物理畢業(yè)論文物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型

1、物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型本文對物理思維的智力結(jié)構(gòu)給出一個三維的集合模型， 并在此基礎(chǔ)上對思維能力的培養(yǎng)、思維教學(xué)的策略以及怎樣擺脫 “題海大戰(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(jié)構(gòu)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(xué)結(jié)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?？紤]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(gòu)成僅對應(yīng)于一個思維元素；對于復(fù)雜的思維 活動，其智力構(gòu)成需要用幾個思

2、維元素的組合來表示。物理教學(xué) 中思維訓(xùn)練的任務(wù)，就是根據(jù)智力結(jié)構(gòu)模型，在學(xué)生的大腦中塑 造思維元素集合，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，屬于最基本的物理思維能力。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：平衡非平衡模式、 守恒不守恒模式、磁場模式、電路模式、光路模式，另外還 有若干種不甚普遍的模式，均歸入其它。試就力學(xué)中的主要模式 舉例說明。平衡非平衡模式這是經(jīng)典物理中最基本的思維模式，

3、由伽利略、牛頓創(chuàng)建。牛頓認(rèn)為，自然界中的一切物體，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；如果處于非平衡態(tài)，則它一定遵從動力學(xué)定律。因此， 任何力學(xué)問題，在原則上都可以按照下面的思維操作程序求解： 1選定研究對象，分析它的運動情況，判定它處于平衡還是非平 衡態(tài)；如果處于非平衡態(tài)，則還要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(fù)雜，還要進(jìn)行力的分解 與合成。 3根據(jù)平衡原理或動力學(xué)定律（有些復(fù)雜問題，還要配 合運動學(xué)規(guī)律、幾何關(guān)系等）進(jìn)行推理，導(dǎo)出結(jié)果。例如，質(zhì)量 m20 千克的小

4、鐵塊靜止于水平導(dǎo)軌 AB的 A端 導(dǎo)軌及支架 ABCD的形狀及尺寸如圖 2 所示，它只能繞通過支架 D 點的垂直于紙面的水平軸轉(zhuǎn)動，其重心在圖中的O點，質(zhì)量 M40 千克?，F(xiàn)用一細(xì)線沿導(dǎo)軌拉鐵塊，拉力 F12 牛，鐵塊和導(dǎo) 軌之間的摩擦系數(shù) u050。重力加速度 g10 米秒 2。從鐵 塊運動時起，導(dǎo)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(dǎo)軌（及支架） 為研究對象，它處于平衡態(tài)。當(dāng)小鐵塊在導(dǎo)軌上運動到離左端某 距離處，導(dǎo)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 受到地面的支持

5、力減為零。分別畫出小鐵塊、導(dǎo)軌 （及支架）的受力圖，根據(jù)牛頓第二定律的有轉(zhuǎn)動軸的物體的平 衡條件列出方程，配合運動學(xué)公式，即可解得所求。守恒不守恒模式在力學(xué)中，除了從瞬時態(tài)的角度來研究 運動和力的因果關(guān)系外，還經(jīng)常從過程的角度來研究因果關(guān)系， 以便更快地推出科學(xué)的結(jié)論。眾所周知，在機械運動中，只有兩 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)只有保守力做功，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(zhì)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(zhì)點遵從動量定理。因此， 任何力

6、學(xué)問題，在原則上又都可以按照下面的思維操作程序求解： 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(jìn)行推理；如果守 恒條件不成立，則應(yīng)用質(zhì)點的動能定理或動量定理推出結(jié)論。思維模式是引導(dǎo)思維活動演進(jìn)的程序。當(dāng)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(yīng)的思維水平也就越高。例如守恒不守恒模式不 僅適用于處理力學(xué)問題，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

7、一定的守恒條件氣體狀態(tài)量的 函數(shù)式（ PV、P T、V T、PVT）的值不變。內(nèi)能與熱功的關(guān)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(dǎo)學(xué)生對思維活動進(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)生的思維水平處在由具體運思階 段向形式運思階段過渡時期。在教學(xué)中常發(fā)現(xiàn)，有不少學(xué)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(fù)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(xué)生的思維水平尚處在具體 運思階段。另有一部分學(xué)生，他們解題時胸有成竹，幾乎不需嘗 試，就以簡短

8、的程序得出答案，解法具有普遍性。這些學(xué)生的思 維水平已發(fā)展到形式運思階段。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)生概括自己的思維過程，把新事物納入已有的 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 題、發(fā)展理論的源泉。如果說物理思維模式是某一知識領(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 的策略，是思維活動中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。中學(xué)物理常用到的思維技 巧主要有：理想化、形象化、數(shù)?；⒎诌x化、歸比和類比。

9、試 就理想化和化歸舉例說明。理想化 為了揭示復(fù)雜的物理現(xiàn)象的本質(zhì)，物理學(xué)家往往采 用“簡化”的方法，對客體進(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)的次要因素予以忽略，將事物抽 象成只具有原事物主要因素的模型。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)下取得的人類智慧的結(jié)晶。自由落體 運動、拋體運動、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 64×107

10、 米秒的電子束連續(xù)地 射入兩平行極板之間。極板長度為 L80×10 2 米，間距為 d 50×10 3 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 V0sin t如果所加電壓的最大值 V0超過某一值 Vc 時，將開始出 現(xiàn)以下現(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 V0為何值才能使通過的時間（ t ）通。跟間斷的時間（ t ）斷之比（ t ）通：（ t ）斷 2：1。這里考慮的焦點是兩極板間的電場對飛行電子束的作用。由 于兩極板上加交變電壓，在電子飛行過程中場強將發(fā)生變化，電

11、 子的運動將比較復(fù)雜，不易處理。但是，當(dāng)電子飛越電場所用的 時間 t 跟交流電壓的周期 T 相比非常小時（本題就是這種情況）， 電子飛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，可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。化歸 化歸指的是轉(zhuǎn)化與歸結(jié)，即把物理中待解決或難解決 的問題，不斷地將它變形，直至歸結(jié)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象所 運用的就是化歸法，把測定大象的重量（超出秤的稱量范圍）轉(zhuǎn) 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(xì)金

12、屬絲的直徑所運用的也是化歸法，把測定一根金屬 絲的直徑（小于尺的最小分度值）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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 E4k（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(dǎo)出，超出中學(xué)生 的數(shù)學(xué)水平；如果運用極限法，推導(dǎo)可簡捷。設(shè)想有兩個同心金屬球殼，分別帶上等量的異號電荷（圖4）當(dāng)半徑趨向無限大時，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

13、場就相當(dāng)于勻強電場。設(shè)內(nèi)球殼半徑為R；帶電量為 Q，則殼層中間距球心 R 處的場強 EkQR2。因為內(nèi)球的 面積 S4R2，上式可寫成 S4k（Q s）（R1 S）2 。當(dāng)球半徑 R 趨向無限大時， R1 R2 趨向于 1，得 E4k（Q s）思維教學(xué)要以模式訓(xùn)練為基礎(chǔ)，在學(xué)生頭腦中建立起思維定 勢。同時，又要貫徹發(fā)展的原則，培養(yǎng)凌駕于模式之上的思維技 巧，使學(xué)生掌握物理思維的精髓?，F(xiàn)代心理學(xué)認(rèn)為，認(rèn)知的發(fā)展 和成長產(chǎn)生于“平衡化”過程或“自我調(diào)節(jié)”。當(dāng)遇到的新事物 與已有的認(rèn)知不一致時，人們利用自我調(diào)節(jié)消除與給定信息中的 不一致，來達(dá)到認(rèn)知與客體的平衡，原來的認(rèn)知就得到發(fā)展。如 果在教學(xué)中向

14、學(xué)生提出與已有的認(rèn)知不一致的問題，同時引導(dǎo)學(xué) 生成功地消除與已有認(rèn)知的不一致，就能促使學(xué)生的思維技巧得 到發(fā)展。平衡化，這是培養(yǎng)物理思維能力、開展思維訓(xùn)練的又一 基本教學(xué)策略。品質(zhì) 思維品質(zhì)又叫思維的智力品質(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(xué)界對思維品質(zhì)的認(rèn)識尚未 統(tǒng)一，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(xì)，善于全面地考察研究對象，能從多種多樣的聯(lián)系與關(guān)系中 去認(rèn)識物理問題。為了培養(yǎng)思

15、維的周密性和廣闊性，在知識教學(xué) 中，可采用聯(lián)想教學(xué)法和類比教學(xué)法，發(fā)展知識的橫向聯(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)生全面、細(xì)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 面現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)，即善于用概念、規(guī)律去揭示問題的本質(zhì) 特征，預(yù)計事物的發(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。中學(xué)生常說，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。培根說過，物理學(xué)使人 深刻。可見物理思維對深刻性具有獨特的要求。要培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性，在知識教學(xué)中要抓住物理概念、 規(guī)律的本質(zhì)屬性與本質(zhì)特征，將深刻的物理意義揭示得淋漓盡致

16、。 在解題教學(xué)中，要不斷引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象把握因果關(guān)系，摒棄問 題的非本質(zhì)特征，使之思考問題深謀遠(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，隨機應(yīng)變地思考問題；能通權(quán)達(dá)變、不死 守常規(guī)。靈活性的特點是多開端、精細(xì)和新穎，對應(yīng)于一種推測、 發(fā)散、想象、創(chuàng)造的思維過程。為了培養(yǎng)思維的靈活性，在知識教學(xué)中要抓知識之間的“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，通過一題 多解、一題多變，培養(yǎng)發(fā)散思維，鼓勵學(xué)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，量程已知，內(nèi)阻不知等于多少。 另有一干電池，它的內(nèi)阻不能忽

17、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，能通過測量計算出這個電池 的電動勢（已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(dǎo)出計算電動勢的式子。 測量電池的電動勢是個老題目，常規(guī)的方法是用安培表和伏 特表?；蛴冒才啾恚ǚ乇恚┖碗娮柘洹１绢}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(dǎo)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(xué)生按各自的思路去探求，并到黑板上交流。然后，教師引導(dǎo) 學(xué)生研究內(nèi)電路的電壓和電動勢的關(guān)系，可得到最簡捷、最新穎 的解法如下（本解法僅用二個聯(lián)立方程就

18、導(dǎo)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。當(dāng) K1、K2。均閉合時，伏特表 A的讀 數(shù)為 U1。設(shè)伏特表 A的內(nèi)阻為 U1，則由電壓分配律得 （ -u1） u1rR1當(dāng) K1閉合、 K2斷開時， A的讀數(shù)為 U1， B的讀數(shù)為 U2。 則由電壓分配律得 （ -u 1-U2） u1rR1由上兩式解出電動勢為 （ u1·U2）（ u1-U2）批判性 這是指思維活動中善于獨立思考問題和精細(xì)地檢查 思維過程的智力品質(zhì)。思維的批判性是思維過程中自我意識的結(jié) 果，它起著定向、監(jiān)控和調(diào)節(jié)作用。在教學(xué)中，要鼓勵學(xué)生獨立 思考、不盲從、不輕信，敢于提出自己的見解，修正和發(fā)展前人 的理論。要經(jīng)常引導(dǎo)學(xué)生回顧自己的思路，不斷分析解決問題所 依據(jù)的條件，反復(fù)檢查業(yè)已完成的工作，及時發(fā)現(xiàn)自己原有認(rèn)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(jié)構(gòu)模型是一項奠基性工作。教 育的根本目標(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，思維的智力結(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。在制訂教學(xué)計劃時，若能根據(jù)物理思維的智力結(jié)構(gòu)模型把 各個思維因子安排到教學(xué)大綱規(guī)定的各知識點的教學(xué)中，那么， 在完成全部知識教學(xué)任務(wù)的同時