如何在物理教學之中培養(yǎng)學生的形象思維能力

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

大學物理的“分子運動論〞局部的內(nèi)容是以后理論物理局部學習的重要根底，不僅在知識方面而且在能力方面都需要為以后打下堅實的根底，因為該局部知識的學習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)合教學推演及為突出主要矛盾作出的一些若，來對問題進行研討，這樣就使初學者在學習上有一定的難度，學習效果不好，造成畏難情緒，為后續(xù)理論課的學習帶來困難，這必須引起我們的高度重視。這方面決不能僅僅以為學懂了幾條原理，記住一些結(jié)論公式，會解幾道題，就算到達了教學目的，最基本的應(yīng)是把學生的能力培養(yǎng)起來。對于這個問題，我們作了如下幾個方面的嘗試。

一、學生的思想準備方面

對該門知識的學習難度方面作一定的強調(diào)，使學生有一定的思想準備。要向?qū)W生指出，該方面知識的學習與以往力學知識學習的比擬，直觀性不強，較多地用形象思維方式對問題進行探討，并且將大量地應(yīng)用統(tǒng)計數(shù)學方面的知識，而這兩方面正是初學者不太熟悉的。但同時更重要的是要大力激勵學生，打破尷尬情緒和神秘感。告訴他們，只要勇于動腦，肯于動腦，即使碰到“難關(guān)〞，也能挺過去。之所以事先要給學生講一下，是因為假設(shè)他們思想上無準備，思維辦法不能即時更新，學習效果就將是事倍功半，學生會感到很困難。

二、學生的思維能力準備方面

關(guān)于統(tǒng)計的辦法，許多教參書都談到“統(tǒng)計物理的規(guī)律和動力學規(guī)律一樣，都是物質(zhì)世界的客觀規(guī)律，用統(tǒng)計規(guī)律的辦法描述客觀規(guī)律同樣是精確的和深刻的〞，對于這段話，學生們在初次接觸時，總是不以為然。

向題出在哪里？原來學生們由于以往的學習，形成了一種模式，總認為了解一個事物，要一個個地分別探討才準確、才深刻，把假設(shè)干個體“合著〞研探只能是個“大略〞，談不上精確、深刻。這說明學生對新課題、新思想、新思維的不習慣，思維還約束在原有的理論水平上，沒有跨越。如果在這一根本問題上不過“關(guān)〞，那以后學生對在統(tǒng)計意義上研究的許多問題可以說都會感到不踏實、難理解，并且更重要的是不能正確地理解和掌握統(tǒng)計的規(guī)律和公式。

為了解決這個問題，我們舉了許多現(xiàn)實例子來反復予以闡明。

一個例子是：假如我們要了解一個學校的學生學習情況，從學校整體來探討有沒有意義呢？〔提示學生：對本年度與上年度學習狀況相比擬、校際之間進行比擬……等〕，怎樣比擬呢？取一個學生來考慮行嗎？看平均值行嗎？比單科還是全部學科？只比多少人考上重點學校行嗎？……等等。

又一個例子，二個電視機廠生產(chǎn)的電視機，一個廠拿出5臺來，全部合格。而另一廠拿出一千臺來有5臺不合格。這種情況下，二廠的產(chǎn)品好比擬優(yōu)劣嗎？再說，如你用到一臺電視機，光從這一臺的質(zhì)量能否斷定該廠電視機的質(zhì)量呢？

再一個例子，就是衡量一個國家的國民收入。只看國民總收入行嗎？或者只看平均收入就行嗎？

通過類似以上的許多實例，可使學生逐漸體會到統(tǒng)計規(guī)律描述客觀事物的必要性以及各種場合下統(tǒng)計規(guī)律的適用范圍，從而對統(tǒng)計規(guī)律描述客觀事物同樣是準確的、深刻的，印象就深刻多了。

三、教學中的形象比喻方面

分子運動論的教學內(nèi)容中，統(tǒng)計概念及其相應(yīng)的定義、公式是很重要的方面，但微觀過程的描述、分析幾乎都是在有限實驗根底上于想象中運用所謂“思維實驗〞的方式進行。這對于許多形象思維能力較差的學生來說無疑是很吃力的事情。因此用現(xiàn)實中形象化的例子進行類比以提高學生形象思維的能力就顯得十分重要。這一方面可使學生有具體形象可循，加深問題的理解，牢固地掌握知識，另一方面又可使學生的形象思維能力逐步得以提高。

譬如：對于麥克斯韋速率分布函數(shù)的教學，學生們初次接觸，總是不大理解，既然氣體分子處于平衡態(tài)，為什么還要來探討其速率分布呢？關(guān)于這個問題，個別教參書上用所謂“分子篩〞的過濾辦法，將分子接速率分類，雖然比擬形象，可學生們還是感到迷惘。因為“速度篩〞的比喻使學生感到“篩〞過去的分子就離開了原集體，成為“割離〞狀態(tài)，與原分子集體相關(guān)性少了。我們在這局部的教學中，不用“速度篩〞而用“速度門〞的比喻。把分子們的運動用各種不同速率的“速度門〞控制進出。作為速率分布的探討，暫把“門〞控制為只進不出。等分子們一個個“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)學意義的連續(xù)了。假設(shè)其“門〞翻開，分子們將出來互為“摻合〞但這并不影響分子們按速率分布情況，平衡態(tài)仍是原來意義下的平衡態(tài)。

再以氣體內(nèi)的輸運現(xiàn)象為例。分子們由于本身具有的無規(guī)那么運動的固有特性，且因不均習性造成某種物理意義下的運動，即擴散、傳導、粘滯現(xiàn)象的出現(xiàn)。與相應(yīng)宏觀實驗下得到的規(guī)律比擬，得到的三種遷移系數(shù)需進行微觀過程的推導，而在此情形下，形象的比喻與思維尤其顯得重要。

譬如，在探討其熱擴散時，我們是以二個所謂“分子隊伍〞擬人化地整齊互穿參考面△S來表明分子質(zhì)量的遷移的。這樣比喻的好處是幾個重要的若前提均可包含于這“分子隊伍〞的意義中。因為參考面的法向沿著擴散方向，速率均考慮平均值，隊伍當然是整齊的。

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

對于粘滯現(xiàn)象，其微觀研究推導中，作為某層分子們定向遷移速度，我們作了這樣的形象比喻，在一長長的列車平板上，有假設(shè)干人在其上自由運動，但就總體而言，由于列車在前進，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，它附加于雜亂運動的人們整體上。假設(shè)有兩列這樣的列車，速度不等互相平行緊靠近而運動，這時兩車上人們互相對跳對方列車上，此時二列車動量將發(fā)生變化，動量的改變與相應(yīng)時間的比值就顯示粘滯力的作用來。

在以上形象的比較下，學生們由于有具體的形象可捉摸，再結(jié)合根底的物理知識，于是使學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。這將使他們在以后學習更高層次的微觀世界時，既體會到數(shù)理邏輯推證的嚴密性，又學會用現(xiàn)實可見的形象作類比，增強理解新概念。

四、教學中應(yīng)注意的方面

在分子運動論的教學中，在運用形象比喻時，還應(yīng)注意到并不是什么時候都可找到恰當?shù)睦拥摹Ｒ苊鉃楸扔鞫鴣y舉例，就是較恰當?shù)男蜗蟊扔?，其對象的特點也不能過多波及，因為學生有時會鉆牛角尖而搞亂思維，反而造成對問題理解的誤解。示例：在速度分布函數(shù)的比喻中，學生對“速度門〞的比喻很易問到：“誰在管‘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，應(yīng)立即向?qū)W生表明，目前所用比喻，只是為了表明問題，用“速度門〞的主要特點幫忙理解，不能完全機械的死套形象。

此外，作為形象思維的比較，不要隨意亂畫圖。譬如，為推導氣體壓強公式，波及分子對器壁的撞擊時，有教師畫一個人來回碰璧運動，似乎擬人化的圖象更表明問題?？墒亲鳛榉肿优c壁是彈性碰撞這一特點就不好講分明了。

總之，波及分子運動論的教學，因深入其微觀領(lǐng)城，分子們的運動一般不易察看。目前我國物理實驗伎倆不完備，加上學生又是剛開始接觸統(tǒng)計規(guī)律方面的知識，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的根底