中學物理教育的兩種思維方法

摘要：中學物理教育中具有許多的思維方法，其中有兩種很典型：以根據牛頓三大定律所建立起來的經典物理學的確定性線性思維方法，以現(xiàn)代量子論和愛因斯坦為代表的非確定性發(fā)散型思維方法。為了提高學生的思維能力，根據我自身的物理教學啟示，物理教育改革要從確定性線型思維方法逐步向非確定性發(fā)散型思維方法過渡。

關鍵詞：中學物理；確定性線型思維方法；非確定性發(fā)散型思維方法；啟示

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2007)5(S)-0042-2

1 中學物理學中的確定性線型思維方法

物體所受的摩擦力：在運動中所受的滑動摩擦F=μN ，在摩擦系數(shù)一定的情況下，F(xiàn)與μ成確定性線型關系；胡克定律：在彈性限度范圍內，彈性系數(shù)為K的彈簧在外力F作用下伸長X，則有F=KX，F(xiàn)與X成確定性線型關系； 動力學中的牛頓定律：在低速宏觀運動中，質量為M的物體受外力F的作用產生加速度a，則有F=Ma，F(xiàn)與a成確定性線型關系；歐姆定律：在電阻R不變的條件下，R兩端加上電壓U，在電阻中流過電流強度I，則有U=IR，U與I成確定性線型關系。中學物理的許多定律都是滿足這種確定性線型關系。這種關系體現(xiàn)了：

(1)確定論的因果觀始終是貫穿在中學物理學全部發(fā)展進程的一條主線。

物質的任何運動都是遵守一定規(guī)律的，都是可以認識的，同時也反映出自然界事物發(fā)展變化運動的一種自然觀，從事物“現(xiàn)在”呈現(xiàn)的結果去追溯事物的起因，預測“將來”的發(fā)展，并把發(fā)生和發(fā)展的原因和結果列成確定性的線型比例關系，這是線性思維的一個典型的表現(xiàn)形式。

(2)物質的運動變化是一個量變的連續(xù)過程。

一個質點可以處于空間的任意位置上，并可以連續(xù)地從一個位置運動到另一個位置，例如，物體從A到B會留下連續(xù)的軌跡，我們就通過軌跡來研究它。物體溫度的變化是一個連續(xù)升高或者降低的過程，物質的運動是一個連續(xù)不斷的變化和發(fā)展過程。 

(3)從整體和部分來認識物質結構的組成。

確定性線型思維方式認為：整體是由部分相加組成的。在中學物理教育內容中涉及的典型物理定律是矢量的合成和分解的法則，比如：兩個力或多個力對一個物體的作用可以用一個力代替，只不過力是矢量，用平行四邊形合成。典型的物理學思維方法是：先分割，后分解，再合成。比如：在計算一個帶電體在空間某一點產生的電場強度時，通常的解法是先把帶電體分割成足夠小的電荷元，計算每一個電荷元在該點產生的電場強度。由于電場強度是矢量，因此，該點總的電場強度是所有電荷元產生的電場強度的矢量和，或者把每一個電荷元產生的電場強度在定義的坐標系中分解為相應的分量，按分量相加以后再合成。

2 中學物理教育中的非確定性發(fā)散型思維方法

(1)現(xiàn)代物理學的自然觀認為，原因和結果之間并不存在確定性的因果關系，更不是線性的比例關系，這是非確定性發(fā)散型因果觀的一個主要特征。與以上提到的線性確定性因果觀在物理教育內容中的物理定律相比，可以看出，前者只是在一定的近似條件下才成立，而所有的物理定律的成立都是有條件的，在一定范圍的。例如，當彈簧伸長量超過彈性限度以后，外力與伸長量之間就不再成正比例關系。導體的電阻率是一個與溫度有關的物理量，把電阻看做常量，只是一個在溫度不變時的近似。狹義相對論表明，在物體的運動速度遠小于光速時，物體的質量才可能看做是一個常量。當物體的運動速度接近光速時，物體所受到的力與加速度之間就不再存在線性的確定性的關系。電子圍繞原子核旋轉時，電子旋轉不是按照經典圓軌道運動，而是以某種概率出現(xiàn)在某一區(qū)域，形成了電子云。因此，線性規(guī)律是理想的，是在一定條件下的近似；而非確定性發(fā)散型才是接近實際世界的、普遍存在的。

(2)物質的變化是由量變到質變的

當物質的量積累到一定程度就會發(fā)生質的變化，物體的性質也會因此發(fā)生變化。在中學物理教育的內容中許多地方都涉及到了這種物理現(xiàn)象，例如，水的氣--液，固--液相變。一般情況下，當水的溫度升高或降低時，水不會發(fā)生狀態(tài)的變化。只有處于某一個特定溫度附近時，水的溫度再降低一點，就會出現(xiàn)狀態(tài)的突變。在半導體中加入少量的\"雜質\"，半導體的導電性能就會發(fā)生很大的變化。在愛因斯坦光電現(xiàn)象中表明，受到光照射以后發(fā)射的電子的動能并不與光的強度成線性的正比例關系。只要光的頻率低于一個臨界值--通常稱為極限頻率，光的強度再大，也沒有光電子發(fā)射出來。相反，當光的頻率稍微大于一定的臨界值時，即使強度很小的光也會產生光電子。由此，愛因斯坦得出的結論是，光電效應的出現(xiàn)與光的強度無關，而只與光的頻率有關，從而提出了E=mc²的著名公式，建立了光量子的理論。

(3)從整體和部分來認識物質結構的組成

現(xiàn)代的系統(tǒng)論認為，在整體結構和部分結構的關系上，整體不是由部分簡單相加組成的，部分之和可以小于、等于、大于整體。例如，中學物理中典型的物理表示就是一定體積的水和一定體積的酒精混合以后體積小于兩體積之和。我們認為氦核是有氘核和氚核組成的；當一個氘核和一個氚核結合成一個氦核時，氘核和氚核的質量之和就不等于氦核的質量，核反應前后的質量發(fā)生了變化，所以，不能的認為部分和整體就是簡單的相加關系。

3 物理教學中非確定性發(fā)散型思維的幾點啟示

(1)發(fā)散思維是對同一個問題，從不同的方向、不同的側面，橫向拓展思路，縱向深入探索，逆向反復比較的思維方法。發(fā)散思維的出發(fā)點，是物理學科的知識點；知識點構成了知識網絡，發(fā)散思維就是在知識網絡空間各個知識點之間尋找聯(lián)系，探索解決問題的多種途徑、多種方案的思維過程。多變性，靈活性是發(fā)散思維的顯著特點；應用發(fā)散思維方法的功效表現(xiàn)為能夠迅速根據提供的信息，由已知探索未知，從顯現(xiàn)條件發(fā)現(xiàn)隱含的條件，主動開拓思維新途徑，克服思維定勢的消極影響，導致新發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)創(chuàng)造精神。

(2)在物理教學的過程中，要注重物理知識的積累，更要注重物理學思想、方法的滲透和點撥，這是非確定性發(fā)散型思維在物理教學過程中的一種反映，也是在物理教育中實施素質教育的重要途徑。 縱觀物理學史，一個新的物理學理論能夠得以創(chuàng)立，在其背后除了有一定的物理學思想作為它的認識論基礎外，還伴隨著新的科學思維方法的出現(xiàn)。

(3)在物理教學手段的使用上，以發(fā)揮現(xiàn)代教育技術與物理教學的整合作用代替?zhèn)鹘y(tǒng)媒體的單一作用。中學物理教學的實踐表明，科學地設計和利用多種媒體進行物理教學，有助于激發(fā)學生的學習興趣和學習動機，能夠大大提高學習的效率。

(4)在學習方式上，要盡量改變課程實施過于強調接受學習，死記硬背，機械訓練的現(xiàn)狀，倡導學生主動參與，樂于探究，勤于動手，培養(yǎng)學生搜集和處理信息的能力，獲取新知識的能力，分析和解決問題的能力以及交流和合作的能力。倡導學生物理的學習方式由他主性學習轉向自主性學習；突出學習過程中發(fā)現(xiàn)、探究和研究等認知過程。

（欄目編輯羅琬華）