如何在物理教学之中培养学生的形象思维能力

如何在物理教学之中培养学生的形象思维能力如何在物理教学之中培养学生的形象思维能力

大学物理的“分子运动论〞局部的内容是以后理论物理局部学习的重要根底，不仅在知识方面而且在能力方面都需要为以后打下坚实的根底，因为该局部知识的学习波及人们不易直接察看的微观领域，许多情景需借助于一定的形象思维并结合教学推演及为突出主要矛盾作出的一些若，来对问题进行研讨，这样就使初学者在学习上有一定的难度，学习效果不好，造成畏难情绪，为后续理论课的学习带来困难，这必须引起我们的高度重视。这方面决不能仅仅以为学懂了几条原理，记住一些结论公式，会解几道题，就算到达了教学目的，最基本的应是把学生的能力培养起来。对于这个问题，我们作了如下几个方面的尝试。

一、学生的思想准备方面

对该门知识的学习难度方面作一定的强调，使学生有一定的思想准备。要向学生指出，该方面知识的学习与以往力学知识学习的比拟，直观性不强，较多地用形象思维方式对问题进行探讨，并且将大量地应用统计数学方面的知识，而这两方面正是初学者不太熟悉的。但同时更重要的是要大力激励学生，打破尴尬情绪和神秘感。告诉他们，只要勇于动脑，肯于动脑，即使碰到“难关〞，也能挺过去。之所以事先要给学生讲一下，是因为假设他们思想上无准备，思维办法不能即时更新，学习效果就将是事倍功半，学生会感到很困难。

二、学生的思维能力准备方面

关于统计的办法，许多教参书都谈到“统计物理的规律和动力学规律一样，都是物质世界的客观规律，用统计规律的办法描述客观规律同样是精确的和深刻的〞，对于这段话，学生们在初次接触时，总是不以为然。

向题出在哪里？原来学生们由于以往的学习，形成了一种模式，总认为了解一个事物，要一个个地分别探讨才准确、才深刻，把假设干个体“合着〞研探只能是个“大略〞，谈不上精确、深刻。这说明学生对新课题、新思想、新思维的不习惯，思维还约束在原有的理论水平上，没有跨越。如果在这一根本问题上不过“关〞，那以后学生对在统计意义上研究的许多问题可以说都会感到不踏实、难理解，并且更重要的是不能正确地理解和掌握统计的规律和公式。

为了解决这个问题，我们举了许多现实例子来反复予以阐明。

一个例子是：假如我们要了解一个学校的学生学习情况，从学校整体来探讨有没有意义呢？〔提示学生：对本年度与上年度学习状况相比拟、校际之间进行比拟……等〕，怎样比拟呢？取一个学生来考虑行吗？看平均值行吗？比单科还是全部学科？只比多少人考上重点学校行吗？……等等。

又一个例子，二个电视机厂生产的电视机，一个厂拿出5台来，全部合格。而另一厂拿出一千台来有5台不合格。这种情况下，二厂的产品好比拟优劣吗？再说，如你用到一台电视机，光从这一台的质量能否断定该厂电视机的质量呢？

再一个例子，就是衡量一个国家的国民收入。只看国民总收入行吗？或者只看平均收入就行吗？

通过类似以上的许多实例，可使学生逐渐体会到统计规律描述客观事物的必要性以及各种场合下统计规律的适用范围，从而对统计规律描述客观事物同样是准确的、深刻的，印象就深刻多了。

三、教学中的形象比喻方面

分子运动论的教学内容中，统计概念及其相应的定义、公式是很重要的方面，但微观过程的描述、分析几乎都是在有限实验根底上于想象中运用所谓“思维实验〞的方式进行。这对于许多形象思维能力较差的学生来说无疑是很吃力的事情。因此用现实中形象化的例子进行类比以提高学生形象思维的能力就显得十分重要。这一方面可使学生有具体形象可循，加深问题的理解，牢固地掌握知识，另一方面又可使学生的形象思维能力逐步得以提高。

譬如：对于麦克斯韦速率分布函数的教学，学生们初次接触，总是不大理解，既然气体分子处于平衡态，为什么还要来探讨其速率分布呢？关于这个问题，个别教参书上用所谓“分子筛〞的过滤办法，将分子接速率分类，虽然比拟形象，可学生们还是感到迷惘。因为“速度筛〞的比喻使学生感到“筛〞过去的分子就离开了原集体，成为“割离〞状态，与原分子集体相关性少了。我们在这局部的教学中，不用“速度筛〞而用“速度门〞的比喻。把分子们的运动用各种不同速率的“速度门〞控制进出。作为速率分布的探讨，暂把“门〞控制为只进不出。等分子们一个个“就范〞后，就可从各空间间隔内留住的分子数了解其分配情况，亦即速率分布了。再进一步考虑把“速度门〞的“尺寸〞差异尽可能减小，到一定极限，其速率分布函数满足数学意义的连续了。假设其“门〞翻开，分子们将出来互为“掺合〞但这并不影响分子们按速率分布情况，平衡态仍是原来意义下的平衡态。

再以气体内的输运现象为例。分子们由于本身具有的无规那么运动的固有特性，且因不均习性造成某种物理意义下的运动，即扩散、传导、粘滞现象的出现。与相应宏观实验下得到的规律比拟，得到的三种迁移系数需进行微观过程的推导，而在此情形下，形象的比喻与思维尤其显得重要。

譬如，在探讨其热扩散时，我们是以二个所谓“分子队伍〞拟人化地整齐互穿参考面△S来表明分子质量的迁移的。这样比喻的好处是几个重要的若前提均可包含于这“分子队伍〞的意义中。因为参考面的法向沿着扩散方向，速率均考虑平均值，队伍当然是整齐的。

对于“热传导〞现象，其情况也可用“分子队伍〞的比喻。只是二队伍分子们的能量大小不同。而扩散情况下，二分子队伍需整齐，但是密度不同。

对于粘滞现象，其微观研究推导中，作为某层分子们定向迁移速度，我们作了这样的形象比喻，在一长长的列车平板上，有假设干人在其上自由运动，但就总体而言，由于列车在前进，有一稳定速度，人们都有这一速度，这速度就好像定向迁移速度，它附加于杂乱运动的人们整体上。假设有两列这样的列车，速度不等互相平行紧靠近而运动，这时两车上人们互相对跳对方列车上，此时二列车动量将发生变化，动量的改变与相应时间的比值就显示粘滞力的作用来。

在以上形象的比较下，学生们由于有具体的形象可捉摸，再结合根底的物理知识，于是使学生除了较易理解气体内迁移的微观图景外，形象思维的能力也逐渐得以提高。这将使他们在以后学习更高层次的微观世界时，既体会到数理逻辑推证的严密性，又学会用现实可见的形象作类比，增强理解新概念。

四、教学中应注意的方面

在分子运动论的教学中，在运用形象比喻时，还应注意到并不是什么时候都可找到恰当的例子的。要避免为比喻而乱举例，就是较恰当的形象比喻，其对象的特点也不能过多波及，因为学生有时会钻牛角尖而搞乱思维，反而造成对问题理解的误解。示例：在速度分布函数的比喻中，学生对“速度门〞的比喻很易问到：“谁在管‘速度门’？门径大小是什么样子？〞，这就要把握好思维，不让其引伸。同时，应立即向学生表明，目前所用比喻，只是为了表明问题，用“速度门〞的主要特点帮忙理解，不能完全机械的死套形象。

此外，作为形象思维的比较，不要随意乱画图。譬如，为推导气体压强公式，波及分子对器壁的撞击时，有教师画一个人来回碰璧运动，似乎拟人化的图象更表明问题。可是作为分子与壁是弹性碰撞这一特点就不好讲分明了。

总之，波及分子运动论的教学，因深入其微观领城，分子们的运动一般不易察看。目前我国物理实验伎俩不完备，加上学生又是刚开始接触统计规律方面的知识，尽管形象的比喻要十分慎重，但有些重要的概念、推理，在结合他们已有的许多感性知识的根底