SMA）和小腦會激活更大的腦部區域②Kontra，Carly，et al.，“Physical Experience Enhances Science Learning”，Psychological Science，Vol. 26，no. 6（2015），pp. 737-749.，這些區域被認為是與動作執行、計劃、調用動作經驗有關的腦區③Beilock，L.Sian，et al.，“Sports Experience Changes the Neural Processing of Action Language”，Proceedings of the National Academy of Sciences，Vol. 105，no. 36（2008），pp. 13269-13273.④Calvo-Merino，Beatriz，et al.，“Action Observation and Acquired Motor Skills：An FMRI Study with Expert Dancers”，Cerebral Cortex，Vol. 15，no. 8（2005），pp.1243-1249.⑤Cross，S. Emily，F. Antonia de C. Hamilton，and Scott T. Grafton，“Building A Motor Simulation De Novo：Observation of Dance by Dancers”，Neuroimage，Vol. 31，no. 3（2006），pp. 1257-1267.，因此，動手實驗組學生的計劃能力和動作執行能力得到了訓練，積累了操作經驗。動手實驗的學生左腦軀體感覺區、運動區激活程度更高，且激活程度與物理推理測驗成績呈正相關。⑥Kontra，Carly，et al.，“Physical Experience Enhances Science Learning”，Psychological Science，Vol. 26，no. 6（2015），pp. 737-749.研究證明，動手參與實驗能調動學生的感覺系統和運動系統，學生能獲得更充分的感覺和運動信息，這些信息將儲存在記憶中。學生在進行物理推理時，能夠調用之前的感覺和運動經驗，在頭腦中建立正確的視覺形象，在物理推理時正確率會更高。所以，在涉及物體運動的領域，動手實驗是非常有效的學習方式。

那些真實實驗效果不夠理想，或現實生活中不能完成或不便完成的實驗，如在學校條件下難以觀察到的物理現象（例如火箭的發射、原子彈的爆炸等）、臨時難以演示成功的實驗或某些技能的示范等，也可以通過仿真實驗、音像教材，或者通過虛擬現實等途徑來實現，這些途徑不受場地和時間的限制，具有可視性好、反饋及時、便捷靈活、可重復進行等特點。這種非真實的呈現途徑雖然少了觸覺上的真實感受，但是卻更加精準地幫助學生提高了形象思維能力的知識儲備。

四、運用形象思維，促進物理概念和規律的學習

感知物理現象之后，大部分學生大腦中儲備了豐富的形象思維材料，接下來，教師需要立足于學生發展情況，指導學生運用形象思維能力更加高效地學習新知識。

新的概念對學生而言往往比較抽象，難以理解。這時教師可以將抽象的概念形象化，聯系學生的知識經驗，以降低學生理解新概念的難度。根據建構主義學習觀，學生學習的新知識建立在原有知識經驗的基礎上，在學習時，需要調用原有的知識經驗，去幫助他們建構新知識的意義。但是，初中物理教學中有一些概念比較抽象（例如電流、電壓、功、密度），與學生原有的知識經驗相距較遠，學生難以想象和理解。當學生缺乏感性認識時，可以通過類比、觀察實驗、動畫模擬等教學手段，向學生呈現更加具體和形象的物理過程，借助形象思維，使學生理解新知識。

在概念教學中，需要格外重視視覺信息和視覺表象。人腦存在將抽象概念形象化的傾向，在思考抽象問題時也常將其形象化。這是因為人們在思考抽象概念或問題時，距狀裂皮質（calcarine cortex）會被激活①Klein，Isabelle，et al.，“Transient Activity in the Human Calcarine Cortex During Visual-mental Imagery：An Event-related fMRI Study.”Journal of Cognitive Neuroscience，Vol.12，no.2（2000），pp. 15-23.，而距狀裂皮質是與視覺表象有關的腦區。但在物理教學中，某些物理概念和規律比較抽象，學生很難理解和接受，往往只能根據教材中的敘述或通過教師的講授，似懂非懂地記憶，而真正應用這些物理概念和規律時，學生卻很難把握其本質。即使概念和規律是用語言文字呈現的，當個體在頭腦中檢索這些概念時，也會激活與表象相關的腦區，因為個體頭腦中對概念的表征主要是圖像式的，而不是語言式的。②Goodale，A. Melvyn，“Image and Brain：The Resolution of the Imagery Debate”，Journal of Cognitive Neuroscience，Vol. 7，no. 3（1995），pp. 415-420.因此，當學生看到物理概念時，頭腦中首先浮現出的不是這個概念的定義，而是與這個概念相關的視覺表象。例如，當學生想到“力”這個概念時，頭腦中可能會浮現出兩個物體相互作用的形象，而不是課本中對“力”的文字定義。因此，教師在教學過程中，要引導學生用形象的圖形來描述，或進行物理情景的聯想，將抽象的物理概念、物理規律形象化，則能收到很好的教學效果。

類比是將抽象概念形象化的一種教學方法。在進行電學教學時，用水壓類比電壓，用水流類比電流，學生就更容易理解電壓和電流的相關規律。“功率”概念對學生來講比較抽象，而學生對“速度”概念比較熟悉，學生頭腦中擁有許多與速度快慢有關的視覺形象。因此，在開始教授“功率”概念時，教師可以帶領學生先回憶“速度”的相關知識，以此類比讓學生去掌握功率相關的規律。如：在講授分子結構時，教師可以引導學生將自己想象成一個個分子，當學生在教室里聽講時，學生間距比較小，排列解密，類似固體內部分子的排列；當學生在課間休息時，學生間距增大，相對有序，類似液體內部分子的排列；而當學生在戶外活動時，學生間距很大，排列松散無序，類似氣體分子的排列。又如：講授電子繞原子核運動的規律時，可以類比運動規律與之相似的行星繞太陽運動的模型；講授電荷間相互作用時，可以用磁極間的相互作用的規律來幫助學生理解。這種類比的學習方法讓學生不僅可以在舊的表象基礎之上建立新的表象，還可以在溫習鞏固舊知識的基礎之上去學習、掌握新的知識。

一些抽象難懂的物理規律也可以通過想象實現形象化。例如，初學者難以理解牛頓第一定律，因為這不符合他們的日常生活經驗。如果教師將這一抽象的物理規律形象化，就可能容易被學生理解。伽利略的理想斜面實驗就是一個將抽象規律形象化的過程。讓小球沿一個光滑斜面從靜止狀態開始下滾，小球將滾上另一個斜面，達到與原來差不多的高度后再往下滾。只是因為摩擦力，小球才沒能達到原來的高度。如果減小后一斜面的傾角，小球在這個斜面上仍然可以達到同一高度，但這時它要滾得更遠些。如果逐漸減小第二個斜面的坡度，小球將在第二個斜面上越滑越遠。最后，如果把第二個斜面放平，小球將從光滑斜面滑上光滑水平面。根據上述推理，小球將在此光滑水平面上滑下去，永遠不會停下來，因為小球在水平方向上不會受到任何阻力的作用。雖然該實驗無法在現實中完成，但是學生可以利用形象思維能力在腦海中構建出完整的物理過程。這樣的形象化建構過程將存儲于學生的頭腦中，牛頓第一定律的內容也更容易被學生理解、接受和記憶。