高中物理教學(xué)中三維建構(gòu)培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力的探討

張玉良

中共中央、國務(wù)院《關(guān)于深化教育改革，全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》明確了實(shí)施素質(zhì)教育要以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為重點(diǎn)，以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為核心的創(chuàng)新教育成為教育發(fā)展的主題。新修訂的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，將物理課程課程目標(biāo)中的具體目標(biāo)（三維目標(biāo)：知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀）深化為“物理核心素養(yǎng)”，共有物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任等四大類，細(xì)分為14條的具體描述，其核心是創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。如何在高中物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，是每位物理教師必須面對(duì)和研究的重要問題。在我多年的教學(xué)實(shí)踐中，依據(jù)建構(gòu)主義理論和三維智力理論，做了一些有效的嘗試和探討。

我將其概括為實(shí)踐“七個(gè)核心要素”，即情境創(chuàng)新、概念創(chuàng)新、觀念創(chuàng)新、方法創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新、實(shí)踐創(chuàng)新、猜想創(chuàng)新等。“情境”是創(chuàng)新的“溫床”，“概念”是創(chuàng)新的“細(xì)胞”，“觀念”是創(chuàng)新的“靈魂”，“方法”是創(chuàng)新的“主動(dòng)脈”，“應(yīng)用”是創(chuàng)新的“助推器”，“實(shí)踐”是創(chuàng)新的“源泉”，“猜想”是創(chuàng)新的“翅膀”。

一、情境創(chuàng)新

唐殿強(qiáng)主編的《創(chuàng)新能力教程》指出的創(chuàng)新能力形成的第二原理：

環(huán)境是人的創(chuàng)新能力形成和提高的重要條件。環(huán)境優(yōu)劣影響著個(gè)體創(chuàng)新能力發(fā)展的速度和水平。

建構(gòu)主義理論指出，人在一定情境下，面臨新事物、新現(xiàn)象、新問題和新信息時(shí)，會(huì)根據(jù)情境中的線索，調(diào)動(dòng)頭腦中事先準(zhǔn)備好的多方面、多層次的先前經(jīng)驗(yàn)來解釋這些新信息，解答這些新問題，賦予它們意義。知識(shí)的意義總是存在于情境之中的。學(xué)習(xí)總是在一定情境之中進(jìn)行的，人不能超越具體的情境來獲得某種知識(shí)。學(xué)習(xí)時(shí)的情境不是個(gè)無關(guān)因素，而是有機(jī)地卷入了建構(gòu)活動(dòng)。

情境是創(chuàng)新的“溫床”。在物理教學(xué)中，首先給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)好的教學(xué)情境借以引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生發(fā)掘問題，思考問題，探索事物本質(zhì)屬性的物理環(huán)境，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，使其積極開展思維活動(dòng)，從而激發(fā)創(chuàng)新的火花。

教學(xué)過程是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的動(dòng)態(tài)過程。學(xué)生的創(chuàng)造性思維往往是由遇到要解決的問題而引發(fā)的，提出恰當(dāng)?shù)膯栴}，就會(huì)使學(xué)生自覺克服學(xué)習(xí)中所遇到的困難，解決要解決的問題。因此精心創(chuàng)設(shè)問題情境是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的必要手段。

我根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容分別創(chuàng)設(shè)了智慧課堂、思辨課堂、探究課堂、說題課堂、想象課堂等。創(chuàng)設(shè)的主要方法有：利用實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)物理情境、聯(lián)系生活創(chuàng)設(shè)物理情境、通過物理學(xué)史創(chuàng)設(shè)物理情境、利用現(xiàn)代教育技術(shù)創(chuàng)設(shè)物理情境及綜合創(chuàng)設(shè)物理情境等。

如，在人教版高一物理必修1第三章第二節(jié)彈力的教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)發(fā)生各種形變的情境，如彈簧、橡皮、衣服、口香糖、黑板、籃球、鉛筆、礦泉水瓶等，讓學(xué)生觀察總結(jié)其特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何驗(yàn)證發(fā)生了形變，如何驗(yàn)證微小形變，最后如何測(cè)量微小量。既為進(jìn)一步學(xué)習(xí)游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器及天體的測(cè)量打下基礎(chǔ)，也激發(fā)學(xué)生思考對(duì)于實(shí)際中不好直接測(cè)量的一些量，如非常大的量和非常小的量、危險(xiǎn)物品的檢測(cè)等，提出很多設(shè)想和方法。學(xué)生會(huì)聯(lián)想到初中物理中測(cè)導(dǎo)線的直徑、曹沖稱象等，并把第一章學(xué)習(xí)的測(cè)瞬時(shí)速度的方法聯(lián)系起來，可提出高鐵車廂中顯示的車速原理是什么，如何測(cè)量飛機(jī)的飛行速度和光速等，促使學(xué)生對(duì)這些問題有一個(gè)深入的思考，培養(yǎng)創(chuàng)新的意識(shí)，埋下創(chuàng)新的種子。

二、物理概念創(chuàng)新

美國心理學(xué)家吉爾福特（J.P.Guilford）創(chuàng)立的智力三維結(jié)構(gòu)模式理論認(rèn)為智力結(jié)構(gòu)應(yīng)從操作、內(nèi)容、產(chǎn)物三個(gè)維度去考慮。并用三個(gè)緯度的立體模型來描述智力的結(jié)構(gòu)。智力活動(dòng)就是人在頭腦里加工（即操作過程）客觀對(duì)象（即內(nèi)容），產(chǎn)生知識(shí)（即產(chǎn)物）的過程。如圖所示。

依據(jù)這一理論，在物理概念教學(xué)中，要讓學(xué)生體會(huì)概念的建立過程，充分利用圖形、圖像、符號(hào)等進(jìn)行思維的加工，從而誘發(fā)創(chuàng)新的種子。

概念是創(chuàng)新的“細(xì)胞”。大力強(qiáng)化物理概念教學(xué)，突出深刻理解物理概念引入的必要性、科學(xué)性及應(yīng)用性，突出物理概念創(chuàng)新是創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)的基礎(chǔ)。建立了“五環(huán)節(jié)”概念教學(xué)法，即論證（概念建立的必要性、可行性、科學(xué)性）、繪制概念圖、類比、應(yīng)用、科技寫作等五環(huán)節(jié)進(jìn)行物理概念的教學(xué)，極大地提高了優(yōu)秀學(xué)生理解和應(yīng)用物理概念的能力。

如在科技寫作方面，學(xué)生寫出了很多優(yōu)秀的文章，體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)物理概念的深入理解，也體會(huì)到概念是解決問題的基礎(chǔ)。以下是2017屆高三學(xué)生霍新幸寫的小論文：

速 度

483班 霍欣幸

提到“速度”，我們?cè)谌粘Ｉ钪幸逊e累起一些感性認(rèn)識(shí)，知道其可以反應(yīng)快慢，例如，大家早已熟悉的“飛機(jī)速度比自行車大”之類的表述。然而，考慮到“速度”作為物理學(xué)基本概念之一，我們理應(yīng)更加深入地了解其在物理學(xué)與生活中的區(qū)別。

1.物理學(xué)中的速度

高中教科書中利用比值定義法將位移與發(fā)生該段位移所用時(shí)間定義為速度，國際制單位為米每秒。根據(jù)時(shí)間的長短，又將其分為瞬時(shí)速度與平均速度，前者相對(duì)于時(shí)間非常非常短以至于趨于零，后者則是在較長一段時(shí)間內(nèi)而言。而正如我們已了解到的，位移是由初位置指向末位置的有向線段，有大小和方向，速度亦是如此，大小方向，缺一不可。顯然，生活中，我們很少談及速度的方向，路程似乎也比位移更加常見，實(shí)際上，我們平時(shí)所說的速度，實(shí)則為物理學(xué)中的平均速率-路程與時(shí)間的比值。以上為物理學(xué)中的速度，此處只淺談一二。

2.生活中的速度

生活中，我們?cè)诙喾N情景下需要借助“速度”來描述性質(zhì)，例如打字速度、說話速度、閱讀速度、翻譯速度，等等。在此情況下，“速度”不再具有嚴(yán)格的物理特征，它更多的是用來形容某種動(dòng)作的快慢與多少。例如，人們談及到汽車速度時(shí)，往往會(huì)說“70邁”，而不是“50米每秒”再加之“東偏北37.5度”，無疑，后者有些死板了。再者，我們往往會(huì)說翻譯時(shí)英譯漢是30個(gè)單詞每分鐘，漢譯英300個(gè)漢字每小時(shí)，等等。速度的單位都變得和物理學(xué)中不一致了。至此，我們不難發(fā)現(xiàn)，生活中往往關(guān)注的是數(shù)字本身，以象征多與少，快與慢，而不再糾結(jié)于其大小和方向。

3.和諧作用，彰顯“大物理”之美

物理學(xué)嚴(yán)肅正統(tǒng)，當(dāng)慎重待之；但日常生活中卻著實(shí)不必拘泥其中。以“速度”為例，知其物理意義，亦能于生活中靈活駕馭，從生活走向物理，從物理回歸生活，如此，方為正道。

三、物理觀念創(chuàng)新

觀念是創(chuàng)新的“靈魂”。教學(xué)中注重培養(yǎng)學(xué)生形成經(jīng)典物理和現(xiàn)代物理的物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀等，突出觀念創(chuàng)新是物理創(chuàng)新思維的關(guān)鍵。初步試驗(yàn)了以物理觀念為基礎(chǔ)，以模型建立為核心，以邏輯推理為線索的問題解決策略，大大提高了學(xué)生的具體分析能力，有力地提高了學(xué)生的科學(xué)思維能力。

如在習(xí)題教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)同一問題從不同角度思考的意識(shí)和能力，可以針對(duì)問題的特點(diǎn)分別從力和運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)、能量的觀點(diǎn)、動(dòng)量的觀點(diǎn)去思考處理，通過建立不同的物理模型，逐步形成清晰的物理觀，并在解決實(shí)際問題中創(chuàng)造性地運(yùn)用相關(guān)觀念。

四、物理方法創(chuàng)新

創(chuàng)新能力形成的第四原理：創(chuàng)新思維是人的創(chuàng)新能力形成的核心與關(guān)鍵。創(chuàng)新思維的一般規(guī)律是：先發(fā)散而后集中，最后解決問題。

方法是創(chuàng)新的“主動(dòng)脈”。掌握科學(xué)思維方法，加強(qiáng)科學(xué)思維方法的訓(xùn)練。物理思維是抽象思維、形象思維、直覺思維等的具體體現(xiàn)，掌握分析綜合、等效、類比等思維方法，及理想化、整體隔離、微元、合成分解、矢量標(biāo)量、比值定義等物理方法，學(xué)會(huì)把發(fā)散思維和抽象思維結(jié)合起來。在學(xué)習(xí)和實(shí)踐的過程中有意識(shí)地進(jìn)行科學(xué)思維方法的訓(xùn)練。

如在矢量概念的教學(xué)中，到高三高考復(fù)習(xí)時(shí)可以綜合力學(xué)和電磁學(xué)等，通過例題如2017年高考全國1卷理綜物理25題，理解矢量方法在處理問題中的重要作用，體會(huì)物理學(xué)引入矢量概念的必要性，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到矢量不僅僅是一個(gè)概念，更是一種方法。

五、應(yīng)用創(chuàng)新

應(yīng)用是創(chuàng)新的“助推器”。教師要充分利用教材和習(xí)題進(jìn)行創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，充分挖掘教材中的創(chuàng)新思維事例，使學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)方法。對(duì)此我們?cè)O(shè)立了物理故事會(huì)，每名學(xué)生都要?dú)w納總結(jié)出我的物理故事，不定期進(jìn)行交流展示。依據(jù)創(chuàng)新能力形成的第三原理（實(shí)踐是人創(chuàng)新能力形成的唯一途徑）對(duì)教學(xué)中最大的資源——習(xí)題，應(yīng)發(fā)揮其培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力方面的最大作用，解題是學(xué)生學(xué)習(xí)中最多最重要的實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)此我們采取了以學(xué)生為主的習(xí)題采風(fēng)課、習(xí)題辯論課、說題競賽、自編習(xí)題等多種活動(dòng)課，展示學(xué)生的思維，杜絕老師代替學(xué)生思考的教學(xué)方法，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力起到重要作用。

六、實(shí)踐創(chuàng)新

依據(jù)創(chuàng)新能力形成的第三原理，通過實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)和聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力是重要途徑。實(shí)踐是創(chuàng)新的“源泉”。設(shè)置一些實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程，體驗(yàn)探究的方法，理論聯(lián)系實(shí)際，潛移默化，循序漸進(jìn)，對(duì)學(xué)生形成創(chuàng)新思維能力至關(guān)重要。聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際的常見問題，使學(xué)生主動(dòng)地運(yùn)用學(xué)習(xí)的物理知識(shí)和方法，解釋其中的原理和現(xiàn)象，能激發(fā)其想象力和興趣，對(duì)形成創(chuàng)新能力是一種催化劑。

如在人教版物理必修2第五章第7節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”教學(xué)中，讓學(xué)生自制“水流星”“圓錐擺”，并親自體驗(yàn)向心力；在人教版物理選修3-2第四章第6節(jié)“互感和自感”教學(xué)中，讓學(xué)生進(jìn)行“手拉手”體驗(yàn)自感，等等。

七、猜想創(chuàng)新

猜想是創(chuàng)新的“翅膀”。鼓勵(lì)大膽猜想，打破思維定勢(shì)，提高思維的敏銳性和創(chuàng)造性。主要有類比猜測(cè)、對(duì)稱猜測(cè)、對(duì)比猜測(cè)、逆向猜測(cè)等。

在物理學(xué)的發(fā)展過程中，類比明顯地起著啟示、探索、開路和創(chuàng)新的作用，許多新概念、新規(guī)律、新理論的提出借助于類比猜想。如愛因斯坦將光電效應(yīng)與黑體輻射類比，猜想光的性質(zhì)與熱輻射性質(zhì)可能相同，提出了光子說，成功地解釋了光電效應(yīng)的規(guī)律，等等。同樣，在物理教學(xué)中，可以通過類比、對(duì)稱、逆向等引導(dǎo)學(xué)生猜想。如萬有引力定律F=Gm1m2/r2和庫侖定律F=kQ1Q2/r2表達(dá)形式完全相同，因此，可讓學(xué)生猜想，引力場(chǎng)與靜電場(chǎng)應(yīng)該具有一些相同性質(zhì)，以及猜測(cè)為什么會(huì)有這種相似。在電場(chǎng)的教學(xué)中，精心設(shè)計(jì)教學(xué)過程，類比重力場(chǎng)讓學(xué)生猜測(cè)電場(chǎng)所具有的性質(zhì)，也可仿照電勢(shì)概念引入“重力勢(shì)”。有學(xué)生通過類比探究發(fā)現(xiàn)，浮力做功也有與路徑無關(guān)的特點(diǎn)，他引入了浮力勢(shì)能的概念，直覺地建立了包括浮力勢(shì)能在內(nèi)的“類機(jī)械能守恒定律：物體在液體中運(yùn)動(dòng)，如果不考慮液體的阻力，只有重力和浮力做功，那么，動(dòng)能、重力勢(shì)能和浮力勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，但它們的總和保持不變”。浮力勢(shì)能概念本身并不重要，但學(xué)生這種類比能力和直覺創(chuàng)新精神是值得贊揚(yáng)的。

對(duì)于較為復(fù)雜物理的物理習(xí)題，尤其對(duì)高考理綜物理25題，在分析思路時(shí)，同樣需要猜想，猜想簡單的、特殊的，從最基本的公式、定義出發(fā)，往往能快速獲得解題思路。

注：此文是河北省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題《農(nóng)村中學(xué)三維建構(gòu)培養(yǎng)物理創(chuàng)新思維能力的研究》的階段研究成果，立項(xiàng)編號(hào)1604012。

編輯 李琴芳