物理思维的智力结构模型
物理思维的智力结构模型
本文对物理思维的智力结构给出一个三维的集合模型，并在此基础上对思维能力的培养、思维教学的策略以及怎样摆脱“题海大战”等问题作一些探讨。
模型
物理思维是一个信息处理系统，其智力结构可用图1所示的模型来表示。它有三个智力维模式
模式
思维是人脑加工信息得出科学结论的心智活动过程，一般说来，它包括若干个环节，形成连贯的思维操作序列或程序。在一定的知识度，每个智力维度包括4～7个智力因子。考虑到各智力因子的不同组合，共可形成150多个思维元素。对于简单的物理思维活动，其智力构成仅对应于一个思维元素；对于复杂的思维活动，其智力构成需要用几个思维元素的组合来表示。物理教学中思维训练的任务，就是根据智力结构模型，在学生的大脑中塑造思维元素集合，形成完整的物理信息处理系统。领域内，思维活动中操作的程度是相对固定的，或者说遵循着某种格式，如同电脑解决问题时遵循软件规定的运算程序一般。这种程序化的思维格式，即思维模式。思维模式是较具体的东西，它跟知识内容紧密地联系在一起，属于最基本的物理思维能力。在中学物理领域内，重要的物理思维模式有以下数种：平衡──非平衡模式、守恒──不守恒模式、磁场模式、电路模式、光路模式，另外还有若干种不甚普遍的模式，均归入其它。试就力学中的主要模式举例说明。
平衡──非平衡模式这是经典物理中最基本的思维模式，由伽利略、牛顿创建。牛顿认为，自然界中的一切物体，不是处于平衡态，就必定处于非平衡态。如果处于平衡态，则它一定遵从平衡规律；如果处于非平衡态，则它一定遵从动力学定律。因此，任何力学问题，在原则上都可以按照下面的思维操作程序求解：1．选定研究对象，分析它的运动情况，判定它处于平衡还是非平衡态；如果处于非平衡态，则还要确定它参与哪种典型运动（匀变速直线运动、匀变速曲线运动、圆周运动、简谐振动等）。2．分析受力情况作受力图。如果受力较复杂，还要进行力的分解与合成。3．根据平衡原理或动力学定律（有些复杂问题，还要配合运动学规律、几何关系等）进行推理，导出结果。
例如，质量m＝2．0千克的小铁块静止于水平导轨AB的A端。导轨及支架ABCD的形状及尺寸如图2所示，它只能绕通过支架D点的垂直于纸面的水平轴转动，其重心在图中的O点，质量M＝4．0千克。现用一细线沿导轨拉铁块，拉力F＝12牛，铁块和导轨之间的摩擦系数u＝0．50。重力加速度g＝10米／秒2。从铁块运动时起，导轨（及支架）能保持静止的最长时间是多少？
理解题意后，可选定小铁块为研究对象，它处于非平衡态，沿水平向右做初速为零的匀加速直线运动。再选取导轨（及支架）为研究对象，它处于平衡态。当小铁块在导轨上运动到离左端某距离处，导轨（及支架）过渡到将失去平衡的临界状态，此时支架的左脚C受到地面的支持力减为零。分别画出小铁块、导轨（及支架）的受力图，根据牛顿第二定律的有转动轴的物体的平衡条件列出方程，配合运动学公式，即可解得所求。
守恒──不守恒模式在力学中，除了从瞬时态的角度来研究运动和力的因果关系外，还经常从过程的角度来研究因果关系，以便更快地推出科学的结论。众所周知，在机械运动中，只有两种过程：守恒过程和不守恒过程。从能量的观点来分析，如果系统内只有保守力做功，则系统遵从机械能守恒定律；如果还有其它力做功，则遵从质点的动能定理。从动量的观点来分析，如果外力对系统的作用可以忽略，则系统遵从动量守恒定律；如果外力对系统的作用不能忽略，则系统内各质点遵从动量定理。因此，任何力学问题，在原则上又都可以按照下面的思维操作程序求解：1．选定研究对象（系统），分析受力情况，检查守恒条件是否成立。2．分析运动情况，选取运动过程，确定初态和末态的能量或动量。3．如果守恒条件成立，则根据守恒定律进行推理；如果守恒条件不成立，则应用质点的动能定理或动量定理推出结论。
思维模式是引导思维活动演进的程序。当若干个个别的思维活动具有相同或类似的操作序列时，就可概括化为某种思维模式。概括的实例越多，概括化的程度越高，模式的适用范围就越广、越普遍，相应的思维水平也就越高。例如守恒──不守恒模式不仅适用于处理力学问题，还可推广到热学的领域。各气体定律可纳入守恒定律的思维模式：当满足一定的守恒条件气体状态量的函数式（PV、P／T、V／T、PV／T）的值不变。内能与热功的关系，可纳入动能定理的思维模式：对于选定的变化过程，状态量内能的改变等于过程量功与热量之和。
引导学生对思维活动进行概括，是进行思维模式教学最有效的手段。现代心理学认为，中学生的思维水平处在由具体运思阶段向形式运思阶段过渡时期。在教学中常发现，有不少学生遇到问题时，往往从某个特定的条件出发，找公式，计算，反复尝试不同的方法，最后求得解答。其思维操作冗长（其中不少操作是多余的），解法不具有普遍性，这些学生的思维水平尚处在具体运思阶段。另有一部分学生，他们解题时胸有成竹，几乎不需尝试，就以简短的程序得出答案，解法具有普遍性。这些学生的思维水平已发展到形式运思阶段。为了促进思维能力的发展，在教学中要善于引导学生概括自己的思维过程，把新事物纳入已有的思维模式之中，促使思维模式愈益普遍、概括化，这是培养物理思维模式开展思维训练的基本教学策略。
技巧
物理思维技巧是物理方法的升华，它是创造性地解决物理问题、发展理论的源泉。如果说物理思维模式是某一知识领域内较具体的基本的思维能力，那么，物理思维技巧则是贯穿物理学各知识领域普遍适用的思维能力。物理思维技巧又是指导思维活动的策略，是思维活动中最关键的环节。中学物理常用到的思维技巧主要有：理想化、形象化、数模化、分选化、归比和类比。试就理想化和化归举例说明。
理想化 为了揭示复杂的物理现象的本质，物理学家往往采用“简化”的方法，对客体进行科学抽象。在制约着客体的众多因素里，把作用小、不影响本质的次要因素予以忽略，将事物抽象成只具有原事物主要因素的模型。所谓理想化，就是把客体抽象成模型的思维方法。
理想化是物理学中最重要的科学方法之一，中学物理教材几乎全都是在理想化思想指导下取得的人类智慧的结晶。自由落体运动、抛体运动、行星运动、单摆、理想气体、匀强电场、点光等等，无一不是理想化的过程或模型。下例说明在分析物理问题时，如何运用理想化的技巧，从而使问题化难为易的。
例如，在真空中速度为U＝6．4×107米／秒的电子束连续地射入两平行极板之间。极板长度为L＝80×10－2米，间距为d＝5．0×10－3米。两极板不带电时，电子束将沿两极板之间的中线通过，如图3所示。在两极板上加50赫兹的交变电压V＝V0sinωt如果所加电压的最大值V0超过某一值Vc时，将开始出现以下现象：电子束有时能通过两极板；有时间断，不能通过。
1．求Vc的大小。 2．求V0为何值才能使通过的时间（Δt）通。跟间断的时间（Δt）断之比（Δt）通：（Δt）断＝2：1。
这里考虑的焦点是两极板间的电场对飞行电子束的作用。由于两极板上加交变电压，在电子飞行过程中场强将发生变化，电子的运动将比较复杂，不易处理。但是，当电子飞越电场所用的时间t跟交流电压的周期T相比非常小时（本题就是这种情况），电子飞行过程中电场的变化可予忽略，因而对于某个飞行电子来讲，可理想化为它受到静电场的作用，变类似于物体在重力场中做平抛运动，问题就较易解决。
化归 化归指的是转化与归结，即把物理中待解决或难解决的问题，不断地将它变形，直至归结为某个（或某些）已经解决或能够解决的问题，最终求得原问题的解。
化归法是一种重要的思维技巧。深受人们称赞的曹冲称象所运用的就是化归法，把测定大象的重量（超出秤的称量范围）转化为分别测定等效的若干石块的重量。初中物理实验《用毫米刻度尺测细金属丝的直径》所运用的也是化归法，把测定一根金属丝的直径（小于尺的最小分度值）转化为测定密绕n匝的金属线圈直径的长度。
运用化归法遵循的原则是物理上的等价性或等效性。手段有分解与迭加、极限与临界、转化与代换、逆序与反演等。仅就极限法举例说明。
例如，试证明：平行板电容器间的电场强度E＝4πk(Q／s)，式中Q是极板所带电量，S是极板的相对面积，K是静电力常量。
在普通物理教科书里，该公式采用积分法导出，超出中学生的数学水平；如果运用极限法，推导可简捷。
设想有两个同心金属球壳，分别带上等量的异号电荷（图4）。当半径趋向无限大时，从内外球壳层割取的一部分就相当于平行板电容器，其间的电场就相当于匀强电场。设内球壳半径为R；带电量为Q，则壳层中间距球心R处的场强E＝kQ／R2。因为内球的面积S＝4πR2，上式可写成S＝4πk(Q／s)(R1／S)2。当球半径R趋向无限大时，R1／R2趋向于1，得E＝4πk(Q／s)
思维教学要以模式训练为基础，在学生头脑中建立起思维定势。同时，又要贯彻发展的原则，培养凌驾于模式之上的思维技巧，使学生掌握物理思维的精髓。现代心理学认为，认知的发展和成长产生于“平衡化”过程或“自我调节”。当遇到的新事物与已有的认知不一致时，人们利用自我调节消除与给定信息中的不一致，来达到认知与客体的平衡，原来的认知就得到发展。如果在教学中向学生提出与已有的认知不一致的问题，同时引导学生成功地消除与已有认知的不一致，就能促使学生的思维技巧得到发展。平衡化，这是培养物理思维能力、开展思维训练的又一基本教学策略。
品质 思维品质又叫思维的智力品质，是思维发生和发展中所表现出来的个性差异。这种差异，不仅在物理思维中而且在一切思维活动中体现出来。目前，心理学界对思维品质的认识尚未统一，但就物理思维训练而言，需要培养的思维品质成分主要有四种：周密性和广阔性、深刻性、灵活性、批判性。简述如下；
周密性和广阔性它是指思维活动的思路广阔，考虑问题周到、精细，善于全面地考察研究对象，能从多种多样的联系与关系中去认识物理问题。为了培养思维的周密性和广阔性，在知识教学中，可采用联想教学法和类比教学法，发展知识的横向联系。在解题教学中可选用多答案题和陷井题，训练学生全面、细致地思考问题的能力。
深刻性 人类的思维是理性思维，它集中表现在善于透过表面现象发现问题的本质，即善于用概念、规律去揭示问题的本质特征，预计事物的发展进程，这就是思维的深刻性。思维的深刻性集中体现出思维的概括特点。中学生常说，物理难学，原因之一也就在于物理概念、规律的概括性强。培根说过，物理学使人深刻。可见物理思维对深刻性具有独特的要求。
要培养学生思维的深刻性，在知识教学中要抓住物理概念、规律的本质属性与本质特征，将深刻的物理意义揭示得淋漓尽致。在解题教学中，要不断引导学生透过现象把握因果关系，摒弃问题的非本质特征，使之思考问题深谋远虑，发展思维的深刻性。
灵活性 物理思维的灵活性指的是善于从旧的模式或通常的制约条件中解脱出来，随机应变地思考问题；能通权达变、不死守常规。灵活性的特点是多开端、精细和新颖，对应于一种推测、发散、想象、创造的思维过程。
为了培养思维的灵活性，在知识教学中要抓知识之间的“渗透”和迁移，适当采用发现式教学法。在解题教学中，通过一题多解、一题多变，培养发散思维，鼓励学生发展求异思维，挖掘新解题法，越独特越好。
例如，有两只伏特表A和B，量程已知，内阻不知等于多少。另有一干电池，它的内阻不能忽略，但不知等于多少。只用这两只伏特表、电键和一些连接用导线，能通过测量计算出这个电池的电动势（已知电动势不超过伏特表的量程，干电池不许拆开）。
1．画出测量时所用的电路图。
2．以测得的量做为已知量，导出计算电动势的式子。
测量电池的电动势是个老题目，常规的.方法是用安培表和伏特表。或用安培表（伏特表）和电阻箱。本题给了两块伏特表，因而必须摆脱常规，寻找新的测定法。在推导计算电动势的式子时，共有五、六种方法，都根据闭合电路和外电路上的规律，可让学生按各自的思路去探求，并到黑板上交流。然后，教师引导学生研究内电路的电压和电动势的关系，可得到最简捷、最新颖的解法如下（本解法仅用二个联立方程就导出电动势的计算式子，而其它解法要用到四、五个甚至六、七个联立方程组）：
测量电路如图5所示。当K1、K2。均闭合时，伏特表A的读数为U1。设伏特表A的内阻为U1，则由电压分配律得(ε-u1)／u1＝r／R1当K1闭合、K2断开时，A的读数为U1，B的读数为U2。则由电压分配律得(ε-u＇1-U2)／u＇1＝r／R1由上两式解出电动势为ε＝（u1·U2)／（u1-U2)
批判性 这是指思维活动中善于独立思考问题和精细地检查思维过程的智力品质。思维的批判性是思维过程中自我意识的结果，它起着定向、监控和调节作用。在教学中，要鼓励学生独立思考、不盲从、不轻信，敢于提出自己的见解，修正和发展前人的理论。要经常引导学生回顾自己的思路，不断分析解决问题所依据的条件，反复检查业已完成的工作，及时发现自己原有认识的错误和不足，不断加以改正和完善。
意义 建立物理思维的智力结构模型是一项奠基性工作。教育的根本目标在于开发智力，培养能力，思维能力是诸种能力的核心，思维的智力结构模型则是指导教师去培养学生思维能力的蓝图。在制订教学计划时，若能根据物理思维的智力结构模型把各个思维因子安排到教学大纲规定的各知识点的教学中，那么，在完成全部知识教学任务的同时，也就使学生获得了完整的物理思维能力。在进行教育目标检测时，根据模型确定各测试题所对应的智力因子，分析试题的答卷情况，就可以评估学生已达到的物理思维水平，并能发现具体的能力缺陷，及时补救。以本文所举“用两伏特表测电动势”一题为例，它对应于这样几个智子因子：掌握电路模式的能力；区分选取研究对象和应用比例法解题的技巧；以及灵活地思考问题的智力品质。若能正确解答该题，则可认为该学生在上述智力因子上已达到一定的水平。
其次，根据思维的智力结构模型开展思维训练，有利于提高学生的素质，并减轻学生的过重负担。目前，有相当一部分教师迫于升学考试的压力，总想通过大量的经验性练习提高考试成绩，搞“题海战术”，用各种名目的考试督促学生做大量题目。这样做的结果是，教师教得辛苦，学生学得痛苦，但成效不佳。因为做的题再多，总不能包罗所有具体问题。相反，过重的学习负担，使学习效率下降。如果根据模型的三个智力维度进行训练，培养学生的思维能力，就可以提高学习效率，使学生学得又快又好，为德智体全面发展创造条件。
最后应该指出，本文给出的物理思维的智力结构模型是参照美国心理学家吉尔福特的《智力三维结构模型》，结合物理思维的特点提出来的，存在着若干不完善的地方，目的在于引起广大物理教育界的同行对该项工作的兴趣。我深信，经过不懈的努力，一个能有效地指导物理思维训练的完美的智力结构模型定会出现在我们的面前，她将指引物理教学以崭新的姿态跨入21世纪。
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