高中物理思维与探究能力培养刍议，本文主要内容关键词为：刍议论文,高中物理论文,思维论文,能力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、引言
当今时代，有人称之为“知识爆炸时代”、“技术密集型时代”、“电脑网络时代”等等，更有说服力的要算德国学者哈根·拜因豪尔和恩斯特·施玛克的提法：“教育时代”。他们认为：“教育是替一个未知的世界培养未知的儿童（《学会生存》）”。形象地讲教育是今天播什么种，明天开什么花结什么果的工作，从这个意义上说谁掌握了面向21世纪的教育，谁就能在21世纪的国际竞争中处于战略主动地位。
然而，长期传统的应试教育出现了不少“一长四短”的学生：“一长”指善长应付考试；“四短”指动手能力差、知识面狭窄、独立思考能力差、自主学习能力差。例如有学者对重庆市中学教师的探究式教学观念及其实施现状进行了调查研究表明：①“讲解法”依然是教师大多数时间所采用的教学方法。②教师认为在探究的各个环节中，“发现并明确提出要探究的问题”、“得出结论、解释和建构物理模型”是最需要教师指导的两个环节。为此人民教育出版社的任长松先生提出了探究式学习的18条原则。同时高中新课程素质教育的提出也为在“升学—应试”怪圈中徘徊的中国基础教育，找到了一条改革的新思路和突破口，素质教育中的一个重要组成部分——“发展智力、培养能力”也就成为当代教育理论中一个颇为活跃的话题。在中学物理教学中，这个问题尤为重要，这是因为，一方面，由于现代物理迅猛发展，物理知识高速扩充和不断更新，要求学生不但在中学阶段要有较高的学习能力，而且在步出板门之后，还要有独立获取新知识的能力；另一方面，由于物理学的“实验—模型—实验”的辩证研究方法，以及由简到繁、由表及里的严谨科学体系，使得物理学本身包含着极其丰富的培养能力的因素。
二、高中物理学科能力的概念和内涵
在心理学上，学生的能力通常分为一般能力和特殊能力两大类。一般能力是在许多活动中都表现出来的能力，如观察力、注意力、记忆力、想象力、思维能力等。特殊能力是在某种专业活动中表现出来的能力，如实验能力、自学能力、运用数学方法解块问题的能力等。一般能力和特殊能力是相互促进的，一般能力愈发展，则为培养特殊能力创造了更有利的条件；而在发展特殊能力的同时，也促进了一般能力的发展。对学生来说，要真正掌握好某门学科，除了要求有一般的能力外，还要求具备和发展这门学科所必需的某些特殊的能力。
能力是在人的活动中、在实践的过程中发展起来的，一个具有优秀素质的人，如果不接受教育，不去从事活动，那他的能力也不会得到发展，这也许是我国古代天才儿童仲永成人之后却变作庸人的原因之一。那么，就某个学科的学习来说，什么是学科能力？学生的学科能力究竟朝着什么方向发展？我国著名心理学家林崇德教授指出：“学科能力是学生的智力、能力与特定学科的有机结合，是学生智力、能力在特定学科中的具体体现。”针对高中物理学科，《全日制普通高级中学物理教学大纲（试验修订版）》提出：“培养学生的观察和实验能力，科学思维能力，分析问题和解决问题的能力”。2003年教育部制订的《普通高中物理课程标准（实验）》提出：“学习科学探究方法，发展自主学习能力，养成良好的思维习惯，能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题”，同时还指出：“要重视发展学生‘抽象与概括、分析与综合、推理与判断’等科学思维能力”。为了制订我国物理高考命题依据《物理高考大纲》，全国高考物理学科委员会征求了有关专家的意见，分析了物理课程在整个中学课程中的地位，在比较各学科的特点及其对学生素质和能力发展主要贡献的基础上，根据物理学科的特点和需要，从中学物理教学和高考命题的实践经验出发，提出了五个方面的能力要求：理解能力、推理能力、分析综合能力、应用数学知识处理物理问题的能力以及实验与探究能力，并通过描述性的说明，界定了每一种能力的具体含义。
但是，新课程物理学科高考考查的能力除了这五个方面的能力要求外，笔者认为还应增加对自主学习能力的要求，因为自主学习能力既是学生个体发展的需要，也是学生应对现代社会和未来发展的需要。高中物理的自主学习能力具体要求包括三方面：一是能按教材中所提供的材料和要求，收集、整理、分析资料，自主进行科学探究，获取新知识，并解决相关的物理问题；二是能关注、了解对科学、技术和社会发展有重大影响和意义的物理学新进展以及物理学发展史上的重要事件；三是能从所提供的新材料中获取有关的物理学信息，并运用这些信息，结合已有的知识解决新情境中的物理学问题。
上述教学大纲、课程标准与考试大纲中，有关中学物理学科能力的提法与侧重虽然有些不同，但都能较好地体现物理学科的基本特点与学生发展的有机统一。
三、高中物理学科能力培养的实践和探讨
就当前高中物理教学的实际来看，在一般能力中要特别注意思维能力的培养，而在特殊能力中则应着重培养实验能力。下面结合高中物理教学实践，对学生思维和探究能力的培养作几点探讨。
1.培养学生的科学思维能力
思维是从事物的感性认识上升到理性认识的加工整理过程。没有思维就不可能产生认识上的质的飞跃，也就不可能完成对客观世界的完整认识。麦克斯韦方程就是思维突破的光辉范例。可以说思维能力是智力的核心，其具体要求为：“要通过概念的形成、规律的得出、模型的建立、知识的应用等，培养学生抽象和概括、分析和综合、推理和判断等思维能力以及科学的语言文字表达能力。”学生思维能力一般是从具体到抽象、从不完善到完善、从形式逻辑到辩证逻辑，逐步发展提高的。因此，在教学中要遵循学生思维发展的这些特点，采取有效措施促进学生思维能力的发展。
①课堂教学结构要优化设计
在教学中，要努力创造条件，优化课堂教学结构，采用启发式教学。启发式教学的高中物理课堂教学过程通常是这样：先让学生通过眼、耳、口、手、脑等多种器官参加活动以获取丰富的感性材料，为思维准备良好的基础，同时遵循从已知到未知，从直观到抽象，由浅入深、由表及里的教学原则，提出一些富有启发性的、有一定难度的，但又是学生力所能及的问题进行设疑引学，然后再引导学生分析推理，辨疑解难，使认识上升到理性阶段。这时，教师的示范讲解也是很重要的，教师可通过典型问题的分析，引导学生掌握分析问题的途径、方法和步骤，从而培养学生思维的逻辑性、严密性和灵活性。在学生理性认识建立以后，接下来要做释疑反馈这项工作，即要引导学生把知识用于实践，以提高分析和解决问题的能力。这时，要选择一些有利于启发思维的题目让学生训练，题目的类型要多样化，如描述、论证、实验、推理、讨论等等。上述教学过程可通过图1的启发式教学因素图得到反映。
启发式教学因素图中的设疑引学，即新课引入、激发学习兴趣这个教学环节我们要尤其重视设计。因为能力和爱好往往是彼此吻合，一起发展的。如果一个学生对某门学科或某项活动形成了强烈的、稳定的爱好，一般来说，在这个学生身上必然具有与那门学科或活动有关的能力。因此，学生的一种强烈的爱好，可以作为正在形成某种能力的标志。
为了激发学生对物理的兴趣爱好，教师可采用讲述历史典故，提出引起悬念的问题或演示一些发人深省的实验等方式来充实教学内容。例如，讲万有引力时可介绍预见海王星的史实；讲电磁波谱时可介绍伦琴发现X射线的故事等等。此外，还应该组织各种有趣的课外活动、智力比赛、读书会等，以扩大眼界，培养兴趣。
②引导学生经常总结解题方法
解题方法是对平时解题经验的一种归纳、提高，这种经常性的方法总结可极大地提高学生分析和解决问题的能力，培养他们的创造意识，训练科学思维的广阔性、深刻性和逻辑性。
以“电磁感应力电综合问题”的复习为例。
在复习《电磁感应》一章时，电磁感应综合问题（与力、电综合）是本章核心内容，也是一个难点，教师可引导学生总结如下解题方法：
（i）动态分析求电磁感应现象中收尾速度v分析思路（如图2所示）。
物理模型：
稳定时：加速度a=0
再举例分析，如图3所示：
电磁感应的力电综合问题一方面要考虑电磁学中的有关规律，如闭合电路欧姆定律、楞次定律、法拉第电磁感应定律、左右手定则、安培力的计算公式等；另一方面还要考虑力学中的有关规律，如牛顿运动定律、动能定理、能量守恒定律、动量定理、动量守恒定律等（即动力学、动量和功能三大物理求解方法）。需要学生有较强的将电磁学与力学知识综合起来应用的科学思维能力，特别还要注意上述两种常见问题的分析：动态分析求电磁感应现象中收尾速度v以及求电磁感应现象中产生的电能
，教师引导学生总结解题方法，对学生渗透和培养物理问题动态分析的思维方法和功能转换的物理思想，使学生遇到此类问题容易建立起正确的物理模型，形成一个大致的求解方向，从而提高学生的抽象与概括、分析与综合、推理与判断等科学思维能力。
2.培养学生的实验与探究能力
物理学是一门以实验为基础的自然科学，物理学的概念和规律必须通过实验才能形成和建立，物理学的理论假设也必须通过实验来验证。实验是研究物理学及其他自然科学的一种基本方法。学物理而不做实验只能是纸上谈兵。因此，实验与探究能力是高中物理学科能力中最重要的能力之一，其具体可包括实验观察能力、实验操作能力、实验数据处理能力以及设计简单实验的能力等。近年来，全国高考物理试题中对实验的考查要求较高，创新实验将是今后高考物理实验命题的热点，在平时教学中要特别注意培养学生的实验与探究能力。
①精心创设实验问题情境，培养实验分析能力
要精心创设好实验的问题情境，实验问题要由浅入深，环环相扣。
以“功的原理”的实验探究为例。
平时生产生活中大量使用简单机械，如滑轮、杠杆，目的是什么？为了省力，省位移，还是省功？如下页图4所示，做好课本中的利用滑轮组提升重物的实验是学生认识这一问题的突破口。我们可以在课堂上做分组实验，在问题的引导下进行探究，可以用列表法分析问题。
结合表1创设以下问题：
问题1：比较D1与D2，D3与D4容易得出使用机械能省力但不能同时省位移。
问题2：比较D5与D6，发现使用机械不能省功，反而费功，引发学生思考这是为什么？
问题3：引发学生合理猜想，对于机械来说，一般情况下，动力功应等于有用功加上额外功，故费功。
上述实验要达到让学生理解机械功的原理，进而认识使用机械的目的。在这一教学过程中，教师通过问题的创设引导学生进行数据的比较，揭示事物的本质规律，这正是科学探究所强调的培养学生发现问题并分析论证的能力。
②注重实验规律建构过程，培养实验探究能力
科学家科学探究的方法一般是“提出假设—数学推理—实验验证—合理外推”。一个相对复杂的探究实验，可设置分解成若干个小问题，注意这些小问题要在教师的引导下，探究完成一个之后再分析下一个，有步骤地进行，而不应把问题全抛出来，甚至只是提供器材让学生去探究。物理教学中应注意渗透科学研究方法，同时也应进行学法指导。
以“安培力方向”的实验探究为例。
“磁场对电流的作用力”在教材中起到承上启下的作用。安培力大小与方向的探究是本节的重点。如何正确地运用左手定则以及掌握电流表的工作原理是本节的难点。
首先，学生分组活动：会动的铝箔“天桥”。将一铝箔条折成天桥形状，用胶纸粘牢两端，使蹄形磁铁横跨过“天桥”。通过这个简单而神奇的小实验，引导学生亲自操作并观察到奇妙的现象：在磁场中铝箔弯曲。这很好地激发了学生的好奇心和求知欲。
其次，实验探究安培力的方向、电流方向、磁场方向三者之间的关系，探究步骤如图5所示。
问题1：能否确定安培力的方向、电流方向、磁场方向三者之间的关系呢？
问题2：既然找到了三者之间的关系，我们能否找到确定安培力方向的方法？
经过前人的大量研究，总结出一个简单的判断方法，就是左手定则。
本案例注重建构实验规律的认识过程，要求学生能正确分析问题的物理情境和物理条件，找出其中起重要作用的因素及有关条件，这对培养学生的探究意识和探究能力，激发学生的好奇心和求知欲，逐步培养学生对物理的热爱和合作意识有重要意义。鉴于左手定则的重要性，教学中还须结合随堂练习使学生熟练掌握。教师还应当强调，安培力的方向总是既垂直于磁场方向，又垂直于电流方向，即安培力一定垂直于磁感线与电流所确定的平面，但磁场方向不一定总与电流方向垂直，教学中要注意纠正电流方向、磁场方向和安培力方向三者总是相互垂直的错误认识。另外，还需强调用左手定则确定I、B、F方向的关系时，I和B是因，F是果，无论所求的是哪个量的方向，这个因果关系是确定的。这对学过右手定则后解决综合问题，确定究竟应该用左手定则还是用右手定则，是很重要的。最后，教学中还应介绍电流表的基本结构和原理，目的在于使学生了解安培力是如何在电流表中得到应用的，以培养他们运用所学知识解决实际问题的意识和能力。
③大胆改进传统实验方案，培养实验创新能力
麦克斯韦曾经说过：实验的教育价值常常与仪器的复杂程度成反比。自制仪器常出故障，却有许多优越之处，其中最重要的一点是，学生们敢于拆卸它、修理它，因为它是学生自己制作的。经过改进的实验，常常新颖、创新性强、实验功能突出、实用性强，具有很好的推广价值。
以“安培力大小”的实验探究为例。
如下页图6所示，先利用电磁炮模型实验引入新课，引出安培力概念，再分组实验让学生切身感知安培力，为后面学生探究安培力大小时明确如何改变线圈中的电流大小、处在磁场中的导线长度和磁感应强度做了很好的铺垫，这样学生就能较顺利地回答出如何改变这三个影响因素，产生知识技能的合理迁移，从而为实验方案的顺利成型起到重要作用。
在图6的第三个环节中，对安培力大小进行定量实验探究的同时，可结合下列表2至表4实验数据的记录，引导学生分析与讨论，得出实验结论。
该教学设计最大的巧妙之处是关于探究安培力大小的实验设计，突破了定性研究的传统处理方式，利用弹簧秤受力的变化，让学生能定量地感知安培力大小。我们自制了一个重要的线圈，通过对弹簧秤初始状态调零消除线圈重力对研究过程的影响以使读数测量更直接，线圈上有抽头可以改变匝数（25、50、75匝），这不但可以很方便地改变线圈处在磁场中的有效长度，而且无需每次改变匝数时对弹簧秤调零，这个自制线圈的设计对实验成功起了关键作用。
在本案例教学中，通过自制教具、改进传统实验方案的实验探究，使学生进一步定量地了解磁场对电流的作用力大小跟电流的大小、导线在磁场中的长度以及磁场强弱的关系。在教学中应注意：①在探究安培力与哪些因素有关时，要让学生充分活动，要有意识地引导学生注意：B、L不变，I改变；在I、B不变时（存在着I⊥B、I//B、I与B成任意角度三种可能），L改变；I、L不变，B改变，三种情况时的实验条件，观察实验现象，归纳实验结果，培养他们的观察能力和由实验现象总结出物理规律的能力。②培养学生利用控制变量法总结归纳物理规律的能力，并让学生体会到控制变量法在科学研究中的作用。
四、结束语
关于学生高中物理学科能力的培养和发展，在教学工作中，还需要注意以下几点：
①正确理解加强“双基”和发展能力之间的关系。学生掌握知识技能和发展能力有着密切联系。知识和技能的掌握能促进能力的发展；同时，掌握知识和技能的快慢，也依赖于能力发展的程度。对物理知识进行概括归纳和重新构建的能力、灵活运用物理概念规律以及物理实验方法去解决实际物理问题的能力、包括建模能力在内的抽象思维能力和创新能力等等，都是学生在学习知识的同时，同步得到发展的。
②能力有个别差异，发展能力并不意味着每个学生都要等同地发展某种同样的能力。实际上，每个学生的能力都是按照自己的需要和爱好以自己的方式发展的，有其优点和缺点，不能够也不应该以一个模式来要求学生的能力发展。
③人的能力发展的早晚是各不相同的。有的学生早在童年时期就显露出一般能力中的某些特殊表现。但无论是对于能力表现早还是晚的学生，都要一视同仁，认真加强引导培养，使他们成长得更快、更好。