物理思維的智力結構模型

1、物理思維的智力結構模型季如生本文對物理思維的智力結構給出一個三維的集合模型，并在此基礎上對思維能力的培 養(yǎng)、思維教學的策略以及怎樣擺脫“題海人戰(zhàn)”等問題作一些探討。模型物理思維是一個信息處理系統(tǒng)，其智力結構可用圖1所示的模型來表示。它有三個智力 維模式模式思維是人腦加工信息得出科學結論的心智活動過程，一般說來，它包括若干個環(huán)節(jié)，形 成連貫的思維操作序列或程序。在一定的知識度，每個智力維度包括47個智力因子?？?慮到各智力因子的不同組合，共可形成150多個思維元素。對于簡單的物理思維活動，其智 力構成僅對應于一個思維元索；對于復雜的思維活動，其智力構成需要用兒個思維元素的組 合來表示。物理教學中

2、思維訓練的任務，就是根據(jù)智力結構模型，在學牛的人腦中塑造思維 元索集合，形成完整的物理信息處理系統(tǒng)。領域內(nèi)，思維活動中操作的程度是相對固定的， 或者說遵循著某種格式，如同電腦解決問題時遵循軟件規(guī)定的運算程序一般。這種程序化的 思維格式，即思維模式。思維模式是較具體的東西，它跟知識內(nèi)容緊密地聯(lián)系在一起，屬于 最基木的物理思維能力。在中學物理領域內(nèi)，重要的物理思維模式有以下數(shù)種：平衡一非 平衡模式、守恒一不守恒模式、磁場模式、電路模式、光路模式，另外還有若t種不其普 遍的模式，均歸入其它。試就力學中的主要模式舉例說明。平衡一非平衡模式這是經(jīng)典物理中最基本的思維模式，由伽利略、牛頓創(chuàng)建。牛頓認 為，

3、口然界中的一切物體，不是處于平衡態(tài)，就必定處于非平衡態(tài)。如果處于平衡態(tài)，則它 一定遵從平衡規(guī)律；如來處于非平衡態(tài)，則它一定遵從動力學定律。因此，任何力學問題， 在原則上都可以按照下而的思維操作程序求解：1選定研究對象，分析它的運動惜況，判 定它處于平衡還是非平衡態(tài)；如果處于非平衡態(tài)，則還耍確定它參與哪種典型運動（勻變速 直線運動、勻變速曲線運動、圓周運動、簡諧振動等）。2.分析受力情況作受力圖。如果受 力較復雜，還要進行力的分解與合成。3.根據(jù)平衡原理或動力學定律（有些復雜問題，還 要配合運動學規(guī)律、兒何關系等）進行推理，導出結果。<1.20 m例如，質量m=2. 0千克的小飲塊靜止于水

4、平導軌ab的a端。導軌及支架abcd的 形狀及尺寸如圖2所示，它只能繞通過支架d點的垂直于紙面的水平軸轉動，其重心在圖 中的o點，質量m=40千克?，F(xiàn)用一細線沿導軌拉鐵塊，拉力f=12牛，鐵塊和導軌之 間的摩擦系數(shù)u = 050。重力加速度g=10米/秒-從鐵塊運動時起，導軌（及支架）能 保持靜止的最長時間是多少？理解題意后，可選定小鐵塊為研究對象，它處于非平衡態(tài)，沿水平向右做初速為零的勻 加速直線運動。再選取導軌（及支架）為研究對象，它處于平衡態(tài)。當小鐵塊在導軌上運動 到離左端某距離處，導軌（及支架）過渡到將失去平衡的臨界狀態(tài)，此時支架的左腳c受到 地而的支持力減為零。分別畫出小鐵塊、導軌（

5、及支架）的受力圖，根據(jù)牛頓第二定律的有 轉動軸的物體的平衡條件列出方程，配合運動學公式，即可解得所求。守恒一不守恒模式在力學中，除了從瞬時態(tài)的角度來研究運動和力的因果關系外，還 經(jīng)常從過程的角度來研究因果關系，以便更快地推出科學的結論。眾所周知，在機械運動中, 只冇兩種過程：守恒過程和不守恒過程。從能量的觀點來分析，如果系統(tǒng)內(nèi)只冇保導力做功, 則系統(tǒng)遵從機械能守恒定律；如果還有其它力做功，則遵從質點的動能定理。從動量的觀點 來分析，如果外力對系統(tǒng)的作用可以忽略，則系統(tǒng)遵從動量守恒定律；如果外力對系統(tǒng)的作 用不能忽略，則系統(tǒng)內(nèi)各質點遵從動量定理。因此，任何力學問題，在原則上乂都可以按照 下而的思

6、維操作程序求解：1選定研究對象（系統(tǒng)），分析受力情況，檢查守恒條件是否成 立。2.分析運動情況，選取運動過程，確定初態(tài)和末態(tài)的能量或動量。3.如果守恒條件成 立，則根據(jù)守恒定律進行推理；如果守恒條件不成立，則應用質點的動能定理或動量定理推 出結論。思維模式是引導思維活動演進的程序。當若干個個別的思維活動具有相同或類似的操作 序列時，就可概括化為某種思維模式。概括的實例越多，概括化的程度越高，模式的適用范 圍就越廣、越普遍，相應的思維水平也就越高。例如守恒一不守恒模式不僅適用于處理力 學問題，還可推廣到熱學的領域。各氣體定律可納入守恒定律的思維模式：當滿足一定的守 恒條件氣體狀態(tài)量的函數(shù)式(pv

7、、p/t、v/t、pv/t)的值不變。內(nèi)能與熱功的關系， 可納入動能定理的思維模式：對于選定的變化過程，狀態(tài)量內(nèi)能的改變等于過程量功與熱量 之和。引導學生對思維活動進行概括，是進行思維模式教學最有效的手段?，F(xiàn)代心理學認為， 中學生的思維水平處在山具體運思階段向形式運思階段過渡時期。在教學中常發(fā)現(xiàn)，有不少 學生遇到問題時，往往從某個特定的條件出發(fā)，找公式，計算，反復嘗試不同的方法，最后 求得解答。其思維操作冗長(其中不少操作是多余的)，解法不具有普遍性，這些學生的思 維水平尚處在具體運思階段。另有一部分學生，他們解題時胸有成竹，幾乎不需嘗試，就以 簡短的程序得出答案，解法具有普遍性。這些學生的思

8、維水平已發(fā)展到形式運思階段。為了 促進思維能力的發(fā)展，在教學中要善于引導學生概括口c的思維過程，把新事物納入己有的 思維模式之中，促使思維模式愈益普遍、概括化，這是培養(yǎng)物理思維模式開展思維訓練的基 本教學策略。技巧物理思維技巧是物理方法的升華，它是創(chuàng)造性地解決物理問題、發(fā)展理論的源泉。如果 說物理思維模式是某一知識領域內(nèi)較具體的基本的思維能力，那么，物理思維技巧則是貫穿 物理學各知識領域普遍適用的思維能力。物理思維技巧又是指導思維活動的策略，是思維活 動中最關鍵的壞節(jié)。中學物理常用到的思維技巧主耍有：理想化、形象化、數(shù)?；?、分選化、 歸比和類比。試就理想化和化歸舉例說明。理想化為了揭示復雜的物

9、理現(xiàn)象的本質，物理學家往往采用“簡化”的方法，對客體進 行科學抽象。在制約著客體的眾多因素里，把作用小、不影響本質的次要因素了以忽略，將 事物抽彖成只具有原事物主要因索的模型。所謂理想化，就是把客體抽象成模型的思維方法。理想化是物理學中最重要的科學方法之一，中學物理教材幾乎全都是在理想化思想指導 下取得的人類御慧的結晶?？谟陕潴w運動、拋休運動、行星運動、單擺、理想氣體、勻強電 場、點光等等，無一不是理想化的過程或模型。下例說明在分析物理問題時，如何運用理想 化的技巧，從而使問題化難為易的。例如，在真空中速度為u = 6. 4x1°7米/秒的電子束連續(xù)地射入兩平行極板之間。極板 長度為

10、l = 80xl0-2米，間距為d = 5. oxlot米。兩極板不帶電時，電子束將沿兩極板之間 的中線通過，如圖3所示。在兩極板上加50赫茲的交變電壓v=vosin®t如果所加電壓的最 大值v。超過某一值vc時，將開始出現(xiàn)以f現(xiàn)象：電子束有時能通過兩極板；有時間斷，不 能通過。1. 求vc的大小。2. 求v。為何值才能使通過的時間(at)通。跟間斷的時間(at)斷之比(at) jm： (at)斷=2 ：1 o這里考慮的焦點是兩極板間的電場對飛行電了束的作用。由于兩極板上加交變電壓，在電子e行過程中場強將發(fā)生變化，電子的運動將比較復雜，不易處理。但是，當電子飛越電 場所用的時間t跟交

11、流電壓的周期t相比非常小時（木題就是這種情況），電子£行過程中 電場的變化可予忽略，因而對于某個飛行電子來講，m理想化為它受到靜電場的作用，變類 似于物體在重力場中做平拋運動，問題就較易解決?；瘹w化歸指的是轉化與歸結，r卩把物理中待解決或難解決的問題，不斷地將它變形， 克至歸結為某個（或某些）已經(jīng)解決或能夠解決的問題，最終求得原問題的解?；瘹w法是一種重要的思維技巧。深受人們稱贊的曹沖稱彖所運用的就定化歸法，把測定 大彖的重量（超出秤的稱暈范i韋i）轉化為分別測定等效的若干石塊的重量。初中物理實驗用 毫米刻度尺測細金屈絲的直徑所運用的也是化歸法，把測足一根金屈絲的百徑（小于尺的 最小分

12、度值）轉化為測定密繞n匝的金屬線圈直徑的長度。運用化歸法遵循的原則是物理上的等價性或等效性。手段有分解與迭加、極限與臨界、 轉化與代換、逆序與反演等。僅就極限法舉例說明。例如，試證明：平行板電容器間的電場強度e=47rk（q/s）,式中q是極板所帶電量，s 是極板的相對面積，k是靜電力常量。在普通物理教科書里，該公式采用積分法導出，超出中學生的數(shù)學水平；如果運用極限 法，推導可簡捷。設想有兩個同心金屬球殼，分別帶上等量的異號電荷(圖4)。當半徑趨向無限人時， 從內(nèi)外球殼層割取的一部分就相當于平行板電容器，其間的電場就相當于勻強電場。設內(nèi)球 殼半徑為r：帶電量為q,則殼層中間距球心r處的場強e

13、= kq/r2o因為內(nèi)球的而積3 = 4tir2,上式可寫成s=47tk(q/s)(ri/s)2o當球半徑r趨向無限人時，r)/ r2趨向于1,得 e=4?ik(q / s)思維教學要以模式訓練為基礎，在學牛頭腦中建立起思維定勢。同時，乂要貫徹發(fā)展的 原則，培養(yǎng)凌駕丁模式z上的思維技巧，使學牛學握物理思維的粹髓。現(xiàn)代心理學認為，認 知的發(fā)展和成長產(chǎn)生于“平衡化''過程或“自我調節(jié)當遇到的新事物與己有的認知不一致 時，人們利用口我調節(jié)消除與給定信息中的不一致，來達到認知與客體的平衡，原來的認知 就得到發(fā)展。如杲在教學中向學牛提出與已有的認知不一致的問題，同時引導學牛成功地消 除與

14、已有認知的不一致，就能促使學牛的思維技巧得到發(fā)展。平衡化，這是培養(yǎng)物理思維能 力、開展思維訓練的乂一基本教學策略。品質思維品質乂叫思維的智力品質，是思維發(fā)生和發(fā)展中所表現(xiàn)出來的個性差異。這 種差異，不僅在物理思維中而且在一切思維活動中體現(xiàn)出來。目前，心理學界對思維品質的 認識詢未統(tǒng)-，但就物理思維訓練而言，需要培養(yǎng)的思維品質成分主要有四種：周密性和廣 闊性、深刻性、靈活性、批判性。簡述如下；周密性和廣闊性它是指思維活動的思路廣闊，考慮問題周到、精細，善于全而地考察研 究對象，能從多種多樣的聯(lián)系與關系中去認識物理問題。為了培養(yǎng)思維的周密性和廣闊性， 在知識教學中，可采用聯(lián)想教學法和類比教學法，發(fā)

15、展知識的橫向聯(lián)系。在解題教學中可選 用多答案題和陷井題，訓練學生全而、細致地思考問題的能力。深刻性人類的思維是理性思維，它集中表現(xiàn)在善于透過表而現(xiàn)彖發(fā)現(xiàn)問題的本質，即 善于用概念、規(guī)律去揭示問題的本質特征，預計事物的發(fā)展進程，這就是思維的深刻性。思 維的深刻性集中體現(xiàn)出思維的概括特點。中序生常說，物理難學，原因之一也就在于物理概 念、規(guī)律的概括性強。培根說過，物理學使人深刻?？梢娢锢硭季S對深刻性具有獨特的要求。要培養(yǎng)學生思維的深刻性，在知識教學中要抓住物理概念、規(guī)律的木質屬性與木質特征, 將深刻的物理意義揭示得淋漓盡致。在解題教f中，要不斷引導7生透過現(xiàn)象把握因來關系,摒棄問題的非木質特征，使

16、z思考問題深謀遠慮，發(fā)展思維的深刻性。靈活性物理思維的靈活性指的是善于從舊的模式或通常的制約條件中解脫出來，隨機 應變地思考問題；能通權達變、不死守常規(guī)。靈活性的特點是多開端、精細和新穎，對應于 一種推測、發(fā)散、想彖、創(chuàng)造的思維過程。為了培養(yǎng)思維的靈活性，在知識教學中要抓知識z間的“滲透”和遷移，適當采用發(fā)現(xiàn)式 教學法。在解題教學中，通過一題多解、一題多變，培養(yǎng)發(fā)散思維，鼓勵學生發(fā)展求異思維, 挖掘新解題法，越獨特越好。例如，有兩只伏特表a和b,量程己知，內(nèi)阻不知等于多少。另有一干電池，它的內(nèi)阻 不能忽略，但不知等于多少。只用這兩只伏特表、電鍵和一些連接用導線，能通過測量計算 出這個電池的電動

17、勢（己知電動勢不超過伏特表的量程，干電池不許拆開）。1. 畫出測量時所用的電路圖。2. 以測得的量做為已知量，導出計算電動勢的式了。測量電池的電動勢是個老題冃，常規(guī)的方法是用安培表和伏特衣?；蛴冒才嘁拢ǚ乇恚?和電阻箱。本題給了兩塊伏特表，因而必須擺脫常規(guī)，尋找新的測定法。在推導計算電動勢 的式子時，共有五、六種方法，都根據(jù)閉合電路和外電路上的規(guī)律，可讓學生按各口的思路 去探求，并到黑板上交流。然后，教師引導學生研究內(nèi)電路的電壓和電動勢的關系，可得到 最簡捷、最新穎的解法如f（本解法僅用二個聯(lián)立方程就導出電動勢的計算式子，而其它解 法要用到四、五個甚至六、七個聯(lián)立方程組）：測量電路如圖5所示

18、。當k】、k2o均閉合時，伏特表a的讀數(shù)為ui。設伏特表a的內(nèi) 阻為ui，則由電壓分配律得（zi）/u】=r/r|當k】閉合、k?斷開時，a的讀數(shù)為j'e的 讀數(shù)為i；?。則由電壓分配律得（£u iu2）/f i=r/r】由上兩式解出電動勢為£=（u】.u2） / （uru2）批判性這是指思維活動中善于獨立思考問題和精細地檢査思維過程的智力品質。思維 的批判性是思維過程中自我意識的結果，它起著定向、監(jiān)控和調節(jié)作用。在教學中，要鼓勵 學生獨立思考、不盲從、不輕信，敢于提岀口己的見解，修止和發(fā)展前人的理論。要經(jīng)常引 導學生冋顧自己的思路，不斷分析解決問題所依據(jù)的條件，反復檢查業(yè)已完成的工作，及時 發(fā)現(xiàn)自己原有認識的錯誤和不足，不斷加以改正和完善。意義 建立物理思維的智力結構模型是一項奠基性工作。教育的根本冃標在于開發(fā)智 力，培養(yǎng)能力，思維能力是諸種能力的核心，思維的押力結構模型則是指導教師去培養(yǎng)學生 思維能力的藍圖。衣制訂教學計劃時，若能根據(jù)物理思維的智力結構模型把各個思維因子安 排到教學大綱規(guī)定的各知識點的教學中，那么，在完成全部知識教學任務的同時，也就使