物理教学中创造思维能力的培养

吉 恒 杨春艳

(1.云南省通海县第二中学,云南 玉溪 652701;2.玉溪师范学院理学院,云南 玉溪 653100)

创造思维是指不依常规、寻求变异、想出新方法、建立新理论、从多方面寻求答案的开放式思维方式.创造思维包括类比思维、联想思维、等效思维、模型思维、逆向思维和发散思维等,在高中物理教学中培养学生创造思维能力,使学生的思维方式逐步地从正向思维向逆向思维;从常规思维向立异思维;从直觉思维向抽象思维;从单向思维向发散思维迁移和扩展,这对于提高学生分析解决复杂的、综合性的物理问题,增加解题准确度,加快解题速度,优化解题方法,都是十分有利的.

1 打破时空顺序,培养逆向思维

正向思维是从题给的条件出发,按照事物发展的时间和空间顺序去研究某一物理过程、物理现象的发生、发展,自始态到终态的思维方式.而逆向思维是一种创造性的思维,是人类进行创造性思维活动的重要形式.它同人们习惯的正向思维相反,不是由因求果,而是由果索因,它具有比正向思维更高层次的创造性和思维品质.物理学上很多重要规律的建立,新理论的诞生都是物理现象和结果引发,通过逆向思维实现的.所以在中学物理教学中善于培养学生的逆向思维能力,有利于培养和训练思维的深刻性、灵活性、敏捷性、独特性和创造性,是发展学生创造性思维能力的一个突破点和有效途径.

图1

例1.如图1所示,一个由斜面和竖直放置的半径为2.5 m的半圆环组成的光滑轨道,要想在平地上的 A点抛出一个小球,使它在半圆环的最高点 B处无碰撞地滑进环形轨道,再沿斜面上升到离地面 H=10 m高度的D点.试求应当在何处,以多大速度 v0,怎样的抛射角抛出小球?

解析:此题若按正向思维,即按照 A→B→C→D的顺序求解,由于初速度、抛射角及抛出位置均未知,所以要列方程求解相当复杂.若引导学生根据其运动的可逆性,通过逆向思维,将原来的运动模型转换成D→C→B→A的运动模型,则求解就简捷得多了.

取地面的重力势能为零,D→A由机械能守恒定律得

小球由B→A作平抛运动,根据机械能守恒定律,可得

2 拓宽思路,培养联想思维

联想作为一种重要的创造性思维方法,能拓宽思路,将某个规律、某种方法,拓宽延伸至新的领域,从而使一些本来无法解决的问题,能借用已知规律求解,从而达到解决问题的目的.

例2.一均匀球体以角速度ω绕自己的对称轴自转.若维持球体不会被瓦解的唯一作用是万有引力.则此球的最小密度是多少?

解析:学生接触此题,一般都觉得很陌生,似乎与自己学过的知识相距甚远,大有“山重水复疑无路”之感.然而,如果启发学生联想第一宇宙速度——卫星刚好,绕地球表面运转的临界线速度,那么,当地球自转的角速度加快到临界角速度,地球上的物体也就“漂浮”起来,成为地球表面的一颗卫星.这就表明,只靠万有引力维持的任何星球,只要自转达到相应的“第一宇宙角速度”,球体即将被瓦解.作了这样的联想,把陌生问题转化为学生熟悉的问题,顿觉“柳暗花明又一村”:

可见,善于联想,由此及彼,新旧知识得到沟通,思维得到启迪和开拓,能力得到训练和提高,点燃了创造思维的火花.

3 求同存异,培养类比思维

所谓类比思维[1],实际上是一种从特殊到特殊或从一般到一般的推理.它是根据两个对象之间在某些方面的相同或相似而推出它们在其他方面也可能相同或相似的一种逻辑思维.类比作为一种重要的创造性思维方法,在解答习题时,可以将已知的原理、方法横向类推到类似的新情景中去,从而使一些看来难以解决的问题,也会变得非常浅显.

(1)逃逸速度大于真空中光速的天体叫做黑洞,设某黑洞的质量等于太阳的质量 M=1.98×1030kg,求它的可能最大半径.

(2)在目前天文观测范围内,物质的平均密度为10-27kg/m,如果认为我们的宇宙是这样一个均匀大球体,其密度使得它的逃逸速度大于光在真空中的速度 c,因此任何物体都不能脱离宇宙.问宇宙的半径至少多大?

解析:本题涉及到天体物理学的前沿——黑洞的问题,要求学生大胆类比,把地球上物体的逃逸速度分别类推到关于黑洞和宇宙的问题中去,不难得到如下解法:

(2)把宇宙视为一普通天体,则质量为

其中M、R为宇宙的质量和半径,ρ为宇宙的密度,则宇宙所对应的逃逸速度为

由于宇宙密度使得其逃逸速度大于光速,即

由(1)～(3)式可得

由此可见,运用类比方法,要求有深邃的洞察力,求同存异,摒去表象和次要因素,抓住问题的本质核心.那么,不管情景信息怎样千变万化,都可以化难为易,触类旁通.

4 重视基本解题模式的建构,培养模型转换思维能力

物理模型是物理思维的支柱之一,它对学生物理思维的整体发展起着举足轻重的作用.因此,在物理教学中,要指导学生灵活运用物理模型分析和解答实际问题,在解决问题中培养与训练学生的模型转换思维能力.

例4.在离坡底15 m的山坡上竖直地固定一长15 m的直杆 AO,A端与坡底B间连有一钢绳,一穿心于钢绳上的小球从 A点由静止开始沿钢绳无摩擦滑下,如图2所示,求其在钢绳上滑行的时间t.

图2

图3

思维既是教学的基础,又是教学的对象,而思维的灵魂在于它的创造性.物理教学不只是向学生传授知识,更重要的是教会学生科学的思维和科学的方法,培养学生的创造力.因而在物理教学中培养学生的创造思维意识,激发和鼓励学生经常用求异思维、逆向思维、联想思维、类比思维和模型思维思考问题并提出与众不同,标新立异的解题方法,这对于提高学生素质,为未来培养有创新意识和创造力的一代新人,无疑是十分重要的.

1 乔际平,刘甲珉.物理创造思维能力的培养.北京:首都师范大学出版社,1989.89～100