在物理教学中让学生的思维“天马行空”

　　摘要：发散性思维对学生创新能力的培养起着十分重要的作用。本文就高中物理教学中如何培养学生的发散性思维例举了从空间、时间和人文三个方面的案例。
　　关键词：物理教学；发散思维；空间；时间
　　中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148(2011)2(S)-0035-3
　　
　　所谓“天马行空”，原意是指骏马无拘无束地极速奔驰，像是腾空飞行一样。用来比喻诗文等气势豪放，不拘一格，也指思维异常活跃，思想极度发散。
　　高中学生思维活跃，好奇心较强。高中物理课程标准中强调：高中物理课程在内容上要加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想，关注物理学的技术应用所带来的社会问题。另外，也要求在日常教学活动中，从学生的现实生活出发，教学内容要符合学生认知逻辑的发展规律，这样能更好地促进学生对知识的积极构建。这样能使物理教学立足现实生活，反映现实生活，服务于现实生活。
　　因此，注重理性、抽象思维的培养，注重创新能力培养，成为当今物理教学的重要目标和任务。让高中学生的思维继续插上腾飞的翅膀，来几次闪光的“天马行空”，为他们将来成为具有创新性思维的创新型人才打好坚实的基础。下面举几个案例加以说明。
　　
　　案例1：空间思维中的“天马行空”
　　
　　若将地球表面看作一个巨大的拱形桥，桥面的半径就是地球半径。地面上有一辆汽车沿着赤道行驶（如图1）。图 1根据分析可知，汽车速度越大，地面对它的支持力就越小。会不会出现这样的情况：速度大到一定程度时，地面对车的支持力为零？这时驾驶员与座椅之间的压力是多大？他这时可能有什么感觉？［1］
　　学生在拱形桥的问题中已经知道，半径越小时车对桥的压力与重力之差越大，地球的半径很大，这种效应可能不明显；学生还知道，速度越大两力之差就越大，所以会在地球上产生明显的效应（比如说车轮刚好脱离地球表面，要多快呢？利用圆周运动的知识学生很快计算出v=gR≈7.9km/s。显而易见，这么大的速度，在现实生活中汽车是不可能达到的。那么是不是真的就没有现实意义呢？
　　例如，教师以逐渐增加的速度水平抛出几个粉笔头，让学生画出地球的球形状，并把教师刚才抛粉笔头的情形分别画在同一张图上（如图2），学生可能会觉得画出来的图太夸张了。但在这张看似夸张的图像上，立即有学生想到要是抛粉笔头的速度再大一点，再大一点……。天呐！粉笔头可能会：往前仍，但会打在老师的后脑勺上！而且要是老师抛完粉笔头后往旁边站一下，在不考虑空气阻力的情况下，粉笔头将永远不会落回地面，成了地球的一颗卫星！在学生的一片惊讶声中教师将牛顿的卫星草图（如图3）呈现出来，让每一个学生在这种富有想象力的思维中赞叹，并体会这种“成功”的喜悦。
　　
　　案例2：时间思维中的“天马行空”
　　
　　假设A、B两点相距340m，两地“同时”引爆炮仗，设声音在空气中传播的速度为340m/s，则声音传到对方的时间分别为多少？若两个盲人在A、B两鸣放炮仗，他们认为谁先放炮仗？（假设这两个盲人无物理知识，且炮仗的声音在传播的过程中不减小）
　　一般的学生会认为声音传到对方的时间间隔为1s。两个盲人均会认为是自己的炮仗先引爆，原因是两个盲人均没有扣减他们的测量时间，而且他们各自所选择的参考系也不同。
　　现在将问题作进一步延伸。如图4所示，假设在高速（速度非常大）运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，则对在车上的人和站在地面上的来说，他们是否认为光到达车厢底部的时间是相同的？
　　由上述知，一般的学生会认为刚才两个盲人各自认为自己的炮仗先引爆，另一个原因是这里有两个事件（即：放了两个炮仗）。而现在尽管有两个参照系，但这里只有一个事件，因此不论是在车上的人，还是在地面上的人应该认为光到达车厢底部的时间都是相同的，这点不用质疑。果真如此吗？
　　教师引导学生在黑板上画出了站在地面上的人所“看到”的光传播的路径图（如图5）。
　　对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的。有学生开始感觉好象“不太对劲”，并开始计算……。
　　对于车厢里的人有：
　　Δτ=2hc；（式中c为光速）
　　对站在地面上的人有：在Rt△AMC中
　　h2+(vΔt2)2=(cΔt2)2（式中v为车速）
　　得：Δt=4h2c2-v2，
　　由上几式不难得出：
　　Δt=Δτ1-(vc)2。
　　显而易见，Δt＞Δτ。
　　综上可见，同一个事件竟然在不同参照系里的人看，它同时发生，但没有同时结束。此时学生会开始七嘴八舌地讨论，他们的思维开始了“天马行空”。经过一翻热烈讨论和激烈的思想斗争之后，他们得到以下结论：由于光的速度（相对不同的参照系）是不变的，只要车的速度达到接近光速的水平，车上的一切物理过程和化学过程，甚至生命过程都变慢了，也就是神话里所说的：天上一天，地上十年。
　　点评：现在的社会是一个极其注重创新能力或者说创造能力的社会，培养学生出类拔萃的创新能力需要学生丰富的创新思维。而这种创新思维的培养，单靠严谨的逻辑思维是很难得到的，它还必须依靠学生“天马行空”式的想象能力。
　　
　　案例3：人文思维中的“天马行空”
　　
　　“1938年12月，德国物理学家哈恩和他的助手斯特拉斯曼在用中子轰击铀核的实验中，发现了生成物中原子序数为56的钡。”［2］一个月以后终于证实，铀核在俘获一个中子后发生了一个重核裂变，变成两个中等质量的核的反应过程——核裂变。这一发现为核能的利用开辟了道路。
　　同学认真阅读上面这段话后，会得到这样的信息：发现时间是1938年12月，地点是德国，事件是首次发现核裂变。然后，每一个学生马上结合自己的历史知识，开始思考，思维又天马行空起来……。
　　同时，学生可能会有如下的猜想：悬！要是德国纳粹首先将原子弹制造出来（完全有这可能！），那二次大战的结局极有可能轴心国成为最后的战胜国，我们国家到现在为止还有可能被日本占领着，我们学生可能……，不敢想了！而且，要是原子弹技术被某些“别有用心”的人（如恐怖分子等）掌握，那现在的世界就变得极不稳定，每个人都生活在恐怖之中。这时学生们的共同心声：掌握高科技（如克隆技术，基因组技术，计算机技术……）的人必须具有一颗用科学技术为人类造福之心，用以保证我们科学技术的成果造福于人类，而不至于成为祸害。否则我们可能是克隆的“我们”，也可能是虚拟的“我们”……。
　　点评：中学物理教育应当摒弃“重知识，轻人文”的教育观点和认为人文教育是人文科学的任务的想法。同时物理教师应提高自身的科学修养，使物理教育不但指向“物”，而且指向人，让物理教育真正成为“立人”的教育！
　　现今的高中物理教学需非常重视培养学生的发散思维能力。通过上面的讨论也表明：在培养学生的发散性思维的教学中，需要学生的想象能力和抽象能力同步发展。高中学生的思维正好处在幻想世界和现实世界的临界点上，教师应该在发展学生抽象思维能力的同时，继续让学生保持具有幻想力的头脑。正如心理学家维果茨基所说：在从幻想到现实感的过渡阶段，幻想在发展过程中发生本质的新变化是青少年的想象力与概念思维建立起了亲密的联系。想象力被理性化，被融入进理性思维活动系统中，在青少年的人格新结构中开始发挥全新的功能。［3］这样才能培养学生理性化、概念化了的高级想象能力，即高度的创新思维能力。
　　
　　参考文献：
　　［1］普通高中课程标准实验教科书《物理（必修1）》.人民教育出版社，2004，56
　　［2］普通高中课程标准实验教科书《物理(选修3-5)》.人民教育