如何在物理教學(xué)之中培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力

如何在物理教學(xué)之中培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力如何在物理教學(xué)之中培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力

大學(xué)物理的“分子運(yùn)動(dòng)論〞局部的內(nèi)容是以后理論物理局部學(xué)習(xí)的重要根底，不僅在知識(shí)方面而且在能力方面都需要為以后打下堅(jiān)實(shí)的根底，因?yàn)樵摼植恐R(shí)的學(xué)習(xí)波及人們不易直接察看的微觀領(lǐng)域，許多情景需借助于一定的形象思維并結(jié)合教學(xué)推演及為突出主要矛盾作出的一些若，來(lái)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研討，這樣就使初學(xué)者在學(xué)習(xí)上有一定的難度，學(xué)習(xí)效果不好，造成畏難情緒，為后續(xù)理論課的學(xué)習(xí)帶來(lái)困難，這必須引起我們的高度重視。這方面決不能僅僅以為學(xué)懂了幾條原理，記住一些結(jié)論公式，會(huì)解幾道題，就算到達(dá)了教學(xué)目的，最基本的應(yīng)是把學(xué)生的能力培養(yǎng)起來(lái)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我們作了如下幾個(gè)方面的嘗試。

一、學(xué)生的思想準(zhǔn)備方面

對(duì)該門知識(shí)的學(xué)習(xí)難度方面作一定的強(qiáng)調(diào)，使學(xué)生有一定的思想準(zhǔn)備。要向?qū)W生指出，該方面知識(shí)的學(xué)習(xí)與以往力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的比擬，直觀性不強(qiáng)，較多地用形象思維方式對(duì)問(wèn)題進(jìn)行探討，并且將大量地應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方面的知識(shí)，而這兩方面正是初學(xué)者不太熟悉的。但同時(shí)更重要的是要大力激勵(lì)學(xué)生，打破尷尬情緒和神秘感。告訴他們，只要勇于動(dòng)腦，肯于動(dòng)腦，即使碰到“難關(guān)〞，也能挺過(guò)去。之所以事先要給學(xué)生講一下，是因?yàn)榧僭O(shè)他們思想上無(wú)準(zhǔn)備，思維辦法不能即時(shí)更新，學(xué)習(xí)效果就將是事倍功半，學(xué)生會(huì)感到很困難。

二、學(xué)生的思維能力準(zhǔn)備方面

關(guān)于統(tǒng)計(jì)的辦法，許多教參書(shū)都談到“統(tǒng)計(jì)物理的規(guī)律和動(dòng)力學(xué)規(guī)律一樣，都是物質(zhì)世界的客觀規(guī)律，用統(tǒng)計(jì)規(guī)律的辦法描述客觀規(guī)律同樣是精確的和深刻的〞，對(duì)于這段話，學(xué)生們?cè)诔醮谓佑|時(shí)，總是不以為然。

向題出在哪里？原來(lái)學(xué)生們由于以往的學(xué)習(xí)，形成了一種模式，總認(rèn)為了解一個(gè)事物，要一個(gè)個(gè)地分別探討才準(zhǔn)確、才深刻，把假設(shè)干個(gè)體“合著〞研探只能是個(gè)“大略〞，談不上精確、深刻。這說(shuō)明學(xué)生對(duì)新課題、新思想、新思維的不習(xí)慣，思維還約束在原有的理論水平上，沒(méi)有跨越。如果在這一根本問(wèn)題上不過(guò)“關(guān)〞，那以后學(xué)生對(duì)在統(tǒng)計(jì)意義上研究的許多問(wèn)題可以說(shuō)都會(huì)感到不踏實(shí)、難理解，并且更重要的是不能正確地理解和掌握統(tǒng)計(jì)的規(guī)律和公式。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們舉了許多現(xiàn)實(shí)例子來(lái)反復(fù)予以闡明。

一個(gè)例子是：假如我們要了解一個(gè)學(xué)校的學(xué)生學(xué)習(xí)情況，從學(xué)校整體來(lái)探討有沒(méi)有意義呢？〔提示學(xué)生：對(duì)本年度與上年度學(xué)習(xí)狀況相比擬、校際之間進(jìn)行比擬……等〕，怎樣比擬呢？取一個(gè)學(xué)生來(lái)考慮行嗎？看平均值行嗎？比單科還是全部學(xué)科？只比多少人考上重點(diǎn)學(xué)校行嗎？……等等。

又一個(gè)例子，二個(gè)電視機(jī)廠生產(chǎn)的電視機(jī)，一個(gè)廠拿出5臺(tái)來(lái)，全部合格。而另一廠拿出一千臺(tái)來(lái)有5臺(tái)不合格。這種情況下，二廠的產(chǎn)品好比擬優(yōu)劣嗎？再說(shuō)，如你用到一臺(tái)電視機(jī)，光從這一臺(tái)的質(zhì)量能否斷定該廠電視機(jī)的質(zhì)量呢？

再一個(gè)例子，就是衡量一個(gè)國(guó)家的國(guó)民收入。只看國(guó)民總收入行嗎？或者只看平均收入就行嗎？

通過(guò)類似以上的許多實(shí)例，可使學(xué)生逐漸體會(huì)到統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述客觀事物的必要性以及各種場(chǎng)合下統(tǒng)計(jì)規(guī)律的適用范圍，從而對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律描述客觀事物同樣是準(zhǔn)確的、深刻的，印象就深刻多了。

三、教學(xué)中的形象比喻方面

分子運(yùn)動(dòng)論的教學(xué)內(nèi)容中，統(tǒng)計(jì)概念及其相應(yīng)的定義、公式是很重要的方面，但微觀過(guò)程的描述、分析幾乎都是在有限實(shí)驗(yàn)根底上于想象中運(yùn)用所謂“思維實(shí)驗(yàn)〞的方式進(jìn)行。這對(duì)于許多形象思維能力較差的學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是很吃力的事情。因此用現(xiàn)實(shí)中形象化的例子進(jìn)行類比以提高學(xué)生形象思維的能力就顯得十分重要。這一方面可使學(xué)生有具體形象可循，加深問(wèn)題的理解，牢固地掌握知識(shí)，另一方面又可使學(xué)生的形象思維能力逐步得以提高。

譬如：對(duì)于麥克斯韋速率分布函數(shù)的教學(xué)，學(xué)生們初次接觸，總是不大理解，既然氣體分子處于平衡態(tài)，為什么還要來(lái)探討其速率分布呢？關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，個(gè)別教參書(shū)上用所謂“分子篩〞的過(guò)濾辦法，將分子接速率分類，雖然比擬形象，可學(xué)生們還是感到迷惘。因?yàn)椤八俣群Y〞的比喻使學(xué)生感到“篩〞過(guò)去的分子就離開(kāi)了原集體，成為“割離〞狀態(tài)，與原分子集體相關(guān)性少了。我們?cè)谶@局部的教學(xué)中，不用“速度篩〞而用“速度門〞的比喻。把分子們的運(yùn)動(dòng)用各種不同速率的“速度門〞控制進(jìn)出。作為速率分布的探討，暫把“門〞控制為只進(jìn)不出。等分子們一個(gè)個(gè)“就范〞后，就可從各空間間隔內(nèi)留住的分子數(shù)了解其分配情況，亦即速率分布了。再進(jìn)一步考慮把“速度門〞的“尺寸〞差異盡可能減小，到一定極限，其速率分布函數(shù)滿足數(shù)學(xué)意義的連續(xù)了。假設(shè)其“門〞翻開(kāi)，分子們將出來(lái)互為“摻合〞但這并不影響分子們按速率分布情況，平衡態(tài)仍是原來(lái)意義下的平衡態(tài)。

再以氣體內(nèi)的輸運(yùn)現(xiàn)象為例。分子們由于本身具有的無(wú)規(guī)那么運(yùn)動(dòng)的固有特性，且因不均習(xí)性造成某種物理意義下的運(yùn)動(dòng)，即擴(kuò)散、傳導(dǎo)、粘滯現(xiàn)象的出現(xiàn)。與相應(yīng)宏觀實(shí)驗(yàn)下得到的規(guī)律比擬，得到的三種遷移系數(shù)需進(jìn)行微觀過(guò)程的推導(dǎo)，而在此情形下，形象的比喻與思維尤其顯得重要。

譬如，在探討其熱擴(kuò)散時(shí)，我們是以二個(gè)所謂“分子隊(duì)伍〞擬人化地整齊互穿參考面△S來(lái)表明分子質(zhì)量的遷移的。這樣比喻的好處是幾個(gè)重要的若前提均可包含于這“分子隊(duì)伍〞的意義中。因?yàn)閰⒖济娴姆ㄏ蜓刂鴶U(kuò)散方向，速率均考慮平均值，隊(duì)伍當(dāng)然是整齊的。

對(duì)于“熱傳導(dǎo)〞現(xiàn)象，其情況也可用“分子隊(duì)伍〞的比喻。只是二隊(duì)伍分子們的能量大小不同。而擴(kuò)散情況下，二分子隊(duì)伍需整齊，但是密度不同。

對(duì)于粘滯現(xiàn)象，其微觀研究推導(dǎo)中，作為某層分子們定向遷移速度，我們作了這樣的形象比喻，在一長(zhǎng)長(zhǎng)的列車平板上，有假設(shè)干人在其上自由運(yùn)動(dòng)，但就總體而言，由于列車在前進(jìn)，有一穩(wěn)定速度，人們都有這一速度，這速度就好像定向遷移速度，它附加于雜亂運(yùn)動(dòng)的人們整體上。假設(shè)有兩列這樣的列車，速度不等互相平行緊靠近而運(yùn)動(dòng)，這時(shí)兩車上人們互相對(duì)跳對(duì)方列車上，此時(shí)二列車動(dòng)量將發(fā)生變化，動(dòng)量的改變與相應(yīng)時(shí)間的比值就顯示粘滯力的作用來(lái)。

在以上形象的比較下，學(xué)生們由于有具體的形象可捉摸，再結(jié)合根底的物理知識(shí)，于是使學(xué)生除了較易理解氣體內(nèi)遷移的微觀圖景外，形象思維的能力也逐漸得以提高。這將使他們?cè)谝院髮W(xué)習(xí)更高層次的微觀世界時(shí)，既體會(huì)到數(shù)理邏輯推證的嚴(yán)密性，又學(xué)會(huì)用現(xiàn)實(shí)可見(jiàn)的形象作類比，增強(qiáng)理解新概念。

四、教學(xué)中應(yīng)注意的方面

在分子運(yùn)動(dòng)論的教學(xué)中，在運(yùn)用形象比喻時(shí)，還應(yīng)注意到并不是什么時(shí)候都可找到恰當(dāng)?shù)睦拥?。要避免為比喻而亂舉例，就是較恰當(dāng)?shù)男蜗蟊扔鳎鋵?duì)象的特點(diǎn)也不能過(guò)多波及，因?yàn)閷W(xué)生有時(shí)會(huì)鉆牛角尖而搞亂思維，反而造成對(duì)問(wèn)題理解的誤解。示例：在速度分布函數(shù)的比喻中，學(xué)生對(duì)“速度門〞的比喻很易問(wèn)到：“誰(shuí)在管‘速度門’？門徑大小是什么樣子？〞，這就要把握好思維，不讓其引伸。同時(shí)，應(yīng)立即向?qū)W生表明，目前所用比喻，只是為了表明問(wèn)題，用“速度門〞的主要特點(diǎn)幫忙理解，不能完全機(jī)械的死套形象。

此外，作為形象思維的比較，不要隨意亂畫(huà)圖。譬如，為推導(dǎo)氣體壓強(qiáng)公式，波及分子對(duì)器壁的撞擊時(shí)，有教師畫(huà)一個(gè)人來(lái)回碰璧運(yùn)動(dòng)，似乎擬人化的圖象更表明問(wèn)題?？墒亲鳛榉肿优c壁是彈性碰撞這一特點(diǎn)就不好講分明了。

總之，波及分子運(yùn)動(dòng)論的教學(xué)，因深入其微觀領(lǐng)城，分子們的運(yùn)動(dòng)一般不易察看。目前我國(guó)物理實(shí)驗(yàn)伎倆不完備，加上學(xué)生又是剛開(kāi)始接觸統(tǒng)計(jì)規(guī)律方面的知識(shí)，盡管形象的比喻要十分慎重，但有些重要的概念、推理，在結(jié)合他們已有的許多感性知識(shí)的根底