也谈物理教学中创造性思维能力的培养

也谈物理教学中创造性思维能力的培养摘要从物理教学的整体角度分析在中学物理教学中培养学生创造性思维能力的可行性及应注意的事项；整个教学过程的各个环节都具有培养学生创造能力的功能。并阐述了如何在整个物理教学的各个具体环节全方位地培养学生的各种创造能力。文章认为物理教学能培养学生的多种创造能力，同时教师必须正确认识学生的认知能力，确立培养途径和有效的培养方法。关键词创造性思维能力物理教学全方位培养“教育要面向现代化，面向世界，面向未来”，就必须培养具有创造性、开拓型的人才。这也是当今教育改革的重大课题。因此，在教育教学中，培养人的创造性思维能力就成为一项迫在眉睫的首要任务。但是我们必须注意，在一个人的一生当中，从中学到大学这个“黄金时期”是培养创造性才能的关键期。日本长岗科技大学的学者乾侑先生根据人的大脑生长发育特点提出了一个颇有代表性的见解将创造性的培养分成三个时期。第一个时期为创造性的启蒙时期，从幼儿园到小学前三年（39岁）；第二个时期为创造性的培养期，从小学四年级到大学毕业（922岁）；第三个时期为创造性地结实期，从22岁到28岁的硕士生和博士生时期。由此可见，我们作为教师，务须抓住这一关键的时期创造性的培养期，切莫错失良机。应当努力创设有利于学生进行创造性思维能力训练的良好环境，积极培养学生探索问题的兴趣和激发他们潜在的创造愿望。创造性思维，也是一种思维，只不过是一种比较特殊的思维形式。一般指在创造性活动中发现新事物，提出新见解或解决新问题的思维。它往往由于“不理解最明显的东西”所引起（爱因斯坦语），并在一般人看不出问题的事物中发觉出重要问题。创造性思维有不同的层次和水平，这正如上述创造性的培养有三个不同的时期之分。一般来说，学生（特别是中学生）的创造性思维属于低层次或初级的，它对于成人、教师、尤其是对于先行的创造者来说，未必是新颖的，但对于学生个人或同龄人来说，却显示出新颖性，富有独创性。而从物理学的学科特点来看，物理教学能最有效培养学生的多种创造能力。首先，物理学是一门思想性、逻辑性、科学性和方法性很强的学科，其中大量的发现、发明典故及科学研究方法都是培养学生创造性思维能力和想象能力的最佳素材。其次，物理学又是一门以实验为基础的学科，大量的实验是培养学生观察能力、思维能力、操作能力和创新能力的好机会。从教学环境来看，中学完善的物理仪器设备和实验室为学生多种创造能力的培养提供了物质保证，丰富多彩的物理科技活动，使学生的多种创造能力得到实际锻炼，又有良好知识结构的物理教师，为学生创造能力的培养提供了智力保证，因为物理教师一般都具有较强的观察、思维和动手能力及广博的自然科学知识，他们基本上具备了培养创造型人才的各种素质。而且在物理教学中，培养学生的创造性思维能力，旨在增强学生对物理问题理解的敏感性；思考物理问题的灵活性、独特性、流畅性和变通性；培养善于观察物理现象的能力；探求物理新知识的能力；转移经验、联想等解决物理问题的能力。笔者拟就中学物理中创造性思维能力培养学生应具备的基本能力，培养途径和常用思维方法谈几点拙见。1、培养创造性思维，学生应具备的基本能力创造力是建立在一定的基本能力之上的，如果学生不具备这些基本能力，培养学生的创造力就尤如去建“空中楼阁”。了解了创造性思维的特征及其过程，我们便会认识到，培养学生思维的创造性，提高学生的创造力，学生应具备的基本能力应包括11解释知识的能力物理知识（概念、原理）通常非常抽象，并具有普遍性。学生对物理知识的解释不容许出现含糊不清，而应做到在不同的物理时空下，都能对其作出科学的解释。12描述物理过程的能力创造是形象思维与抽象思维通力合作的结果，片面地强调抽象思维，势必扼杀创造性的发挥。13自我总结能力经验和教训是直觉和灵感的源泉。要有先见之明，就应善于总结、理解经验和教训，这样才会有所发现，在新的探索活动中少走弯路。14逻辑推理能力物理学是门对智力要求很高的学科。学习物理知识、解决物理问题都要借助逻辑的力量。学生应了解基本的逻辑知识，并会运用逻辑理论指导自己的思维实践。离开了逻辑，过分地信赖直觉，往往会迷失方向。2，教师培养学生创造性思维的途径大凡善于创造性思维的人，不仅在思维过程中神情专注投人，易于打破思维定势，思维严密，而且善于联想、富于想象、感知敏锐、记忆广阔。可以说，“自由组合活动”是创造性思维的基本特征。为培养学生创造性思维，中学物理教学中教师就应从以下途径入手21提高思维活动的密度和深度创造性思维训练，应避免就事论事、把寻求答案作为唯一的教学目标，教师应引导学生积极地联想，将相关的物理知识、方法、经验和教训联系起来，使学生在高密度的思维活动中，提高自己的注意力、联想力、记忆力。通过比较、归纳，使学生对物理知识、方法及经验的理解达到一个新的高度。22从唯“师”独尊中解放出来创造性思维具有求异性和发散性，它没有确定的思维模式。因此，教师不应将课下处理问题时的偶然发现（直觉、灵感）在课堂上冠以逻辑推理的“必然”，应从唯“师”独尊中解放出来，还创造性思维的本来面目；应调动学生学习的主动性，鼓励学生在困难面前勇于打破思维定势，发挥其想象力和创造力，使之在探索中逐步达到感知敏锐。23从纯逻辑中解放出来直觉与灵感、潜意识等一样，具有鲜明的个性特征，且难于用语言表达。它不来源于逻辑推理，可以说是对经验和教训理解后的感受。教师应注意培养学生的直觉形象思维，鼓励学生大胆地提出设想，并引导他们发现验证这些设想的方式和方法，提高学生的想象力、直觉力。3创造性思维能力培养的常用方法31科学的怀疑思维“怀疑”就是抓住新的事实动摇旧的观念，由怀疑引发问题，由问题推动探索，从而达到创新。怀疑并不是目的，怀凝只是一种科学的思维方法。当旧的理论遇到危机，新的事实与旧的观念发生剧烈冲突时，这种冲突迫使人们去怀疑自己根深蒂固的偏见，萌发出种种探求性的疑问，从而导致科学上许多重大的革命性进步。例如，在科学史上，哥白尼就是对托勒密的地心说体系产生了怀疑，从而否定了上帝把地球置于宇宙中心的宗教教条，建立了科学的宇宙观，揭开了近代自然科学革命的序幕。在物理学的发展史上，此类实例更是不胜枚举。如经典力学和实验物理学的先驱伽利略，在17岁时就对亚里斯多德的物理学观点提出了怀疑，后来导致他发现了落体定律和惯性原理，打破了长期禁锢人们思想的亚里斯多德物理学观点，为力学突飞猛进的发展打下了基础。又如十九世纪末、二十世纪初的一场空前的物理学革命，也是由于实验结果同经典理论相矛盾，导致一些物理大师不得不对经典物理学达到所谓“尽善尽美”的顶峰产生了怀疑，从而促成了新理论现代物理学的二大支柱；相对论和量子理论的诞生。由此可见，在物理教学中，要培养学生的创造性思维能力，首要的是培养“科学的怀疑”思维能力，这种能力无论是对学生当时的在校学习，还是对他们以后从事任何科学工作或其他工作，无疑都会起到解放思想，激励创造精神的积极作用。32联想思维联想思维是指对事物由此及彼的创造性想象遇到问题联系与之相近、相关的事物。进行深思熟虑的分析、比较，从而产生认识，找到答案的心理过程。联想思维方法在科学发明、创造中有时能起到某种主要的开路作用。例如，贝尔发现音叉的振动与线圈产生的感应电流有相互关系，因此他联想用金属片代替音叉，继而又联想用薄铁皮代替弹簧片，他抓住机械振动与电磁感应的联系，逐步联想，逐步试验，终于研制出世界上第一架电话机。在物理教学中，我们要善于对学生进行联想思维的训练，使其灵活应用知识内容。同时培养他们积极钻研，独立思考的能力，探索新的解题方法的能力。如何进行联想思维训练呢下面举例说明之。如图1A所示，一小船质量为M，长为L，站在小船上的人质量为M，当人从船头走到船尾时，求人和船移动的位移（假设水的阻力不计）。这个由人和船组成的系统，在水平方向上动量守恒。选河岸为参照物，则这个由人和船组成的系统，大水平方向上动量守恒。选河岸为参照物，则接着教师可出示图1B所示的问题，在光滑水平面上有辆小车，其质量为M长为L，站在小车上的人质量为M，当人从车的一端走到另一端时，求人和车移动的位移。对于这样一个问题，学生马上会与图1A相联系起来，因为二者的问题性质完全一样。联想图1A的解法，本题的答案很快就可求出。紧接着教师又出示图1C所示的问题，求质量为M的小球从质量为M的光滑楔上由静止下滑到底端时，小球和楔移动的位移（设地面光滑）。此题形式上虽与前面二题不同，带有一定的“迷惑性”，但只要仔细联想，对比一下，它们三者的性质也是完全相同的。因而问题也就迎刃而解了。最后可出示如图1D所示的问题，当小球从光滑的半球碗形物的一端由静止滑到另一端时，求小球和物体移动的位移（设地面光滑）。此题表面上看起来与前面几题不同，带有更大的“迷惑性”，但是有前面几题的联想作基础，也不难得出与前面答案相同的结论来。从上面的解题过程，我们可以看出联想思维在物理教学中的妙用。此类用联想思维方法解决一系列物理问题的例子相当多，限于篇幅不一一列举。只要我们长期对学生进行这样的训练，就可破除题海战术，起到举一反三、触类旁通的效果。33逆向思维所谓“逆向思维”是指改变一般的思维程序，遇到事物从相应的方向展开思路，分析问题，得出新观点。科学上用逆向思维方法进行发明、创造的不乏其例。例如，发明家爱迪生，他在试验电话时，发现传话器的薄膜会随着说话的声音起伏而振动，于是他想，如果把这种振动“倒过来”，结果会怎样呢由此他发明了留声机。又如，英国物理学家法拉第从电产生磁的现象中得到启发，他从反方向思考并提出创见“磁能不能产生电呢”通过进一步的思索和反覆的实验，终于肯定了这个崭新的认识，并于1831年以其出色的实验结果给出决定性的答案。在物理教学中，对有些问题如果墨守成规，按照通常的思维习惯去思考，往往既复杂又麻烦，甚至难以得出其解。但是如果对问题进行逆向思维，则问题会马上迎刃而解。举例来说，如图2A所示，一束会聚光线经过凸透镜后交于主轴上的A点，A点距离透镜6厘米，然后将透镜移开，则光束的顶点落在原主轴上的B点，已知A、B两点相距9厘米，求此凸透镜的焦距。按照通常的思考方式，对此问题当然是先找出物距U，象距V，然后根据成象公式计算出透镜的焦距F。可是物距U等于多少呢问题似乎少了条件，因而感到无从下手。本题的实质是“虚物”经凸透镜成实像的情况。但是，如果把问题倒过来想一想，进行逆向思维，即设想物体放在A点，则按光路可逆性原理可知，从A点发出的光，必按原路返回，因此问题就变成了实物经凸透镜成虚像的问题，如图2B所示。这样B点就是A点的虚像，因此U6厘米，V（69）厘米15厘米，教学中此类需用逆向思维的方法来解决物理问题的实例还很多，如力学、电学、光学中的“黑箱实验”等，都是需要倒过来想的问题。这不仅是对学生所学知识的极好考查，而且是激发他们探索事物的浓厚兴趣，培养创造性思维能力的有效途径。34统摄思维所谓“统摄思维”是指在创造性活动中，用一个新概念取代若干概念，或者赋予老概念以更多更新的内容，增加思维贮藏信息的容量。在科学发展的长河中，每一个概念，规律和原理的建立，往往是经过对有关的客观现象、观测数据或实验结果的高度统摄思维后归纳总结而来的。例如，著名的行星运动三大定律，就是在开普勒统摄了前人丹麦天文学家第谷毕生观测行星位置的丰富而又准确的数据资料后总结出来的。又如，作为热力学第一定律重要基础的能量守恒转化定律更是如此，它是统摄了拉瓦锡关于化学与生物能的转换、盖斯定律（化学反应中的能量守恒定律）、法拉第电磁感应、伏打电池、塞贝克温差电现象以及焦耳热功当量实验等实验结果后归纳得来的。在物理教学中，我们要善于培养学生的统摄思维能力，使他们对所学知识的理解能够以点带面，提挈全局；对知识的掌握能够建立完整的，系统的，先进的观念；对知识的运用能够突出重点，突破难点。在具体培养学生的统摄思维过程中，可以在学完一节或一章知识内容后要求学生写出提纲要点，或者就某个概念规律或原理写学习心得体会；也可以经常选取一些典型的物理问题、习题对他们进行训练。例如，关于力有各种各样的定义名词，如万有引力，弓力，静电力，磁力，电磁力，安培力，洛仑兹力，分子力，核力，强相互作用力，弱相互作用力，重力，下滑力，弹力，张力，正压力，支撑力，阻力，摩擦力，向心力，离心力，惯性力，惯性离心力上述形形色色的力从本质上讲可分为哪几类对如此众多的力，我们必须按照统摄的观点来进行分类。从本质上讲，目前可以把力分为四大类，即万有引力，电磁力，强相互作用力和弱相互作用力。据此我们就不难分出引力是万有引力的简称，重力是地球对物体的吸引力；静电力，磁力，安培力，洛仑兹力，分子力属于电磁力；弹力，张力，正压力，支撑力，摩擦力从本质上讲也属于电磁力；核力属于强相互作用力；至于阻力，向心力，离心力，下滑力，则是根据力的运动学特征而命名的，并不表示力的本质；惯性力和惯性离心力是非惯性参照系中的假想力。35发散与集中思维发散思维，又称扩散思维或求异思维，是指思维方向象烛光那样向四面八方辐射，思考、重组眼前的信息和记忆中的信息，以求得创新的信息。这是创造性活动中既重要又必须发生的第一步思维。集中思维，又称收敛思维或复合思维，是指在创造性活动中为了求得某一正确的结论，利用已有的信息，对现有的许多设想方案进行集中、筛选，最后采纳其中的一个方案而逐步向结论逼进。作为一项发现、发明或创造，一般都要经过发散思维与集中思维的交替过程才能完成。在创造性活动中，发散思维与集中思维的关系是相辅相成，同时并存的，发散是集中的前提和基础，集中是发散的深化提高。科学家之所以能有所创造发明，就是因为他们具备了一些超越常人的优秀思维品质。他们不仅善于迸发出创造性的思维火花，更善于聚集这些“闪光的火花”来照亮自己。著名的物理学家麦克斯韦预言电磁波（后来被赫兹用实验证实）就是一个极好的例证。麦克斯韦掌握了当时先进的数学理论和方法，选择了关于电磁学说的四大定律即库仑定律、高斯定律、安培定律和法拉第定律作为靶子（创造性的思维发散），开始了自己的研究工作。他终于将这四个定律用偏微分方程表述出来（思维从发散到集中）。这一组方程式写出来以后，麦克斯韦敏锐地发现它们之间存在着矛盾的地方，为了消除矛盾（思维又发散），他引进了“位移电流”的概念，矛盾终于得到解决（思维由发散到最后集中）。麦克斯韦方程组确定了电荷、电流（运动的电荷）、电场、磁场之间的普遍联系，为整个经典电磁场理论奠定了牢固的基础。按照这一理论，不仅传导电流能产生磁场，且空间电场的变化也能产生磁场。同样，变化的磁场不仅能在导体中产生感生电流，而且也能在空间产生电场。所以，电磁过程的实质，就是电场与磁场的相互转化在电场和磁场的相互转化中，就产生电磁波。由于电磁波的发现，才有我们今天的无线电报、无线电话、无线电广播、传真、电视、雷达、遥控、遥测、卫星通讯、射电天文望远镜等无线电技术，才使人类对物质世界的探索迈开了划时代的步伐。你瞧，电磁波的发现对人类作出的贡献是何等的巨大啊因此，我们在物理教学中，要积极培养学生的发散思维与集中思维能力，教育他们努力学习科学家们的这种优秀的思维品质。在具体做法中，可以选取一些灵活性、变通性较大的物理问题进行多方面、多角度寻求答案的训练，也可以一题多解、一题多变、多题归一、多解择优等方法进行训练，限于篇幅，下面仅举二个例子加以说明。例1关于薄凹透镜，请你尽可能多地设计出测定其焦距的方案来。所给的测量用具有凹透镜，凸透镜（焦距已知），光源，光具座，物屏，像屏等。要求画出光路图，写出计算式子。要设计出尽可能多的方案来，就必须对所学的光学知识进行尽可能多的思维发散。如凹透镜的成像规律，凸透镜的成像规律，凹透镜（在前）与凸透镜（在后）复合后光学系统的成像规律，凸透镜（在前）与凹透镜（在后）复合后光学系统的成像规律，凸透镜、凹透镜成像的计算公式，计算公式中各物理量的符号规则，虚物、虚像、实物、实像的判断方法知识信息发散得越多，对设计方案就越有利，然后对发散的信息进行集中思维，通过分析综合，提出设计方案。下面提供了三种（因仪器所限，其实还有视差法，望远镜法，平行光管法等）方案，如图3A，B，C所示，计算公式一并列于其后。从这三个设计方案看，C是最简洁的。因为C无需用凸透镜作辅助透镜，只要根据成像后各量的比例关系就可求出焦距F，且误差也不大。所以要选择其中一种方案进行测量，肯定优选C，但方案C一般不易想到。这就要求我们充分发挥发散思维与集中思维的能力。例2如图4所示，质量为M100克的子弹打进被A挡住的质量为M900克的木块中，子弹进入10厘米。现把物体A移开，且木块M能在水平面上无摩擦地滑动，求此时子弹能打进木块多少厘米解决上述问题，有多种途径和方法，这是培养学生发散思维和集中思维能力的一个很好的例子。因为它包罗了运动学、动力学中的主要知识内容。如运动的相对性，运动参照物的选择，碰撞理论，动量守恒定律，动能定理，机械能守恒定律等等。这是对学生掌握该部分知识内容的深浅程度以及是否能够灵活运用的大检查。解法一设子弹打进木块所受阻力为F，则F对子弹做功WFFS1，由动能定理知移开挡物A后，子弹打进行木块发生完全非弹性碰撞