簡(jiǎn)析空間想象能力對(duì)高中物理學(xué)習(xí)的影響

董 斌

(紹興稽山中學(xué) 浙江紹興 312000)

空間想象能力是物理學(xué)科素質(zhì)的重要組成部分,也是物理教學(xué)中需要突破的一個(gè)難點(diǎn)所在.然而在實(shí)際物理教學(xué)中,我們卻發(fā)現(xiàn)學(xué)生的空間想象及圖像運(yùn)用能力較差,空間方位不明,讀不懂與空間方位相聯(lián)系的物理圖像,與之相關(guān)的練習(xí)也就成為物理學(xué)習(xí)的難點(diǎn)所在.可以說,物理空間想象能力的不足成了部分學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和能力的“瓶頸”.所以,加強(qiáng)對(duì)學(xué)生物理空間想象能力的培養(yǎng),成為讓很多物理教師頭痛而又必須面對(duì)的課題.

1 空間想象力是再造想象與創(chuàng)造想象共同作用的體現(xiàn)

空間想象能力不僅僅是指“對(duì)物體(即客觀存在著的空間形式)的形狀、結(jié)構(gòu)、度量及位置關(guān)系的想象能力”,還指“對(duì)客觀事物的空間形式及其符號(hào)表示想象和再造想象的能力”.按心理學(xué)觀點(diǎn)來看:再造性想象是根據(jù)詞的描述或圖樣的示意,在頭腦中形成相應(yīng)的形象的心理過程,這些形象都是重現(xiàn)別人想象過的事物;而創(chuàng)造性想象是創(chuàng)造出新形象的心理過程,在一定條件下,再造性想象可以轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造性想象,空間想象能力是再造想象與創(chuàng)造想象能力共同作用的體現(xiàn).

提到空間想象能力,人們就自然會(huì)想到立體幾何;實(shí)際上高中階段學(xué)生空間想象能力在不同學(xué)科都有所體現(xiàn).例如在物理學(xué)習(xí)中常需要分析某個(gè)立體空間,研究三維空間中物體的受力和運(yùn)動(dòng);而以三維空間為載體的考題在近年來的高考中也屢屢出現(xiàn).教學(xué)實(shí)踐也證明,研究三維空間的物理問題能有效地培養(yǎng)學(xué)生的物理想象能力.筆者調(diào)查了本校不同階段的學(xué)生,結(jié)果表明,學(xué)生的空間想象能力與學(xué)生性別及其物理知識(shí)的學(xué)習(xí)狀況顯著相關(guān).其中男生的空間想象能力明顯強(qiáng)于女生.而空間想象能力與物理知識(shí)的學(xué)習(xí)狀況呈現(xiàn)正相關(guān),即在不考慮其他因素影響的情況下,學(xué)生的空間想象能力越強(qiáng),其物理知識(shí)的學(xué)習(xí)狀況會(huì)越好.

從調(diào)查中我們可以發(fā)現(xiàn),擁有較強(qiáng)的空間想象能力對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)具有一定的優(yōu)化和降低學(xué)習(xí)門檻的作用,同時(shí)也能有效的提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和自信心.這里的空間想象能力,不僅包括指學(xué)生能在頭腦中建構(gòu)出有關(guān)問題的空間幾何圖象(明確物體的位置、物體間的相互位置關(guān)系、物體位置的變化情況、場(chǎng)在空間中的分布以及場(chǎng)隨時(shí)間改變的情況等),還包括能夠?qū)⑽锢矸?hào)和圖片、模型在腦中再造和形象化的能力.

2 空間想象能力差異的成因分析

經(jīng)過理論分析與訪談,我們發(fā)現(xiàn),學(xué)生空間想象能力的差異主要由其聯(lián)想能力、觀察能力及想象能力的差異造成;這些差異進(jìn)一步影響到學(xué)生對(duì)信息的提取、加工和遷移,從而影響物理知識(shí)的學(xué)習(xí).

2.1 聯(lián)想能力有差異 影響學(xué)生對(duì)信息的提取

所謂聯(lián)想是人們?cè)陬^腦中把一事物與另一事物聯(lián)系起來,從而將對(duì)一事物的思想或表象推移到另一事物上去的認(rèn)識(shí)形式和思維方法.聯(lián)想一般可以分為類比聯(lián)想、逆向聯(lián)想、推測(cè)聯(lián)想等.由于物理知識(shí)具有一定的抽象性,因此,學(xué)生聯(lián)想能力的差異,直接影響到他們對(duì)自己頭腦中已有信息的提取,從而在很大程度上影響著物理知識(shí)的學(xué)習(xí).實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)中,學(xué)生在簡(jiǎn)單的類比聯(lián)想方面水平基本相當(dāng),例如,當(dāng)看到萬有引力公式

此時(shí),大部分同學(xué)能聯(lián)想到庫(kù)侖定律公式而在較復(fù)雜的類比聯(lián)想、逆向聯(lián)想、推測(cè)聯(lián)想水平上差距很大.又如,大多數(shù)學(xué)生會(huì)求解僅在重力場(chǎng)作用下,小球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問題,而只有少數(shù)學(xué)生會(huì)把此類情景聯(lián)想到復(fù)合場(chǎng)中的同類問題的求解上.在學(xué)習(xí)新知識(shí)的時(shí)候,聯(lián)想能力好的學(xué)生,很容易從頭腦中提取出與新知識(shí)相關(guān)的知識(shí),從而在新舊知識(shí)間建立起關(guān)系,完成新舊知識(shí)的同化.例如,學(xué)習(xí)到磁感線的分布特點(diǎn)時(shí),能否聯(lián)想到電場(chǎng)線的相關(guān)特點(diǎn)并加以比較;在學(xué)習(xí)電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)時(shí),能否聯(lián)想到平拋運(yùn)動(dòng)等等.這都很大程度上影響到新知識(shí)的接受和鞏固.

2.2 觀察能力有差異 影響學(xué)生對(duì)信息的分析

學(xué)生的觀察能力是導(dǎo)致其空間想象能力產(chǎn)生差異的一個(gè)重要因素.因?yàn)榭臻g想象能力是現(xiàn)實(shí)中已有模型或符號(hào)在頭腦中建構(gòu)的水平,那么要正確建構(gòu)這些模型和符號(hào),就必須有較強(qiáng)的觀察能力.從信息論觀點(diǎn)看,觀察應(yīng)該是外部環(huán)境的信息通過感官輸送到大腦皮層,經(jīng)過加工處理,感知外部世界的過程.觀察既包括信息的輸入又包含信息加工的初步過程.因此,在物理知識(shí)學(xué)習(xí)過程中,必須重視一些實(shí)物模型和三維示意圖的觀察,結(jié)合學(xué)生在這方面的生活積累,進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)想和想象,從而形成認(rèn)識(shí)問題和解決問題所需的物理圖景或物理模型,以后遇到類似問題,就能“觸景生情”.例如,某高考試題提到有一束光從坐標(biāo)原點(diǎn)斜向上射入折射率沿y軸正向逐漸減小的某介質(zhì),請(qǐng)同學(xué)選擇正確的光路.如果學(xué)生仔細(xì)觀察過海市蜃樓的光路和產(chǎn)生原因,答案就不難獲得.

2.3 想象能力有差異 影響學(xué)生對(duì)信息的遷移

在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)中,大多數(shù)學(xué)生在再造想象能力方面差異不是很大,但是創(chuàng)造想象能力卻有較大的差異,而想象能力直接影響到學(xué)生對(duì)信息的遷移.物理知識(shí)是一個(gè)理論性和邏輯性很強(qiáng)的知識(shí)體系,教師不可能在課堂有限時(shí)間內(nèi),把所有相關(guān)知識(shí)一一介紹給學(xué)生,所以在學(xué)習(xí)物理知識(shí)和解決問題時(shí),要求學(xué)生有很強(qiáng)的創(chuàng)造想象能力,才能不斷在新舊知識(shí)之間進(jìn)行遷移,最終完成對(duì)知識(shí)的積累.例如,要選擇下列哪些電場(chǎng)可以使帶負(fù)電的粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng),學(xué)生很容易想到孤立的正電荷卻很難想到空間等量同號(hào)正電荷形成的電場(chǎng)也可使帶負(fù)電的粒子做勻速圓周運(yùn)動(dòng).原因在于大多數(shù)學(xué)生只能想到等量同號(hào)正電荷電場(chǎng)的平面圖卻很少有人能夠?qū)⑦@個(gè)平面圖轉(zhuǎn)換到立體圖.這也體現(xiàn)出創(chuàng)造想象能力的差異.

3 啟示

經(jīng)過以上分析,筆者認(rèn)為物理教師應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手來培養(yǎng)和提高學(xué)生的空間想象能力,以提高物理知識(shí)教學(xué)及學(xué)習(xí)效率.

3.1 培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力

在物理教學(xué)中,教師首先要注重培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力.在展示模型、圖表或進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的時(shí)候,要強(qiáng)調(diào)學(xué)生注意觀察,并說明觀察的對(duì)象和目的;在講授抽象的概念知識(shí)的時(shí)候,要注意聯(lián)系實(shí)際,便于學(xué)生理解和記憶.如講授“交流電的產(chǎn)生和描述”時(shí),往往先提出問題“為什么線圈在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速轉(zhuǎn)動(dòng),就會(huì)產(chǎn)生交流電?”然后就開始推導(dǎo),把速度分解,和磁場(chǎng)垂直的分量切割,平行的分量不切割,轉(zhuǎn)過的角度是多少等等,最后得出瞬時(shí)電動(dòng)勢(shì)的公式ε=E sinωt,所以說是交流電.這樣的講授,就不如讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室,把交流發(fā)電機(jī)模型直接接到示波器上,觀察交流電波形,一目了然,既生動(dòng)又直觀.

3.2 強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識(shí)和剖析圖形的能力

在物理教學(xué)中,教師要注重強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識(shí)、剖析和繪制圖形的能力.教師應(yīng)當(dāng)在課堂教學(xué)中加強(qiáng)示范練習(xí),還應(yīng)讓學(xué)生自己動(dòng)手畫一畫.例如,讓學(xué)生將立體圖形轉(zhuǎn)化為不同的平面圖(俯視圖、側(cè)視圖、仰視圖、截面圖、投影圖等等).同時(shí)適當(dāng)?shù)貙?duì)學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的圖形識(shí)別訓(xùn)練,便于學(xué)生結(jié)合示意圖深入理解.

3.3 指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)方法

在物理教學(xué)及解決問題的過程中,教師要注意引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較、類比、歸納等科學(xué)方法,引導(dǎo)學(xué)生將已有的知識(shí)按一定的關(guān)系分類歸納,將雜亂的知識(shí)在腦中構(gòu)建成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使知識(shí)系統(tǒng)化,便于學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識(shí)和解決問題時(shí)順利提取頭腦中已有的信息,有助于增強(qiáng)學(xué)生的聯(lián)想和想象能力,提高其學(xué)習(xí)效率.

總之,物理空間想象能力的培養(yǎng),是中學(xué)物理學(xué)習(xí)的重點(diǎn)難點(diǎn)之一,只有在學(xué)生的頭腦中儲(chǔ)備較多的物理圖景和模型的基礎(chǔ)上樹立起相應(yīng)的空間觀念,才能進(jìn)一步調(diào)動(dòng)其想象的積極性,并通過各種圖像的靈活運(yùn)用,達(dá)到培養(yǎng)、提高的目的;同時(shí)通過一系列的訓(xùn)練,也培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力和解決問題的能力.