周久

(南京師大附中,江蘇 南京 210003)

眾所周知,“威爾遜云室”是由英國物理學(xué)家威爾遜發(fā)明的.“威爾遜云室”的基本原理是利用純凈的蒸氣做絕熱膨脹,使溫度降低達(dá)到過飽和狀態(tài).當(dāng)帶電粒子射入后,在經(jīng)過的路徑上產(chǎn)生離子,過飽和氣以離子為核心凝結(jié)成小液滴,從而顯示出粒子的徑跡.威爾遜是怎樣想到利用這個(gè)原理的?這與他的一段經(jīng)歷有關(guān).威爾遜曾于1894年在英國的本內(nèi)維斯峰天文臺(tái)小住了數(shù)周,山峰間云霧飄渺的風(fēng)景給他留下了深刻的印象.1895年,卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任湯姆遜給了他一項(xiàng)任務(wù),要他設(shè)計(jì)一種能夠顯示出電子徑跡的儀器,他想起了那一段經(jīng)歷,山峰間神奇的云霧現(xiàn)象給了他靈感,經(jīng)過多次試驗(yàn),終于在1896年成功地制造出了“威爾遜云室”.

與其他重大發(fā)明或發(fā)現(xiàn)一樣,威爾遜這項(xiàng)發(fā)明充分彰顯了思維的巨大力量.

思維的發(fā)展在人的發(fā)展中起著舉足輕重的作用.人為什么是地球上最偉大的生靈?因?yàn)槿祟惸軌蜻M(jìn)行高級(jí)思維.正如恩格斯所說,思維是地球上最美麗的花朵.有學(xué)者曾說過,人類的最后一條“高速公路”架在哪里?就架在思維的時(shí)空中,人的發(fā)展要實(shí)現(xiàn)超越,思維的超越才是真正的超越.還有學(xué)者說過,人類的偉大在于思想的偉大,人類唯一的匱乏在于思想的匱乏,更好的思維會(huì)使這個(gè)世界更加美好.

教育承載著教書育人的偉大歷史使命.我們應(yīng)當(dāng)育什么樣的人?育人格健全的人.所謂人格,就是指一個(gè)人在社會(huì)化過程中形成和發(fā)展的思想、情感及行為的特有統(tǒng)合模式,而在人的行為中,思維是最為重要的要素之一.

一位詩人說過:教育不是要注滿一桶水,而是要點(diǎn)燃一把火.這把火是什么火?筆者以為主要是思維之火與創(chuàng)造之火.教育就是教人去思維,教人怎樣去思維,教人如何更深刻地思維.學(xué)生思維能力的培養(yǎng)主要通過課堂的學(xué)科教學(xué)實(shí)現(xiàn).筆者以為學(xué)科教學(xué)有3個(gè)維度,這就是學(xué)科知識(shí)、學(xué)科思維和學(xué)科文化.學(xué)科思維是學(xué)科的內(nèi)核,學(xué)科思維體現(xiàn)了學(xué)科的獨(dú)特的價(jià)值和無窮的魅力.從學(xué)生的素質(zhì)角度看,思維品質(zhì)是學(xué)生最重要的素質(zhì),因此,應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生進(jìn)入思維的世界,讓學(xué)生進(jìn)入思維的世界的核心是對(duì)學(xué)生思維品質(zhì)的培養(yǎng).

物理學(xué)科是自然科學(xué)的一門重要學(xué)科,物理學(xué)給人類最寶貴的貢獻(xiàn)是物理學(xué)獨(dú)特的思維方法.物理教學(xué)的課堂應(yīng)當(dāng)重視培養(yǎng)學(xué)生思維的多樣性,既要培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力,也要重視培養(yǎng)學(xué)生的形象思維、直覺思維、靈感思維、聯(lián)想思維和推理思維等等.雖然由直覺、靈感等非邏輯思維得到的結(jié)論并不一定都是可靠的,但是人類的科學(xué)發(fā)展史發(fā)展表明,這些思維無疑是最重要的科學(xué)思維.

譬如,“威爾遜云室”的發(fā)明就是形象思維與聯(lián)想思維綜合的產(chǎn)物.

譬如,直覺就是個(gè)好東西.如果說邏輯是思維的結(jié)果,那么直覺就是思維的騰飛.愛因斯坦說過,真正可貴的是直覺.培根也說過,人類主要憑機(jī)遇和直覺而不是邏輯發(fā)現(xiàn)了藝術(shù)和科學(xué).

什么是直覺思維呢?沒有經(jīng)歷明確的邏輯步驟而獲得結(jié)論的思維就是直覺思維.

在物理學(xué)研究最簡單的變速運(yùn)動(dòng)時(shí),伽利略設(shè)想,最簡單的變速運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是均勻變化的,但是,速度的變化怎樣才算均勻呢?他考慮了兩種可能:一種是速度的變化對(duì)時(shí)間是均勻的;另一種是速度的變化對(duì)位移是均勻的.伽利略的判斷是,速度隨時(shí)間均勻變化的直線運(yùn)動(dòng)是最簡單的勻變速運(yùn)動(dòng).伽利略的這個(gè)正確判斷就是運(yùn)用直覺思維的結(jié)果.

直覺思維與科學(xué)猜想往往是相伴的,培養(yǎng)學(xué)生的直覺思維必須經(jīng)常鼓勵(lì)學(xué)生大膽地猜想,我們?cè)诮虒W(xué)中必須保護(hù)學(xué)生的猜想意識(shí).

圖1

例1.如圖 1所示,忽略空氣阻力的影響,當(dāng)物塊從一定高度自由下落,壓縮彈簧至速度為零的時(shí)刻(彈簧始終在彈性限度內(nèi)),物塊的加速度大小是比重力加速度大還是小?

對(duì)該題的判斷主要依據(jù)猜想,而猜想的依據(jù)是運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱性,利用對(duì)稱性的判斷就是一種直覺思維.

譬如,科學(xué)推理是重要的.科學(xué)推理是抽象思維能力的一種表現(xiàn).

伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)對(duì)牛頓第一定律的建立起到舉足輕重的作用.現(xiàn)行教材中在描述伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)時(shí)有這樣一段敘述,“若將后一個(gè)斜面放平,球會(huì)滾動(dòng)多遠(yuǎn)?結(jié)論顯然是,球?qū)⒂肋h(yuǎn)滾動(dòng)下去.”

我們可以問學(xué)生,這個(gè)結(jié)論中的“顯然”在哪里?事實(shí)上,這里的“顯然”是建立在科學(xué)推理的基礎(chǔ)之上的,沒有科學(xué)推理的過程就不能得出正確的結(jié)論,換句話說,這里的結(jié)論并不是“顯然”的.

物理課堂教學(xué)也應(yīng)當(dāng)重視培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性,因?yàn)樵谒季S品質(zhì)的要素中,靈活性是十分重要的.思維的靈活性屬于發(fā)散性思維的范疇.發(fā)散性思維就是人們沿著不同的方向、采用不同的視角去思考問題.它具有多向性、靈活性和敏捷性的特點(diǎn).當(dāng)思維方向進(jìn)入“山重水復(fù)”的境地時(shí),如果轉(zhuǎn)變一下思維的方向,可能就會(huì)“柳暗花明”.

如何培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性呢?引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)常變換角度看問題是一種有效的途徑.筆者經(jīng)常跟學(xué)生說:換個(gè)角度看問題,可能看到另一個(gè)世界,可能發(fā)現(xiàn)一片新的天地.

圖2

例2.如圖 2所示,設(shè)空間存在豎直向下的勻強(qiáng)電場和垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場.已知一個(gè)離子自A點(diǎn)從靜止開始運(yùn)動(dòng),在電場力和洛倫茲力的作用下,該離子沿曲線ACB運(yùn)動(dòng),到達(dá)B點(diǎn)時(shí)速度為零,C點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn),忽略重力.若已知 E、B、m、q,能否求出離子到達(dá)C點(diǎn)時(shí)的速度大小?

考察離子從A點(diǎn)至C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),對(duì)離子水平方向的分運(yùn)動(dòng)運(yùn)用動(dòng)量定理和對(duì)整個(gè)過程運(yùn)用動(dòng)能定理,就可求出正確的結(jié)果.這是一種能量與動(dòng)量相結(jié)合的分析思路,這也是一種常用的分析思路.換一個(gè)角度思考問題,解決這個(gè)問題還可以采用別出心裁的獨(dú)創(chuàng)性思維,即構(gòu)造一對(duì)大小相等的速度,從而得到兩個(gè)分運(yùn)動(dòng):勻速直線運(yùn)動(dòng)與勻速圓周運(yùn)動(dòng),這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)軌跡就是離子運(yùn)動(dòng)的軌跡.由這兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)的速度迭加也可求出正確的結(jié)果.這是一種基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析思路.這種從能量與動(dòng)量相結(jié)合的思路轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)學(xué)的思路,正是體現(xiàn)了思維的靈活性.

物理學(xué)科是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué),物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課堂教學(xué)的主要內(nèi)容之一,我們可以通過物理實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)來培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性.

譬如在“探究加速度與力的關(guān)系”這一探究性實(shí)驗(yàn)中,關(guān)鍵是要測出小車運(yùn)動(dòng)的加速度值或比較不同控制條件下的加速度.我們可以讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)思路,并讓學(xué)生對(duì)自己的多種設(shè)計(jì)方案做出評(píng)估與選擇,而在這種設(shè)計(jì)、評(píng)估和選擇的過程中,學(xué)生的思維空間就被打開了.在本實(shí)驗(yàn)中,小車會(huì)受到斜面的滑動(dòng)摩擦力,如何消除斜面對(duì)小車摩擦力的影響?我們也可要求學(xué)生進(jìn)行方案的設(shè)計(jì),并在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)不同的方案做出評(píng)估,進(jìn)而在評(píng)估的基礎(chǔ)上選擇方案.

思維的靈活性不僅反映了思維的品質(zhì)與品位,也是抑制思維定勢(shì)負(fù)面作用的重要法寶.心理學(xué)的研究表明,思維定勢(shì)是一種經(jīng)驗(yàn),也是一種反應(yīng)傾向,它使人的思維循著某種習(xí)慣性的思路進(jìn)行,因此它對(duì)于解決同樣情境的問題具有較高的成功率.但是,思維定勢(shì)的負(fù)面作用不可忽視,思維定勢(shì)會(huì)使人自以為是,當(dāng)面臨新問題的時(shí)候,它會(huì)阻礙人們接受新的事物.顯然,思維定勢(shì)與人的創(chuàng)造力發(fā)展是背道而馳的.

對(duì)于思維定勢(shì)的負(fù)面影響,讓它充分地暴露和通過相似模型進(jìn)行比較是克服它的好辦法.值得指出的是,在克服思維定勢(shì)負(fù)面影響的過程中,學(xué)生思維的周密性將會(huì)得到完善,而思維的周密性是思維品質(zhì)的一個(gè)重要特征.

例3.在演示了“法拉第圓筒”實(shí)驗(yàn)后,可以向?qū)W生提出這樣的問題:如果用一根導(dǎo)線將帶電的金屬球殼(相當(dāng)于法拉第圓筒)的內(nèi)表面與驗(yàn)電器連接(如圖3所示),驗(yàn)電器的箔片是否會(huì)張開?為什么?

圖3

這個(gè)問題,對(duì)于多數(shù)學(xué)生來說是一道越不過去的“坎”,且每屆學(xué)生都會(huì)重復(fù)同樣的錯(cuò)誤,很少有學(xué)生發(fā)現(xiàn),用小球接觸圓筒內(nèi)表面后跟驗(yàn)電器接觸,與用導(dǎo)線連接圓筒內(nèi)表面跟驗(yàn)電器這兩種現(xiàn)象間的差異.究其原因,是思維定勢(shì)的負(fù)面影響在作祟.將這兩種貌似相同的模型放在一起,學(xué)生在犯錯(cuò)后通過比較與鑒別就會(huì)一下子恍然大悟.

在物理課堂教學(xué)中,學(xué)生的思維能否靈動(dòng)起來與教師的教學(xué)模式是有很大關(guān)系的.因?yàn)橐磺兴季S都是從問題開始的,所以筆者倡導(dǎo)“以問題為中心”的課堂教學(xué)模式.

所謂“以問題為中心”的課堂教學(xué)模式,就是將問題作為學(xué)科知識(shí)建構(gòu)與誘發(fā)學(xué)科思維的載體,以整體設(shè)計(jì)的平行問題組、遞進(jìn)問題鏈或輻射問題簇串聯(lián)于整個(gè)教學(xué)過程,并恰當(dāng)?shù)厍度敫鱾€(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中.以教師的問題誘導(dǎo)使學(xué)生產(chǎn)生疑問,進(jìn)而提出問題,或者教師設(shè)計(jì)情境啟發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題,通過師生對(duì)話、學(xué)生獨(dú)立思考或討論等方式解決問題,而在解決問題的過程中使學(xué)生獲得體驗(yàn),喚起學(xué)生思維的活力,并實(shí)現(xiàn)“知識(shí)與技能,過程與方法,情感態(tài)度與價(jià)值觀”的有機(jī)融合,從而促進(jìn)學(xué)生全人格的健康發(fā)展.在“以問題為中心”的課堂教學(xué)中,教師設(shè)計(jì)并提出的問題要戒多忌平庸,即在課堂教學(xué)中不要一味地追求問題的數(shù)量,而應(yīng)當(dāng)關(guān)注問題的質(zhì)量與品質(zhì).教師設(shè)計(jì)的問題應(yīng)當(dāng)是有意義的問題,有價(jià)值的問題,或者是能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的問題.

譬如學(xué)習(xí)“磁場”第一節(jié),可以用這樣的問題導(dǎo)入:候鳥在每年一度的大規(guī)模遷徙中能夠準(zhǔn)確無誤地飛行,是什么為它們進(jìn)行了準(zhǔn)確的導(dǎo)航?

教師設(shè)計(jì)的問題不僅要有意義、有價(jià)值、有興趣,還要有挑戰(zhàn)性,而問題的挑戰(zhàn)性強(qiáng)弱正體現(xiàn)了思維品質(zhì)的要求.

譬如,在學(xué)習(xí)“法拉第電磁感應(yīng)定律”時(shí),可以設(shè)計(jì)這樣的問題:教材中說“閉合電路常常是一個(gè)匝數(shù)為 n的線圈,而且穿過每匝線圈的磁通量總是相同的.由于這樣的線圈可以看成是由n個(gè)單匝線圈串聯(lián)而成的,因此整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是單匝線圈的 n倍,即你對(duì)這段話有沒有疑問?這個(gè)問題可以使學(xué)生更準(zhǔn)確、更深刻地理解法拉第電磁感應(yīng)定律,同時(shí)從中也培養(yǎng)了學(xué)生追問的習(xí)慣和敢于懷疑的科學(xué)態(tài)度.

教師設(shè)計(jì)的問題不僅要有意義、有價(jià)值、有興趣、有挑戰(zhàn)性,還要設(shè)計(jì)出讓學(xué)生產(chǎn)生懷疑的問題.正如物理學(xué)家費(fèi)爾曼曾經(jīng)指出的:“在科學(xué)中,懷疑是舉足輕重的.”有懷疑才能有深刻的思維.英國著名的哲學(xué)家培根也說過一句極富有哲理的話:“如果你從肯定開始,必將以譬如說,在講“萬有引力定律的問題告終;如果你從問題開始,則將以肯定結(jié)束.”這說明沒有懷疑就沒有真正的確信.科學(xué)的發(fā)展史表明,沒有懷疑,就沒有科學(xué).

能夠激起學(xué)生懷疑的問題,通常應(yīng)當(dāng)是似乎沒有疑義的“定論”.應(yīng)用”時(shí),教師可以提出這樣的問題:在同步軌道上互成120°分布3顆同步衛(wèi)星能夠?qū)崿F(xiàn)真正的全球衛(wèi)星通信嗎?

教師設(shè)計(jì)的問題通常還需要有遞進(jìn)性的特征,這樣才能將學(xué)生的思維引向深入與深刻,才能促進(jìn)學(xué)生思維品質(zhì)的優(yōu)化與思維品位的提升.

例如在“測定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,可以設(shè)計(jì)這樣的遞進(jìn)性問題鏈.

問題1:為什么不用一只電流表(或電壓表)與電阻箱去測電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻?

問題2:用一只電流表(或電壓表)與電阻箱做該實(shí)驗(yàn),運(yùn)用作圖法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一定不能得到較準(zhǔn)確的結(jié)果嗎?

問題3:如果你認(rèn)為能夠得到較準(zhǔn)確的結(jié)果,那么你有哪些具體的方案?

上述問題組中的后兩個(gè)子問題對(duì)學(xué)生的思維是富有挑戰(zhàn)性的,是培養(yǎng)學(xué)生思維的深刻性與靈活性的好素材.

在實(shí)施“以問題為中心”的課堂教學(xué)模式中,不僅需要教師精心地設(shè)計(jì)問題,更為重要的是,教師要善于對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟疑.教師應(yīng)當(dāng)尊重學(xué)生課堂上提問題的權(quán)力,教師應(yīng)當(dāng)保護(hù)學(xué)生提問題的積極性,教師應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生敢于提出問題.這對(duì)于學(xué)生形成靈動(dòng)的思維是至關(guān)重要的.

一個(gè)人能否經(jīng)常地提出問題,是一個(gè)人創(chuàng)造性能力高低的重要標(biāo)志.一個(gè)人有沒有思想?關(guān)鍵是能不能獨(dú)立思考與獨(dú)立判斷,能否在思考與判斷的基礎(chǔ)上懷疑事物和進(jìn)行質(zhì)疑.正如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)委會(huì)主席桑?斯萬伯格所說的,傳播已確定的真理固然重要,但教會(huì)學(xué)生質(zhì)疑傳統(tǒng)思維則更為重要.

懷疑與質(zhì)疑是一種意識(shí),是一種習(xí)慣,是一種能力,更是一種精神.在教學(xué)中教師應(yīng)當(dāng)精心呵護(hù),耐心培育.

我們應(yīng)當(dāng)追求這樣的課堂,讓學(xué)生的思維靈動(dòng)起來,使學(xué)生成為智慧的人,這是高質(zhì)量的素質(zhì)教育對(duì)我們提出的要求,這當(dāng)然也是我們應(yīng)當(dāng)追求的課堂教學(xué).

1 郭道勝.讓學(xué)生進(jìn)入思考的世界.濟(jì)南:山東人民出版社,2006.53,85,220

2 郭亨杰.思維的拓展.南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2000.44

3 田世昆,胡衛(wèi)平.物理思維論.南寧:廣西教育出版社,1996.15

4 張楚廷.課程與教學(xué)哲學(xué).北京:人民教育出版社,2003.140,364