物理規(guī)律的有效教學(xué)與創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)

李 莉，張 論

（1.宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.宿州市第九中學(xué)，安徽 宿州 234000）

物理規(guī)律反映了物理對(duì)象、現(xiàn)象、物理過(guò)程在一定條件下發(fā)生、發(fā)展或變化所遵循的規(guī)律，體現(xiàn)了物質(zhì)在運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程中所涉及的各個(gè)要素之間的關(guān)聯(lián)[1]，還可以進(jìn)一步揭示相關(guān)物理量之間的定量關(guān)系。在大學(xué)物理教學(xué)中，對(duì)物理規(guī)律的教學(xué)顯得尤為重要，既可以強(qiáng)化學(xué)生對(duì)物理概念的理解，又是學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為在教學(xué)中要注重以下幾個(gè)方面：

1 物理規(guī)律的有效教學(xué)的實(shí)施

1.1 清晰地認(rèn)識(shí)物理規(guī)律具有的特點(diǎn)

物理規(guī)律具有客觀性。物理規(guī)律是反映物理現(xiàn)象和過(guò)程的規(guī)律性，是人類長(zhǎng)期在社會(huì)生活和生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的，在某種程度上反映了大自熱中蘊(yùn)含的客觀規(guī)律。

物理規(guī)律具有因果性。物理規(guī)律可以反映物理量之間的因果關(guān)系和制約關(guān)系。這種因果關(guān)系使原本孤立的物理量形成關(guān)聯(lián)，也使相關(guān)的規(guī)律間存在著邏輯演繹關(guān)系，例如，動(dòng)量定理、動(dòng)能定理都是由牛頓定律推導(dǎo)而出的。由于可用數(shù)學(xué)方法從某一規(guī)律得出另一規(guī)律，所以從形式上看，物理規(guī)律大多都是用數(shù)學(xué)公式表述的。

物理規(guī)律具有近似性[2]。從物理規(guī)律建立過(guò)程看，主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、假說(shuō)或數(shù)學(xué)演繹，與其它領(lǐng)域的規(guī)律相比總是顯得不夠精細(xì)。所以物理規(guī)律對(duì)自然規(guī)律的描述具有近似性。這種近似性表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）受實(shí)驗(yàn)儀器自身精確度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響，致使從觀察實(shí)驗(yàn)中得出的物理規(guī)律具有近似性；（2）建立的理想化模型只能近似反映實(shí)驗(yàn)對(duì)象或過(guò)程。

1.2 明確物理規(guī)律的物理意義，能夠用不同的方式表達(dá)物理規(guī)律

物理規(guī)律是在大量實(shí)踐的基礎(chǔ)上，概括而得出的理性知識(shí)。在教學(xué)中，教師應(yīng)注重讓學(xué)生對(duì)不同方式表達(dá)的物理規(guī)律有全面和深刻的理解。例如，機(jī)械能守恒定律的文字?jǐn)⑹鍪沁@樣的：在只有保守力做功的條件下（即只有系統(tǒng)內(nèi)部的重力和彈力做功），系統(tǒng)動(dòng)能和勢(shì)能可以互相轉(zhuǎn)換，但其和保持不變。應(yīng)當(dāng)讓學(xué)生明確以下幾層涵義：（1）涉及的能量?jī)H限于機(jī)械能，即動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能等，不包含內(nèi)能、電能、化學(xué)能等其他形式的能量；（2）定律只適用于沒(méi)有外力做功，也沒(méi)有摩擦力等非保守內(nèi)力做功的物體系；（3）在一個(gè)過(guò)程中，物體系中各個(gè)物體所具有的機(jī)械能的總和是保持不變的，這就是“守恒”兩字的涵義。只有從上述幾方面理解機(jī)械能守恒，才會(huì)對(duì)其有較為全面的認(rèn)識(shí)。

物理規(guī)律除了用文字?jǐn)⑹龊凸奖磉_(dá)之外，還有其他的表述方法，比如，圖像表達(dá)法和特定表示法（如安培定則、左手定則、右手定則）等。對(duì)于用圖像表述的物理規(guī)律，要求能認(rèn)識(shí)圖像、描繪圖像、運(yùn)用圖像解決問(wèn)題等。例如，用旋轉(zhuǎn)矢量法研究簡(jiǎn)諧振動(dòng)就很形象直觀，要抓住相位的變化是逆時(shí)針以角速度旋轉(zhuǎn)的，在每個(gè)象限對(duì)應(yīng)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的位移、速度、加速度的變化趨勢(shì)和極值位置都很直觀。特定表示法是一種約定的方法，它是借助于手的姿勢(shì)去反映規(guī)律中各個(gè)因素之間的關(guān)系。例如，載流直導(dǎo)線在其周?chē)a(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與其電流方向之間的關(guān)系，就可以用右手螺旋定則來(lái)判斷，即用右手握住導(dǎo)線，大拇指指向電流的方向，彎曲四指的方向就是磁感應(yīng)線的環(huán)繞方向，因磁感應(yīng)線的切線方向就是該處的磁感應(yīng)強(qiáng)度的方向。

圖1 感應(yīng)現(xiàn)象的暫態(tài)性

1.3 弄清物理規(guī)律的適用范圍和成立條件，正確運(yùn)用規(guī)律分析和解決問(wèn)題

任何物理規(guī)律的使用都存在著適用范圍，當(dāng)超過(guò)這個(gè)范圍規(guī)律便不再成立。因此在學(xué)習(xí)物理規(guī)律時(shí)，要注意規(guī)律的表述中對(duì)成立條件所體現(xiàn)的不同形式，有顯含和不顯含兩種形式。所謂顯含條件，指從規(guī)律的表述中直接寫(xiě)出了其成立條件。如質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)中動(dòng)量守恒定律的成立條件是“系統(tǒng)所受外力的矢量和為零”，機(jī)械能守恒定律的成立條件是“外力的功和非保守內(nèi)力的功之和等于零”就是如此，學(xué)生使用時(shí)也比較明確。不顯含條件，指的是在規(guī)律的表述中沒(méi)直接給出，但也是規(guī)律建立和成立的大前提。比如，牛頓第一、第二定律是有適用條件的：要求是宏觀的物體處于低速狀態(tài)；相對(duì)于慣性參考系；物體可視為質(zhì)點(diǎn)且作平動(dòng)等。如果不考慮規(guī)律本身的適用條件，只記憶數(shù)學(xué)公式會(huì)出現(xiàn)一用就錯(cuò)的現(xiàn)象。比如，有一個(gè)質(zhì)量為m的小球放在水平光滑的桌面上，這時(shí)，如果選地面為參考系，得出的結(jié)論是：作用在小球上的合外力等于零，小球保持靜止?fàn)顟B(tài)，符合牛頓運(yùn)動(dòng)定律。但若取車(chē)廂為參考系（車(chē)上的觀察者），這個(gè)小球雖然所受合外力仍為零，但它具有加速度-a，所以，對(duì)于車(chē)廂這個(gè)參考系來(lái)說(shuō)，牛頓運(yùn)動(dòng)定律并不成立。這里的慣性參考系是其成立的大前提。

1.4 了解建立物理規(guī)律的基本方法

科學(xué)方法的研究對(duì)推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高教育質(zhì)量，豐富和發(fā)展辯證法思想都具有積極的意義。由于物理學(xué)研究的對(duì)象是物質(zhì)，它包括物質(zhì)的組成、性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。而它的研究方法與哲學(xué)上的辯證唯物論是一致的，因此，物理方法對(duì)培養(yǎng)科學(xué)研究方法有著重要的意義。從物理學(xué)家創(chuàng)立和發(fā)展物理學(xué)的歷程中可見(jiàn)，建立物理規(guī)律除了具備一定的物理知識(shí)，還要有創(chuàng)造性的思維活動(dòng)和方法?？v觀物理學(xué)發(fā)展史，物理規(guī)律的建立主要有三種途徑，具體的物理規(guī)律往往是幾種科學(xué)研究方法相結(jié)合的產(chǎn)物。

1.4.1 利用實(shí)驗(yàn)歸納方法建立物理規(guī)律 所謂實(shí)驗(yàn)歸納，是指先進(jìn)行大量的觀察實(shí)驗(yàn)，然后用分析、歸納、概括的方法處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從中總結(jié)出蘊(yùn)含的物理規(guī)律的方法。法拉第電磁感應(yīng)定律的建立過(guò)程中，應(yīng)用了實(shí)驗(yàn)歸納的方法，再用理論分析得出結(jié)果。法拉第在提出電能生磁，磁能否生電的問(wèn)題后，歷經(jīng)了10年的失敗、試驗(yàn)，再失敗、再試驗(yàn)，終于在1831年8月29日發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象[3]。

其第一個(gè)效應(yīng)，即以一個(gè)電流產(chǎn)生另一個(gè)電流。例如，法拉第在一個(gè)軟鐵圓環(huán)上繞了兩個(gè)彼此絕緣的兩個(gè)線圈，其中一個(gè)線圈與一電池組組成閉合回路。在銅線下方平行放置一枚小磁針，用以檢驗(yàn)其上方回路是否存在電流。如圖1裝置所示，法拉第發(fā)現(xiàn)，當(dāng)左側(cè)的線圈接通電流時(shí)，小磁針立即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但擺動(dòng)幾下之后就穩(wěn)定在原來(lái)的位置上；當(dāng)切斷左側(cè)電流的瞬間，小磁針也會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。接著，法拉第一共做了幾十個(gè)類似的實(shí)驗(yàn)，最終認(rèn)識(shí)到感應(yīng)現(xiàn)象的暫態(tài)性，提出導(dǎo)線中的電流只有在改變時(shí)才能在另一靜止導(dǎo)線中感應(yīng)出電流來(lái)。最后，法拉第總結(jié)出引起感應(yīng)電流的五種情形是：（1）電流強(qiáng)度的變化而引起的；（2）磁場(chǎng)的變化而引起的；（3）穩(wěn)恒電流的運(yùn)動(dòng)而引起的；（4）磁鐵的運(yùn)動(dòng)而引起的；（5）導(dǎo)體在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)而引起的。上述現(xiàn)象就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，具有劃時(shí)代的意義，為電磁感應(yīng)的定量形式打下了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)歸納是物理學(xué)中建立物理規(guī)律常用的方法，如牛頓第二定律、光電效應(yīng)的等實(shí)驗(yàn)規(guī)律，也都是利用實(shí)驗(yàn)歸納的結(jié)果。

1.4.2 利用理論分析方法建立物理規(guī)律 所謂理論分析，在物理學(xué)各部分內(nèi)容長(zhǎng)期發(fā)展的基礎(chǔ)上，經(jīng)許多人的研究和總結(jié)，借助于邏輯推理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)而得出的新的基本規(guī)律的方法。利用理論分析方法建立物理規(guī)律常見(jiàn)的方法有二種：分為理論歸納和理論演繹兩種方法[4]。19世紀(jì)中期，能的轉(zhuǎn)化和守恒定律是在動(dòng)能、勢(shì)能、以及機(jī)械能的基礎(chǔ)上而建立起來(lái)的。還有根據(jù)經(jīng)典玻耳茲曼分布導(dǎo)出一個(gè)重要的定理——能量均分定理。又如，麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組的建立，是麥克斯韋對(duì)靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)以及變化的電磁場(chǎng)中的相關(guān)物理概念和規(guī)律進(jìn)行分析、歸納的結(jié)果。愛(ài)因斯坦在提出狹義相對(duì)性原理和光速不變?cè)砗?，就把有一定理論和?shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的這兩條基本假說(shuō)作為出發(fā)點(diǎn)，經(jīng)演繹推理，推導(dǎo)出時(shí)空變換關(guān)系即洛侖茲關(guān)系。

1.4.3 提出假說(shuō)方法建立物理規(guī)律 提出假說(shuō)來(lái)建立物理規(guī)律是物理學(xué)研究問(wèn)題的很重要的方法，通過(guò)物理學(xué)發(fā)展史可看出，物理學(xué)的很多規(guī)律的最初形式就是假說(shuō)。例如，安培的分子電流假說(shuō)，還有研究平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理的基本假說(shuō)——等概率原理等，都是先提出假說(shuō)，然后再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，是建立物理規(guī)律的有效途徑。在通過(guò)提出假說(shuō)來(lái)建立物理規(guī)律的過(guò)程中，除要遵循一般的提出假說(shuō)的步驟和方法外，主要依賴于類比、臻美和理想實(shí)驗(yàn)三種思維方法。

2 在物理規(guī)律教學(xué)中，注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力

2.1 精心的設(shè)計(jì)教案，建立合理的認(rèn)知體系，是培養(yǎng)創(chuàng)造性思維能力的基礎(chǔ)

獲得知識(shí)離不開(kāi)思維，各種能力的培養(yǎng)也離不開(kāi)思維。因此，學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理知識(shí)時(shí)，應(yīng)注重培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的思維能力。對(duì)物理規(guī)律的有效教學(xué)，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的基礎(chǔ)[5]。例如，在研究穩(wěn)恒磁場(chǎng)中的安培環(huán)路定理時(shí)，教師先指出，無(wú)限長(zhǎng)的載流導(dǎo)線的磁場(chǎng)，一任意垂直于導(dǎo)線的閉合積分環(huán)路包圍該導(dǎo)線，得出結(jié)論；當(dāng)電流的方向反向時(shí)，同樣的積分環(huán)路，得出結(jié)論；再討論當(dāng)閉合環(huán)路不包圍電流時(shí)，則環(huán)流為零。最后推廣，得出穩(wěn)恒磁場(chǎng)中的安培環(huán)路定理。

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)結(jié)合前面所學(xué)知識(shí)，由淺入深地推理和驗(yàn)證了安培環(huán)路定理的結(jié)論，從而發(fā)展了學(xué)生的思維能力。

2.2 創(chuàng)造性思維訓(xùn)練貫穿于物理規(guī)律教學(xué)中

上文對(duì)物理規(guī)律的有效教學(xué)的實(shí)施時(shí)，介紹了物理規(guī)律的幾種建立方法，教師先宏觀上把握所講授的物理規(guī)律是采用哪種方法建立的，比如牛頓第二定律是實(shí)驗(yàn)歸納方法建立的，課堂上可以借助于演示實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證牛頓第二定律，以提問(wèn)的方式提醒學(xué)生注意實(shí)驗(yàn)的目的，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理（用的是最小二乘法）等，可以讓學(xué)生進(jìn)行分組討論，對(duì)結(jié)果的預(yù)測(cè)。既有利于加強(qiáng)規(guī)律的教學(xué)效果，也有利于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

2.3 開(kāi)設(shè)課堂討論，組織第二課堂活動(dòng)，全面提高學(xué)生素質(zhì)

教學(xué)過(guò)程針對(duì)某一物理問(wèn)題開(kāi)展課堂討論，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立探索，使其體現(xiàn)自我價(jià)值，變被動(dòng)為主動(dòng)學(xué)習(xí)，真正成為學(xué)習(xí)的主人，有助于創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。此外，教師有計(jì)劃地組織第二課堂，以筆者所講授的大學(xué)物理為例，該課程的評(píng)價(jià)方式是期末卷面成績(jī)占50%，實(shí)驗(yàn)占20%，平時(shí)占30%，為了使評(píng)價(jià)方式更合理科學(xué)，嘗試組織學(xué)生發(fā)揮自己的想象力做小制作，設(shè)計(jì)小實(shí)驗(yàn)，撰寫(xiě)有關(guān)物理知識(shí)應(yīng)用的小論文，讓學(xué)生通過(guò)獨(dú)立實(shí)踐培養(yǎng)了創(chuàng)新意識(shí)，并將每位學(xué)生的實(shí)踐成果計(jì)入平時(shí)成績(jī)中（占平時(shí)成績(jī)的50%），這樣可以讓學(xué)生展開(kāi)自由的思維翅膀，去涉獵廣泛的物理知識(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)習(xí)物理規(guī)律的目的就是讓學(xué)生能夠正確地運(yùn)用規(guī)律解決實(shí)際問(wèn)題，因此對(duì)物理規(guī)律本身的理解就顯得尤為重要，在大學(xué)物理課程的教學(xué)中，教師除了要注重選擇恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題訓(xùn)練學(xué)生的思維能力；更要注重對(duì)物理規(guī)律教學(xué)的循序漸進(jìn)性，讓學(xué)生真正地理解規(guī)律的全部?jī)?nèi)涵及其外延，從而能夠有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理規(guī)律的思維障礙，培養(yǎng)其各種能力。

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