（课程与教学论专业论文）高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究.pdf

1。 摘要 i i i ii if lr l i fiii i iiiif y 19 12 8 4 1 作为重要的中学生学科知识竞赛，物理竞赛的内容是培养性的， 方式是激励、选拔的。竞赛物理鼓励探索和创造，挖掘学生思维，受 到中学师生的广泛重视。力学作为物理学的基石，对后继物理知识的 学习有重要作用。物理竞赛力学部分是怎样考查物理思维方法的，对 思维方法的培养有什么影响，是本文期望解决的问题。 本文以建构主义、人本主义、s t s 教育论为理论基础，综合分析 物理思维的特点。从实证出发，以教育心理学为理论依据分析统计研 究全国物理竞赛第1 7 届至第2 6 届预赛力学部分试题中思维方法的应 用。在科学思想的指导下，结合实例研究、访谈研究，展示优秀教师、 竞赛学生对物理竞赛活动培养学生物理思维的所做所思。 本文得出以下结论：物理竞赛力学部分不是展示解题技巧，而是 对物理思维方法的更高层次的理解运用，通过综合运用各种思维方 法，弥补知识的不足，培养思维的广度和深度。解决竞赛问题时注重 过程，再现思维的全过程，在过程中渗透方法。学生参与物理竞赛需 要兴趣的支撑。突破竞赛难度的重点不是简单衔接、扩展大学普通物 理知识，而是物理思维方法上的相似。 本文针对研究结论提出建议：竞赛教学中改变重习题训练，轻方 法教育的倾向。在物理知识教学中渗透思维方法教育。通过解决实际 问题训练思维方法。教师深入浅出的剖析思维过程，归纳说明各种解 题方法的原理、操作程序和适用范围，学生由简单的模仿、类l t , n 运 用自如，有所创新，灵活的掌握解决物理问题的思维方法。物理竞赛 要摆脱老师的“灌输，培养学生良好的自主学习能力。 关键字：物理竞赛力学部分物理思维方法思维过程 l l a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ts u b j e c tk n o w l e d g ec o m p e t i t i o n ，t h ew a yo f p h y s i c a lc o m p e t i t i o ni si n c e n t i r e ，s e l e c t i v e i tm a t c h e sw i t h t h ea c t i v e ，c u r i o u sm e n t a l ，c r e a t e s s t u d e n t s t h i n k i n g w h a t sm o r e ，i tb u i l tt h es p i r i to fm a k i n gp r o g r e s s p h y s i c a l c o n t e s te n c o u r a g e se x p l o r a ti o na n dc r e a ti v it y ，t a pt h i n k i n g ， e x t e n s i v ea t t e n t i o n m e c h a n i c si sav e r yi m p o r t a n tp a r to f p h y s i c s ，h a v i n ga ni m p o r t a n tr o l ei ns u b s e q u e n tl e a r n i n g t h i s p a p e rw a n t st os o l es o m ep r o b l e m ：w h a tist h em e c h a n ic a lp a r t o ft h ep h y s i c a lc o n t e s t ，w h a tc a ni m p a c tt h ec u l t i v a t i o no f t h i n k i n gw h e ns t u d e n t sa r ee x p e c t e dt os o l v ep r o b l e m t h i sp a p e ri sb a s e do nt h et h e o r e t i c a lo fc o n s t r u c t i v i s m ， h u m a n is m ，s t se d u c a ti o nt h e o r ya n dt h ec h a r a c t e r is tic so f p h y s i c a lt h i n k i n g t h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c hh a dd o n eo nt h e n a t i o n a lp h y s i c so l y m p i a df r o mt h es i x t e e n t ht ot h e t w e n t y s i x t h u n d e rt h eg u i d a n c eo fs c i e n t i f i ct h o u g h t ，t h e r e s e a r c h e rd i dc a s ei n t e r v i e wr e s e a r c hw i t h o u t s t a n d i n g t e a c h e r sa n ds t u d e n t st h a t g o tg o l dm e d a li nt h e n a ti o n a l p h y s i c so l y m p i a d a f t e rt h a ts t u d yt h ep a p e rd i s p l a y e dw h a tt h e p r e c e p t o r sa n ds t u d e n t st h o u g h ta b o u t i i i t h ep a p e rd r a wt h e f o ll o w i n gc o n c l u si o n s ：t h ep h y s i c a l c o m p e t i t i o ni sn o tp a r to fd i s p l a y i n gp r o b l e m - s o l v i n gs k i l l s i nm e c h a n i c s ，b u tt h i n k i n go fah i g h e rl e v e lo fp h y s i c a l u n d e r s t a n d i n ga n du s i n g ，b yt h ei n t e g r a t e du s eo fv a r i o u sw a y s o ft h i n k i n g ，t om a k eu pf o rl a c ko fk n o w l e d g e ，a n dc u l ti v a t e t h eb r e a d t ha n dd e p t ho fa n a l y ti c a lt h i n k i n g w h e ns o l v i n g c o m p e t i t i o np r o b l e mw ev a l u e dp r o c e s sv e r ym u c h ，r e p r o d u c e dt h e w h o l ep r o c e s so ft h i n k i n g ，a n di n f il t r a t e dm e t h o d o l o g yi nt h e p r o c e s s s t u d e n t s p a r t i c i p a t i n go fp h y s i c a lc o n t e s tn e e dt o b es u p p o r t e db yt h ei n t e r e s t s t h ed i f f i c u l t yo fb r e a k i n gt h e f o c u so fc o m p e t i t i o ni sn o tas i m p l ei n t e r f a c et oe x p a n dt h e k n o w l e d g eo fg e n e r a lp h y s i c s ，b u tt h es i m il a r i t yo fp h y s i c a l m e t h o d so ft h i n k i n g i nt h isp a p e r ，s u g g e s ti o n sw e r eg i v e nb a s e do nt h iss t u d y r e s u l t ：i nc o m p e t i t i o nt e a c h i n gp e o p l es h o u l dc h a n g ev a l u i n g a n a l o g yt oe a s e ，b ei n n o v a t i v e ，a n dm a s t e rs o l v i n gp h y s i c a l p r o b l e m sf l e x i b l ew a yo ft h i n k i n g p h y s i c sc o m p e t i t i o nn e e dt o g e tr i do ft h et e a c h e r s i n d o c t r i n a t i o n ，a n dc u l t i v a t et h e s t u d e n t s g o o ds e l f l e a r n i n ga b i l i t y k e y w o r d s ：m e c h a n i c a lp a r to ft h ep h y s i c sc o m p e t i t i o np h y s i c a l ， t h i n k i n g ，t h o u g h tp r o c e s s v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 1 1 国际物理竞赛及中国物理竞赛概述1 1 1 2 国内外思维及思维方法研究的现状2 1 2 本课题研究的意义5 1 2 1 开展高中物理竞赛的意义5 1 2 2 力学部分在高中物理竞赛体系中的意义一5 1 2 3 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养研究的意义6 1 3 本课题的研究方法和目的7 第二章高中物理竞赛力学部分对思维方法培养研究的理论综述8 2 1 思维的一般概念8 2 2 物理思维理论概述9 2 2 1 物理思维的基本特征9 2 2 2 物理思维的一般过程1 0 2 2 3 物理思维的基本形式1 2 2 2 4 物理思维的基本方法1 7 2 3 高中物理竞赛力学部分培养思维方法的理论基础2 2 2 3 1 建构主义2 2 2 3 2 人本主义2 4 2 3 3s t s 教育论2 6 第三童思维方法在高中物理竞赛力学部分中的分析及案例研究2 8 3 1 高中物理竞赛思维一2 8 3 1 1 物理竞赛中的解题思维2 8 3 1 2 物理竞赛的解题思维过程2 8 3 2 思维方法在高中物理竞赛力学部分中的分析2 9 3 2 1 近十年竞赛试题力学部分思维方法分析2 9 3 2 2 近十年竞赛试题力学部分思维方法分析的结果统计3 8 3 2 3 力学部分对思维方法考查的实例全国中学生物理竞 赛十年部分试题分析4 7 3 2 4 近十年竞赛试题力学部分统计分析的结论与思考5 6 3 3 高中物理竞赛学生力学部分思维方法培养的案例研究5 9 3 3 1 案例研究的目的5 9 3 3 2 案例研究的过程一5 9 3 3 3 案例访谈研究的结论与思考6 9 第四章结论与展望7 1 4 1 总结7l 4 2 建议7 3 4 3 研究的不足及有待改进之处7 4 参考文献7 6 附录7 9 后记8 2 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 1 1 1 国际物理竞赛及中国物理竞赛概述 一、国际奥林匹克竞赛简介 国际物理奥林匹克( i n t e r n a t i o n a lp h y s i c so l y m p i c ，简称i p h o ) ，于 19 6 7 年在波兰c z s c t s t o w s k i 教授、匈牙利n k u n f a l v i 和捷克斯洛伐 克r k o s t i a l 教授精心筹备下，举办了第一届第赛事，当时有五个国 家分别派出代表队参加了比赛【1 1 。1 9 6 8 年在匈牙利的布达佩斯举办了 第二届，有8 个国家派队参加。在1 9 8 6 年第十七届国际物理奥林匹 克竞赛上，我国首次派出三名选手参赛，三名选手均载誉而归。从那 以后，我国每届派5 名选手参赛，取得举世瞩目的成就。 国际物理奥林匹克竞赛的内容包括理论和实验两部分。根据章程 【2 1 ，按得分界限舍尾取整，以前三名选手的平均分为1 0 0 ，得分达 到9 0 的选手为一等奖授金牌，得分低于9 0 但达到7 8 的选手为二 等奖授银牌，得分低于7 8 但达到6 5 的选手为三等奖授铜牌，得分 低于6 5 但达到5 0 的选手授表扬奖，得分低于5 0 的颁发参赛证书。 另外，东道国还可以设置如各试题最佳解答奖、女生最佳奖之类的各 种特别奖，章程规定国际奥林匹克物理竞赛是个人之间的竞赛，所以 不设团体奖。 二、全国中学生物理竞赛概述 全国中学生物理竞赛( c h i n e s ep h y s i c so l y m p i c ，简称c p h o ) 以 物理活动为载体，鼓励中学生学习物理的兴趣和热情，从理论和实验 硕+ 学位论文 两方面突出对物理思维方法、学习能力的培养和提高，发现才能突出 的学生从而对他们进行培养。【2 】 高中物理竞赛的具有以下特点 3 】： ( 1 ) 考查的知识点从中学物理教材出发，但是若要成功解答则 需要灵活的大脑，即“中学生的知识，大学生的头脑”。 ( 2 ) 数学技能是学好物理很关键的一点【4 1 ，中学生物理竞赛与中 学数学知识密切相关，对学生的数学技能要求高于高考。 ( 3 ) 知识是基础，方法才是关键。恰当、巧妙的应用解题方法 不但能让看似难以解答的试题顺利解决，而且还能开阔眼界、拓展思 维。“方法在某种程度上比知识更重要 。中学物理竞赛的学习既要立 足对知识的理解掌握，还需要思维方法的训练，揣摩竞赛题中隐含的 思维精髓。 全国中学生物理竞赛试题在这些年的发展中表现出以下特剧3 】： 试题越来越难；试题内容与主办学校的水平、科研内容和特点有很大 关系；大纲在0 4 年开始增加新的内容，这些新内容成为这几年考试 热点；加强了对结果的讨论；紧密联系生产生活；不用微积分。 1 1 2 国内外思维及思维方法研究的现状 长期以来人们热衷有关思维的研究，在思维的运行机制、思维本 质、研究思维的方法、思维的功能、思维与心理的关系、思维与大脑 等方面进行了探索，试图从微观与宏观角度、心理与生理层面更全面 细致地剖析有关思维的各种问题。思维的研究可以追溯到两千多年 前，亚里斯多德提出心理活动的三大联想定律。此后，冯特把自然科 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 学研究中的实验方法应用到心理现象的研究，建立了第一个心理学实 验室。随着科学的发展，2 0 世纪5 0 年代后，许多领域的科学家都开 始关注思维问题的研究，开始用信息加工的观点和方法来研究和解释 人的思维现象，思维的研究日益深化。人们在逐渐接受思维的本质是 信息输入、加工、存贮、提取、输出和利用的过程的观点【5 1 。8 0 年代 开始，各发达国家把研究探寻思维的信息加工机制看作科技发展的重 点和重大课题6 1 ，中国科学院近期启动的知识创新工程诸如“认知与 智能的机理”、“复杂巨系统理论 等课题都是基于思维问题的研究。 虽然思维研究取得了一些成果，但是人类还不能用数学描述思维 模型，对人脑的了解还需要继续的探索。思维的研究在人的行为水平、。 心理活动、脑神经活动上可以分成若干层次： 一、哲学层次的研究 马克思主义在宏观上描述了认识中的主体、客体和实践中介的辩 证关系。当代哲学的任务就是应用现代科学理论解决认知的微观机 制。 二、心理学层次的研究 思维在心理学层次的研究取得的进展主要来至认知心理学，认知 心理学在应用信息加工理论研究思维现象方面有所突破【7 1 ，其中有一 点便是对思维和语言的研究。认知心理学对思维研究的重点是形成概 念和解决问题。认知心理学认为语言活动包括知觉记忆、思维等许多 复杂的心理活动，语言理解是构建语言意义的过程，人们用语言表达 头脑中的思维就是言语产生。当代心理学重视应用自然科学中的实验 硕士学位论文 法和分析法，重视运用现代化的技术手段，如核磁共振神经影像、计 算机功能模拟等。 三、脑科学层次的研究 脑科学的主要任务是用脑的活动解释行为，如语言、知觉、思维、 情绪等。思维是脑科学中系统水平的最高层问题，脑科学最根本性的 问题是解决思维问题的研究。随着技术的发展，脑科学的研究方法和 手段有了很大进步，脑科学在分子水平、细胞水平、神经网络水平上 有所突破，思维问题研究有了很大进展。目前，脑科学已经阐明神经 信号产生、传递的机制8 1 ，但对思维的研究仍是有限的。人们只能局 限的把思维看作神经的动态功能，神经元功能实现的动力还没有找 到，这需要人们长期坚持不懈的研究。 四、思维科学领域的研究 2 0 世纪5 0 至8 0 年代，国际认知科学迅速发展，在此背景下，思 维科学作为一门综合性的交叉学科于1 9 8 5 年在钱学森的倡导下在中 国诞生。思维科学的建立是为了绕开思维活动复杂生理学层面问题， 直接研究思维活动的信息加工层面问题，建立信息输入、加工、存储、 输出的思维过程理论模型，进而指导人工智能。思维科学至诞生之后， 因其创新性的研究思路吸引了大批专家学者，他们经过近二十多年的 努力，确立了思维科学的研究体系，出版了不少权威的专著杂志。但 是，思维科学还没有真正取得突破性进展。 五、人工智能应用技术层次的研究 人工智能学科创立于2 0 世纪5 0 年代，其创始人包括s i m o n 等人， 4 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 人工智能的基础是物理符号理论，用计算机模拟人解决问题的思维过 程。人工神经网络研究以神经元载体工作原理为模型，模拟在亚符号 微处理实现了近乎人脑的模糊处理、自学习信息处理功能。神经网络 模型的缺陷是未能在认知上揭示人脑思维的细节，缺乏从结构到功能 的中介理论，也就是思维过程信息加工理论。 1 2 本课题研究的意义 1 2 1 开展高中物理竞赛的意义 随着科学技术的高速发展，未来国家之间的竞争实际上是高科技 人才的竞争。而未来优秀的科技人才来源于今日的中学生，有必要在 中学生中培养英才。【9 1 物理竞赛的对象是中学生，载体不超过中学生 嗨； 所能接受的物理知识。竞赛内容与中学物理教学大纲相比深度和广度 都有所提高，知识更多，领域更宽，所面临的问题难度更大、更新颖， 这就要求学生具有一定的物理基本素质和技巧。 物理竞赛的积极意义不仅是由于内容是培养性的，方式是激励、。， 选拔的，还在于它和中学生思维活跃、求知欲强的心理相吻合，造就 学生百折不饶的进取精神。竞赛物理鼓励探索和创造，挖掘学生思维。 竞赛物理富有挑战，题型风格各异，各有特色。物理竞赛有利于早期 发现和培养物理人才，使得有才能的学生脱颖而出【l o 】。 1 2 2 力学部分在高中物理竞赛体系中的意义 人们在工农业生产中和日常生活中都要接触各种力，如摩擦力、 浮力、重力、弹力等，应用各种力的工具，如杠杆、滑轮等，力学是 最早发展的学科之一。随着知识的不断丰富与积累，力学所涵盖的范 硕十学位论文 围越来越广，扩充到力、速度、加速度、惯性、质量、功、能等概念。 人们把力学研究的方法和手段应用到其他自然学科，促进了近代自然 科学的发展，如1 1 】：力学系统理论推动了天文、热学、电磁学的发展。 力学是电磁学、热学的基础，后续课程中有不少力学内容。通过 力学概念、规律的学习，理解力学研究发展过程中的思想，可以提高 思维能力并掌握科学研究方澍1 2 】。高中竞赛力学部分对学生思维的培 养有着不可忽视的作用。 1 2 3 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养研究的意义 从理论意义上讲，简单的模仿和练习，获取具体问题的解并不能 很好的提高学生的思维能力和创造能力。“方法比知识更重要”，让学 生掌握解决问题的方法，在思维的过程中得到发展这才是更重要的。 在高中物理竞赛教学培训中，通过分析研究解题的思维过程，学生自 己动手解决问题的能力会明显地增强，还能逐渐掌握发现问题和提出 问题的方法。 从现实意义上讲，在当今科学技术高速发展的社会，知识以前所 未有的速度在不断地发展和更新，对人才的要求越来越高。作为一名 学生，在读书期间对知识的学习是十分有限的。作为老师如何在短时 间内传给学生更多的知识呢? 对高中物理竞赛力学部分思维方法培 养的研究，能体现知识运用的过程。有的时候“过程”比“结论”更 重要，学习知识、解决问题的过程能赋予学习者创造性学习的乐趣， 激发学生的学习的动机。 从实践上讲，在具体的物理竞赛教学实践中，轻过程重结论、搞 6 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 “题海战术”的现象还是很普遍存在，这极大阻碍了学生创新思维能 力的提高。如果在物理竞赛教学中学生的活动停留在简单的记忆、练 习的层面上，学生的思维能力很难得到很好的提升。对高中物理竞赛 思维方法的研究，反思物理竞赛教学，通过研究解题的思维过程、思 维方法，在具体的竞赛教学中，能够确实做到培养学生的思维能力。 1 3 本课题的研究方法和目的 用文献法阅读综述国内外相关文献，对高中物理思维方法进行分 析，为本文的研究工作打下良好的理论基础。从实证出发，以教育心 理学为理论依据分析统计研究全国物理竞赛第十六届至第二十六届 预赛力学部分试题中思维方法的应用。有参与权才有发言权，本文的- 研究对象是从事物理竞赛的教练员和在物理竞赛中取得过好成绩的 选手。在科学思想的指导下，结合实例研究、访谈研究，展示优秀教 师对物理竞赛活动培养学生物理思维的所做所思，为高中物理竞赛力 学部分的思维方法培养提出建议。本研究不涉及对物理竞赛的负面看 法，成功的经验相似，不成功的各不相同，不同人因情况不同很难找 到共性，从高中竞赛力学部分对思维培养的研究中得出共性，对这些 情况反而能做出解释。 硕士学位论文 第二章高中物理竞赛力学部分对思维方法培养研究的理论 综述耋不足 2 1 思维的一般概念 不同学科对思维有不同解释：哲学认识论认为，思维是在人脑中 展开的、对事物的理性研究过程1 3 1 ；心理学认为，人意识活动的产物 既是思维，意识的核心是语言和思维；生理学的研究认为，大脑皮 层的电活动和记忆、注意、思维等活动相关，思维与脑电波的快慢有 关【1 5 】；信息论认为，思维是信息加工的过程。总结以上观点可认为， 有意识的人脑对客观事物间接、概括、能动的反映就是思维【”3 。 一、思维的特征 思维具有三个特础1 8 】：概括性，思维通过抽象和概括的过程揭示 事物的本质，反映事物发展运动的规律；间接性，人们对没有直接感 官刺 性的 的意 概括 物不 、 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 观事物的内容保持一致。相似规律是指，用客观世界发展中的相似现 象认识世界，相似现象包括微观相似、宏观相似、结构相似、功能相 似、动态形似、静态相似等。 2 2 物理思维理论概述 物理思维是有意识的人脑对客观世界存在的物理事物，通过主观 能动性，进行间接的概括性的反映。对物理事物的认识需要借助各种 思维材料，根据思维材料的不同把物理思维分为三种1 8 】：一是物理抽 象思维，其思维材料是物理概念，形式有概念、推理和判断；二是物 理形象思维，其思维材料是物理表象，形式包括直感、想象；三是物 理直觉思维，其思维材料是物理概念和表象结合而成知识组块，形式 有直觉和灵感。三种物理思维不是单独而存在，往往是相互共存，这 样我们就能全面而深入的把握物理事物的本质。 2 2 1 物理思维的基本特征 物理学是将观察、实验和思维相结合的带有方法论的严密的基础 理论学科。物理思维具有以下内容： 一、物理思维特征 首先物理思维是精确性与近似的统一【1 8 】，物理的思维材料( 概念、 规律表象) 是精确的；建立物理概念、规律的过程不论是实验归纳还 是理论分析都需要逻辑推理、数学分析概括，这些都具有精确性；应 用物理理论解决问题时要按照步骤一步一步进行，若中间某一步出错 就难得到正确的结果，因而有精确的特点。同时，在建立物理理论和 应用物理理论解决实际问题的过程中，需要对次要因素进行近似处 硕士学位论文 理。 还有物理思维是抽象性与形象性的统一。其一表现在思维材料 上，物理思维材料有感性材料和理性材料之分。感性材料是通过观察、 实验在大脑形成的时空表象、图形表象，这些具有形象性；理性材料 是人们总结归纳得到的物理概念、规律、判断、推理等，具有抽象性。 第二表现在思维方法上，如理想化方法要从具体形象中抽象出本质的 主要形象，还有观察实验、类比等方法也是物理思维方法形象性和抽 象性的表现。 二、物理思维的主要品质 思维能力是智力活动的核心，思维品质反映思维能力的强弱，体 现个体在思维活动中的智力特征，它能判断一个人的智力正常、低下 还是超常。人们在学习物理知识和研究、解决物理问题过程中形成发 展的直接影响工作效率的个体智力特征就是物理思维品质。物理思维 品质在思维的广度、深度和难度上表现出深刻性的特点；在思维方法、 角度上表现出灵活性的特点；在严格估计思维材料和检查思维的过程 中表现出批判性的特点；独立思考、创造性地发现和解决问题过程中 表现出独创性的特点。【1 8 1 2 2 2 物理思维的一般过程 物理学研究的对象复杂多样，物理思维过程没有固定模式，但从 物理学发展来看，物理思维过程主要遵循以下四个过程1 8 】： 一、提出问题 物理学的研究开始于问题。观察和实验是得到物理思维材料的主 要手段，但是如果观察和实验不能引出物理问题，就不会导致探索、 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 研究。提出物理问题常用的基本思维方法有：分析物理事物之间的联 系；分析实验事实和已有理论的矛盾；分析物理理论逻辑问题；寻找 物理事物及其运动发展的本质；比较多种物理假说的区别；分析物理 学和其他学科的矛盾；满足社会和技术进步的要求。 二、搜寻事实 当选定了所要研究的问题后，就要搜寻进行理性思维的材料。观 察和实验是寻找感性材料的重要手段，通过观察和实验人们总结了许 多物理规律。物理总是连续不断的发展，前人的研究成果为后人提供 了丰富的思维材料，已有的理论和实验事实是搜寻事实的有效途径。 爱因斯坦的狭义相对论是在牛顿经典力学的基础上发展的，而广义相 对论又是以狭义相对论为基础，物理学的发展总是一脉相承。 三、获取信息 对一个物理问题积累的丰富的思维材料做理性分析、获取有用信 息、产生灵感，这需要扎实的基础知识、敏锐的判断力、深刻的洞察 ， 力和丰富的想象力，需要对该问题的长期思考，更需要锲而不舍、坚 持到底的精神。获取信息可能来自各种启示：大自然、物理学家之间 和其他学科。学习和研究物理的经验越丰富，知识储备越渊博，获得 信息的途径越广。 四、立论解释 获取信息是解决问题的一个机遇，要彻底解决问题就得提出假 说、检验假说、建立理论。提出假说的过程可总结为：根据实验和原 理对现象做出初步的假设；然后，修正、形成初步的假说；接着，用 直接或间接的实验观察和理论检验假说。假说要能被理论和实验检 硕士学位论文 验，理论可以检验假说是否逻辑简单、完备，实验可检验假说的预言 是否与实验结果一致。 提出物理假说，建立物理理论的最终目的是对物理现象、物理规 律进行解释。这种解释应是普遍性、系统的，如用牛顿力学解释伽利 略自由落体定律，用惠更斯原理解释光的干涉、衍射等。 物理学发展的最高形式是建立物理理论。物理理论是物理概念和 物理规律按科学的逻辑构成的知识体系，在一定范围内对物理现象和 过程可以作高度概括。物理理论形成有两个途径：一是物理假说经过 实验证实后成为理论，如光的波动假说经光的干涉、衍射和偏振实验 验证后成为光的波动学说；二是几个物理概念、规律构成有内部结构、 外部功能的知识体系，即物理理论，如牛顿力学理论、热力学理论和 电磁学理论。 2 2 3 物理思维的基本形式 依据思维材料的不同，可将物理思维分为以下三种【1 8 】： 一、物理抽象思维 物理抽象思维的思维材料是物理概念，形式有判断、推理两种， 目的是研究事物运动发展规律、认识事物的本质特征和内部联系1 8 】。 1 、物理抽象思维的特点 物理抽象思维是抽象和概括的统一。物理概念的形成是抽象和概 括的过程，也是简化物理现象、形成理想化模型的过程。物理研究的 对象极其复杂，在研究时必须区分本质的属性和非本质属性，忽略非 本质的属性，抽象研究对象。同时物理抽象思维又是逻辑性和系统性 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 的统一，物理抽象思维是具有一定形式、方法和规律的，具有逻辑结 构，是有目的、能动的思维活动。人们对物理思维材料进行系统的分 析、综合、比较、分类、抽象、概括等处理，从感性认识上升到理性 认识，由物理实验结果得出物理理论。而隐藏在物理现象后面的规律 不能直接感知，要间接借用其他事物，这是物理抽象思维的间接性。 人们用数学方法推导物理规律，数学应用在物理抽象思维的整个过程 中，这就表现出物理抽象思维定量、准确的特点。 2 、物理抽象思维的过程 认识的第一个飞跃是从感性具体到思维抽象，也就是由丰富的感 性材料抽象出一般规律，提出物理假说，建立物理概念和规律，形成 物理理论。认识的第二个飞跃是从思维抽象过渡到思维具体，也就是 运用物理理论解决实际问题。例如，人们根据大量实验事实，经过分 析、综合、演绎、归纳、概括等思维方法，抽象出质点、刚体等模型， 建立力、动量、角动量、机械能等概念，得出牛顿三大运动规律、万 有引力定律、动能定理、动量守恒定律等，把这些概念联系起来就形 成了严密的经典力学理论，这是感性具体到思维抽象的过程。再用这 些概念、规律解决具体的碰撞、振动、流体等问题的过程就是思维抽 象到思维具体的过程。 3 、物理抽象思维的基本形式 物理抽象思维的基本形式有概念、判断和推理【1 8 】。概念包括内涵 与外延，内涵是事物的本质属性，外延是概念的使用范围和对象。例 如，力的内涵是物体间的相互作用，外延包括重力、弹力、摩擦力、 硕十学位论文 库仑力、安培力、洛伦兹力等。判断是运用概念对事物进行论断，物 理学任一种结论就是一个判断，判断是对物理概念的揭示和说明，也 是进行物理推理的前提之一。物理推理是由一个判断得到另一个判断 的思维形式。 4 、物理抽象思维在物理学中的作用 物理抽象思维足建立物理模型、获得物理概念的重要途径。如人 们通过实验观察，应用分析、综合、演绎、归纳总结出法拉第电磁感 应定律、反射定律、折射定律；或是用逻辑推理、数学推导得到新的 规律，如在牛顿第二定律的基础上得到动量定理。物理抽象思维是应 用物理概念和规律解决各类物理问题的基本思维形式和手段。物理问 题往往比较复杂，各个物理量之间的关系比较隐蔽，需要综合应用多 个规律，这就需要我们搞清物理情景，确定解题方法、寻找合适的物 理规律，将物理问题抽象成数学问题从而得以解决。 5 、物理抽象思维能力的培养 把物理内容严密的逻辑思维结构呈现给学生，学生依此内化建构 知识，是培养物理抽象思维的重要方法。遵循一定的逻辑顺序有规律 的展开学习物理知识，通过提出疑问，激发兴趣，培养逻辑而严密的 思维，锻炼抽象和概括能力。在物理解题训练中分清因果关系，从不 同角度思考问题、运用不同方法分析解决物理问题，不仅能培养物理 抽象思维，还能更全面、更准确的分析把握物理问题。教给学生物理 抽象思维的方法，在学习过程中掌握分析综合、抽象概括、演绎归纳、 比较分析等方法，可提高物理抽象思维的能力。 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 二、物理形象思维 物理形象思维的材料是人脑中间接、概括反映的物理形象，即物 理表象。 1 、物理形象思维的特点 由于物理对象、物理过程和现象是形象的，因而物理形象思维有 形象性的特点。物理形象思维的材料、过程和结果往往是动态的，因 ：，一 此物理形象思维也具有动态性的特点。人脑运用物理形象思维对表象 进行加工、改造、生产形象的过程，是一个创造的过程，创造性是物 理形象思维的又一重要特征【1 8 】。 2 、物理形象思维的过程 ； o 形象思维的过程是人们通过感官获得感知，大脑用记忆把感知储 存起来之后用回忆再现事物的具体形象( 即具象) ，这些储存在大脑 中各式各样的表象经过分析、综合、抽象、概括得到反映一类事物共 同特征形象的概像，概象再经过重组形成具有创造性特征的意象。这 个过程可以总结为：感觉知觉具象概象意象。 3 、物理形象思维的基本形式 物理形象思维的基本形式包括表象、直感、想象【1 8 】。表象可分为 人脑反映个别具体事物形象的具象和反映一类事物形象的概象，具有 直观性和概括性，主要包括时空表象、理想化表象、图景表象、图形 表象。直感是对具体物理形象的直接判断和感知，直感的判断不需要 像抽象思维那样需要以物理概念为中介，直感只要把大脑中储存的理 性意象与某一事物感性认识做比较进而做出判断。直感的形式有形象 硕士学位论文 识别直感、形象等效直感、形象类比直感，形象识别表现为对实际物 理对象、现象、过程的分类，使问题迅速定向，找到解决问题的方法 和途径。物理想象是一种具有创造性的物理思维，物理史上许多重大 发现都与想象相关。 4 、物理形象思维在物理学中的作用 物理形象思维是提出物理假说的重要途径。物理学建立假说是想 象力的高度发挥，在原有物理表象基础上，添加假定组构理论框架。 形象思维为物理学习建造形象支柱，帮助学生构建理想化形象、理解 物理规律，有利于物理问题的整体定向和定性分析。形象思维能唤起 直觉、诱发灵感。人们在研究一个物理问题，若信息不充分，这时物 理形象思维可将人脑中的潜在的智能唤醒，构想一个从未料想过的模 型、过程，这就是依靠直觉得出结论，甚至还能诱发新认识的灵感。 5 、物理形象思维能力的培养 形成正确的物理形象是运用物理形象思维的基础，依托生活情境、 运用各种教学手段引导学生建立正确的物理形象。此外要培养学生运 用物理形象思维的习惯，发展学生的想象力，将思维具体、形象化， 用类比法理解抽象的物理问题，鼓励学生多联想，通过建立物理形象 解决物理问题。 三、物理直觉思维 物理直觉思维是指在处理物理问题时从已有的知识经验出发，对 出现的未知物理事物不通过逻辑推理，而直接敏捷地做出判断觉察出 事物的本质的一种思维方式。 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 1 、物理直觉思维的特点 物理直觉思维具有三维性、整体性、随机性和突发性的特点【2 0 】。 物理直觉思维不像抽象思维那样对物理对象逐一分析，而是对物理问 题做整体分析后进行一种简化的、急速的思维，然后以敏锐的观察力、 想象力和判断力，以单刀直入的方式从整体上找到事物的本质。直觉 和灵感往往是突发的，这种顿悟可能发生在冥思苦想时，也可发生在 漫无目的潜意识中，其结果可能正确也可能错误，需要物理实验来验 1 - 让o 2 2 4 物理思维的基本方法 物理思维的基本方法【1 8 1 包括分析与综合、比较与分类、抽象与概 括、科学推理、臻美、等效的方法。 一、分析与综合的方法 1 、分析与综合方法的概念和特点 分析是指把研究对象分解成各个组成部分，分别研究它们的相互 联系和作用，考察它们对研究对象状态及发展变化的影响，从而揭示 事物的本质。物理分析方法的思维过程是从整体到局部。 综合是指在分析的基础上把研究对象的各个组成部分在思维中 重新结合为一个整体，在整体上把握事物的本质和规律。物理综合方 法是局部到整体，分离到统一的思维过程。 分析是综合的基础，综合必须根据分析，物理认识的过程是分析 与综合交替使用的过程。 硕七学位论文 2 、物理学中常用的几种分析与综合的方法 分析与综合方法主要有：由整体到部分，由部分到整体的隔离法； 由整过程到分过程，由分过程到整过程的思维方法；用控制条件先分 析后综合的方法。 二、比较与分类的方法 1 、比较 比较是寻找各事物之间差异点与共同点。比较需要一定的标准， 必须循序渐进，比较深度由浅入深，比较难度由简到繁，比较对象由 个别到一般，比较范围由局部到整体。比较应分清主次，由现象的比 较过度到本质比较。比较有三种类型：多个对象相同点的类似比较； 多个对象不同点的差异比较；多个对象不同点和相同点的全方面系统 比较。 2 、分类 分类是在比较的基础上，根据研究对象的共性和差异划把事物分 门别类的思维方法 2 0 1 。分类要遵守穷尽性的原则，应当反映出物理事 物的层次次序。 三、抽象与概括的方法 抽象与概括的方法是撇开研究对象和研究问题的次要非本质的 因素，抽象出主要的、本质的因素进行研究，把一类物理事物的共同 属性联合起来，建立新过程、新形象或新概念。主要表现在以下几个 方面：一 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 1 、理想模型的产生 物理学中，研究的问题和对象比较复杂，需要以接近真实情况的 方式建立理想模型，从而简化问题。如质点、刚体、轻质弹簧、理想 流体、点电荷、纯电阻和点光源等等都是理想模型。 2 、理想过程的形成 物质的运动是复杂的，为了得到定量的运动规律，可根据问题的 性质，在一定条件下把具体运动过程的条件抽象，形成理想化过程。 如自由落体运动、绝热过程、卡诺循环等。 3 、理想实验的运用 理想实验是在理想或极端的情形下，以真实的实验为基础，通过 ，缒， 想象，利用逻辑推理思维过程【1 8 】。如卡诺循环下卡诺热机的工作过程、 牛顿第一定律理想实验等。 四、科学推理方法 推理是从一个判断得出另一个新的判断的过程【1 8 】，由于进程的不 同可分为下列三种。 l 、归纳推理 归纳推理是由个别、特殊性的判断到一般性的判断的过程，有搜 集材料、整理材料、抽象概括三个过程。归纳推理有局限性，是一种 或然性的推理方法，其结果不一定可靠，需要实验检验。 2 、演绎推理 演绎推理是从一般性的判断到个别特殊的判断的推理。演绎推理 具有局限性，一般用于逻辑论证而不能用于科学论证，演绎推理需在 硕士学位论文 正确的前提下进行，其结论可靠性虽比归纳演绎大，但仍具有或然性， 需要实验验证。 3 、类比推理 两个对象具有某些类似的属性，其中一个对象有某一确定属性， 推出另一对象也具有相似的属性，这个推理过程就是类比推理【1 8 】。类 比方法是一种创造性的思维方法，是提出物理假说的一种途径，解决 物理问题时可启发思路，通过案例达到举一反三、触类旁通的作用。 五、臻美的方法 1 、物理学中的美 物理学中蕴含着各种各样的美，反映着自然界的内在和本质。在 时间空间上、数学表达上具有对称美。物理概念、物理规律简洁精辟 的表达具有简洁美。物理描叙的物质存在形态、运动发展趋势上具有 和谐美。绚丽多彩的物理事物，五彩斑斓的客观事物通过系统的物理 知识统一起来。 2 、臻美法的概念和结构 臻美法是在研究物理问题时按美学规律对还不完美的物理概念、 规律、假说、模型等进行加工、修改或重构的思维方法。其过程可归 纳为：大脑中想象出一种方案，接着被直觉判断否决，然后想象出第 二种方案，接着又被直觉判断否定，以此类推，直到得到一种肯定的 直觉。臻美法是归纳法向演绎法过度的中介方法，是从“有缺陷、不 完美的一般 到“理想、完美的一般 的推理。 高中物理竞赛力学部分对思维方法培养的研究 3 、臻美法在物理学中的作用 追求美是也物理学发展的动力之一，美学准则与逻辑准则、经验 准则都是评价物理理论的重要手段。逻辑准则要求物理理论逻辑上不 矛盾，经验准则要求物理理论与经验事实不冲突，美学准则要求物理 理论是对称、和谐、简洁、多样统一的。 六、等效代替的方法一 一一 等效代替是将复杂的物理事物转化为等效的、简单的、易于研究 的物理事物，主要包括以下四种： i 、模型等效代替 模型是对确定研究对象作的简化描述或模拟。模型等效代替有三 貔 种形式：第一种，是用理想模型代替实际客体，如单摆、理想小磁针、 点电荷等；第二种，用实物模型代替实际客体，如用发电机模型模拟 实际发电机的工作运转过程；第三种，用理论模型描述研究对象，如 用壳层模型、液体模型、气体模型代替原子核。 2 、过程等效代替 过程等效代替是用简单的过程代替复杂的过程，主要表现在两个 方面：一是用理想过程等效代替实际过程，如把气体质量变