物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型

1、物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型季如生本文對(duì)物理思維的智力結(jié)構(gòu)給出一個(gè)三維的集合模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)思維能力的培 養(yǎng)、思維教學(xué)的策略以及怎樣擺脫“題海人戰(zhàn)”等問(wèn)題作一些探討。模型物理思維是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，其智力結(jié)構(gòu)可用圖1所示的模型來(lái)表示。它有三個(gè)智力 維模式模式思維是人腦加工信息得出科學(xué)結(jié)論的心智活動(dòng)過(guò)程，一般說(shuō)來(lái)，它包括若干個(gè)環(huán)節(jié)，形 成連貫的思維操作序列或程序。在一定的知識(shí)度，每個(gè)智力維度包括47個(gè)智力因子。考 慮到各智力因子的不同組合，共可形成150多個(gè)思維元素。對(duì)于簡(jiǎn)單的物理思維活動(dòng)，其智 力構(gòu)成僅對(duì)應(yīng)于一個(gè)思維元索；對(duì)于復(fù)雜的思維活動(dòng)，其智力構(gòu)成需要用兒個(gè)思維元素的組 合來(lái)表示。物理教學(xué)中

2、思維訓(xùn)練的任務(wù)，就是根據(jù)智力結(jié)構(gòu)模型，在學(xué)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(lǐng)域內(nèi)，思維活動(dòng)中操作的程度是相對(duì)固定的， 或者說(shuō)遵循著某種格式，如同電腦解決問(wèn)題時(shí)遵循軟件規(guī)定的運(yùn)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(shí)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(xué)物理領(lǐng)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(chǎng)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(xué)中的主要模式舉例說(shuō)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(rèn) 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(lái)處于非平衡態(tài)，則它一定遵從動(dòng)力學(xué)定律。因此，任何力學(xué)問(wèn)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(duì)象，分析它的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)（勻變速 直線運(yùn)動(dòng)、勻變速曲線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧振動(dòng)等）。2.分析受力情況作受力圖。如果受 力較復(fù)雜，還要進(jìn)行力的分解與合成。3.根據(jù)平衡原理或動(dòng)力學(xué)定律（有些復(fù)雜問(wèn)題，還 要配合運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律、兒何關(guān)系等）進(jìn)行推理，導(dǎo)出結(jié)果。<1.20 m例如，質(zhì)量m=2. 0千克的小飲塊靜止于水

4、平導(dǎo)軌ab的a端。導(dǎo)軌及支架abcd的 形狀及尺寸如圖2所示，它只能繞通過(guò)支架d點(diǎn)的垂直于紙面的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其重心在圖 中的o點(diǎn)，質(zhì)量m=40千克。現(xiàn)用一細(xì)線沿導(dǎo)軌拉鐵塊，拉力f=12牛，鐵塊和導(dǎo)軌之 間的摩擦系數(shù)u = 050。重力加速度g=10米/秒-從鐵塊運(yùn)動(dòng)時(shí)起，導(dǎo)軌（及支架）能 保持靜止的最長(zhǎng)時(shí)間是多少？理解題意后，可選定小鐵塊為研究對(duì)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(yùn)動(dòng)。再選取導(dǎo)軌（及支架）為研究對(duì)象，它處于平衡態(tài)。當(dāng)小鐵塊在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng) 到離左端某距離處，導(dǎo)軌（及支架）過(guò)渡到將失去平衡的臨界狀態(tài)，此時(shí)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(dǎo)軌（

5、及支架）的受力圖，根據(jù)牛頓第二定律的有 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的物體的平衡條件列出方程，配合運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，即可解得所求。守恒一不守恒模式在力學(xué)中，除了從瞬時(shí)態(tài)的角度來(lái)研究運(yùn)動(dòng)和力的因果關(guān)系外，還 經(jīng)常從過(guò)程的角度來(lái)研究因果關(guān)系，以便更快地推出科學(xué)的結(jié)論。眾所周知，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)中, 只冇兩種過(guò)程：守恒過(guò)程和不守恒過(guò)程。從能量的觀點(diǎn)來(lái)分析，如果系統(tǒng)內(nèi)只冇保導(dǎo)力做功, 則系統(tǒng)遵從機(jī)械能守恒定律；如果還有其它力做功，則遵從質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能定理。從動(dòng)量的觀點(diǎn) 來(lái)分析，如果外力對(duì)系統(tǒng)的作用可以忽略，則系統(tǒng)遵從動(dòng)量守恒定律；如果外力對(duì)系統(tǒng)的作 用不能忽略，則系統(tǒng)內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)遵從動(dòng)量定理。因此，任何力學(xué)問(wèn)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(duì)象（系統(tǒng)），分析受力情況，檢查守恒條件是否成 立。2.分析運(yùn)動(dòng)情況，選取運(yùn)動(dòng)過(guò)程，確定初態(tài)和末態(tài)的能量或動(dòng)量。3.如果守恒條件成 立，則根據(jù)守恒定律進(jìn)行推理；如果守恒條件不成立，則應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)能定理或動(dòng)量定理推 出結(jié)論。思維模式是引導(dǎo)思維活動(dòng)演進(jìn)的程序。當(dāng)若干個(gè)個(gè)別的思維活動(dòng)具有相同或類似的操作 序列時(shí)，就可概括化為某種思維模式。概括的實(shí)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(yīng)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(xué)問(wèn)題，還可推廣到熱學(xué)的領(lǐng)域。各氣體定律可納入守恒定律的思維模式：當(dāng)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(guān)系， 可納入動(dòng)能定理的思維模式：對(duì)于選定的變化過(guò)程，狀態(tài)量?jī)?nèi)能的改變等于過(guò)程量功與熱量 之和。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)思維活動(dòng)進(jìn)行概括，是進(jìn)行思維模式教學(xué)最有效的手段?，F(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)為， 中學(xué)生的思維水平處在山具體運(yùn)思階段向形式運(yùn)思階段過(guò)渡時(shí)期。在教學(xué)中常發(fā)現(xiàn)，有不少 學(xué)生遇到問(wèn)題時(shí)，往往從某個(gè)特定的條件出發(fā)，找公式，計(jì)算，反復(fù)嘗試不同的方法，最后 求得解答。其思維操作冗長(zhǎng)(其中不少操作是多余的)，解法不具有普遍性，這些學(xué)生的思 維水平尚處在具體運(yùn)思階段。另有一部分學(xué)生，他們解題時(shí)胸有成竹，幾乎不需嘗試，就以 簡(jiǎn)短的程序得出答案，解法具有普遍性。這些學(xué)生的思

8、維水平已發(fā)展到形式運(yùn)思階段。為了 促進(jìn)思維能力的發(fā)展，在教學(xué)中要善于引導(dǎo)學(xué)生概括口c的思維過(guò)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(xùn)練的基 本教學(xué)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(wèn)題、發(fā)展理論的源泉。如果 說(shuō)物理思維模式是某一知識(shí)領(lǐng)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(xué)各知識(shí)領(lǐng)域普遍適用的思維能力。物理思維技巧又是指導(dǎo)思維活動(dòng)的策略，是思維活 動(dòng)中最關(guān)鍵的壞節(jié)。中學(xué)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(shuō)明。理想化為了揭示復(fù)雜的物

9、理現(xiàn)象的本質(zhì)，物理學(xué)家往往采用“簡(jiǎn)化”的方法，對(duì)客體進(jìn) 行科學(xué)抽象。在制約著客體的眾多因素里，把作用小、不影響本質(zhì)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(xué)中最重要的科學(xué)方法之一，中學(xué)物理教材幾乎全都是在理想化思想指導(dǎo) 下取得的人類御慧的結(jié)晶?？谟陕潴w運(yùn)動(dòng)、拋休運(yùn)動(dòng)、行星運(yùn)動(dòng)、單擺、理想氣體、勻強(qiáng)電 場(chǎng)、點(diǎn)光等等，無(wú)一不是理想化的過(guò)程或模型。下例說(shuō)明在分析物理問(wèn)題時(shí)，如何運(yùn)用理想 化的技巧，從而使問(wèn)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(zhǎng)度為

10、l = 80xl0-2米，間距為d = 5. oxlot米。兩極板不帶電時(shí)，電子束將沿兩極板之間 的中線通過(guò)，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(guò)某一值vc時(shí)，將開始出現(xiàn)以f現(xiàn)象：電子束有時(shí)能通過(guò)兩極板；有時(shí)間斷，不 能通過(guò)。1. 求vc的大小。2. 求v。為何值才能使通過(guò)的時(shí)間(at)通。跟間斷的時(shí)間(at)斷之比(at) jm： (at)斷=2 ：1 o這里考慮的焦點(diǎn)是兩極板間的電場(chǎng)對(duì)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(guò)程中場(chǎng)強(qiáng)將發(fā)生變化，電子的運(yùn)動(dòng)將比較復(fù)雜，不易處理。但是，當(dāng)電子飛越電 場(chǎng)所用的時(shí)間t跟交

11、流電壓的周期t相比非常小時(shí)（木題就是這種情況），電子£行過(guò)程中 電場(chǎng)的變化可予忽略，因而對(duì)于某個(gè)飛行電子來(lái)講，m理想化為它受到靜電場(chǎng)的作用，變類 似于物體在重力場(chǎng)中做平拋運(yùn)動(dòng)，問(wèn)題就較易解決?；瘹w化歸指的是轉(zhuǎn)化與歸結(jié)，r卩把物理中待解決或難解決的問(wèn)題，不斷地將它變形， 克至歸結(jié)為某個(gè)（或某些）已經(jīng)解決或能夠解決的問(wèn)題，最終求得原問(wèn)題的解。化歸法是一種重要的思維技巧。深受人們稱贊的曹沖稱彖所運(yùn)用的就定化歸法，把測(cè)定 大彖的重量（超出秤的稱暈范i韋i）轉(zhuǎn)化為分別測(cè)定等效的若干石塊的重量。初中物理實(shí)驗(yàn)用 毫米刻度尺測(cè)細(xì)金屈絲的直徑所運(yùn)用的也是化歸法，把測(cè)足一根金屈絲的百?gòu)剑ㄐ∮诔叩?最小分

12、度值）轉(zhuǎn)化為測(cè)定密繞n匝的金屬線圈直徑的長(zhǎng)度。運(yùn)用化歸法遵循的原則是物理上的等價(jià)性或等效性。手段有分解與迭加、極限與臨界、 轉(zhuǎn)化與代換、逆序與反演等。僅就極限法舉例說(shuō)明。例如，試證明：平行板電容器間的電場(chǎng)強(qiáng)度e=47rk（q/s）,式中q是極板所帶電量，s 是極板的相對(duì)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(dǎo)出，超出中學(xué)生的數(shù)學(xué)水平；如果運(yùn)用極限 法，推導(dǎo)可簡(jiǎn)捷。設(shè)想有兩個(gè)同心金屬球殼，分別帶上等量的異號(hào)電荷(圖4)。當(dāng)半徑趨向無(wú)限人時(shí)， 從內(nèi)外球殼層割取的一部分就相當(dāng)于平行板電容器，其間的電場(chǎng)就相當(dāng)于勻強(qiáng)電場(chǎng)。設(shè)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(chǎng)強(qiáng)e

13、= kq/r2o因?yàn)閮?nèi)球的而積3 = 4tir2,上式可寫成s=47tk(q/s)(ri/s)2o當(dāng)球半徑r趨向無(wú)限人時(shí)，r)/ r2趨向于1,得 e=4?ik(q / s)思維教學(xué)要以模式訓(xùn)練為基礎(chǔ)，在學(xué)牛頭腦中建立起思維定勢(shì)。同時(shí)，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(xué)牛學(xué)握物理思維的粹髓?，F(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)為，認(rèn) 知的發(fā)展和成長(zhǎng)產(chǎn)生于“平衡化''過(guò)程或“自我調(diào)節(jié)當(dāng)遇到的新事物與己有的認(rèn)知不一致 時(shí)，人們利用口我調(diào)節(jié)消除與給定信息中的不一致，來(lái)達(dá)到認(rèn)知與客體的平衡，原來(lái)的認(rèn)知 就得到發(fā)展。如杲在教學(xué)中向?qū)W牛提出與已有的認(rèn)知不一致的問(wèn)題，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)牛成功地消 除與

14、已有認(rèn)知的不一致，就能促使學(xué)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(xùn)練的乂一基本教學(xué)策略。品質(zhì)思維品質(zhì)乂叫思維的智力品質(zhì)，是思維發(fā)生和發(fā)展中所表現(xiàn)出來(lái)的個(gè)性差異。這 種差異，不僅在物理思維中而且在一切思維活動(dòng)中體現(xiàn)出來(lái)。目前，心理學(xué)界對(duì)思維品質(zhì)的 認(rèn)識(shí)詢未統(tǒng)-，但就物理思維訓(xùn)練而言，需要培養(yǎng)的思維品質(zhì)成分主要有四種：周密性和廣 闊性、深刻性、靈活性、批判性。簡(jiǎn)述如下；周密性和廣闊性它是指思維活動(dòng)的思路廣闊，考慮問(wèn)題周到、精細(xì)，善于全而地考察研 究對(duì)象，能從多種多樣的聯(lián)系與關(guān)系中去認(rèn)識(shí)物理問(wèn)題。為了培養(yǎng)思維的周密性和廣闊性， 在知識(shí)教學(xué)中，可采用聯(lián)想教學(xué)法和類比教學(xué)法，發(fā)

15、展知識(shí)的橫向聯(lián)系。在解題教學(xué)中可選 用多答案題和陷井題，訓(xùn)練學(xué)生全而、細(xì)致地思考問(wèn)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(guò)表而現(xiàn)彖發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的本質(zhì)，即 善于用概念、規(guī)律去揭示問(wèn)題的本質(zhì)特征，預(yù)計(jì)事物的發(fā)展進(jìn)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(diǎn)。中序生常說(shuō)，物理難學(xué)，原因之一也就在于物理概 念、規(guī)律的概括性強(qiáng)。培根說(shuō)過(guò)，物理學(xué)使人深刻?？梢娢锢硭季S對(duì)深刻性具有獨(dú)特的要求。要培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性，在知識(shí)教學(xué)中要抓住物理概念、規(guī)律的木質(zhì)屬性與木質(zhì)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(dǎo)7生透過(guò)現(xiàn)象把握因來(lái)關(guān)系,摒棄問(wèn)題的非木質(zhì)特征，使

16、z思考問(wèn)題深謀遠(yuǎn)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(lái)，隨機(jī) 應(yīng)變地思考問(wèn)題；能通權(quán)達(dá)變、不死守常規(guī)。靈活性的特點(diǎn)是多開端、精細(xì)和新穎，對(duì)應(yīng)于 一種推測(cè)、發(fā)散、想彖、創(chuàng)造的思維過(guò)程。為了培養(yǎng)思維的靈活性，在知識(shí)教學(xué)中要抓知識(shí)z間的“滲透”和遷移，適當(dāng)采用發(fā)現(xiàn)式 教學(xué)法。在解題教學(xué)中，通過(guò)一題多解、一題多變，培養(yǎng)發(fā)散思維，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)展求異思維, 挖掘新解題法，越獨(dú)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(dǎo)線，能通過(guò)測(cè)量計(jì)算 出這個(gè)電池的電動(dòng)

17、勢(shì)（己知電動(dòng)勢(shì)不超過(guò)伏特表的量程，干電池不許拆開）。1. 畫出測(cè)量時(shí)所用的電路圖。2. 以測(cè)得的量做為已知量，導(dǎo)出計(jì)算電動(dòng)勢(shì)的式了。測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)是個(gè)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(cè)定法。在推導(dǎo)計(jì)算電動(dòng)勢(shì) 的式子時(shí)，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(xué)生按各口的思路 去探求，并到黑板上交流。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生研究?jī)?nèi)電路的電壓和電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系，可得到 最簡(jiǎn)捷、最新穎的解法如f（本解法僅用二個(gè)聯(lián)立方程就導(dǎo)出電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算式子，而其它解 法要用到四、五個(gè)甚至六、七個(gè)聯(lián)立方程組）：測(cè)量電路如圖5所示

18、。當(dāng)k】、k2o均閉合時(shí)，伏特表a的讀數(shù)為ui。設(shè)伏特表a的內(nèi) 阻為ui，則由電壓分配律得（zi）/u】=r/r|當(dāng)k】閉合、k?斷開時(shí)，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(dòng)勢(shì)為£=（u】.u2） / （uru2）批判性這是指思維活動(dòng)中善于獨(dú)立思考問(wèn)題和精細(xì)地檢査思維過(guò)程的智力品質(zhì)。思維 的批判性是思維過(guò)程中自我意識(shí)的結(jié)果，它起著定向、監(jiān)控和調(diào)節(jié)作用。在教學(xué)中，要鼓勵(lì) 學(xué)生獨(dú)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(dǎo)學(xué)生冋顧自己的思路，不斷分析解決問(wèn)題所依據(jù)的條件，反復(fù)檢查業(yè)已完成的工作，及時(shí) 發(fā)現(xiàn)自己原有認(rèn)識(shí)的錯(cuò)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(jié)構(gòu)模型是一項(xiàng)奠基性工作。教育的根本冃標(biāo)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(jié)構(gòu)模型則是指導(dǎo)教師去培養(yǎng)學(xué)生 思維能力的藍(lán)圖。衣制訂教學(xué)計(jì)劃時(shí)，若能根據(jù)物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型把各個(gè)思維因子安 排到教學(xué)大綱規(guī)定的各知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，那么，在完成全部知識(shí)教學(xué)任務(wù)的同時(shí)，也就使