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)中需要突破的一個難點所在.然而在實際物理教學(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“對客觀事物的空間形式及其符號表示想象和再造想象的能力”.按心理學(xué)觀點來看: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,人們就自然會想到立體幾何;實際上高中階段學(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)中常需要分析某個立體空間,研究三維空間中物體的受力和運動;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),其物理知識的學(xué)習(xí)狀況會越好.

從調(diào)查中我們可以發(fā)現(xiàn),擁有較強(qiáng)的空間想象能力對學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識具有一定的優(yōu)化和降低學(xué)習(xí)門檻的作用,同時也能有效的提高學(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、場在空間中的分布以及場隨時間改變的情況等),還包括能夠?qū)⑽锢矸柡蛨D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)生對信息的提取、加工和遷移,從而影響物理知識的學(xué)習(xí).

2.1 聯(lián)想能力有差異 影響學(xué)生對信息的提取

所謂聯(lián)想是人們在頭腦中把一事物與另一事物聯(lián)系起來,從而將對一事物的思想或表象推移到另一事物上去的認(rèn)識形式和思維方法.聯(lián)想一般可以分為類比聯(lián)想、逆向聯(lián)想、推測聯(lián)想等.由于物理知識具有一定的抽象性,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的學(xué)習(xí).實驗結(jié)果顯示,在物理知識的學(xué)習(xí)中,學(xué)生在簡單的類比聯(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,大部分同學(xué)能聯(lián)想到庫侖定律公式而在較復(fù)雜的類比聯(lián)想、逆向聯(lián)想、推測聯(lián)想水平上差距很大.又如,大多數(shù)學(xué)生會求解僅在重力場作用下,小球在豎直面內(nèi)做圓周運動的相關(guān)問題,而只有少數(shù)學(xué)生會把此類情景聯(lián)想到復(fù)合場中的同類問題的求解上.在學(xué)習(xí)新知識的時候,聯(lián)想能力好的學(xué)生,很容易從頭腦中提取出與新知識相關(guān)的知識,從而在新舊知識間建立起關(guān)系,完成新舊知識的同化.例如,學(xué)習(xí)到磁感線的分布特點時,能否聯(lián)想到電場線的相關(guān)特點并加以比較;在學(xué)習(xí)電場中的偏轉(zhuǎn)時,能否聯(lián)想到平拋運動等等.這都很大程度上影響到新知識的接受和鞏固.

2.2 觀察能力有差異 影響學(xué)生對信息的分析

學(xué)生的觀察能力是導(dǎo)致其空間想象能力產(chǎn)生差異的一個重要因素.因為空間想象能力是現(xiàn)實中已有模型或符號在頭腦中建構(gòu)的水平,那么要正確建構(gòu)這些模型和符號,就必須有較強(qiáng)的觀察能力.從信息論觀點看,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,在物理知識學(xué)習(xí)過程中,必須重視一些實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)原點斜向上射入折射率沿y軸正向逐漸減小的某介質(zhì),請同學(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)生對信息的遷移

在物理知識的學(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)生對信息的遷移.物理知識是一個理論性和邏輯性很強(qiáng)的知識體系,教師不可能在課堂有限時間內(nèi),把所有相關(guān)知識一一介紹給學(xué)生,所以在學(xué)習(xí)物理知識和解決問題時,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之間進(jìn)行遷移,最終完成對知識的積累.例如,要選擇下列哪些電場可以使帶負(fù)電的粒子做勻速圓周運動,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正電荷形成的電場也可使帶負(fù)電的粒子做勻速圓周運動.原因在于大多數(shù)學(xué)生只能想到等量同號正電荷電場的平面圖卻很少有人能夠?qū)⑦@個平面圖轉(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)行演示實驗的時候,要強(qiáng)調(diào)學(xué)生注意觀察,并說明觀察的對象和目的;在講授抽象的概念知識的時候,要注意聯(lián)系實際,便于學(xué)生理解和記憶.如講授“交流電的產(chǎn)生和描述”時,往往先提出問題“為什么線圈在勻強(qiáng)磁場中勻速轉(zhuǎn)動,就會產(chǎn)生交流電?”然后就開始推導(dǎo),把速度分解,和磁場垂直的分量切割,平行的分量不切割,轉(zhuǎn)過的角度是多少等等,最后得出瞬時電動勢的公式ε=E sinωt,所以說是交流電.這樣的講授,就不如讓學(xué)生到實驗室,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,既生動又直觀.

3.2 強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識和剖析圖形的能力

在物理教學(xué)中,教師要注重強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識、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).同時適當(dāng)?shù)貙W(xué)生進(jìn)行相應(yīng)的圖形識別訓(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)生將已有的知識按一定的關(guān)系分類歸納,將雜亂的知識在腦中構(gòu)建成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使知識系統(tǒng)化,便于學(xué)生在學(xué)習(xí)新知識和解決問題時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)的重點難點之一,只有在學(xué)生的頭腦中儲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)動其想象的積極性,并通過各種圖像的靈活運用,達(dá)到培養(yǎng)、提高的目的;同時通過一系列的訓(xùn)練,也培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力和解決問題的能力.