物理教学应注重培养学生的创新思维能力

创新教育是指整个教育过程被赋予人类创新活动的特征，并以此为基础，达到培养创新人才和实现人的全面发展为目的的教育。创新教育的内容包括创新精神、创新能力、创新人格三个方面。其中创新能力，主要包括创新思维能力、创造想象能力以及创造性的计划、组织与实施某种活动的能力。其中创新思维能力处于首要位置。创新思维源于常规的思维过程，又高于常规的思维。它的特征是超越或突破人们固有的认识，使人们的认识“更上一层楼”。创新思维表现出个体在观念层面新颖、独特、灵活的问题解决方式，是创新实践的前提与基础。经验性的研究表明，具有创新思维的人常常感受敏锐，思维灵活，能发现常人视而不见的问题并能多角度地考虑解决办法；理解深刻，认识新颖，能洞察事物本质并能进行开创性地思考；实事求是，能合理运用发散与辐射、逻辑与直觉、正向与逆向等思维方式，不走极端，能把握事物的中间状态等。这些品质是基础教育阶段思维训练的重点。然而在教学效果的评价体系中，最有说服力的依然是考试成绩。教师和学生为了拿到或提高一分，做着大量的、多种的、不懈的尝试和努力，熟记各种定理定律的具体解题步骤，熟知典型物理图景的构建和典型物理题目的解题思路等。大量的灌注使得学生思维僵化，形成了思维定势，抑制了发散思维能力，学生的创新能力没能提高，反而受到压制。在物理知识和物理能力教学过程中，起教学主导作用的教师必须注重如何减少思维定势的不利影响，注重发散性思维能力的培养，使得应试能力与创新能力都能得到提高，最终达到教学目的。

一、突破思维定势，灵活运用物理知识解决问题

思维定势是思考同类或相似问题的惯性轨道，来自于心理定势。过去的思维影响当前的思维，形成了固定的思维模式。任何事物都有两个方面，思维定势可以省去许多摸索、试探的步骤，缩短思考时间，提高效率。在日常生活中，思维定势可以帮助我们解决每天碰到的常见问题。在各种考试内容安排上，容易、中等难度的考题占试卷总分的80％以上，考查学生创新能力的考题比例虽然在增加，但其所占分值比例仍然很小。对于考场中的学生来说，时间是被限定的，十道考题中有八道熟悉与十道考题中只有两道题熟悉相比，考出的成绩肯定不同。这是因为学生通过大规模的解题训练，熟知每块教学内容的典型问题和相应的解题思路和解题方法，积累了对常见问题处理方法的思维模式。在教学中一定量的解题训练能形成思维定势，提高考试成绩。另一方面，通过大量的解题训练，由量变到质变，学生的思维能力得到了充分训练，可以感悟出现象背后的本质，提高处理问题的能力。

思维定势是客观存在的，一旦解决了一个问题，下次遇到类似的问题或表面看起来相同的问题，还是可能会沿着上次思考的方向或次序去解决。例如一道高考题(如图1)：为了使自由下落的带正电粒子与带负电粒子分开，在释放点下方加了一个水平方向的电场，求粒子离开电场的位置。许多学生看到题后非常高兴，认为“带电粒子垂直进入匀强电场，粒子就做类平抛运动”，按照类平抛问题解题，结果失掉18分。问题出在类平抛的题做得太多了，形成了思维定势，没有对粒子的初始状态和所受到的合外力进行认真分析，就想当然地确定粒子的运动状态。实际上，初速度为零的粒子，在重力与电场力的合力作用下做匀加速直线运动。

为避免思维定势的影响，在处理物理问题时，要把握住发生现象的决定因素，要避免用类似的现象得出结论却不看适用条件，要在满足相应的条件下得到正确结论。教师应该叮嘱学生，碰到难题不要轻易放弃，碰到类似题不要盲目乐观，每道物理题都是一个具体的物理现象，具体问题都存在其特殊性。只有用挖掘出的特殊性与学到的普遍规律相结合，才能得到正确的物理结论。如学生通过大量练习，对应用机械能守恒或动量守恒的解题步骤比较熟悉，但是在处理问题时，往往忽视对守恒条件的判定，特别是近似守恒现象的鉴别，反映出学生物理现象的观察能力和对守恒定律本质的理解能力不强。这也正是教师在日常教学中不断要求学生需要掌握的能力。

在进行创造活动时，要有意识地抛开以往思考这些问题时的习惯(思维程序和模式)，警惕和排除它对寻求新的设想所可能产生的束缚作用。扩大观察问题的视角，扩大研究问题的途径，多角度、多方面、灵活地审视问题，从而突破思维定势的影响。

例如在竖直平面内有一个边长为L的正方形，质量为m的金属框。在其下方有一宽度也为L的水平区域，在该区域内有垂直纸面向里的匀强磁场(如图2)。当线框匀速通过磁场过程中，求线框产生的热量。

学生在解题时，由于是电磁感应现象，受思维定势的影响，通常多数学生采用方法是当线框匀速通过磁场过程中：Mg=BIL；E=BLV；Vt=2L；Q=12Rt=I-Et=2mgL。

如果学生的物理知识扎实，从多个角度审视问题，用能量守恒定律就能直接找到答案，既节约了时间，又能够正确地解答。当线框匀速通过磁场过程中，根据能量守恒定律可知，减少的重力势能等于金属框产生的热量：Q=2mgL。

应试能力与创新能力的培养是矛盾的统一体，虽然两种能力所要解决的问题范畴不太相同，但是具体到中学生学习中学物理的这一阶段，提高应试能力与提高创新能力是相辅相成的。创新能力的核心是创新思维，创新思维是一切创新的源泉。创新思维不是一种单一的思维，主要是发散思维与收敛思维新颖灵活的有机结合。

二、培养运用发散思维能力，把握物理知识的广度和深度

发散思维是从一个问题(信息)出发，突破原有的圈，充分发挥想象力，经不同的途径，以不同的视角去探索，重组眼前的和记忆中的信息，产生新信息，使问题得到圆满解决的思维方法。发散思维的特征是流畅性、变通性、独创性。其中独创性是发散思维的本质。发散思维的三个作用是核心性作用、基础性作用和保障性作用。核心性作用表现为想象是人脑创新活动的源泉，联想使源泉汇合，而发散思维就为这个源泉的流淌提供了广阔的通道；基础性作用表现为创新思维的技巧性方法中，有许多都是与发散思维有密切关系的；保障性作用表现为发散思维的主要功能就是为随后的收敛思维提供尽可能多的解题方案。这些方案不可能每一个都十分正确、有价值，但是一定要在数量上有足够的保证。

发散思维的培养需要宽松的教学环境。教师教得轻松，学生学得愉快。如果课堂气氛活跃不足、严肃有余，那么学生就会有一种无形的压抑感，将严重制约学生智能和创新精神的发展。所以教师应以民主、平等的态度对待学生，营造一种轻松、愉快、和谐的课堂氛围。物理学中有许多知识、现象和实例颇具趣味性，教师要善于利用，让学生心情舒畅地接受知识。宽松的教学环境、生动活泼的学习氛围能最大限度地调动学生学习的主动性和创造性，使学生思维活跃，智力呈开放状态。

发散思维的培养是在学生主动学习、主动探索的学习过程中完成的。创新性的见解往往就在学生的各抒己见之中，学生热烈讨论之时往往正是发散思维最为活跃之际。教师的主导作用在于能够设计出让学生自由讨论的题目，能够设计出有多种答案，并能澄清学生模糊、错误认识的题目，能够设计出学生可能产生创造性见解的题目，而这是物理创新教学的艺术。所以教师要落实如何从“教”的角度去唤起学生的“学”，以学生活动为主线，让每个学生参与教学全过程。

教师可结合物理学自身特点和不同教学内容，设计一些实验、问题和情景，通过指导或引导，让学生去操作、分析和探索，使学生成为知识的再发现者而不是接受者。教师要充分挖掘教材中的探索性成分，引导学生主动学习、主动探索，让学生自己发现问题、发现规律，从而不断提高学生的创新意识和创新能力。

为培养学生的发散思维，可在教学中提出一些不是只有固定答案的发散性问题，做一些一题多解、一题多变、一问多答的练习，促使学生广泛地搜寻自己的记忆贮存、尽可能提取更多的信息来寻求答案。通过多种发散思维训练、培养学生灵活、批判地考虑问题，提高学生思维的流畅性、变通性和独创性，从而使学生的创新思维和创新能力得到实质性的提高。

受力分析是解决力学问题的基础，也是高一物理教学的重点和难点。利用一题多解、一题多变、一问多答的练习，学生不仅可以掌握各个特殊状态时平衡力之间的定量关系，还可以通过动态的变化，定性分析平衡力之间的动态变化规律。

例如对用两根轻绳悬挂物体的受力分析，如图3所示，通过一题多变，可以发现多个推论。

例如在圆环内用两根轻绳使物体悬挂在圆心处，如图4所示。当圆环在竖直平面内缓慢旋转90度，问两根绳上的拉力如何变化?

在处理三个力的动态平衡问题时，常采用三角形法。在缓慢转动过程中，重力不变，两根绳拉力的夹角不变。采用下面四种方法可以得到同样结论：OA绳的拉力不断减小，OB绳的拉力先增大，后减小。

方法一，利用数学圆的几何知识可以得出结论。

方法二，利用相对性，假设圆环不动，让重力方向改变900。用平行四边形法则作图可以得出结论。

方法三，利用直角三角形的几何关系，如图5所示。

方法四，利用正弦定理。

四种方法的运用，让学生体会到从不同视角看待问题，利用不同知识去思考，解决问题，提高了发散思维的能力。

在进行发散思维训练的同时，还必须注意进行收敛思维的训练，因为两种思维在创新思维中是同时并存、相辅相成的。

三、培养运用收敛思维能力，挖掘物理现象本质

收敛思维也叫做聚合思维、求同思维、集中思维，是创新思维的一种形式。它与发散思维不同，发散思维是为了解决某个问题，从这一问题出发，想的办法、途径越多越好，总是追求还有没有更多的办法。而收敛思维也是为了解决某一问题，在众多的现象、线索、信息中，向着问题的一个方向思考，根据已有的经验、知识去得出最好的结论和最好的解决办法。收敛思维的特征是封闭性、连续性、求实性。发散思维是一种求异思维，为在广泛的范围内搜索，要尽可能地放开，把各种不同的可能性都设想到。收敛思维是一种求同思维，要集中各种想法的精华，达到对问题的系统全面的考察，为寻求一种最有实际应用价值的结果而把多种想法理顺、筛选、综合、统一。

传统教学很少教会学生从总体上观察学科知识系统，把握它们相互之间的关系和本质特征，这些正是创新教育鼓励学生以更宽广的视角，从分割的学科课程里“重新发现”的关键。例如在处理高中物理力学问题时，主要探讨的问题是力的作用。为了提高学生处理问题的能力，物理教师训练学生可从几个方面着手。如从力的瞬时作用效果，如何改变物体的运动状态；从力的作用效果在空间上的积累，如何使得能量转移或转换；从力的作用效果在时间上的积累，如何使得动量在物体之间转移等。通过大量的习题训练，使得学生对牛顿第二定律、动能定理和动量定理有深刻的理解和认识，能够从瞬时、时间和空间三方面灵活地审视力学问题，掌握处理高中物理力学问题的基本能力。

事实上，世界上绝大多数的创造发明，都是原有事物的“再次发现”和“重新组合”，产生质变后才表现为“前所未有”。任何人都无法脱离自己的经历凭空设想，即使是科幻作品所“创造”的外星人，也不过是作家思想表象里原有“部件”的“再次发现”和“重新组合”而已。例如牛顿定律的产生、万有引力定律的得出绝非是一个苹果作用的偶然结果。在教学中，教师一方面要注重物理学史的教育，让学生学习科学家的思想品质，另一方面也要让学生感受到收敛思维的过程。如高中物理力学中有三大定理(牛顿第二定律、动能定理和动量定理)，在应用中有机械能守恒和动量守恒两个守恒定律。把保守力做的功看成势能，就出现了机械能守恒定律。如果把效果力看成某一种力，则由牛顿第二定律可得出类似的力的守恒定律。这样不仅使得三大定律对应着三个守恒定律，形成知识结构的对称性，还通过对效果力的理解，学生对牛顿第二定律的本质有了更加深刻的理解。在对物体受力分析时，学生应该弄清究竟是哪个力的作用，哪些力之间的作用效果相互抵消了，没被抵消的力产生了哪些效果。

如图学生实验探究物体的加速度与合外力的关系，学生通过垫高本来水平放置的木板，用重力的分力来平衡小车受到的摩擦力(如图6)，认为悬挂的小桶重力等于对小车的拉力(即合外力)，用打点计数器测量加速度。然而学生实验得出的图像中，图线开始是直的，但是随着小桶重力的加大，图线上端有些弯曲。通过误差分析，学生理解到由于悬挂的小桶本身有质量m，小桶重力作用效果(mg=ma+Ma)不仅是对小车产生加速度，同时还对小桶产生了效果ma，绳的拉力小于小桶的重力mg，只有当实验满足m

在实际的物理教学过程中，无论是对物理知识的掌握，还是解题能力的训练，都是发散思维与收敛思维不断交替进行的过程。如在牛顿第二定律的教学中，定律内容很容易被学生所理解，教学的难点是要求学生具备应用牛顿第二定律解决实际问题的能力。解决该教学难点的思维方法是先发散，后收敛。先让学生处理大量的有关问题，见识物体受到不同力的作用结果。然后进行收敛，由量变到质变，感悟出牛顿第二定律的有关问题主要是两类，从已知物体受力情况确定物体的运动情况，从相反物体运动情况确定物理受力情况。问题的核心是求物体的加速度。

收敛思维与发散思维是一种辩证关系，既有区别，又有联系，既对立又统一。没有发散思维的广泛收集、多方搜索，收敛思维就没有了加工对象，就无从进行；反过来，没有收敛思维的认真整理、精心加工，发散思维的结果再多，也不能形成有意义的创新结果，也就成了废料。只有两者协同动作，交替运用，创新过程才能圆满完成。

如在做“用单摆测重力加速度”的分组实验前，先提出“利用所学知识能设计哪些方法来测量本地区的重力加速度的值”，引导学生进行多方面的联想，让学生提出几种方法。接着再让学生进行收敛思维训练，即指导学生根据科学性、精确性、可行性和简约性，对各种实验方法进行比较筛选，找出测本地g值较准确又简单易行的“单摆方法”，取得收敛思维训练的良好效果。

各种思维方法渗透于一切创造过程中。逻辑思维的过程形式与创新、创造过程密切相关，一切创造活动都是以逻辑思维为基础的，运用逻辑思维对创造成果条理化、系统化、理论化有重要作用。逻辑思维的方法包括分析与综合、分类与比较、归纳与演绎、抽象与概括等。在中学物理教学中，作为起主导作用的教师，必须培养学生的各种思维能力，必须清楚逻辑思维与创新思维的一般区别和关系，必须知道逻辑思维在创新中的积极作用和局限性。否则，教师在教学中会只重视逻辑思维的培养，忽视猜测、想象和顿悟等创新思维的教育，培养出的学生虽具有一定的应试能力，却缺乏创新思维能力。所以，在中学物理教学过程中，教师应该有目的、有计划地对学生进行创新思维的教育和训练，这不仅可以培养学生的应试能力，还可以培养学生的科学创新能力。

作者单位北京市东城区教师研修中心

(责任编辑 黄蜀红)