如何培养物理思维

物理思维所谓物理思维，就是物理学中的科学思维，是具有意识的人脑对客观物理事物（包括物理对象、物理过程、物理现象、物理事实等）的本质属性、内部规律性及物理事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映。物理思维的主体是具有特殊生理和心理机制的人，物理思维的客体是客观物理事物。物理学是研究物质运动最一般的规律、物质的基本结构及物质间的相互作用的一门学科，它的研究对象具有客观性，不以人的意志而转移。而我们要认识这种自然界物质的运动、相互作用等的本质规律和特征，就必须在头脑中形成对整个物理世界本质的、完整的、深刻的反映，就要对观察过的物理现象、物理事实、物理过程等在大脑中形成清晰的物理图景，并反复加工、合理改造、去粗取精，把感性认识上升为理性认识，此即物理思维。物理思维品质结构中的各要素是密切联系、互为因果、相互制约的，它们相互作用而达到均衡发展和完美结合，才构成物理智慧。首先，深刻性品质是其它各种品质的基础。一方面，只有深刻的物理思维，深入到物理事件本质与核心，才能对物理概念、规律进行高水平的广泛“迁移”和形成“物理思维组块”，表现出物理思维的高度灵活性和敏捷性。另外，也只有深刻把握物理事物的内在和本质，才能进行怀疑、批判，进而迸发独特的思路与想法，表现出批判性和创造性。其次，物理思维的灵活性与创造性是密切联系又互相区别的。灵活性侧重于思维的广度，创造性侧重于思维的难度、深度。灵活性是创造性的基础，而创造性是灵活性的高层次发展。再次，物理思维的批判性既是在深刻性基础上发展起来的品质，又渗透到其它品质中去，调节制约其它思维品质的发展。尤其是批判性与创造性的关系更为密切，前者是后者的心理保证与前提条件，后者则是前者发展与升华。最后，物理思维的敏捷性既要以其它四个思维品质的发展为前提，又是其它四个思维品质发展水平的重要指标及具体表现。物理思维的分类根据思维材料的不同，可以将物理思维分为三种（这种分法不是绝对的）：物理抽象思维、物理形象思维、物理直觉思维。以下主要来认识一下这三类思维，并了解其各自的特点。一、物理抽象思维凡是以物理概念为思维材料，以物理判断和物理推理的形式来反映客观物理事物的运动规律，达到对物理事物的本质特征和内在联系的认识过程叫做物理抽象思维。物理抽象思维的主要特点：1.抽象性和概括性在物理抽象思维过程中，必须将物理事物的本质属性或特征与非本质属性或特征区分开来，从而舍弃非本质属性或特征，抽出本质属性或特征，此即物理思维的抽象性。此外，在抽象的基础上，把所有反映物理事物本质的属性结合为一个整体，形成关于物理事物的整体的和一般的认识，进而把这种一般的认识推广到同类事物，把握同类事物的共同性和一般性，此即概括性。抽象性与概括性的统一，是物理抽象思维的一个重要特点，只有通过抽象和概括，才能形成物理概念；才能简化物理对象，形成理想化的过程；才能在实验和理论分析的基础上得出定量的物理规律。2.逻辑性和系统性由于物理抽象思维是以物理概念、物理判断和物理推理形式进行的思维，所以，它必须按照一定的形式、方法和规律进行，此即逻辑性。另外，物理抽象思维按照一定的逻辑形式和逻辑方法，遵从一定的逻辑规律或规则，在思维过程中总要形成对物理事物的系统的认识，从而表现出系统性的特征。逻辑性是系统性的前提条件，没有逻辑性就很难形成系统性，而系统性是逻辑性的必然结果。3.能动性和间接性人们在认识物理事物的时候，当感性材料达到一定程度时，思维能动地对这些材料进行分析、综合、比较、分类、抽象、概括等，形成对物理事物的一般的和概括的认识，而且物理学研究往往是先提出问题，再搜寻事实，捕获信息，立论解释，因此物理抽象思维是一种有目的的、能动的思维活动。另外，物理事物的本质规律，有些隐藏在现象背后，在不能被人直接感知的时，只有通过其它事物，借助于已有的知识和经验去认识那些没有直接感知过的，甚至根本无法感知的事物，此即物理抽象思维的间接性。能动性和间接性是相互统一，密不可分的关系。借助于已有知识或者经验，对于未知的物理世界进行无止境地扩展想象。物理模型、假说的建立，物理知识的逻辑拓展以及物理问题的解决，都离不开物理抽象思维的能动性和间接性及其相互作用的帮助。4.线型性和精确性物理抽象思维以物理概念、判断、推理等形式进行思维，往往沿着一个方向推出结论，类似于数学中由诸点连成线一样的过程，这就是其线型性特点。另外，只要线型性思维的条件正确过程符合逻辑，这个思维的结论就应该是精确的，更何况数学语言是对物理概念和物理规律最好的表达方式，物理规律的推导过程也要用到数学方法，这些都反映出了物理抽象思维的精确性。二、物理形象思维以物理表象为思维材料而进行的思维就叫做物理形象思维。所谓的物理表象是指物理形象在人的大脑中的间接的和概括的反映，物理形象又包括事物的物理宏观形象、微观形象、介观形象、时空形象、局部形象、整体形象、动态形象、静态形象等。物理形象思维的主要特点：1.形象性物理形象思维的材料——表象，可以分为具象和概象两类。物理形象思维的元素是物理形象，思维主体在联想、想象过程中不能脱离形象的帮助。在物理学中，形象材料是及其丰富的，表现为：①物理对象具有形象性。大到宇宙天体，小到夸克微粒，均有大小、形状、结构、分布等形象特征。②物理过程及现象有形象性。每一种运动、每一个过程、每一个现象都具有与之相对应的形象。③物理学中创造了极其丰富的观念形象。一切物理模型、图形、符号、语言、公式都是形象。④物理实验具有形象性。实验装置、实验过程、实验现象、结果分析等都具有形象性。2.二维性物理形象思维的过程是，首先人们把感知材料进行存储后通过回忆、再现形成具象，大量的具象在大脑中存储后，经过分析、综合、抽象、概括等思维加工之后得到对一类事物本质特征进行反映的概象，概象又被大脑进行创造性地整理加工变成了意象。这个过程简单表示为：感觉―知觉―具象―概象―意象。而意象是由思维主体有意识地加工处理的结果，所以它渗透进了主体理性的内容。对比于物理抽象思维，形象思维不是线型性逐步推理的，它是通过不同的方面、角度、方向、渠道等进行思维的。因此，可以认为物理形象思维具有二维性。3.动态性物理学中，动态的物理图景及形象很多，如卢瑟福原子的核式结构形象、波动形象、可逆过程的形象、线形谐振子图景等。这些图景及形象是物理形象思维的材料、内容和结果，这些都表现出了物理形象思维具有动态性。4.创造性物理形象思维的基本形式是表象、直感和想象，而想象是人脑对已有的表象进行加工、改造，产生新形象的过程。想象不仅可以补充实际经验和感受中的不足，而且可以使用人们的思想超越时间和空间的限制。高尔基、爱因斯坦、普朗克等都高度赞美想象是创造的源泉。物理学中的质点、理想气体、场、多维空间、夸克、胶子、黑洞、原子的结构模型等都是典型的创造性物理形象思维的结晶。因此，可以认为物理形象思维具有创造性特征。三、物理直觉思维思维主体不借助于逻辑推理而综合运用已有知识、表象和经验知觉，以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物的物理实质，并迅速作出猜测、设想或突然领悟的思维叫做物理直觉思维。它是以物理概念和物理表象结合而成的、具有整体功能的知识组块为思维材料而进行的思维。物理直觉思维的思维材料虽然仍是物理概念和物理表象，但却是它们结合而成的知识组块。从某种意义上来说，物理直觉思维是物理抽象思维与物理形象思维交叉作用而形成的一种客观存在的、新的、独立的思维方式。物理直觉思维主要特点：1.整体性区别于其它的物理思维类型，物理直觉思维更倾向于从整体上研究物理问题，从整体上把握物理对象和物理过程，将更多的注意力投放到物理问题的整体对外效应上。在对物理问题作总体分析的基础上，进行一种简约的、紧缩的、有选择的、急速的推理思维，而后通过观察、想象、和判断一次性地从整体上揭示物理事物的本质。2.多维性物理直觉思维没有固定的思维程序和格式，没有固定的方向和确定的路线，而是以跳跃的、试探的方式从多个角度来考察研究物理问题，并根据反馈信息迅速实现研究角度的转移。著名科学家钱学森指出：“如果逻辑思维是线性的，形象思维是二维的，那么，灵感思维是三维的。”其中的“灵感思维”就是指直觉思维，它比抽象思维和形象思维具有更大的“自由度”，是一种多维的思维。3.突发性从物理直觉思维的表现来看，直觉和灵感的产生，都具有“突发”的特点。这种突发性可以表现为在为研究或者解决物理问题而绞尽脑汁时的“灵机一动”，或者在漫无目思考的时候而突然间迸发出的灵犀的“火花”。4.随机性物理灵感的出现时间是难以估计的，是随机的，很难预测。物理直觉思维的结果也是对错都有可能的，是一种猜测、假设。这两个方面都体现出了物理直觉思维的随机性。需要注意的是，这种随机性是有条件的。只有在思维主体积累了丰富的物理知识和经验的基础上，对于物理学有浓厚兴趣，并且具有较强的分析、解决问题的能力时，才可能产生有价值的物理直觉思维。