论物理想像能力的培养_教法学法-查字典物理网

想像是人脑对已有的表象进行加工改造形成事物新形象的心理过程。人类的创造活动离不开想像，在探索未知世界的过程中，需要人们透过已知的经验材料，去设想、构思事物内部相互联系、相互作用的图景。在物理学的发展过程中，每一个物理概念的建立、定律的发现等都蕴涵着物理学家非凡的想像力。爱因斯坦创立的相对论以及一系列著名的理想性实验就是极富独创的想像的结果。

物理教学的过程，即是使学生在学习、探索前人的科学成果的过程中获得知识形成能力过程。在这个过程中培养学生的创造性思维能力尤为重要，而创造性思维离不开想像力。想像是一切创造活动的源泉。在中学物理的理论知识、习题之中包含着大量的可培养学生想像力的素材，教师应不失时机地挖掘这些内容，有目的地培养学生的想像力。根据中学物理教学的特点，笔者将想像归纳成如下五种类型。

一、运用理想性实验，培养非现实实验过的想像

理想性实验在物理学史中为意大利物理学家伽利略所首创，他在批驳亚里士多德的错误论、树立自己的正确观点的时候，使用了这一思维方法。如关于不同重量物体下落速度快的问题、惯性定律的提出都是用被现代物理学家所指的理想性实验所证明的。这种实验不用实际操作，说服力强，后来被许多杰出的物理学家所使用。理想性实验具有极强的想像性，是人们在大脑中构想的非现实存在的实验。实验者凭借想像中理想化的仪器和设备，在理想的条件下，进行理想化的“操作”和“观察”，依靠逻辑的力量来完成想像中的实验。

在中学物理中存在很多理想性实验，教学过程中要使学生掌握这一思想方法，使他们能够真正进入到理想化的境界，靠想像和逻辑思维来达到分析和理解问题掌握知识的目的，从而培养他们的想像能力。例如，高中课本“饱和汽和气压”一节，在建立汽和液的动态平衡的概念时，用的就是理想性实验方法。教材中设计了一个装有部分液体的密闭容器，引导学生想像这里面分子的运动状态。在这个实验中学生并不能真正观察到容器中分子的运动情况，但这个过程靠想像运用已有的知识是能够达到的，这就是理想化的观察。最后要使学生在脑海里想像出在单位时间内回到液体中的分子数等于从液面飞出的分子数这一动态平衡的图景。又如，在建立理想气体压强的概念时，教材中设想一个分子与器壁发生完全弹性碰撞的理想化实验的情景。运用动量定理、牛顿第三定律等已知逻辑力量对气体压强进行微观解释。在这里需要引导学生想像分子为一个弹性小球，对它的碰撞行为用已知的实验进行想像中的观察。

在教学中有些内容需要教师努力创设情境，引导学生进行理想化的想像。如在讲牛顿第一定律时，可以引导学生在脑海里想像出伽利略的理想斜面，让他们想到斜面是绝对光滑和无限延长的。当一个光滑小球下滚时将无限加速，当上升时将减速，最后停下来，当在一个平面上时既无加速原因也没有减速原因，在给它一个初速度后，小球将永远以这个速度滚动下去。这样在教师步步引导的理想化实验中，牛顿第一定律在学生脑海中牢固而深刻地建立起来了。理想化实验难度较大，需要教师多想办法创造想像的情境。

二、寻求不同事物的共性，培养类比性的想像

类比是一种重要的思维方法，许多创造性思维是在类比中产生的，许多重大发现也是在类比中诞生的。根据不同事物之间在某些方面相似而建立起联系，以便于解决问题，其建立联系的桥梁便是想像。类比性想像使事物之间建立起联系，从解决一问题的方法中得到对另一问题解决方法的启迪。因此，在物理教学中要大力加强对学生类比、联想的想像能力的培养。如课本上一道题，如图1所示，计算密封在玻璃管里的空气的压强，图中h表示水银面的高度差。对于初学者由于没有见过此种类型，教师可引导学生把它想像到已知熟悉的类型中，如图2所示。

这样的想像抓住问题的本质特征，把原来复杂的问题想像成我们熟知的类型，而使问题迎刃而解。类似这样的想像如能在学生头脑中迅速进行，对解决较复杂问题将十分有利。再如，中国物理学会第一届学生物理竞赛第一试题第一部分中有一道题：图3中A是质量M的木块，B是一质量为m的铁块，共浮在水面上，若将铁块取下直接放在水中，最后杯水面的高度。

这一问题如果以计算体积来求，即求B放在A上和放在水中两种情况下A和B排开水的体积将浪费时间。但是我们知道，如果A全部没入水中这种情况很好求解。因此，作一类比想像，设想使B质量增大到把A全部没入水中，如图4，这一特殊情况不影响计算结果，使问题大为简化。显然，在图4的情况下若把B拿掉，A将露出水面一部分，如图5，A上面露出部分排开水的重量等于B的重量。因此，露出的体积应大于B的体积，所以水面下降。可见，通过类比想像能使很多难于解决的复杂问题找到简易的捷径。

三、探求解决问题的简单途径，培养假说性的想像

很多物理问题原本非常复杂，但如果弄清事物的本质，在研究问题时作适当的假设，复杂的问题一下子变得简单易解，这里的假设需要的是想像力。由于这种想像是非真实性的，因此，我们也称之为假象、虚设想像。这是种处理问题很有效的方法。例如，设有垂直于地面且互相平行的两堵墙A和B，两墙水平距离为L。从距地面高h的A点以初速度V水平抛出一小球，球与墙的碰撞都是弹性碰撞，问小球落地点距的水平距离有多远？落地前与墙发生了几次碰撞？

这个问题如果一步步地计算出每次碰撞后小球下落的距离是相当麻烦的。分析物理过程：小球发生的是弹性碰撞，每次碰撞后速度大小不变，且入射角与反射角相等。根据这些条件，这样可以把它假设成一次平抛运动。小球所走的水平距离与在墙内所走的水平距离之和是相称。设碰撞n次，落地点距A水平距离为x，从而。由此求出，用它除以L，取整数就是碰撞次数n。若小球落地前碰到A上，n为偶数，x＝s－nL；若小球落地前碰到B上，n为奇数，x＝（n＋1）L-s。

在讲课时，若能适当地运用假想、虚想，有利于帮助学生理解复杂问题。比如，在讲浮力时，为使学生弄清浮力的大小等于物体排开液体的重量，可以让学生设想这样一个图景：在水中有一用线绑着的木块，现用手拉着这木块，如木块露出水面一半，显然手的拉力就是这木块一半的重量，如果这木块全部没入水中，手的拉力为零，这就意味着浮力等于液面下水的重量。进一步引导，浮力等于物体排开液体的重量。这样的设想对学生理解问题和解决问题都十分有益。

四、弄清物理过程的复杂性，培养空间想像

解决一个物理问题，关键是清楚物理过程，复杂的物理过程难于一下子认清，这需要借助于想像力，在头脑中形成正确的物理图像。而想像的依据是已知条件和物理规律。例如，1988年考试题第二大题第8小题：一物体放在光滑水平面上，初速为零。先对物体施加一向东的力F，历时1秒钟；接着又把此力改为向东，大小不变，历时1秒钟；如此反复，只改变力的方向，共历时1分钟。在1分钟内，

物体时而向东运动，时而向西运动，在1分钟末静止于初始位置之东。
物体时而向东运动，时而向西运动，在1分钟末静止于初始位置。
物体时而向东运动，时而向西运动。在1分钟末继续向东运动。
物体一直向东运动，从不向西运动。在1分钟末静止于初始位置之东。

这道题很多学生答错，关键是感觉物理过程复杂，不能够根据物理规律凭借想像形成正确的物理图景。在这里形成正确的物理图景的关键是把复杂问题分解想像出这样的过程：

物体具有向东的初速度，现向西施加一恒力，此物体要做匀减速运动，方向继续向东。这样上面的物理图景就清楚了。物体先做匀加速运动1秒钟，再做匀减速运动I秒钟，之后再做匀加速运动1秒钟，这样循环往复，一直向东运动，直到1分钟末停止，由此很明显选择D。学生往往因为经验干扰，加上过程复杂。而一下能在头脑中想像出正确的物理过程。

五、运用直观的比喻，培养形象化的想像

在物理学中，由于很多物理现象不直观，尤其是近代物理中有很多深奥抽象的物理现象，学生对其内部过程很难想像和理解。因此，只能借助于我们已有的物理经验进行形象化的模拟帮助想像和理解。如电场中的电力线、磁场中的磁力线都是形象化的描述电场和磁场性质的。

在讲分子运动论时为了阐明分子的大小，教师可做如下形象的比喻启发学生想像：乒乓球直径约为3．8厘米，而地球直径约为127420千米，如果把乒乓球放大到地球那么大小，分子放大同样倍数，才只有乒乓球那么大。

在讲原子内部能级时，学生往往很难理解，对原子内部能量为负值，而且只能存在不连续的量子化状态，想像困难。教师可以运用形象的比喻帮助学生模拟想像。例如，做这样的比喻：原子中的电子好像是在井下的一个小球，要把它拉上来，外力要给它做功，因此，它的能量是负值。假如在井下立一个梯子，每一个阶梯相当于能级，电子在不同的阶梯上相当于处于不同的能量状态，显然能级是不连续的。当电子处于井底时能量最低，也最稳定，就是基态，当电子处于其他较高能级时就是激发态。

以上就中学物理常用的和主要的想像类型做了讨论，这些类型不是孤立的，在解决问题或探索新知的过程中往往是它们的互相融合。

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