信息技术支撑下物理形象思维的培养

张　亮　张　敏　张开杨

物理形象思维是一种具体的以物理表象为思维材料而进行的思维,而物理表象则是物理形象在人脑中的间接和概括的反映。这些形象包括事物的物理宏观形象、微观形象、时空形象、局部形象、静态形象和动态形象等。我们可以围绕物理表象的形成、积累、运用等,培养学生的物理形象思维。

一、培养策略

表象在形象思维的过程中占有重要地位。形象思维的各种活动,都是在表象的基础上进行的。因此,表象的形成、积累、判断和运用是培养形象思维的有效途径。围绕物理表象,笔者提出物理形象思维的培养策略。

1.形成正确的物理表象,建立物理表象库

所谓“巧妇难为无米之炊”,学生头脑中若没有丰富的物理表象,形象识别、联想、想象也就没有了依据。因此,形成正确的物理表象,丰富物理表象的积累,应摆在第一位。这包含两方面:其一是“质”的要求,即要求储存的表象是正确的、有序的;其二是“量”的要求,即通过多种途径丰富学生头脑中物理表象的储备。在此,笔者引入“库”的概念,物理表象库就是各种物理表象的集合,是存放各种物理表象的仓库,学生可以进行入库、调用、更新等操作。

2.培养运用物理表象进行思维的习惯

通过联想把储存在头脑中的物理表象联系起来,建立表象之间以及表象与客观事物之间的联系,应用时迅速将物理表象用语言或图形再现出来,活化物理表象,这样学生头脑中的物理表象将会更加鲜明。要有效地培养学生的形象思维能力,必须将运用物理表象进行思维贯穿在物理学习的各个环节。

3.培养和发展学生的想象力

想象是人脑对已有的表象进行改造、加工形成新形象的思维过程,是对形象信息加工的高级形式。在中学物理学习中,培养和发展学生的想象力主要是指唤起对多种物理图景的记忆及对其进行变换的能力、形成理想化物理图景的能力、建立空间关系与直观映像的能力、独立形成新的物理图景的能力。

二、实践尝试

笔者从上述的培养策略出发,着眼于发展学生的形象思维能力,借助信息技术的优势,尝试开发了一个训练学生形象思维的实践平台。

1.平台结构

平台的结构要包括三大功能模块,即“看一看”、“玩一玩”、“测一测”。

“看一看”模块即是将日常生活中的物理现象构建成一个有形的物理形象库。该模块包含“游乐场”、“竞技场”、“神秘太空”、“实验室”四个子栏目,以视频和图片为载体,让学生通过视觉和听觉来感受丰富的物理形象。

“玩一玩”模块是一组具有交互性和可视化的程序库。每一个互动程序展现一系列模拟的实验现象,每一个现象都反映了一些基本概念之间的联系。学生可改变参数,通过信息双向传输进行互动。该模块根据学生的思维,创设和输出在不同条件下的现象和结果,并能动态地显示运动过程,便于学生从多个角度观察物理现象。“玩一玩”为学生创设了一个良好的思维情境,在运动过程中可以随时“叫停”,便于学生弄清物理过程中的每一个细节。另外,针对每一个互动程序,我都设计了思考题,以“想一想”的方式来呈现,旨在用问题指引观察的方向,使学生在玩中观察、在做中学习,保留充分想象和思考的空间。在互动中,学生自觉纠正先前错误的表象,形成正确的物理表象,并大胆想象,勇敢尝试。“看一看”和“玩一玩”模块旨在帮助学生建立物理表象库。

“测一测”模块则是相应的习题库。这些题目是针对以上两个模块的内容进行设计的,主要训练学生运用物理表象进行思维的能力,及时给予反馈信息——答对了给予鼓励,答错了则给出提示。这样一来,学生在解决相应的物理问题中,将先前积累的物理表象活化,发展其形象思维能力,并且将形象思维与抽象思维结合起来。

本平台设计对象主要是针对高中学生。高中生在物理学习中出现形象思维障碍表现得很突出,这主要是因为高中物理相对于初中物理而言,知识的呈现方式、知识的广度、深度都有较大的不同,如教材中的文字叙述更严谨,物理现象更复杂,物理概念和规律更抽象等等。学生此时正处在由形象思维向抽象思维过渡的时期,在实际的教学中,教师若过分强调思维的抽象性和严密性,学生的形象思维则容易被“过渡”掉了。因此,高中阶段发展学生的形象思维,将形象思维和抽象思维结合起来,就显得尤其重要。

2.范例——向心力问题

向心力是高中阶段要求必须掌握的一个重要概念。人教版新教材是在匀速圆周运动和牛顿第二定律的基础上提出向心力的概念和公式的。从逻辑思维的角度出发,教材中向心力的概念和公式的得出是顺理成章的,但是学生仍然对向心力的含义难以理解和接受,其根本原因是学生头脑中没有建立正确、清晰的向心力这一物理表象,以至于对向心力的特点和作用认识模糊,对向心力的来源和公式的意义理解不透。

本设计从以下三个方面来帮助学生建立和巩固向心力的概念,在形成向心力的概念中发展学生的形象思维。

看一看:在“游乐园”里,呈现“空中秋千”、“翻滚过山车”、“巨型摩天轮”、“自控飞机”等图片。

在“实验室”里,视频播放“物体做匀速圆周运动的向心力”。分析光滑圆盘上做匀速圆周运动的小球,得出向心力的概念;分析“随着圆盘做匀速圆周运动的木块”,阐述向心力的来源;用向心力演示器演示向心力的大小与哪些因素有关;列举“火车转弯”、“赛车转弯”、“水流星”的向心力来源。

学生通过观看图片和视频,形象感受圆周运动这种运动形式,以及向心力的方向、大小和来源,在头脑中形成一个完整的向心力的形象。

玩一玩:通过Java Applet互动程序模拟空中秋千,让学生在互动中学习向心力。

想一想:做圆周运动的向心力有何特点?频率、角速度、半径等物理量之间有哪些关系?若改变周期等参数,其他物理量发生哪些变化?这些问题旨在引导学生进一步深入探索。

测一测:设计了5道单项选择题,给予即时反馈。

思维能力的培养需要一个长期的过程。重视物理形象思维能力的培养,更需要各方面的努力。信息技术是一个可供利用的手段,而教师才是真正的魔法师。新的初中、高中物理课程标准均强调“使学生养成良好的思维习惯”。笔者希望大家更多地关注学生的思维过程,重视发展学生的思维能力,在实践中探索发展学生思维能力的途径和方法。

参考文献

[1]杨春鼎.形象思维学[M].北京:中国科学技术大学出版社,1997.

[2]张敏、周延怀.物理形象思维能力培养的问题与对策[J].物理教师,2006(2).

[3]人民教育出版社课程教材研究所、物理课程教材研究开发中心编著.普通高中课程标准实验教科书《物理2》(必修)[M].北京:人民教育出版社,2004.

(作者单位:广西师范大学物理与电子工程学院江苏南京晓庄学院物理与电子工程学院 江苏南京师范大学物理与科学技术学院)