物理思维能力及其培养.ppt
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1、第六章第六章物理思维能力及其培养物理思维能力及其培养 第一节第一节 物理思维的概念与特点物理思维的概念与特点一、物理思维的概念一、物理思维的概念 思思维维是是具具有有意意识识的的人人脑脑对对客客观观事事物物间间接接的的、概概括括的的和和能能动动的的反反映映。它它以以感感知知为为基基础础而而又又超超越越感感知知,是是认认识识过过程程的的高高级级阶阶段段。通通过过思思维维,达达到到对对客客观事物的本质属性、内部规律性及事物间的联系和相互关系的认识。观事物的本质属性、内部规律性及事物间的联系和相互关系的认识。所所谓谓物物理理思思维维,就就是是具具有有意意识识的的人人脑脑对对自自然然界界中中事事物物
2、(包包括括对对象象、过过程程、现现象象、事事实实等等)的的本本质质属属性性、内内部部规规律律性性及及自自然然界界中中事事物物间间的的联联系系和和相相互互关关系系的的间间接接的的、概概括括的的和和能能动动的的反反映映。我我们们要要认认识识自自然然界界中中物物质质的的运运动动、相相互互作作用用等等的的本本质质规规律律性性和和特特征征,就就必必须须在在头头脑脑中中形形成成对对自自然然界界中中物物质质本本质质的的、完完整整的的、深深刻刻的的反反映映,就就要要对对观观察察过过的的自自然然界界的的现现象象、事事实实、过过程程等等在在大大脑脑中中形形成成清清晰晰的的图图景景,并并反反复复加加工工、合合理理改
3、改造造、去去粗粗取取精精,把把感感性性认认识上升为理性认识,即为物理思维。识上升为理性认识,即为物理思维。思思维维是是智智力力活活动动的的核核心心。智智力力活活动动主主要要包包括括观观察察、实实验验、记记忆忆、思思维维、注注意意、想想像像等等因因素素,在在这这些些因因素素中中,思思维维处处于于核核心心地地位位。学学习习和和进进行行科科学学研研究究均均离离不不开开思思维维,不不论论是是科科学学问问题题的的提提出出、实实验验现现象象的的观观察察、实实验验数数据据的的测测量量、模模型型的的抽抽象象、概概念念的的形形成成、规规律律和和理理论论的的建建立立,还还是是应应用用理理论论解解决实际问题,都离不
4、开思维。决实际问题,都离不开思维。二、物理思维的基本特征二、物理思维的基本特征 物物理理思思维维是是从从属属于于一一般般思思维维的的,它它既既符符合合思思维维的的一一般般规规律律与与特特征征,又又由由于物理学科自身的特点,而具有其独特的思维特点。于物理学科自身的特点,而具有其独特的思维特点。第一,精确性和近似性的统一第一,精确性和近似性的统一 物物理理概概念念是是自自然然界界中中事事物物的的共共同同属属性性和和本本质质特特征征在在人人脑脑中中的的反反映映,是是客客观观事事物物的的抽抽象象,它它产产生生在在观观察察、实实验验和和思思维维的的基基础础上上,具具有有严严格格的的质质的的规规定定性性。
5、由由观观察察、实实验验事事实实到到建建立立物物理理概概念念的的过过程程,是是分分析析、综综合合、抽抽象象和和概概括括等思维的过程。等思维的过程。物物理理规规律律 (包包括括定定律律、定定理理、原原理理、法法则则、公公式式等等)反反映映了了科科学学现现象象、过过程程在在一一定定条条件件下下必必然然发发生生、发发展展和和变变化化的的规规律律。它它产产生生在在观观察察、实实验验、思思维维和和数数学学推推理理的的基基础础上上,用用语语言言逻逻辑辑或或数数学学逻逻辑辑表表述述出出来来,既既可可以以用用数数学学公公式式表表示示,也也可可以以用用数数学学图图像像表表示示。不不论论是是在在理理解解,还还是是在
6、在应应用用时时,均均不不能能有有丝丝毫的差错。毫的差错。在在探探索索物物理理规规律律时时,不不论论是是由由实实验验归归纳纳,还还是是理理论论分分析析,均均需需要要进进行行逻逻辑辑推推理理、数数学学推推导导和和分分析析、归归纳纳、概概括括。这这些些过过程程均均需需要要按按照照严严格格的的逻逻辑辑规规则则和和步步骤骤进进行行。在在解解决决物物理理问问题题时时,要要利利用用分分析析、综综合合、推推理理的的方方法法,利利用用数数学学工工具具,按按照照解解决决物物理理问问题题的的步步骤骤,一一步步一一步步地地进进行行,才才能能得得出出正正确确的的结结论。论。物理思维具有精确性,但并非像数学一样完全精确,
7、它还具有近似性。物理思维具有精确性,但并非像数学一样完全精确,它还具有近似性。第二,理论性与实践性的统一 物理学是实验科学,物理理论是物理学的核心。物理理论的获得和验证都离不开实验,物理思维不同于数学思维,它除了具有理论性外,还必须体现出其实践性,即物理思维不可能是一种“纯思维”。无论是经典物理还是现代物理,物理体系的建构过程中,都反映了其理论性与实践性的辩证统一。第三,抽象性与形象性的统一 物理思维的过程是人脑对外部的信息(现象、事实等)的接收、分析、选择、加工和综合的过程,是一个从感性认识到理性认识的过程。因此,思维的材料可以分为感性材料和理性材料两部分,感性材料具有形象性,主要是在观察、
8、实验基础上对研究对象的感觉和知觉,理性材料主要有概念、规律等,他们往往隐藏在现象背后,不能靠感官直接把握,故具有抽象性。在思维的方法上,也具有抽象性和形象性。总之,物理思维不仅具有抽象性,而且具有形象性,抽象思维是物理思维的核心,形象思维是物理思维的先导,具体的思维中往往同时存在着两种思维,抽象思维和形象思维相互作用、相互补充。三、物理思维的一般过程 由于物理学的研究对象是极其复杂的,故具体的思维过程没有固定的模式,但就物理学发展来看,物理思维主要遵循提出问题、搜寻事实、捕获信息、立论解释的程序。1、提出问题 研究始于问题,提出问题对研究来说意义重大。正如爱因斯坦所说:“提出一个问题往往比解决
9、一个问题更重要”,因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上的或实验上的技能而已,而提出问题,新的可能性、从新的角度去看旧的问题,却需要创造性的想像力。贝弗里奇曾经说:“确切地陈述问题有时是向解决问题迈出了一大步。”而海森堡则说:“提出正确的问题往往等于解决了问题的大半”。物理学是实验科学,观察和实验是提出问题的基本源泉,从思维的角度来讲,提出问题的基本方法有如下几种:第一,分析事物之间的联系及其关系;第二,分析实验事实与已有理论的矛盾;第三,分析理论内部的逻辑困难;第四,比较多种假说之间的差别;第五,追求物理理论的完美;第六,寻求事物的本质属性和规律;第七,满足社会和技术的要求。2、搜寻事实 当选
10、定了所要研究的问题后,为了解决问题,必须搜寻事实,寻找进行理性思维的材料。在科学研究中,搜寻事实的主要途径有两条:第一,观察和实验。在科学研究中,观察和实验是获得感性材料的重要途径,并且许多规律都是通过观察和实验总结出来的。如古希腊的物理学家阿基米德用实验的方法发现了有关斜面、杠杆、滑轮省力的数据与资料和浮力原理。第二,考察已有的理论及实验事实。科学的发展是具有连续性的,后人的研究总是在前人的基础上进行的。因此,考察已有理论及实验事实也是提供思维材料的有效途径。例如,万有引力定律就是牛顿集哥白尼、开普勒、伽利略、笛卡尔、惠更斯、胡克、哈雷等人的研究成果而建立的。又如,麦克斯韦是在库仑定律、高斯
11、定理、法拉第电磁感应定律和安培定律等基础上,建立起电磁场理论的完整体系的。3、捕获信息 对某一问题,在积累了丰富的思维材料之后,要作理性分析,并捕获信息,诱发灵感,这是一项富有创造性的思维活动。信息的捕获和灵感的诱发需要有一定的哲学修养、扎实的基础知识、一定的实践经验、敏锐的判断力、深刻的洞察力、丰富的想像力和对该问题长期的思考,对信息的产生有充分的思想准备。除此之外,信息的获得往往来自各种启示,主要包括:第一,大自然的启示。科学工作者如果对丰富多彩的自然现象抱有盎然的兴趣,并能细心而敏锐地观察,那么,他往往能从自然界中得到某种启发,获得某种信息。第二,不同学科之间的启示。自然界是一个统一的整
12、体,是一个多层次、多结构、多序列的完整网络,只是人们对它进行研究时才分成许多相互独立的学科。故对某一学科的研究均需要吸取其他学科的营养,包括知识、方法和理论,并从中受到启示。如哥白尼日心学说的建立,受到古代哲学思想的启发。第三,对美的追求。对美的追求是科学发展的动力之一,它是捕获信息、诱发灵感的有效途径。这种思维方法的最大特点就是把对美的追求放在思维的首位,按照美学规律,通过对科学理论的形式、结构、内容的审美处理,对尚不完美的对象进行加工、修改以至重构,探索发展科学的新方向。4、立论解释 信息的捕获,灵感的产生,往往只是提供了一个解决问题的方向和机遇,要彻底解决问题,还得提出假说、检验假说、建
13、立理论。所谓假说就是研究者在观察和实验的基础上,根据科学原理与事实,通过思维加工,对未知的科学现象或过程的本质、规律所作的一种假定性的说明或解释。假说在科学的发展中起着重大的作用,它不仅是科学理论发展的形式,又能提供进一步研究的方向,从而为新的观察、实验提供明确的指导思想。假说的提出,必须遵循四条原则:第一,解释性原则。即在某领域内的科学假说,要能够解释已知的全部事实及实验定律,否则,就应进行修改。第二,预见性原则。即假说必须能够提供进一步研究的方向,预言一定的结果。第三,可检验性原则。即假说必须能够接受检验。第四,简洁性原则,即科学假说要尽可能简洁。所谓科学理论,就是由概念、规律按照科学的逻
14、辑所构成的系统化了的知识体系,是在一定的条件下和一定的范围内对现象和过程的本质及其规律的高度概括。科学理论具有客观性、逻辑性、普遍性的特点。科学理论有三种基本功能:一是解释功能。即科学理论具有解释现象和过程的功能。二是预见功能。即科学理论可以预见一定范围内客观事物运动、变化和发展将要出现的现象和过程,也可以预见人类尚未认识的新的科学现象和过程。三是生题功能。即通过分析科学理论内部的逻辑困难以及理论与实验的矛盾,可以提出新的科学问题,从而为科学研究指明方向。三、物理思维的分类 一般来说,根据物理思维的特点,可将思维分为抽象思维、形象思维、直觉思维三种。1、抽象思维 凡是以物理概念为思维材料,以物
15、理概念、判断和推理的形式来反映事物的运动规律,达到对客观事物的本质特征和内在联系的认识的过程叫做物理抽象思维。物理抽象思维是物理思维的一种重要形式,许多物理问题的提出、物理概念的产生、规律的建立、理论的形成等都是抽象思维的结果。物理抽象思维具有三个重要特点:第一,抽象性和概括性。在抽象思维过程中,必须将事物的本质属性或特征与非本质属性或特征区分开来,去伪存真,即抽象。所谓概括,就是在抽象的基础上,把所有反映事物本质的属性结合为一个整体,形成关于客观事物的整体的和一般的认识,进而把这种一般的认识推广到同类事物,把握同类事物的共同性和一般性。抽象性与概括性的统一,是物理抽象思维的一个重要特点,只有
16、通过抽象与概括,才能形成物理概念,才能简化物理对象和过程,形成理想化模型和过程,才能在实验和理论分析的基础上得出物理规律。第二,逻辑性和系统性。逻辑性和系统性的辩证统一是物理抽象思维的又一主要特点。抽象思维是以物理概念、判断和推理的形式进行的思维,所以,它必须按照一定的形式、方法和规律进行,即物理抽象思维的逻辑性。物理抽象思维按照一定的逻辑形式和逻辑方法,遵从一定的逻辑规律或规则,在思维过程中总要形成对事物的系统的认识,从而表现出系统性的特征。第三,能动性和间接性。人类认识自然的过程是一个能动的认识过程。当感性材料达到一定程度的时候,思维能动地对这些材料进行分析、综合、比较、分类、抽象、概括等
17、,形成对事物的一般的和概括的认识。抽象思维是一种有目的的、能动的思维活动。自然界事物的本质和规律,有些隐藏在现象背后,人的感官不能直接感知到,只有通过其他事物,借助于已有的知识和经验,去认识那些没有直接感知过的,或者根本无法感知的事物,即思维对事物的间接认识。物理抽象思维的能动性和间接性相互结合、相互促进,借助已有的知识和经验,使得我们能够在对现实事物认识的基础上进行蔓延式无止境扩展和想像。抽象思维的过程可概括为感性具体-思维抽象-思维具体。从感性具体到思维抽象是抽象思维的第一阶段。在这个阶段上,思维从丰富的感性具体中抽象出一般规定,利用分析、综合、比较、分类、抽象、概括、系统化等方法,形成对
18、事物的某些方面、某些属性、某些特征、某些规律及其相互关系的普遍的、系统的认识,实现认识的第一个飞跃。从思维抽象到思维具体是抽象思维的第二个阶段。它是以思维抽象为逻辑起点,在把握事物的各种规定及其之间的内在联系,建立理论的基础上,确定每一种规定、每一个概念、每一个规律、每一个理论在具体事物中的地位和作用,解决实际的问题。抽象思维就是感性具体-思维抽象-思维具体的螺旋式发展、波浪式前进的过程。抽象思维的基本形式是概念、判断、推理。概念是客观事物的共同属性和本质特征在人们头脑中的反映。判断是对事物的论断,是运用概念对思维对象表示肯定和否定的一种思维形式。推理是根据一个判断或一些判断得出另一个判断的思
19、维形式,包括归纳推理、演绎推理、类比推理。它既是抽象思维的基本形式,又是抽象思维的基本方法。2、物理形象思维物理形象思维就是以物理表象为思维材料而进行的思维。它具有三个主要特点:第一,形象性。形象思维是运用直观、具体、生动的形象材料,通过事物的形象特征认识事物的本质和规律,并作出某种判断的思维。人们在联想、想像过程中,一刻也离不开形象,因此,形象性是物理形象思维的重要特征。第二,动态性。物理形象思维的材料、结果和过程常常是动态的,因此,动态性也是物理形象思维的一个重要特征。在物理学中,动态的图景及形象很多,如卢瑟福原子核式结构形象。第三,创造性。物理形象思维的基本形式是表象、直感和想像。想像是
20、人脑对已有表象进行加工、改造,产生新形象的过程,因此,具有创造性的特征。物理形象思维的酝酿及其发生过程是多种因素相互关联、相互影响、相互作用的结果。这些因素间是按层次顺序相互制约的。物理形象思维的基本形式是表象、直感和想像。表象是人脑对当前没有直接作用于感觉器官的、以前感知过的事物形象的反映。运用表象对具体形象的直接判断和感知称为直感,物理直感是运用物理表象对有关具体物理形象的直接判别和感知,这种判断与抽象思维中的判断不同,它不是以概念为中介,而只需要将储存在大脑神经网络中的概象与特征相应的某一事物的感性映象比较一下便能直接作出判断了。而想像是人脑对已有表象进行加工、改造而创造新的形象的过程。
21、物理学发展离不开形象思维,同样,学习物理知识也需要形象思维。形象思维有助于学生构想理想化的形象,有助于物理概念的形成,有助于规律的理解,便于对问题的整体把握和定性分析,常常能唤起直觉、诱发灵感。3、物理直觉思维所谓物理直觉思维,就是以物理概念和表象结合而成的、具有整体功能的知识组块为思维材料而进行的思维,是指人脑不借助于逻辑推理而综合运用已有知识、表象和经验知觉,以高度省略、简化、浓缩的方式洞察事物的实质,并迅速作出猜测、设想或突然领悟的思维。直觉思维作为一种认识过程和思维的形式,与抽象思维和形象思维有密切的关系,它的思维材料还是概念和表象,既可以以抽象思维的形式进行,也可以以形象思维的形式进
22、行,可以是语言、符号构成的,也可以是图景式的。从这个意义上来讲,直觉思维不是与抽象思维和形象思维并列的一种独立的思维方式,而是抽象思维或形象思维活动发展到一定阶段的一种激烈的跳跃和升华,是抽象思维或形象思维过程渐进性中断而出现的导致一定思维活动及其内容的接通的飞跃。物理直觉思维具有三个特点:第一,整体性。直觉思维是综合运用已有知识、表象、经验感觉,从整体上研究问题,从整体上把握对象和过程,把注意力和着力点放在问题的整体对外效应上,在对问题作总体分析的基础上,进行一种简约的、紧缩的、有选择的、急速的推理思维,然后以一种敏锐的观察力、有根据的想象力和判断力,以单刀直入的方式,一次从整体上揭示事物的
23、本质。第二,突发性。直觉和灵感的产生,往往具有“突发性”的性质,这种直觉的顿悟,既可以发生在为解决问题进行中,也可以发生在主体当时并不在思考所要想解决的问题,甚至在漫无目的的、不受主体控制的“潜意识”中。第三,随机性。物理直觉思维的随机性具有两方面的含义。首先,灵感的出现常常是人们预料不到的。就人的整体思维过程来说,灵感的出现是一种随机现象,灵感在什么情况下出现,在什么时间、什么地点出现,往往是难以预测的。其次,直觉思维(包括直觉与灵感)的结果可能是正确的,也可能是错误的,它是对问题的直觉的猜测,其结果的正确性要靠实验来检验。第二节 中学生物理思维能力的结构 中学生物理思维能力的结构是由中学生
24、物理思维的内容、思维的方法、思维的品质组成的一个整体。一、物理思维的基本方法1、分析与综合2、比较与分类3、抽象与概括4、科学推理5、臻美第二节 中学生物理思维能力的结构 中学生物理思维能力的结构是由中学生物理思维的内容、思维的方法、思维的品质组成的一个整体。一、物理思维的基本方法1、分析与综合2、比较与分类3、抽象与概括4、科学推理5、臻美第二节 中学生物理思维能力的结构 中学生物理思维能力的结构是由中学生物理思维的内容、思维的方法、思维的品质组成的一个整体。一、物理思维的基本方法1、分析与综合2、比较与分类3、抽象与概括4、科学推理5、臻美 所谓分析,是把研究对象在思维中分解成为它的各个组
25、成部分或要素,然后分别加以考察和研究,研究它们相互联系、相互制约的关系,研究它们之间的相互作用及在整体对象中的地位,考察它们对研究对象的状态及发展变化的影响,从而揭示事物的属性和本质的方法。所谓综合,就是在分析的基础上,把研究对象的各个组成部分或要素在思维中重新结合为一个整体,从而在整体上把握事物的本质和规律。从思维的角度来讲,综合的特点是:第一,以分析为基础。第二,由局部到整体,由分离到统一。第三,分析离不开综合。认识过程总是沿着“分析-综合-分析”的轨迹不断前进、不断深入过程。第二节 中学生物理思维能力的结构 中学生物理思维能力的结构是由中学生物理思维的内容、思维的方法、思维的品质组成的一
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