高中物理教學中開發(fā)學生空間智能的有關(guān)問題

吳瑾 馮杰

(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

1 序言

傳統(tǒng)的紙筆測驗測量的是學生的語言智能和數(shù)學邏輯智能．學生在學校的成績好，說明他們的語言智能和數(shù)學邏輯智能比較高．提到物理這門學科，很多人認為與語言智能和數(shù)學邏輯智能的關(guān)系最為緊密．對物理學中的概念、規(guī)律的理解，需要一個人具有較高的語言智能，而一些物理理論的得出與發(fā)展又離不開數(shù)學和邏輯推理，這又需要一個人具有較高的數(shù)學邏輯智能．因此，很容易得出一種結(jié)論，要學好物理，只要具有較高的語言智能和數(shù)學邏輯智能就行了．其實不然，因為在物理教學中，特別是在高中物理教學中，在學生頭腦中建立正確的“物理空間模型”也是非常重要的，而正確“物理空間模型”的建立，則需要一個人具備較高的空間智能．因此，在物理教學中開發(fā)學生的空間智能非常重要，不容忽視．

2 空間智能理論簡介

美國哈佛大學教育研究生院心理學、教育學教授加德納認為，人的智能應(yīng)該有以下幾種：音樂智能、身體動覺智能、邏輯數(shù)學智能、語言智能、空間智能、人際智能、自我認知智能、自然觀察智能以及可能存在的存在智能[1]．這幾種智能同等重要，并且是多維度相對獨立的表現(xiàn)出來的，而不是以整合方式表現(xiàn)出來的[2]．每個人都擁有以上所有智能，人與人之間的差別，主要在于人與人之間所具有的不同智能組合[1]．

其中，空間智能，是在頭腦中形成一個外部空間世界的模式并能夠運用和操作這種模式的能力，也就是指準確感知視覺空間及周周一切事物，并且能把所感覺到的形象以圖畫的形式表現(xiàn)出來的能力．這項智能包括對色彩、線條、形狀、形式、空間關(guān)系很敏感[3]．腦科學研究表明，經(jīng)過長期進化，正如大腦的左半葉掌管習慣使用右手的人的語言功能一樣，大腦的右半葉掌管著對空間的判斷[1]．其他與空間位置有關(guān)的問題，如下棋和從不同的角度看到物體的形狀在人腦中的顯示，也是如此．視覺藝術(shù)也是空間智能的一種運用．同樣地，在高中物理教學中，物理模型在學生頭腦中以相對形象的圖像形式顯示出來，同時，學生又能夠把他們頭腦中的這種圖像用更形象的方式表達出來，例如紙筆畫圖，這可以說是空間智能在物理學習中的一種應(yīng)用．

3 高中物理教學中開發(fā)學生空間智能的重要性

高中階段的學生，已經(jīng)進入皮亞杰的“形式運算”時期．這時的他們，已經(jīng)能夠以更加抽象的思維方式推理、思考，提出假設(shè)和理論，同時還能更全面地對待自己的感覺．高一的學生正處于形象思維到抽象思維發(fā)展的過渡時期，也是抽象思維發(fā)展的關(guān)鍵時期．相比之下，高二的學生抽象思維能力已經(jīng)發(fā)展到一定的階段，基本穩(wěn)定，但每個人的心理發(fā)展又具有不平衡性．教學要著眼于學生的“最近發(fā)展區(qū)”，因此，高中的物理教學內(nèi)容，不論是物理概念、物理規(guī)律還是其他的內(nèi)容，都變得更加抽象化．學生理解這些更加抽象化的內(nèi)容會經(jīng)歷變抽象為形象的過程，那就是把抽象的內(nèi)容在頭腦中以形象的方式表現(xiàn)出來，或者借助一定的感性材料，從而增強高一學生學習物理的自信心，彌補高二學生心理發(fā)展的不平衡性，使他們做到真正的理解．

物理概念是某些物理現(xiàn)象、物理過程的共同特征和本質(zhì)特性在人們頭腦中的反應(yīng)[2]．高中物理中的一些概念非常抽象，例如電場，電荷周圍空間存在的物質(zhì)，這種地球上客觀存在卻又看不見摸不著的場的概念．在電場的學習中，學生通過學習它的物理性質(zhì)所表現(xiàn)出的電場強度和電場線來加深對電場概念的理解．

在電場強度的教學過程中，涉及到“空間中某一場源電荷在它周圍產(chǎn)生了電場”以及“實驗表明：同一檢驗電荷在電場中不同位置受力大小和方向不同、不同檢驗電荷在電場中同一位置受力大小和方向不同”等教學語言，其中，“空間中”“周圍”“不同位置”“受力方向”等都是和空間有關(guān)的詞語，講解過程中，都需要學生對空間有比較敏銳的感知力．另外，這個實驗實際上和之前學習的庫侖定律實驗原理相似，只是做了一定的理想化處理，即試探電荷的電荷量要足夠小，使得其自身產(chǎn)生的電場不影響場源電荷周圍的電場分布．本來靜電實驗就比較難以演示成功，如此理想化的實驗就更無法去做，只能以圖形[如圖1(a)所示]和語言代替．然而，圖形只能給學生提供電場的二維平面感知，而場源電荷產(chǎn)生的電場分布在其周圍的三維空間里，雖然可以畫出三維空間的圖形，如圖1(b)所示，但最終還是要以二維平面的形式呈現(xiàn)給學生(其實已經(jīng)達到了一定的效果)，無法代替實驗，因此仍然需要學生對場源電荷周圍的空間有敏銳的感知力．

圖1 靜電實驗示意圖

僅通過電場強度來理解電場還不夠，對于高二的學生，雖然抽象思維已經(jīng)發(fā)展到了一定的階段，但在理解抽象概念的時候，還是需要借助一定的感性材料．電場線是根據(jù)電場的物理性質(zhì)而假想出來的形象描述電場的一組曲線．學生可以借助電場線來進一步加深對電場概念的理解．

在電場線的教學中，教師往往呈獻給學生的是平面形式的電場線，如圖2(a)所示．而電場線是分布在帶電體周圍空間的，我們可以利用計算機軟件畫出電場線的空間立體圖，如圖2(b)所示，也可以利用軟件做出電場線的動畫效果，從不同的角度展示不同形式的電場線，達到非常形象且空間感十足的效果，從而幫助學生理解．

圖2 電場線示意圖

然而，需要注意的是，電場線終究是假想出來的，并不完全等同于電場．帶電體周圍空間的任意一點都存在電場，而電場線呈現(xiàn)出來的是一條條的，這也是電場線的不足之處，容易導致一部分學生“大腦偷懶”，認為電場線所在處才有電場．因此，在這一點上一定要提醒學生，電場線的空隙之間也存在電場，電場是存在于帶電體周圍整個空間的，這同時也是對學生空間想像能力的一種要求．同樣，磁場概念的理解也是如此，在電場與磁場正交的問題處理中，空間智能更是能夠發(fā)揮出無可替代的作用．

4 教學過程中開發(fā)學生空間智能的建議

平時的物理教學中，我們常常會注意學生語言智能和數(shù)學邏輯智能的開發(fā)和培養(yǎng)，而忽略了他們空間智能的開發(fā)與培養(yǎng)，以至于那些語言智能和數(shù)學邏輯智能本身就不夠高的學生，即物理學習不太好的學生對物理學習喪失信心．因此，在教學過程中，教師要注意開發(fā)學生潛在的空間智能，以幫助物理學習好的學生更容易地學習物理，幫助那些物理學習不太好的學生把物理學習好．

4.1 多開展實驗教學給學生提供應(yīng)用空間智能的機會

物理學是一門以觀察和實驗為基礎(chǔ)的自然科學，物理實驗在物理教學中的功能非常強大，物理概念規(guī)律的建立以及物理結(jié)論的得出都離不開物理實驗[2]．物理實驗呈現(xiàn)給人的是一種很直觀的信息，人腦最容易感知這種直觀信息并儲存在其中，同時也更方便提取．這里的實驗包括演示實驗和學生分組實驗．

演示實驗總是以形象的整體空間結(jié)構(gòu)存儲在大腦中，因此，可以在學生頭腦中積累現(xiàn)成的和教學內(nèi)容有關(guān)的空間結(jié)構(gòu)信息，這樣在需要用的時候也方便直接提?。谶@種不斷積累和提取的過程中，就無形地幫助學生發(fā)展他們的空間智能了．例如，用水波演示波的干涉實驗中，先把兩根細桿固定在一個振動片上，當振動片振動時，兩根細桿周期性的觸動水面，形成兩個波源．這兩個波源發(fā)出的是頻率相同的波，兩列波的振動方向也相同(水面質(zhì)點都是沿上下方向振動)，兩根細桿是同步振動的，所以產(chǎn)生的兩列波的相位差是恒定的．因此，當這兩列波相遇時，會發(fā)生明顯的干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生清晰的干涉圖樣．然后，把兩根細桿固定在兩個振動片上，讓兩振動片同時振動，但要使它們振動的頻率不同，引導學生觀察兩列波相遇的地方，將觀察不到清晰的干涉圖樣．接下來，保持兩振動片振動的頻率相同，將其中一個振動片的開關(guān)時而斷開，時而閉合，改變兩振動片振動的相位差，引導學生仔細觀察，也觀察不到清晰的干涉圖樣．最后，讓學生通過觀察實驗現(xiàn)象，概括總結(jié)產(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的條件：兩列波的頻率相同，相位差保持不變.振動方向相同可由教師補充說明．波的干涉圖樣這一空間結(jié)構(gòu)在學生頭腦中產(chǎn)生一定的刺激，使學生很容易得出產(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的條件，再配合教師詳細的講解，不僅可以開發(fā)學生的空間智能，還能幫助學生更好地學習波的干涉．

另外，學生分組實驗，特別是電學實驗(電路圖的連接)，更能幫助學生發(fā)展他們的空間智能．從電路圖到實驗實物圖的連接操作中間會有一個比較大的跨越性，初中時，學生需要通過電路圖先畫出實物的連接圖，在根據(jù)實物電路圖進行真正的實物連接，而高中時就只給出電路圖，要求學生根據(jù)電路圖直接進行實驗操作，連接電路圖．例如，在測定電池電動勢和內(nèi)阻的實驗中，教材給出了三種不同的實驗原理，也就是不同的實驗電路圖，學生可以根據(jù)自己的條件或喜好選擇一種來進行實驗．不管選擇哪一種，學生都要根據(jù)電路圖來確定電池、儀器儀表和用電器的空間位置，然后按照電路圖并且以一定的順序來連接實物，并且還需要注意在連接過程中的一些細節(jié)問題．從書面的簡單電路圖到實物電路圖的連接，學生的頭腦中會經(jīng)歷一系列的復雜過程，學生的空間智能就會在這一過程中得到一定的開發(fā)和利用．

4.2 利用教材中的相關(guān)內(nèi)容增強學生的空間感受能力

在平時的物理教學過程中，教師要善于利用教材中與三維空間關(guān)系相關(guān)的教學內(nèi)容，來增強學生的空間感受能力，開發(fā)學生的空間智能．例如，人教版《物理·選修3-1，3-2》中判斷通電導線和運動電荷在磁場中受力方向的“左手定則”以及判斷感應(yīng)電流方向的“右手定則”．

如圖3(a)所示，是判斷通電導線在磁場中受安培力方向的“安培定則”(也稱“左手定則”)示意圖．伸開左手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一個平面內(nèi)；讓磁感線從掌心進入，并使四指指向電流的方向，這時拇指所指的方向就是通電導線在磁場中所受安培力的方向．圖3(a)給出的是電流方向和磁感應(yīng)強度方向垂直的情況.當電流方向與磁感應(yīng)強度方向不垂直的時候，還需要將磁感應(yīng)強度進行正交分解成垂直于電流方向的和平行于電流方向的，如圖3(b)所示，然后再判定安培力的方向．

圖3 “安培定則”示意圖

總之，安培力的方向與導線和磁感應(yīng)強度的方向都垂直．安培力方向的判定涉及到三維空間中某一方向的確定，其中很多關(guān)于方向和方位的詞語都需要學生具有比較強的空間感受能力，特別是當電流方向與磁感應(yīng)強度方向不垂直時，安培力方向和大小的分析，對學生空間感受能力有著更高的要求．同樣，運動電荷在磁場中受洛倫茲力方向的判定以及感應(yīng)電流方向的判定也是如此．在這些教學內(nèi)容的講授中，教師要配合詳細的三維空間圖示以及相關(guān)的實驗進行講解，再對學生進行一定程度的訓練，從而增強學生的空間感受能力，開發(fā)他們的空間智能．

4.3 要求學生多用圖示法展示物理過程激發(fā)學生的空間想像能力

《考試說明》對分析綜合能力的描述是，“能夠獨立地對所遇到的問題進行具體分析、明確其中的物理狀態(tài)、物理過程和物理情景，找出起重要作用的因素及有關(guān)條件；能夠把一個復雜問題分解為若干較簡單的問題，找出它們之間的聯(lián)系；能夠提出解決問題的方法，運用物理知識綜合解決所遇到的問題”[4]．而學會用圖示法展示物理過程，不僅對培養(yǎng)學生的分析能力有幫助，對激發(fā)學生的空間想像能力、開發(fā)學生的空間智能也有很大的幫助．那么，就要求學生在解力學題時畫出規(guī)范的物體受力示意圖、物體運動過程分析圖，光學中畫出規(guī)范的光路圖，電學中畫出規(guī)范的電路圖等，以加強訓練．不僅如此，還要學會把復雜的空間三維圖轉(zhuǎn)換成簡單地二維平面圖，解釋和處理一些基本的空間和圖形問題．

例如在類平拋運動中，如圖4所示，將質(zhì)量為m的小球從傾角為θ的光滑斜面上A點以速度v0水平拋出，小球運動到B點．小球的運動路徑是一條三維的比較復雜的空間曲線，對高中學生來說，想用數(shù)學的方法分析這條曲線是比較困難的．

圖4 斜面類平拋三維圖

實際上我們可以把這個三維圖形轉(zhuǎn)換成兩個二維平面圖形來分析，如圖5所示．首先，斜面是光滑的，所以小球只在豎直平面內(nèi)受力，如圖5(a)所示，小球受到地球?qū)λ闹亓和斜面對它的支持力N，這兩個力的合力F合沿斜面向下，使小球沿斜面向下做初速為零的勻加速運動．而小球是在光滑斜面上沿水平方向以一定速度拋出，因此小球的運動過程實際上是相互垂直的勻速直線運動和初速為零的勻加速直線運動這兩種運動的合成．這就和平拋運動非常相似，只不過把平拋運動里面的重力加速度換成小球沿斜面向下的運動加速度．這時，我們就可以把斜面平面圖單獨拿出來，當成豎直平面圖，如圖5(b)所示，用平拋運動的相關(guān)知識來解答諸如此類的問題，就非常容易了．學生通過用示意圖展示物理過程，感受空間與圖形的微妙關(guān)系，體驗三維立體圖形和二維平面圖形的相互轉(zhuǎn)換，從而開發(fā)他們的空間智能．

圖5 平面圖

5 小結(jié)

從以上分析可以看出，在高中物理教學中開發(fā)學生的空間智能具有非常重要的作用．開發(fā)學生的空間智能，使之與他們的語言智能和數(shù)學邏輯智能有機的組合，達成完美的智能組合形式．這樣，不僅能幫助本身物理學習好的學生更好地學習物理，達到更高的水平，更重要的是，能夠幫助物理學習不好的學生增加對物理學習的信心，從而把物理學習好．

參考文獻

1 霍華德·加德納著.多元智能新視野．沈致隆譯．北京：中國人民大學出版社，2012.9～24，26～27，15

2 馮杰．中學物理課程與教學論．北京：北京大學出版社，2011.77～78，120，99

3 霍華德·加德納著.多元智能．沈致隆譯．北京：中國人民大學出版社，1999，9，24

4 麥建華．運用多元智能理論優(yōu)化高三物理教學過程的探討．中學物理教學參考，2011(6)：50～53