物理学习的思维障碍探源及对策

人的认知遵循一定的认识规律，要研究学生物理学习中的思维障碍到底是怎样产生的这个问题，应该把学生这个学习的主体和学习的内容结合起来，了解二者之间的相互制约关系。首先，学生学习物理受自身的心理认识水平和生活经验的制约；其次，还受学习内容的概括性、抽象性程度的制约。物理知识由物理概念、物理规律、物理实验和物理研究思想方法等组成，是人们解决物理问题的基础。高中阶段的物理知识具有高度的概括性和抽象性，学生学习时若不能真正把握知识的内涵、联系及其区别，在运用物理知识进行物理思维时，往往会产生一些思维障碍，出现各种各样的错误，如乱套公式、张冠李戴、思维混乱等现象。本文拟就学生在物理学习中经常出现的几种思维障碍的形成原因作以的分析，并提出相应的矫正办法。
一、先入为主的生活观念形成的思维障碍
　物理学的研究对象是自然界中的客观物体及其运动规律，学生天天置身于千变万化的物理世界中，会自然地获得有关物理方面的感性认识，形成一定的生活观念和经验，这是学生学习物理知识的前提条件。先入的生活观念有的基本正确，对学习有积极的促进作用，也有的观念是错误的，对物理概念的形成、物理规律的正确理解和运用，将起一定的消极作用，造成一定的学习障碍。主要表现有两点：一是妨碍概念理解的全面性、完整性，造成对概念的片面理解；二是阻断知识间的内在联系，造成知识与应用脱节。例如，在学习力和运动的关系这部分知识之前，许多学生都有这种看法，认为静止的物体，用力推动它时，它才会运动，力停止作用时，它就会停下来，推物体的力越大，物体运动的就越快，速度就越大，实际上，这种生活中形成的观念是片面的，结论是错误的。而等学生学完了力和运动的这部分知识之后，才对此有了正确的认识，既受力的物体，受的力大加速度大，但速度不一定大，反之，速度大，力不一定大。但是，仍有一部分学生，因为受原有错误的生活观念和经验的干扰和影响，运用物理概念和规律的思维判断被阻断，不能联系所学的知识，想当然、习惯性的按错误的生活观念进行判断，所以妨碍了物理概念的建立和巩固。同时，原有的错误观念和经验还有一大特点，就是比较顽固、不是一朝一夕就能改正。比如，学过牛顿第二定律的应用之后，学生已经知道物体间的相互作用力跟加速度即物体的状态有关系的，提出了超重和失重两个现象，并给出了分析这两个现象的方法。但一遇到稍有变化的超重和失重问题时，有些学生，受先前的观念支配，仍按原来的想法判断，认为绳对物体的拉力就等于物体的重力，水平面对物体的支持力等于物体的重力等。
　总之，先入为主的生活观念、错误经验往往驱使学生作出想当然地错误判断，阻碍学生对物理知识的掌握。要克服和纠正这类错误观念，可采取如下几个做法：一是讲解概念时，应展开充分的分析、讨论，让学生弄清概念的来龙去脉，明确概念的形成过程，以达到对概念内涵的准确理解和掌握。二是加强知识训练环节，反复矫正反复巩固，加深理解。三是用一些生动的物理实验或物理现象给学生以更强烈地刺激，形成鲜明的对比，说明原有观念的错误所在，使原有观念发生动摇，直至清除。
二、相近物理概念混淆形成的障碍
物理上有许多相近的物理概念，它们既相互联系又相互区别，具有不同的本质属性。有的学生对它们的物理意义理解不透，区分不清，加上头脑中没有完整的物理情境，容易将它们之间的关系简单化，要么同时变大，要么同时变小。如表示物理量大小及表示它变化快慢的两个量，学生就容易混淆，以速度和加速度为例来说，二者都是描述物理运动的物理量，速度表示物体运动的快慢，而加速度则是表示速度变化的快慢。有的学生认为，物体的加速度大，速度就大，加速度变大时，速度就随之也变大。要克服这种思维障碍，可以抓住两个概念的差异，从不同的角度突出这种差异，进行区别。一是可以通过列举具体的典型例子加以纠正，使概念深化，找出两者之间的内在联系和区别，如在物体的振动过程中，物体向平衡位置运动的过程中，加速度是变小的，直至为零，速度是变大的；而离开平衡位置的过程中，加速度是变大的，速度反而是变小的，直至为零。为了特别强调加速度和速度这两个大小的差别和变化的不一致性，再让学生分别说明始末位置它们的大小，学生通过这一物理情境就可以具体地理解这两个量的区别，避免混淆。二是可以运用图象进行区别，说明在v-t图象中，斜率表示物体的加速度，纵坐标表示物体的速度，等等。　　　
三、类比不当形成的思维障碍
　类比是一种重要的推理方式，是人们认识新事物或有所新发现的重要思维方式。但类比不是一种严密的推理，类比推理的结果是否正确，还需要经过实践的检验。学生在学习物理的过程中，正确恰当地运用类比，可以帮助学生掌握所学的知识。如可以把原子中电子绕核的圆周运动与人造卫星绕地球的圆周运动进行类比，它们遵守相同的向心力方程，解题的方法也相似，只是应用的具体知识不同。这样的学习，既可以加强知识之间的联系，深化对知识的理解，也能提高学习的效率，促进思维方式的发展。同时，也要让学生认识到，有时类比不当，反而会造成学习知识的思维障碍。如机械波和光波在介质中的传播速度大小的决定因素是不相同的，这两者就不可作类比联想，否则就会作出错误的结论。振动图象和波的图象是非常相近的两个图象，形同意不同，差别只在于横轴表示的物理量不同。只因这一差别，使两个图象的物理内容、物理意义完全不同。它们的意义可用一个形象的例子来比喻，就象正在演出的舞蹈节目，振动图象所表示的就是每一个演员的规定动作，而波的图象所表示出来的就是整个群体所呈现的优美的造型。但学生往往把二者等同起来，画波的图象的变化按振动图象的画法延伸补画，就象是拿一个演员表演当成了整体舞蹈造型。但由于整体造型跟单个演员的表演是两码事，整体造型是由个体演员的表演组合出来的。因此，振动图象随时间的变化和波的图象随时间的变化的画法是不具有可类比性的。学生如果忽略了这一点，就会形成思维上的障碍，思维的结果就是错误的。我认为，克服这种思维障碍的有效办法，就是抓住两个现象之间的突出差别，分析其差异，找出类比不具备的前提条件，才能消除这种思维障碍，培养学生良好的类比思维方法。
四、物理公式数学化形成的思维障碍
数学是学习和研究物理学的重要工具，运用数学工具解决物理问题的能力是中学物理教学大纲和高考说明中要求的一项重要能力。在教学中，我们往往发现，学生在运用数学知识解决物理问题的过程中，经常撇开公式的物理意义，忘记公式所表达的物理现象之间的因果关系，因而造成了运用公式分析物理问题的思维偏差。如场强公式E=F/q，左端代表一物理事实，而右边仅代表一种定义的方法，测定方法，并不存在E正比于F或反比于q的问题。克服这种思维偏差的主要措施，一是要强调公式的物理意义，理解公式所描述的物理现象、物理实事之间的因果关系、决定关系。二是要明确公式的来龙去脉，增强公式的物理色彩，突出对问题的物理意义的分析，防止单纯数学公式的教学法，减少纯公式数值代入计算的训练，让学生善于运用数学知识、数学方法描述物理问题，真正建立起物理上的数量关系，增强运用数学知识的意识，提高运用数学工具的能力。
五、概念内涵和外延的模糊形成的思维障碍。
任何一个物理概念都是内涵和外延的统一，我们通常所说的使学生掌握物理概念，一方面指的是要理解物理概念的内涵，同时也要求明确其外延。所谓外延，即概念所涉及的范围和条件，公式的适用范围和成立条件。教学实践告诉我们，使学生弄清概念的外延是深化对概念的理解、正确运用物理概念解决实际问题的前提条件。但由于概念的外延指的是适用该概念的一切有关事物，因此，学生在理解或实际运用概念时，有时会不自觉地缩小或扩大概念的外延，因而造成错误的结果。
缩小概念外延主要表现为，忽视了同一概念所包含的物理图景的多样性，以较熟悉的个别的图景代替图景的全部。如对在竖直方向上运动处于超重状态的物体，学生只考虑其向上加速的情况，忽视了向下减速的情况等等。发生这一错误的原因，一方面由于学生头脑中的物理情景建立的不全面，同时也暴露出学生思维缺乏周密性。
相反，也有无意识地扩大外延的情况，如摩擦力的方向总是阻碍物体间的相对运动，而学生有时就扩大为总是阻碍物体的运动。有的学生因忽视匀变速直线运动的平均速度公式的适用范围，用它来分析其它非匀变速运动的问题。为了克服这种思维障碍，在教学中必须把基本概念的物理意义讲清楚，讲清公式的适用范围，配合练习加强运用，在运用中进行检查，深化理解，逐步达到正确掌握基本知识的目标。
六、思维定势干扰形成的思维障碍。
学生运用掌握的知识，形成了一套切实有效的分析解决问题的推理方式和方法，变成了学生的一种能力，一定的思维模式，这种现象叫思维定势。但这种现象具有双重性，既有积极的作用，又有消极的作用。从正面说，思维定势的形成表明学生不仅掌握了知识，并且也形成了一定的思维推理能力；从反面说，这种思维定势对分析解决能力的发展和提高也具有一定的阻碍作用，这种现象在教学中是很常见的。比如，在物理中常用的正负号，它可用来表示矢量的方向，不表示矢量的大小；也可用来表示标量的正负，如温度的高低，功的正负，能量的正负，电势的高低；也可用来表示物体的性质，如透镜的性质，电荷的性质等等。而学生有时片面理解为表方向，忘记有的表示性质，有的表示大小。再如，学生学完高中力学后，解决动力学问题的方法主要有三种，一是运用牛顿运动定律和运动学公式，用来分析简单的匀变速运动的问题；二是动量的观点，运用动量定理和动量守恒定律，这是一种普遍的规律；三是运用功能观点，运用动能定理和能量守恒定律，也是一种普遍的规律。虽然后两种规律学生能够达到的知识水平有限，但在教学大纲和高考说明的范围内，对一些典型问题的分析上，仍然可以暴露出学生思维上的障碍和惯性。事实上，有许多典型的问题是应该用后两种观点容易解决的，学生仍往往用运动学公式和牛顿运动定律来分析，这就说明这种方法对动量和功能原理的知识的理解和提高产生了阻碍作用。还有，带电粒子在电场中的运动分析中，首先要分析粒子的受力情况，对重力是否要考虑应根据状态判断，但学生往往直接将重力分析进去，使问题不能得到解决。要克服这种思维定势，应该注意运用典型的事例加强练习，增强训练的新颖性，增强题目的灵活性，重在提高具体问题具体分析的能力，切实加强审题能力的培养，使学生形成正确的分析习惯和方法，克服想当然的按头脑中的思维套路来解题的不良习惯。
总之，为了有效克服以上所述的各种思维障碍，就必须认真研究学生思维障碍产生的根源，采取各种教学手段，增强预见性和针对性，切实纠正学生思维过程中的错误偏差，并且在运用中不断巩固、深化、提高思维能力。