发现物理问题，培养创新思维
——谈高中物理教学中创新思维能力的培养


摘要：培养创新思维能力是时代对教育的基本要求，高中物理教学应该顺应这一形势。高中物理各个教学环节中都存在着大量可探究问题，教师要指导学生发现这些问题，指导学生在学习中发现问题，文章结合多年的教学案例，论述了在高中物理教学中如何培养学生的创新思维能力。
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关键词：高中物理；探究问题；创新思维；能力培养
创新是人类特有的认识能力和实践能力，是推动民族进步和社会发展的不竭动力[1]。面对社会的需求，高中物理教学要作出改变，积极地培创新人才。高中物理内容体系中包含了大量可以培养学生创新思维能力的要素，教师要用心挖掘这些素材，融入到日常的教学中。
一、概念教学中创新思维的培养
物理概念来源于两个渠道：第一个渠道，直接从物理现象中抽象。如，质点概念是对大量形状和大小不影响所研究问题物体的抽象。第二个渠道，从相关概念中抽象。如，电势从电荷在电场中具有的电势能和电荷的电荷量两个概念中抽象而出。物理教学的第一个步骤即为概念的建构。从表面上看概念冷冰冰的，学生不感兴趣。实际上，概念背后隐藏着缜密的物理思想方法，教师要鼓励学生推敲背后蕴藏的物理奥秘。教师要指导学生善于挖掘物理教学中的问题，这样的教学是可行的，也是十分有必要的。在概念教学过程中，教师可以针对相关概念，提出引导问题，引发学生思考，进而发展学生的创新思维能力。
“电阻率”是电学中的重要概念，它反映了不同材料对电流的阻碍特性。由于受到初中物理学习的干扰，学生难以理解“电阻率”这个概念。在初中，学生已经知道“电阻是导体对电流的阻碍作用”。学生无法分清“电阻”和“电阻率”的关系。在此处，教师可以利用思考问题激发学生的创新意识，让学生自主构造“电阻率”这个概念，以获得创新思维能力的发展。教师将两段长度一样、横截面积一样的不同材料导体分别接入到相同电路中，让学生观察小灯泡的亮度。学生发现两次实验中小灯泡的亮度明显不一样。教师提出问题：“这个实验现象说明了什么问题？”学生思考后回答：“这个实验现象说明了不同导体材料对电流的阻碍特性不同。”教师提供实验器材，要求学生利用实验探究不同材料对电流的阻碍特性。首先，学生使用同一种导线做实验。在实验中，学生改变导线接入到电路中的长度。他们利用电阻定律计算此导线的电阻率。学生发现尽管导线接入电路中的长度不一样，但是计算出来的电阻率是一样的。这个实验探究过程使学生初步认识到电阻率和导体的材料存在联系。学生再使用横截面积相同、长度相同的导线做实验。在这一次实验中，学生测出来的电阻率明显不同。此次实验使学生确定电阻率是由导体材料所决定的。教师提出引导问题：“你能推断出电阻率的单位吗？”学生结合电阻定律的公式推导出了电阻率的单位。教师再提出引导问题：“能否定义一个物理量，用来描述导体的导电能力？”这个问题具有一定创新性，需要学生运用逆向思维来分析这个问题。电阻率描述了导体对电流的阻碍特性，描述导体导电特性的物理量正好和电阻率相反。学生想到了利用电阻率的倒数（即）来定义这个物理量，这个物理量便是电导。在这次概念教学中，教师指导学生主动发现可探究问题，并解决问题，发现定义电阻率的方式，培养了学生的创新思维能力。教师并没有局限于此，还让学生自主定义了一个新的物理量——电导，进一步促进了学生创新思维的发展。教师在教学中创造教学情境，有利于引导学生追求物理知识的来龙去脉，为学生创新思维的培养增添动力[2]。在此教学过程中，教师积极创设了物理情境。
二、规律教学中创新思维的培养，
一般情况下，物理规律体现了不同物理量之间的联系。如，体现了速度、位移、时间三个物理量之间的联系。物理规律是高中物理教学的核心，是解决物理问题的基础。物理规律主要来源于对物理现象的观察和理论推导。物理现象千奇百怪，但是背后隐藏着许多共同的规律，将这些规律使用语言或者数学公式描绘出来就是物理规律。利用已知的物理规律进行推导，也可以得到一些新的物理规律。进行物理规律教学时，教师要鼓励学生在解题中发现问题规律，总结归纳，又要逆向思考，这样才有利于提升思维水平。机车启动问题分为两种情况，分别为恒定功率启动和恒定加速度启动。两种启动方式背后都蕴含了较为复杂的物理规律。分析机车的这两种启动方式可以培养学生的逻辑思维能力和推理能力。机车以恒定功率启动，它的运动分为两个阶段，分别为加速度逐渐减小的加速运动阶段和匀速运动阶段。在分析这个问题的时候，学生可以发现牵引力、速度、加速度三者之间存在着联系，机车的运动形式实质上由三者之间的关系所决定。教师先和学生一起理清机车以恒定功率启动的运动方式，以及在这个过程中各个物理量之间的制约关系。然后，教师要求学生绘制机车以恒定功率启动的v-t图像，如图1所示。从此图像中，学生可以清晰地认识到机车在各个阶段的运动情况。教师提出问题：“如果我们以加速度为纵轴，以速度的倒数为横轴，作出来的图像是什么形状？”这是一个创新问题。教师让学生从加速度和速度的关系入手分析这个问题。学生推导出来的关系为。显然，从数学关系式中学生发现加速度和速度的倒数为线性关系（一次函数关系），作出来的图像是一条直线，如图2所示。教师让学生说一说图像的斜率和截矩各有什么意义。学生分析数学表达式后认为：“该图像的斜率表示，纵截矩表示。”接着，教师再提出一个创新问题：“如果机车的速度为最大速度的，则它的加速度为多大？”教师让学生思考后列式计算。在解决这个问题后，教师启发学生尝试针对机车启动问题挖掘新的图像，并针对新的图像研究相关问题。有学生受到前面问题的启发，画出了图像（如图3所示）。教师让学生解释这种图像所内涵的物理意义。在这次规律教学中，教师从机车问题的v-t图像出发，引导学生创新。教师先展示图像，让学生深刻认识机车启动中的规律。接着，教师再让学生自己去挖掘机车启动中的图像，学生发现了图像，教师引导学生思考图像的物理意义，学生在思考的过程中创新思维得到了发展。
三、习题教学中创新思维的培养
在高中物理教学中，教师需要使用大量课堂教学时间进行习题教学。习题教学不仅加深学生对物理知识的内涵的理解，而且也提高学生运用物理知识解决实际问题的能力。高考试卷以习题构成，因此教师十分重视习题教学。一般情况下，教师强调解题方法和技巧。实际上，高中物理习题千变万化，教师完全可以结合具体习题来培养学生的创新思维能力。对于同一道习题，学生可以采用多种解答方法，教师可以引导学生进行一题多解，训练创新思维能力。在讲解过解题技巧后，教师再对习题进行变形，创造出新的习题形式，引导学生解答，为学生提供创造性思维应用的平台。然后，教师可以给学生机会，让学生自主改编习题，培养学生创新思维。能力甚至教师可以让学生联系实际生活情境，自主编制新的习题。
运动学问题解答方法较多，大部分运动学习题可以进行一题多解教学。在运动学习题课中，教师展示习题：
一列火车进站开始刹车，火车做匀减速直线运动，经过7s后停止，已知火车在最后1s内通过的位移是2m。那么，
（1）这列火车在刹车过程中通过的位移是多少？
（2）开始刹车时的初速度是多少？
学生首先想到的是采用基本公式求解。教师让学生绘制出火车运动的情境图，再使用学过的三个运动学基本公式列式。学生使用速度公式和位移公式列出两个方程，然后求解。学生求解出列车的初速度和加速度，再利用运动学公式求解出整个过程中火车通过的位移和开始刹车时的速度。教师提示：“我们还学习过一些重要的推论，能否利用推论来解答这个题目呢？”教师给予学生充足时间思考。学生先使用平均速度公式，计算出6.5s时的速度，在使用加速度的定义式计算出加速度。学生再对整个过程使用速度公式，计算出火车开始刹车时的速度。这样，整个过程的位移也迎刃而解。教师让学生再思考其它解答的方法。学生又想出了一些方法。如，有学生想出了使用v-t图像解题的方法。先画出这道习题情境中所描述的v-t图像，再利用相似三角形计算出整个过程的位移和开始刹车时的速度。完成这道习题的一题多解后，教师让学生利用这道习题的情境自主设计一道习题。学生在设计或者改编习题时需要充分地利用创新思维。有学生设计的习题为：
一列火车在进站的时候刹车做匀减速直线运动，这列火车在第6秒时的速度是4m/s，第7秒时停止，则这列火车在7秒内通过的位移是多少？
在这次习题教学中，教师鼓励学生采用不同方法解答题目，有利于打破学生的思维定势，让学生创新思维不断得到发展。在解答习题后，教师还让学生结合相同的物理情境设计了习题，进一步发展了学生的创新思维能力。习题中的创新是灵活多变的，教师要积极地引导学生思考，让学生充分发挥创新思维能力，进行有意义的学习。
四、实验教学中创新思维的培养
实验是高中物理中的重要手段。教师利用实验来辅助教学，提升教学效率；学生利用实验来探究知识，提升物理素养。实验也是考试中的重要考查项目。因此，高中物理教师十分重视实验教学。因为实验和探究是联系在一起的，在实验教学中可以融入创新思维的培养。探究性实验是实验教学的最常见形式，通过探究能发现问题，归纳规律，能有效培养学生的创新思维能力[3]。可以在两个方面构建探究性实验：一方面，教师可以在实验设计中融入创新思维能力的培养。教师布置实验任务，让学生自己设计实验。另一方面，教师可以在数据处理过程中融入创新思维能力的培养。教师让学生采用新的数据处理方法（如信息技术），使学生体验不一样的物理实验数据处理方式。
在“自由落体运动”教学中，教师需要和学生一起探究自由落体运动的规律。首先，教师结合生活中的落体现象介绍自由落体运动的概念，让学生认识到自由落体运动是物体由静止开始自由下落的运动。然后教师提出问题：“自由落体运动是什么性质的运动呢？”通过前面的学习，学生已经知道了匀变速直线运动的概念。但是，学生结合生活经验只能判断出自由落体运动是加速运动，无法确认是否为匀加速直线运动。因此需要使用实验来探究自由落体运动。教师要求学生探究自由落体运动的性质。教师布置任务后，让学生自主设计实验方案。有学生设计了如图4所示的实验方案。在此实验方案中，学生使用了打点计时器来研究自由落体运动，通过分析纸带，学生可以直接判断出物体下落的运动性质。而且，借助纸带，学生还可以求出自由落体运动的加速度。这个实验和前面研究小车运动规律实验相对应，是学生组合学习资源获得的一种创新体验。有学生设计了另外一种实验方案，他们使用频闪照相机记录物体自由下落的过程。借助频闪照片，学生可以判断自由落体运动的性质。学生也可以借助频闪照片计算出自由落体运动的加速度。学生设计好实验方案后，教师提供实验器材，指导学生做实验。教师要求学生使用电脑中的数据表格软件Excel来记录数据。完成实验后，教师指导学生使用Excel自动处理数据，分析自由落体运动的性质。许多学生利用Excel中的作图工具作出了x-t图像和v-t图像，再利用拟合工具自动得出了图像所对应的数学函数。数学函数直接将自由落体运动的规律展示了出来，学生清晰地判断出自由落体运动是初速度为0的匀加速直线运动。结合自由落体运动性质的探究，教师可以让学生再设计实验，探究竖直上抛运动，将探究活动拓展出去。在本次实验教学中，教师指导学生探究了自由落体运动的性质。教师布置任务后让学生自主设计实验。这个过程可以训练学生的创新思维能力。在学生设计好实验方案后，教师提供实验器材，让学生自主实验。教师要求学生使用信息技术工具来记录数据、处理数据。这个过程也可以训练学生的创新思维能力。学生可以使用信息技术工具改变传统的数据记录和分析方式，更加简洁高效完成分析和处理数据。
结束语：
高中学生创新思维能力的培养已经成为时代的需求，教师要在教学的各个环节中采取有效的教学方式来发展学生的创新思维能力。高中物理教学主要包括概念、规律、习题、实验等环节。教师需要指导学生在这些学习环节中发现问题、分析问题，引导学生进行创新活动，从而发展学生的创新思维能力。


参考文献：
[1]俞国富.高中物理教学中培养质疑创新能力的策略[J].中学物理,2022,40(11):47-51.
[2]祁宜纯.培养学生创造性思维的策略浅析——以“牛顿第二定律”教学为例[J].中学物理教学参考,2022,51(06):30-32.
[3]苏宏.优化物理实验教学 培养创新思维能力[J].中学物理教学参考,2022,51(02):31-33.