物理实验教学中培养学生创新思维的理论基础的研究

1、收稿日期: 2003- 10- 08 基金项目: 黑龙江省高等教育学会高等教育科学研究/ 十五0 规划课题( 编号: 15C- 452 作者简介: 梁 红( 1971- , 女, 硕士, 研究方向: 物理教学论。 物理实验教学中培养学生 创新思维的理论基础的研究 梁 红 ( 哈尔滨学院物理与电子工程系, 黑龙江哈尔滨 150080 摘要: 本文从物理教学论理论、脑科学理论、系统论及信息论理论来研究物理实验教学中培养学生创新思维的理论 基础, 为在物理实验教学中开展培养学生创新思维的研究提供了理论依据。 关键词: 创新思维; 物理实验; 物理实验教学 中图分类号: G64210 文献标识码: A

2、 文章编号: 1003- 2614( 2004 01- 0131- 03 一、物理教学论理论 ( 一 物理学科的特点及其对物理实验教学中培养学 生创新思维的启示 11 物理学科的特点 物理学科同时完备的具备以下特点: ( 1 物理学是一门实验科学, 它的根基在实验, 一切理 论都要以实验作为唯一的检验者。 ( 2 物理学是一门严密的理论科学, 它以物理概念为 基石, 以物理学定律为主干, 建立了经典物理学与现代物 理学及其各分支的严密的逻辑体系。 ( 3 物理学是一门定量的精密科学, 从物理概念到物 理理论再到物理应用, 它利用种种数学手段为理论与实践 开辟道路, 使物理学的结论可以随时加以检

3、验和完善。 ( 4 物理学是一门研究物质运动形式最一般规律和应 用十分广泛的基础科学。 ( 5 物理学从他的早期萌芽到近现代的发展以它丰富 的方法和世界观等充满哲理的物理思想影响人们的思想、 观点和方法, 因此物理学是一门带有方法论性质的科学。 21 物理学科的特点对物理实验教学中培养学生创新 思维的启示 物理学科的特点表明物理学科是培养学生创新思维 的极佳学科, 物理实验是培养学生创新思维的重要手段。 主要表现在以下几点: 第一, 物理学是一门以实验为基础的科学, 实验在物 理学科发展中起了不可替代的作用。在物理教学中, 实验 是使学生获得感性知识的主要来源, 是学生进行物理思 维、实现从感

4、性认识到理性认识的飞跃的必要的手段, 也 是激发学生学习物理的兴趣、激发学生的求知欲和好奇心 的重要手段, 物理实验为学生提供一种主动探寻的环境, 容易引起和发现问题, 一些具有敏锐观察力的人往往由于 在实验中善于发现一般人不易发现的、被忽略的现象导致 发明创造; 另外, 物理实验可以提供一种原型启发, 学生在 此基础上进行积极的联想, 进而产生创新想法。 第二, 物理学在实际生活中应用广泛, 现实生活为研 究物理问题提供了较好的天然条件, 人们只要留心观察, 就会发现许许多多 身边的物理现象, 学生可以通过运用所 学物理知识发现并解释生活中的物理现象、参加课外小实 验、小制作等动手动脑的实践

5、活动, 活学活用物理知识, 加 深对所学知识理解, 同时开拓思路发挥创新潜能。 第三, 物理学是一门带有方法论性质的学科, 物理科 学方法如分析方法、综合方法、归纳法、演绎法、类比法等, 物理实验中的等效法、模型法、放大法、模拟法等形成了一 整套研究物理问题的科学方法, 学生若能掌握并灵活运用 这些科学方法, 使之融入自己解决物理问题的思维过程 中, 必将为创新想法的产生奠定坚实的基础。 ( 二 物理实验教学的特点及其对物理实验教学中培 养学生创新思维的启示 11 物理实验 物理实验是人们根据研究的目的, 运用科学仪器设 备, 人为地控制、创造或纯化某种自然过程, 使之按预期的 进程发展, 同

6、时在尽可能减少干扰, 突出主要因素, 在最有 利的条件下进行观测, 以探究物理过程变化规律的一种科 学活动。 2004 年第1 期 总第117 期 黑龙江高教研究 Heilongjiang Researches on Higher Education No. 1 2004 serial. No. 117 物理实验是科学实验的一个重要组成部分, 在物理学 的产生、建立和发展过程中起着决定作用。物理实验是归 纳物理规律、产生物理假说的实践基础, 是验证理论预言 和物理假说的主要依据, 是完善理论体系, 发展物理理论 的重要手段。 物理实验具有五个客观基本属性: ( 1 实验主体的主动性: 实验主体

7、可用不同的仪器、不 同的原理、不同的操作和处理来设计和完成实验。 ( 2 实验结论的可计量性, 即物理实验的结论可以用 数学进行定量描述。 ( 3 实验结论的客观性: 根据误差理论的指导, 原则上 总可以缩小实验结论与物质运动客观规律之间的差距。 数学、仪器、操作都可以协助完成这种缩小。 ( 4 实验过程的可重复性: 在较短时间内可以重复实 验操作, 重现实验现象和重新获得数据。实验之所以可能 被重复是由于实验主体的主动性所保证的, 而重复的必要 性则是实验结论的客观性所要求的, 因为重复可以减少实 验的偶然误差。 ( 5 实验内容和结论的连续性: 实验内容和结论与前 面的实验紧密相连。这种联

8、系通常表现为前实验的延续、 改进、转折和对前实验提出的假说的验证。 21 物理实验教学 物理实验教学是物理教学的一部分, 并占有极其重要 的地位。它是通过对物理现象和物理实践有关的内容的 学习和技能训练进行的物理教学形式。物理实验虽然有 获取知识的功能, 但它并不是物理知识教学和能力培养的 辅助形式, 而是一种与其并列的、独立的物理教学形 式。 物理教学中做的物理实验是教学实验。它与物理学 家进行科学研究而做的物理实验既有区别又有联系。教 学实验是有选择地把一部分研究或探索物理现象和规律 的实验和事实, 在集中的时间内显现给学生, 这一活动中, 学生的学习过程与物理学家探索过程有相似之处, 物

9、理学 家通过实验发现新现象, 研究新规律, 探索的是人类的未 知, 学生所探究的大多是个人的未知。 高等师范院校所开设的物理实验课程按其内容所需 要的知识系统分为: 普通物理实验、电子线路实验、电工学 实验、近代物理实验等。普通物理实验包括力学实验、热 学实验、光学实验、电磁学实验、原子物理学实验等。按其 类型物理实验可分为演示实验、学生分组实验、课内小实 验、课外小实验等, 高等师范学校开设的物理实验课程均 指学生分组实验。 31 物理实验及物理实验教学的特点对物理实验教学 中培养学生创新思维的启示 物理实验教学为学生提供了丰富的感性材料, 创设了 良好的物理情境, 学生作为实验的主体通过亲

10、自动手实 验, 主动观察现象, 从现象中归纳出本质的结论, 在实验过 程中不仅培养了学生观察和操作能力, 其思维能力也会有 较快发展, 在实验过程中学生的思维若能处于积极的活跃 的状态, 主动探寻物理规律, 在观察和实验中往往会发现 许多新问题产生许多新想法, 从实验的设计、仪器的选择、 现象的观察、方法的采用, 到数据的处理、整个实验过程中 蕴涵了许多培养创新思维的因素, 物理实验教学为培养学 生的创新思维提供了有利条件, 在实验教学中有意识培养 创新思维对学生创新能力的提高是十分必要的。 物理实验是科学实验的一个重要组成部分, 在物理学 的产生、建立和发展过程中起着决定作用。物理学史上的

11、许多重大发现, 如卢瑟福发现原子的核式结构, 法拉第发 现电磁转换效应等, 物理实验都发挥了重要的作用, 同时 也都是创新思维的辉煌成果, 因此物理实验教学中更应格 外重视创新思维能力的培养。 二、脑科学理论 ( 一 脑科学研究表明人的大脑是创新思维产生的生 理基础 人脑是思维的物质器官和载体, 人脑生理结构是个极 其复杂的活动系统, 是个神秘的黑箱小宇宙。创新思维是 直接在人脑生理活动的基础上形成的, 是人的大脑生理结 构活动处于最佳运动状态的功能表现。 研究结果表明: 大脑两半球在功能上有相对不同的分 工。左半球是处理语言信息、进行抽象逻辑思维、辐合思 维及分析思维的中枢, 主管语言、阅读

12、、书写、计算、排列、 分类言语回忆和时间感觉, 具有连续性、有序性 和分析性 的特点, 被人们称之为理性脑; 而右半球则是处理表象, 进 行形象思维、发散思维、直接思维的中枢, 在视知觉、形象 记忆、确定空间关系、识别几何图形、想象、做梦, 理解隐 喻、模仿、音乐、节奏、舞蹈及态度、情感等方面起决定作 用, 既有连续性、弥漫性、整体性的特点, 有人称之为感性 脑。简单地说, 左脑半球善于分析、抽象计算和求同, 而右 脑半球则倾向于综合、想象、虚构和求异。大脑两半球在 功能上虽各有分工, 却在互有分工的基础上也有一定的互 补能力, 二者在功能上形成了互相交织、互相补充和互相 配合的协调关系, 共

13、同完成对信息的加工处理。 ( 二 脑科学理论对物理实验教学中培养学生创新思 维的启示 脑科学的研究成果表明: 创新思维要求人脑的左、右 半球必须处于相互沟通、相互促进、相互补充的活动状态 中。在物理实验教学中培养学生的创新思维, 应充分利用 物理实验教学的特点, 一方面加强实验技能的训练, 提供 132 Heilongjiang Researches on Higher Education No. 1 2004 丰富的感性材料, 鼓励学生大胆操作, 变换方式积极尝试, 触发形象思维, 从而促进右脑思维的发展。另一方面加强 思维训练, 为学生提供更多的思考机会, 鼓励养成善于提 出问题, 并想方

14、设法解决问题的习惯, 在整个实验过程中 左右脑都处于积极同步的思考状态, 大脑只有处于这种状 态才是发挥创新思维的最佳时机。 科学家对人脑进行长期的研究后发现: 人脑中的100 多亿个细胞平时只有10%是经常用到的, 而余下的90% 经常处于空闲状态。我们如果能充分开发和利用这些空 闲细胞的功能, 学习创新知识, 掌握创新技能, 开展创新活 动, 我们的创新能力也可以大幅度提高。 三、系统论、信息论理论 ( 一 个体创新思维耗散结构的自组织运动过程 系统论观点认为人的创新思维活动本质上是一个开 放型系统, 只有通过实践活动与外部环境不断进行信息交 换的过程才能存在和发展。信息论的观点认为创新思

15、维 活动系统同样也是一个信息结构的运动变化过程, 具有信 息运动的基本特征。 创新思维活动系统具备了耗散结构自组织运动的条 件与机制, 从而在实际活动中形成一个思维耗散结构的自 组织运动过程。如下图 ( 二 个体创新思维耗散结构理论对物理实验教学中 培养创新思维的启示 创新思维活动首先是作为开放系统存在的, 因此个体 在进行创新思维活动时必须通过各种渠道从外界获取相 关知识信息, 物理实验教学中学生可以通过阅读实验讲 义、查阅资料、动手操作、相互讨论等形式, 主动获取各种 所研究实验的相 关信息, 输入信息负熵流, 以减小思维系 统熵的增加。 创新思维的获得需要远离常规思维平衡态, 在实践中

16、就要冲破传统思维定势的束缚, 以全新的角度思考问题, 敢于提出问题, 运用创新思维技术在头脑中完成各种思维 信息的碰撞加工过程。 此外, 心理学关于创新思维产生的过程与创新思维有 关的非智力因素等的研究成果, 构成了培养创新思维的心 理学基础, 为教学中培养创新思维提供了心理学依据。 参考文献: 112 刘卫平1 创新思维M 1 杭州: 浙江人民出版社, 19991 122 辛自强, 等1 思维 开发无限的潜能M 1 北 京: 北京师范大学出版社, 20001 132 邵志芳1 思维心理学M1 上海: 华东师范大学出 版社, 20011 142 赖志奎1 现代教学论M1 杭州: 浙江大学出版

17、社, 19981 152 杨述武1 普通物理实验1 光学部分M1 北京: 高 等教育出版社, 19931 162 林 抒1 普通物理实验M1 北京: 人民教育出版 社, 19811 172 陶 洪1 物理实验论M1 南宁: 广西教育出版 社, 19961 182 阎金铎, 田世昆1 中学物理教学概论 J , 1999, ( 21 The Theoretical Basis of Innovative Thinking Cultivating in the Physics Experiment Teaching LIANG Hong ( Department of Physics and Electronic Engineering, Harbin University, Harbin 150086, China Abstract :This paper expatiated the theoretical basis of Innovative thinking cultivating in the physics experiment