浅谈初中物理教学中形象思维能力的培养

浅谈初中物理教学中形象思维能力的培养（上海复旦初级中学周小强200052）物理形象思维，是以物理表象为思维材料而进行的思维。物理表象是物理形象在人脑中的间接的和概括的反映，这些形象包括事物的物理宏观形象、微观形象、时空形象、局部形象、整体形象、静态形象、动态形象等。物理形象思维具有形象性、二维性、动态性和创造性等特点。学生的形象思维能力的强弱对物理学习的效果有直接影响。在物理教学中，我们教师有时容易忽视形象思维能力的培养，教师在抽象中教，学生在抽象中学，定义是抽象的，概念是抽象的，推理是抽象的，公式、定律、定理还是抽象的，从而导致学生大脑中没有与物理知识相对应的、正确的物理形象，构筑不出与物理知识相对应的物理图景，不能形成物理过程的动态形象，不会运用形象思维分析和解决物理问题。这样教师教得辛苦，学生学得更辛苦。笔者就形象思维在物理学习中的作用及教学中培养学生形象思维能力的实践浅谈一二，敬请同行斧正。一、形象思维在物理学习中的作用1、形象思维有助于学生构想理想化的模型构想理想化的形象，虽然需要抽象思维，但必须经形象思维，对感知到的物理事实进行加工、改造，形成物理事物的表象，并将次要表象和主要表象区分开来，舍弃次要表象，抓住本质特征，形成具有该类事物共同本质的概象，然后，才能抽象出理想化形象。在这个过程中，抽象思维起着概括和调节的作用，而形象思维提供思维的内容和材料，为抽象思维开辟道路。例如：意大利著名物理学家、天文学家伽利略对运动和力的关系问题的研究。在17世纪以前，人们普遍认为力是维持物体运动的原因。人们在生产、生活中常常见到，用力推车，车子才前进，停止用力，车子就停下来。古希腊的哲学家亚里士多德根据这类经验事实得出错误的结论:必须有力作用在物体上，物体才能运动，没有力的作用，物体就要静止下来。亚里士多德之所以得出这样错误的结论，根本原因是他对力和运动的关系的认识只停留在感性认识阶段，没有进行形象思维与抽象思维所致。在亚里士多德之后的两千多年里，动力学一直没有多大的进展。直到17世纪，伽利略才根据实验指出，在水平面上运动的物体所以会停下来，是因为受到摩擦阻力的缘故。如果没有摩擦，物体将保持具有的速度一直运动下去。伽利略还根据下面的理想实验进行推论：他设想，如果小球从一个绝对光滑的斜面上滑下并滑上第二个光滑斜面，它应当能到达开始滑下的等高处（如图1所示）。所以，如果逐渐减小第二个斜面的坡度，小球将在第二个斜面上越滑越远。最后，如果把第二个斜面放平，让小球从光滑斜面滑上光滑水平面。根据上述推理，小球将在此光滑平面上滑下去，永远不会停下来，而且此时小球在水平方向上不受任何力的作用。由此，伽利略否定了亚里士多德关于力是维持物体运动的错误结论。伽利略的实验虽然是想象中的实验,但它是建立在可靠的客观事实基础之上的。这类理想实验以可靠的客观事实为基础，在感性认识与理性认识的基础上，经过形象思维与抽象思维相互交叉、互补，抓住主要因素，忽略次要因素，从而更深刻地揭示了自然规律。2、形象思维有助于概念的形成图1物理概念的形成是从具体到抽象过渡的过程，在这个过程中，学生头脑中需要浮现各个具体事物的形象———具象；并在此基础上，概括出一类事物所共同具有的形象特征，形成概象。然后，在头脑中补充一些新的、概括程度度更高的表象。在这个过程中，实际上抽象思维和形象思维是相互作用的。3、形象思维有助于学生对物理规律的理解物理学中许多重要的理论模型和规律，如原子核模型、万有引力定律、电磁场方程、狭义相对论中的洛伦兹变换、量子力学中的么正变换等，只有依靠形象思维，充分发挥想象力，建立起关于它们结构的清晰的表象，才能有效地加以把握、理解.二、形象思维能力培养的具体做法物理表象是物理形象思维的基本元素，也是物理形象思维的基本形式。学生头脑中若没有丰富的物理表象，形象识别、联想、想象也就没了依据，正所谓“巧妇难为无米之炊”。对中学教师和中学生分别进行物理思维障碍调查结果表明，物理形象思维障碍很大程度上是由物理表象直接或间接造成的，因此培养学生形象思维能力的关键是积累丰富的物理表象。在初中物理教学中，我们可以采取下面一些做法。1、唤起学生已有经验和感受在教学过程中，运用科学的、准确的、形象的、生动的语言描述学生已感知过的物理现象、物理过程、物理图景，从而使学生回想起已有的经验、物理表象。例如：学生一般都坐过公交车，在公交车“刹车”、“启动”、“加速”、“减速”、“转弯”时，车上站着或坐着的乘客通常会随着出现一些反应。亲身体验（或看见其他乘客的反应）会在学生头脑中留下印记。当我们在学到牛顿第一定律时，唤起学生头脑中的这一经验，那么对惯性的认识就更深刻了，同时也让学生体会到物理知识随处可见。利用这一经验，还能顺利解决下列问题:如图2（a）所示，木块与小车一起做匀速直线运动，当小车的运动状态发生变化时，木块的状态如图2（b）所示。把木块换成盛有水的烧杯，重复上述过程，烧杯中水面的状态分别如图2（c）和（d）所示。可见有意识地唤起学生头脑中已有的经验、表象，一方面使得头脑中的表象在使用中得到强化；另一方面也能强化学生感知生活中要勤观察、多体验，积累大量生动的物理表象。2、利用图片创设问题情境学生学习时，时常注重文字忽略插图，教师在教学时，应狠抓图文结合，在读图上下功夫，要求学生了解插图反映的物理现象、物理过程，建立起正确的物理表象，从而提高学生的形象思维能力。例如：为了研究物质的某种特性，某小组同学先做如图3所示的实验：在三只完全相同的杯子中分别放入100克水、200克水和200克沙子，各插入一支温度计，并在杯口上盖上一薄塑料片，观察到温度计的示数均为20℃。将三只杯子同时放置在太阳光下，过一段相同时间后，观察到温度计的示数如图3（a）、（b）、（c）所示。请根据实验现象及相关条件，归纳得出初步结论。（1）比较图3（a）和（b）两图可得：________________________________。（2）比较图3（b）和（c）两图可得：________________________________。图2图4上例是中考热点问题之一——“看图归纳结论”，不少学生遇到这类问题感到害怕。如何帮助学生突破思维障碍呢？在学习比热容概念过程中，我们通过实验活动中归纳总结出了一些实验结论：同种物质，升高相同的温度，质量越大，物体吸收的热量越多；不同物质，质量相同，吸收的热量相同，升高的温度不同等。我们在教学中可以利用下面创设的问题情境去提高学生的形象思维能力：（1）研究什么？（学生应判断出热、热量及吸收的热量与质量、物质的种类、升高的温度有关）（2）相同物理量是什么？（学生会通过暴晒时间相同这一表象来判断出物质吸收热量相同）（3）如何表述结论？（教师可适时给予提示：实验现象是具体的，结论表述是抽象的、概括的。）通过设置这一环环相扣的问题情境，教师可以帮助学生理清解题思路，培养学生的形象思维能力。3、利用实验创设活动情境物理实验是物理学的基础，也是物理教学的基础。在实验过程中，能培养、提高学生实验操作技能、观察能力、分析能力、归纳能力等，又能使学生感悟科学方法，形成科学精神。一个成功的实验，能起到“千言万语说不清，一看实验就分明”的作用，给学生留下印象深刻的表象。例如，“一纸托杯水”引入大气压强，用鸡蛋演示静止物体的惯性现象，用打不到鼻子的摆球来演示引入机械能转化等等。在特定需要时，可选择新奇的实验、惊险的实验、会产生意想不到结果的实验，来激发学生的好奇心和求知欲，并引起学生的悬念和联想。例如，在“声波的产生和传播”这一节课堂教学中，笔者设置了这样一个情境：把一个中国大鼓放置在讲台上，将鼓面朝向学生，并要求学生把泡沫塑料小球放在杯子的薄膜上（杯子事先已蒙好塑料薄膜），且要求学生在笔者敲击大鼓的同时，眼睛注意观察他们放置的这些泡沫塑料小球。当敲击大鼓时，它发出了很响的“咚咚”鼓声，非常富有震撼力，学生也注意到了“泡沫塑料小球跳起来了”的现象。笔者随即提问，“鼓面的振动引起泡沫小球的跳动说明了什么呢？”，并自然过渡到后续教学内容。让学生体验各种物理环境，各种感知觉的并用，是帮助学生建立物理表象的绝佳方式。如在讲授合力时，设计了下列一组实验：把一根轻质弹簧的一端固定在O点，另一端用尼龙细线固定在弹簧秤的挂钩上，每次实验时，都将弹簧由A拉伸到B位置。研究过程及实验数据如图4（a）、（b）、（c）所示。通过上述实验活动，使学生在获得亲身的感受和体验的同时，也理解了等效替代的研究方法及同一直线上二力合成的特点。这样积累的表象印象深刻，不容易遗忘。4、在解决问题中注意数形结合一般来讲,解物理问题要经历两个阶段：第一阶段，主要是调用存储在右半脑的形象材料进行形象思维,作整体和定性分析；第二阶段，主要是调用左半脑的抽象材料进行抽象思维。然而，目前学生普遍缺乏运用物理形象进行思维的习惯，他们常常只习惯用公式去讨论问题，得出一些结论，而不习惯运用物理形象去思考现象或过程的本质。为此，在讲解例题时，教师应先引导学生通过对问题信息的知觉来想象问题情景，揣测物理变化的趋势，同时在纸上画出示意图或受力图、电路图等草图，并在草图上标明各个过程、状态的物理量；然后，再要求学生根据已画出的详细情景图，理性地分析各过程、状态图3的特征，将这些特征与大脑中已有的规律表象对应起来，寻找合适的规律解题；最后，才让学生运用物理概念、规律进行推理和演算，得出定量的结论。例如：电流表、电压表示数变化的分析、判断是初中物理电学部分中综合性较强、涉及知识面较广的内容，对考查学生能力的要求很高。它主要根据欧姆定律及串、并联电路电流、电压、电阻的关系等，定性分析电路中有关物理量的大小变化。例：在如图5所示的电路中,当滑动变阻器的滑片向右移动时,各电表的示数如何变化呢?解法1：此电路为串联电路，其中电压表V1测量的是R1两端电压U1，电压表V2测量的是滑动变阻器R2两端电压U2，电流表A所测的是串联电路中的电流I。（为了分析表达的简洁，我们约定一套符号：“→”表示引起电路变化；“↑”表示物理量增大或电表示数增大；“↓”表示物理量减小或电表示数减小。）P向右移动R2↑R↑I↓I1↓U1↓U2↑因此当滑片P向右移动时，电流表A的示数变小，电压表V1的示数变小，电压表V2的示数变大。解法2：（利用串联电路的分压作用）在串联电路中，各部分电阻两端电压之比等于它们的电阻之比。P向右移动R2↑U2↑U1↓I1↓在上述两种解法中，都分别采用了“数形结合”的思想，在解题过程中用“↑”、“↓”形象地给出各个物理量的变化关系，用“→”来表示问题推理的顺序，且在其上方板书推理过程中所利用规律（或公式），利用这种方法，可以形象地表明解决问题的推理过程，从而利用物理表象去培养学生的形象思维能力。又如：蜡烛放在离凸透镜20厘米的主光轴上，在透镜的另一侧光屏上得到放大的像，若把蜡烛向透镜方向移动8厘米，则所成的像一定是（）A缩小的。B放大的。C正立的。D倒立的。上面这道题是关于凸透镜成像规律的问题，此知识点即是初中物理的重点，也是学生学习的难点。求解此类问题必须在理解凸透镜成像规律、明确题意的基础上，两次运用成像规律，体会量变与质变的辩证关系，对学生的能力要求较高。通常解决此类问题我们采用代数法。解法1：放大实像f＜u＜2fu＝20cm即f＜20cm＜2f10cm＜f＜20cmu′＝12cm则所成的像可能为倒立放大的实像或正立放大的虚像，答案为（B）。解法2：通常凸透镜成像规律是以表格形式呈现出来，简洁明了，学生经常会死记这样的表格，以来应对相关问题。其实我们也可以用图形将凸透镜成像规律呈现出来（如下图6所示）。（图中除虚像外，透镜左侧是蜡烛的大致位置，右侧是像的大致位置。）R=R1＋R2I=U/RU1=I1R1U2=U－U1U1=U－U2图5I1=II1=U1/R1u′＝ff＜u′＜2fu′＜f题中“蜡烛放在离凸透镜20厘米的主光轴上，在透镜的另一侧光屏上得到放大的像”，则对照图6（b）中的倒立的放大的像（蓝色），可以确定蜡烛（蓝色）的位置（即在f和2f之间）