高中物理教学中开发学生空间智能的有关问题

吴瑾 冯杰

(上海师范大学数理学院 上海 200234)

1 序言

传统的纸笔测验测量的是学生的语言智能和数学逻辑智能．学生在学校的成绩好，说明他们的语言智能和数学逻辑智能比较高．提到物理这门学科，很多人认为与语言智能和数学逻辑智能的关系最为紧密．对物理学中的概念、规律的理解，需要一个人具有较高的语言智能，而一些物理理论的得出与发展又离不开数学和逻辑推理，这又需要一个人具有较高的数学逻辑智能．因此，很容易得出一种结论，要学好物理，只要具有较高的语言智能和数学逻辑智能就行了．其实不然，因为在物理教学中，特别是在高中物理教学中，在学生头脑中建立正确的“物理空间模型”也是非常重要的，而正确“物理空间模型”的建立，则需要一个人具备较高的空间智能．因此，在物理教学中开发学生的空间智能非常重要，不容忽视．

2 空间智能理论简介

美国哈佛大学教育研究生院心理学、教育学教授加德纳认为，人的智能应该有以下几种：音乐智能、身体动觉智能、逻辑数学智能、语言智能、空间智能、人际智能、自我认知智能、自然观察智能以及可能存在的存在智能[1]．这几种智能同等重要，并且是多维度相对独立的表现出来的，而不是以整合方式表现出来的[2]．每个人都拥有以上所有智能，人与人之间的差别，主要在于人与人之间所具有的不同智能组合[1]．

其中，空间智能，是在头脑中形成一个外部空间世界的模式并能够运用和操作这种模式的能力，也就是指准确感知视觉空间及周周一切事物，并且能把所感觉到的形象以图画的形式表现出来的能力．这项智能包括对色彩、线条、形状、形式、空间关系很敏感[3]．脑科学研究表明，经过长期进化，正如大脑的左半叶掌管习惯使用右手的人的语言功能一样，大脑的右半叶掌管着对空间的判断[1]．其他与空间位置有关的问题，如下棋和从不同的角度看到物体的形状在人脑中的显示，也是如此．视觉艺术也是空间智能的一种运用．同样地，在高中物理教学中，物理模型在学生头脑中以相对形象的图像形式显示出来，同时，学生又能够把他们头脑中的这种图像用更形象的方式表达出来，例如纸笔画图，这可以说是空间智能在物理学习中的一种应用．

3 高中物理教学中开发学生空间智能的重要性

高中阶段的学生，已经进入皮亚杰的“形式运算”时期．这时的他们，已经能够以更加抽象的思维方式推理、思考，提出假设和理论，同时还能更全面地对待自己的感觉．高一的学生正处于形象思维到抽象思维发展的过渡时期，也是抽象思维发展的关键时期．相比之下，高二的学生抽象思维能力已经发展到一定的阶段，基本稳定，但每个人的心理发展又具有不平衡性．教学要着眼于学生的“最近发展区”，因此，高中的物理教学内容，不论是物理概念、物理规律还是其他的内容，都变得更加抽象化．学生理解这些更加抽象化的内容会经历变抽象为形象的过程，那就是把抽象的内容在头脑中以形象的方式表现出来，或者借助一定的感性材料，从而增强高一学生学习物理的自信心，弥补高二学生心理发展的不平衡性，使他们做到真正的理解．

物理概念是某些物理现象、物理过程的共同特征和本质特性在人们头脑中的反应[2]．高中物理中的一些概念非常抽象，例如电场，电荷周围空间存在的物质，这种地球上客观存在却又看不见摸不着的场的概念．在电场的学习中，学生通过学习它的物理性质所表现出的电场强度和电场线来加深对电场概念的理解．

在电场强度的教学过程中，涉及到“空间中某一场源电荷在它周围产生了电场”以及“实验表明：同一检验电荷在电场中不同位置受力大小和方向不同、不同检验电荷在电场中同一位置受力大小和方向不同”等教学语言，其中，“空间中”“周围”“不同位置”“受力方向”等都是和空间有关的词语，讲解过程中，都需要学生对空间有比较敏锐的感知力．另外，这个实验实际上和之前学习的库仑定律实验原理相似，只是做了一定的理想化处理，即试探电荷的电荷量要足够小，使得其自身产生的电场不影响场源电荷周围的电场分布．本来静电实验就比较难以演示成功，如此理想化的实验就更无法去做，只能以图形[如图1(a)所示]和语言代替．然而，图形只能给学生提供电场的二维平面感知，而场源电荷产生的电场分布在其周围的三维空间里，虽然可以画出三维空间的图形，如图1(b)所示，但最终还是要以二维平面的形式呈现给学生(其实已经达到了一定的效果)，无法代替实验，因此仍然需要学生对场源电荷周围的空间有敏锐的感知力．

图1 静电实验示意图

仅通过电场强度来理解电场还不够，对于高二的学生，虽然抽象思维已经发展到了一定的阶段，但在理解抽象概念的时候，还是需要借助一定的感性材料．电场线是根据电场的物理性质而假想出来的形象描述电场的一组曲线．学生可以借助电场线来进一步加深对电场概念的理解．

在电场线的教学中，教师往往呈献给学生的是平面形式的电场线，如图2(a)所示．而电场线是分布在带电体周围空间的，我们可以利用计算机软件画出电场线的空间立体图，如图2(b)所示，也可以利用软件做出电场线的动画效果，从不同的角度展示不同形式的电场线，达到非常形象且空间感十足的效果，从而帮助学生理解．

图2 电场线示意图

然而，需要注意的是，电场线终究是假想出来的，并不完全等同于电场．带电体周围空间的任意一点都存在电场，而电场线呈现出来的是一条条的，这也是电场线的不足之处，容易导致一部分学生“大脑偷懒”，认为电场线所在处才有电场．因此，在这一点上一定要提醒学生，电场线的空隙之间也存在电场，电场是存在于带电体周围整个空间的，这同时也是对学生空间想像能力的一种要求．同样，磁场概念的理解也是如此，在电场与磁场正交的问题处理中，空间智能更是能够发挥出无可替代的作用．

4 教学过程中开发学生空间智能的建议

平时的物理教学中，我们常常会注意学生语言智能和数学逻辑智能的开发和培养，而忽略了他们空间智能的开发与培养，以至于那些语言智能和数学逻辑智能本身就不够高的学生，即物理学习不太好的学生对物理学习丧失信心．因此，在教学过程中，教师要注意开发学生潜在的空间智能，以帮助物理学习好的学生更容易地学习物理，帮助那些物理学习不太好的学生把物理学习好．

4.1 多开展实验教学给学生提供应用空间智能的机会

物理学是一门以观察和实验为基础的自然科学，物理实验在物理教学中的功能非常强大，物理概念规律的建立以及物理结论的得出都离不开物理实验[2]．物理实验呈现给人的是一种很直观的信息，人脑最容易感知这种直观信息并储存在其中，同时也更方便提取．这里的实验包括演示实验和学生分组实验．

演示实验总是以形象的整体空间结构存储在大脑中，因此，可以在学生头脑中积累现成的和教学内容有关的空间结构信息，这样在需要用的时候也方便直接提取．在这种不断积累和提取的过程中，就无形地帮助学生发展他们的空间智能了．例如，用水波演示波的干涉实验中，先把两根细杆固定在一个振动片上，当振动片振动时，两根细杆周期性的触动水面，形成两个波源．这两个波源发出的是频率相同的波，两列波的振动方向也相同(水面质点都是沿上下方向振动)，两根细杆是同步振动的，所以产生的两列波的相位差是恒定的．因此，当这两列波相遇时，会发生明显的干涉现象，产生清晰的干涉图样．然后，把两根细杆固定在两个振动片上，让两振动片同时振动，但要使它们振动的频率不同，引导学生观察两列波相遇的地方，将观察不到清晰的干涉图样．接下来，保持两振动片振动的频率相同，将其中一个振动片的开关时而断开，时而闭合，改变两振动片振动的相位差，引导学生仔细观察，也观察不到清晰的干涉图样．最后，让学生通过观察实验现象，概括总结产生稳定干涉现象的条件：两列波的频率相同，相位差保持不变.振动方向相同可由教师补充说明．波的干涉图样这一空间结构在学生头脑中产生一定的刺激，使学生很容易得出产生稳定干涉现象的条件，再配合教师详细的讲解，不仅可以开发学生的空间智能，还能帮助学生更好地学习波的干涉．

另外，学生分组实验，特别是电学实验(电路图的连接)，更能帮助学生发展他们的空间智能．从电路图到实验实物图的连接操作中间会有一个比较大的跨越性，初中时，学生需要通过电路图先画出实物的连接图，在根据实物电路图进行真正的实物连接，而高中时就只给出电路图，要求学生根据电路图直接进行实验操作，连接电路图．例如，在测定电池电动势和内阻的实验中，教材给出了三种不同的实验原理，也就是不同的实验电路图，学生可以根据自己的条件或喜好选择一种来进行实验．不管选择哪一种，学生都要根据电路图来确定电池、仪器仪表和用电器的空间位置，然后按照电路图并且以一定的顺序来连接实物，并且还需要注意在连接过程中的一些细节问题．从书面的简单电路图到实物电路图的连接，学生的头脑中会经历一系列的复杂过程，学生的空间智能就会在这一过程中得到一定的开发和利用．

4.2 利用教材中的相关内容增强学生的空间感受能力

在平时的物理教学过程中，教师要善于利用教材中与三维空间关系相关的教学内容，来增强学生的空间感受能力，开发学生的空间智能．例如，人教版《物理·选修3-1，3-2》中判断通电导线和运动电荷在磁场中受力方向的“左手定则”以及判断感应电流方向的“右手定则”．

如图3(a)所示，是判断通电导线在磁场中受安培力方向的“安培定则”(也称“左手定则”)示意图．伸开左手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是通电导线在磁场中所受安培力的方向．图3(a)给出的是电流方向和磁感应强度方向垂直的情况.当电流方向与磁感应强度方向不垂直的时候，还需要将磁感应强度进行正交分解成垂直于电流方向的和平行于电流方向的，如图3(b)所示，然后再判定安培力的方向．

图3 “安培定则”示意图

总之，安培力的方向与导线和磁感应强度的方向都垂直．安培力方向的判定涉及到三维空间中某一方向的确定，其中很多关于方向和方位的词语都需要学生具有比较强的空间感受能力，特别是当电流方向与磁感应强度方向不垂直时，安培力方向和大小的分析，对学生空间感受能力有着更高的要求．同样，运动电荷在磁场中受洛伦兹力方向的判定以及感应电流方向的判定也是如此．在这些教学内容的讲授中，教师要配合详细的三维空间图示以及相关的实验进行讲解，再对学生进行一定程度的训练，从而增强学生的空间感受能力，开发他们的空间智能．

4.3 要求学生多用图示法展示物理过程激发学生的空间想像能力

《考试说明》对分析综合能力的描述是，“能够独立地对所遇到的问题进行具体分析、明确其中的物理状态、物理过程和物理情景，找出起重要作用的因素及有关条件；能够把一个复杂问题分解为若干较简单的问题，找出它们之间的联系；能够提出解决问题的方法，运用物理知识综合解决所遇到的问题”[4]．而学会用图示法展示物理过程，不仅对培养学生的分析能力有帮助，对激发学生的空间想像能力、开发学生的空间智能也有很大的帮助．那么，就要求学生在解力学题时画出规范的物体受力示意图、物体运动过程分析图，光学中画出规范的光路图，电学中画出规范的电路图等，以加强训练．不仅如此，还要学会把复杂的空间三维图转换成简单地二维平面图，解释和处理一些基本的空间和图形问题．

例如在类平抛运动中，如图4所示，将质量为m的小球从倾角为θ的光滑斜面上A点以速度v0水平抛出，小球运动到B点．小球的运动路径是一条三维的比较复杂的空间曲线，对高中学生来说，想用数学的方法分析这条曲线是比较困难的．

图4 斜面类平抛三维图

实际上我们可以把这个三维图形转换成两个二维平面图形来分析，如图5所示．首先，斜面是光滑的，所以小球只在竖直平面内受力，如图5(a)所示，小球受到地球对它的重力G和斜面对它的支持力N，这两个力的合力F合沿斜面向下，使小球沿斜面向下做初速为零的匀加速运动．而小球是在光滑斜面上沿水平方向以一定速度抛出，因此小球的运动过程实际上是相互垂直的匀速直线运动和初速为零的匀加速直线运动这两种运动的合成．这就和平抛运动非常相似，只不过把平抛运动里面的重力加速度换成小球沿斜面向下的运动加速度．这时，我们就可以把斜面平面图单独拿出来，当成竖直平面图，如图5(b)所示，用平抛运动的相关知识来解答诸如此类的问题，就非常容易了．学生通过用示意图展示物理过程，感受空间与图形的微妙关系，体验三维立体图形和二维平面图形的相互转换，从而开发他们的空间智能．

图5 平面图

5 小结

从以上分析可以看出，在高中物理教学中开发学生的空间智能具有非常重要的作用．开发学生的空间智能，使之与他们的语言智能和数学逻辑智能有机的组合，达成完美的智能组合形式．这样，不仅能帮助本身物理学习好的学生更好地学习物理，达到更高的水平，更重要的是，能够帮助物理学习不好的学生增加对物理学习的信心，从而把物理学习好．

参考文献

1 霍华德·加德纳著.多元智能新视野．沈致隆译．北京：中国人民大学出版社，2012.9～24，26～27，15

2 冯杰．中学物理课程与教学论．北京：北京大学出版社，2011.77～78，120，99

3 霍华德·加德纳著.多元智能．沈致隆译．北京：中国人民大学出版社，1999，9，24

4 麦建华．运用多元智能理论优化高三物理教学过程的探讨．中学物理教学参考，2011(6)：50～53