物理竞赛教学中创新动机的培养

一、物理竞赛教学中学生创新动机培养的提出

所谓创新动机指的是直接推动个体从事创造性活动并实现创新目标的内部动力，它使个体明确创新的目标及实现创新目标的意义，并始终获得抵御一切障碍的内部支持力量，从而保证创新全过程的有效实施.[1]在科学创新过程中，强烈的创新动机激发着科学家的科学探究，从而取得举世瞩目的创新成就.创新动机是创新个性品格的一个重要组成部分，培养创新动机是培养比较全面而个性的创新人才十分重要的一个举措.中学物理竞赛教学原本是培养学生创新素养的重要领域，然而，现行物理竞赛教学中存在如下问题.

（一）注重认知领域创新教学，而缺乏非认知领域的创新教学

比较注重从认知领域（创新思维）实施创新教学，缺乏从非认知领域（创新个性品格，尤其创新动机）实施创新教学，学生创新动机和意志品格没有得到较好培养，从而缺乏强大、持续的科学创新动力.

（二）注重功利性外部创新动机激发，而缺乏内部创新动机培养

往往通过功利性的奖励方式来激发学生的创新动机.例如，通过获奖保送、加分以及高校自主招生资格认定等方式来激发学生物理竞赛中的创新动机，而较少通过激发学生对物理学的兴趣、热情和内在科学价值的追求来培养学生创新动机，从而导致学生的创新动机功利化，缺乏持续强大的创新动机.

（三）注重陈述性创新教学，缺乏体验性创新教学

创新动机培养较多局限于陈述性讲述，缺乏通过体验性创新活动来培养学生的创新动机.例如，往往通过物理学史的讲述来介绍物理学家的创新动机，通过相关资料报道和由专家开设专题讲座来介绍创新活动，很少通过具体创新解答问题的体验性的创新活动来培养学生内在创新动机.

鉴于现行中学物理竞赛教学中存在的问题，笔者认为，应充分挖掘和发挥中学物理竞赛的功能，在注重培养学生创新思维的同时，应重视从非认知领域来实施创新教学，加强对学生进行创新动机的培养.

二、中学物理教学中创新动机培养的内容分析

确定中学物理创新动机培养内容为我们实施创新动机培养明确了方向和思路.笔者认为，应根据创新动机的一般性规律，[1]结合中学物理教学的实际来确定物理创新动机培养的具体内容.

（一）创新的求知欲望

创新的求知欲望指的是人们进行创新活动时，表现出来的一种探求知识的强烈欲望.中学物理教学中学生的创新求知欲望是指学生在运用原有物理知识探究解答物理问题、解释物理现象、实施实验遇到困难时，为了解决问题、解释物理现象、完成实验而产生的探究物理新知识、新方法的动力.

（二）创新的兴趣爱好

创新的兴趣指的是人们在创新活动中表现出来的某种积极探究事物的认识倾向，表现出来的快乐、兴奋并具有向往的心情.中学物理教学中创新兴趣是指学生在学习物理知识、探究物理问题时表现出来的一种积极的创新情感体验活动.例如，对物理现象、物理实验的好奇和爱好，对物理知识体系、物理研究方法和解题方法等的浓厚兴趣.

（三）强大的创新热情

创新热情是在充分认识和体验创新活动重要性的基础上表现出来的一种持续、积极主动的情感和态度.中学物理教学中创新热情是学生深刻地认识到物理创新活动的重要意义，真实地体验到物理创新活动带来积极、持续、快乐的情感体验和态度.例如，通过物理创新活动获得的成功感、自豪感，体验到物理学理论、研究方法、解题方法等的重要功能.创新热情是比创新求知欲望和兴趣更持续、更稳定、更积极的一种情感活动.

（四）较高的价值追求和抱负水准

较高的价值追求确定了创新活动的行为和方向，而抱负水准则决定创新行为达到什么程度.一个人追求的目标越高，他的才能就发展得越快，对社会就越有益.中学物理教学中较高的价值追求和抱负水准具体体现在要求学生在认识到物理学重大的科学价值、应用价值、认识价值的基础上，立志从事物理学研究和应用工作，为物理学发展做出重大贡献.

三、物理竞赛教学中学生创新动机培养策略探索

（一）创设渗透新知识、新方法的问题情境，培养学生探究物理世界的求知欲望

当学生遇到运用原有知识和方法不能解答的新问题或发生错误时，会产生强烈的求知欲望.因而，物理竞赛教学中可根据学生原有认知，创设渗透新知识、新方法的问题情境，让学生在探究解答这些新的问题过程中发现原有物理知识和方法的局限性，激发探究新的物理知识和方法的求知欲望，从而实施物理知识和方法的创新.

例1 如图1所示，在一个非磁性铁芯上绕上两个完全相同的线圈，其中一个线圈上连接电键S和电源，电源的电动势为E，内阻为零.另一个线圈接有电阻R.开始时电键S断开，现接通电键S.试求：通过电源的电流强度与时间的关系.

分析：针对学生认知中存在“通过电感线圈中电流强度瞬间不变”（“电惯性”）的认识，在物理竞赛教学中创设包含互感新知识的例1问题.部分学生根据自感和电路理论对接电源的原线圈列出：E-L=0，解得I1=t+I10. 受“电惯性”思维定式的影响，认为t=0时，I10=0，得出I1=t.针对上述解答，部分学生认为，根据变压器电压公式=，=1，得出u2=E. t=0时变压器输出功率为P2=，而输入功率P1=EI10=0，违反能量守恒定律.部分学生认为，根据变压器电流规律I1n1=I2n2，t=0时，I10=0，I20=0，电阻上电功率为零，这与用变压器电压规律得出的结果矛盾.上述矛盾出现后，学生感到很惊讶，迫切想知道矛盾的原因.教师及时抓住这一创新教育契机，启发引导学生指出，矛盾原因是在多个线圈电磁感应情形下，自感电流的“电惯性”结论不能成立，需要探究多个线圈电磁感应情形下（互感）相关通过线圈电流强度的规律.受此启发，学生跃跃欲试，探究新知识的欲望得到空前激发，为后继知识创新注入较大动力.最后不仅解决了这个矛盾，而且探究出新的互感规律，实现知识创新.

（二）创设从矛盾到统一的教学情境，培养学生探究物理的兴趣

创新思维始于问题，而问题是一种矛盾.当学生探究解答新的物理问题时，原有认知结构中知识、方法和新的事实以及原有知识和方法间发生矛盾时，迫切想知道矛盾的原因，就会产生一种探究矛盾原因、实施知识和方法创新的动机，伴随着矛盾的消除，知识和方法的创新，实现从矛盾到统一，有效地培养学生探究物理的兴趣.

例2 已知地球自转的角速度为ω，地球的半径为R，地球表面的重力加速度为g. 若要在地球的赤道上发射一颗质量为m的“近地”卫星，使其在赤道平面内运动，且不考虑所有阻力，则发射此卫星消耗多少能量？

分析：对于例2问题，学生中有如下两种解法.

解法1：以地心为参照系，卫星开始相对地心的速度为v0=ωR，“近地”卫星相对地心的速度为v1=，根据动能定理得发射“近地”卫星消耗能量为：ΔE=m[v1][2]-m[v0][2]=m（[v1][2]-[v0][2]）.

解法2：以卫星所在6处地面为参照系，开始卫星相对地球表面的速度为零，由于地球表面相对地心的速度为v0=ωR，则近地卫星相对地面的速度为v1′=v1-v0，发射卫星消耗能量为：ΔE=mv1′2=m（v1-v0）2.

上述两种解答结果不同，导致矛盾.学生探究矛盾原因的动机得到激发.在此基础上，学生通过交流讨论，明确发射卫星所消耗的能量就是卫星和地球的一对作用力和反作用力做功之和.在地心参照中，令发射时间为Δt，卫星和地球间相互作用力为F，地球对卫星所做功为W1=m（[v1][2]-[v0][2]），卫星对地球所做功为W2=-Fv0Δt，结合FΔt=mv1-mv0，解得W2=-v0（mv1-mv0）.发射卫星消耗能量为ΔE=W1+W2=m（v1-v0）2.解法2中，由于卫星对地球做功为零，再之地球质量很大，发射时平动加速度很小，是一个近似的惯性参照系，因而对卫星所做功就是消耗的能量，解得结果与解法1相同.两种解法的矛盾得到消除，由矛盾到统一，进一步激发学生探究物理问题的兴趣.

（三）在探究中体验科学美，培养学生探究物理的创新热情

积极的情感体验是维持创新热情的不竭源泉.科学美感是一个重要的高境界的情感体验，能使创新者产生内在和谐的无穷的毅力和耐心的源泉，欣赏和感受科学理论和学说中隐含的科学美（自洽美、统一美、相似美、对称美、简单美等），使人对科学理论产生积极的情感体验，对所从事的事业产生持续的热情.在物理创新教学中，挖掘隐含科学美的课程资源，让学生在探究中体验科学美，从而获得积极的情感体验，能有效地培养学生探究物理的创新热情.

1.在探究中体验物理理论的自洽美，培养学生的创新热情

例3 如图2所示，氢原子核外电子绕原子核沿顺时针方向做高速圆周运动，速率为v1.现加一个以原子核为圆心与轨道平面垂直向里的圆形匀强磁场.假若加了磁场后，电子轨道半径近似不变，不计电子受到的重力，则电子运动速率v2（ ）

A. 变大 B. 变小 C. 不变 D. 不能确定

分析：部分学生根据=，+ev2B=得出v1=，v2=+=+，v2>v1.但部分学生认为洛伦兹力对电子不做功，电子速率应不变.针对学生上述困惑，教师引导学生进行如下探究.

加磁场过程中在电子轨道上产生感生电场强度满足：E2πr=πr2，电子速率增量满足：EeΔt=mv2-mv1，解得v2=v1+.这一结果虽然得出v2>v1，但又与v2=+不同.学生进一步探究：由于微扰轨道半径近似不变，导致速度增量?v1，因而原有解法中v2=+≈v1+，两种解答自洽.学生从感生电场理论和牛顿运动、洛伦兹力理论得到的解答结果是一致的，从而感受到物理理论和方法的自洽性，体验到科学理论和方法的自洽美，创新热情得到空前激发.

2.在探究中体验物理理论统一美，培养学生的创新热情

例4 如图3所示，两块无限大的接地导体平面相距为L，在两板之间距离A板为d处放置一带+q电量的点电荷.试求：每块板上的感应电荷.

分析：直接运用平面镜像电荷法解答这个问题需要构建无数个镜像电荷，求解比较复杂和困难.物理竞赛参考文献[2]上常构建平面电容模型运用电容器知识求解这个问题.然而，在物理竞赛教学中部分学生通过构建一般化电荷模型来创新求解这个问题.

考虑到平面电荷是球面电荷的特殊模型，现构建一般化双球面模型：如图4所示，左侧的导体平面的一般化电荷模型为内球接地导体球面，半径为R（R?d），右侧的导体平面的一般化电荷模型为包裹内球的接地球壳，且表面与内球面距离为L，而点电荷被夹在中间.设外侧感应电荷总量为Q1，内侧感应电荷总量为Q2，由外球面接地可得：Q2 +Q1+Q=0.由于内球接地，因此在球心处的电势为零.即有：++=0.由上二式可解得：Q1=Q，Q2=Q.当d=R，L=R时，双球面接地电荷模型近似为双平面接地电荷模型，解得：Q1≈-Q，Q2≈Q.这一结果与参考文献[2]的解答相同.

通过构建平面接地电荷模型的一般化电荷模型（双球面接地电荷模型），运用接地球面电势规律，创新地解答这个疑难问题，不仅培养了学生的创新思维方法，而且使学生在创新解答过程中体验到物理模型、物理理论的特殊和一般的统一美，进一步培养了学生创新热情.

3.在探究中体验物理模型相似美，培养学生的创新热情

例5 老鼠离洞后在水平面上沿着直线运动，它运动的速度与到洞中心的距离成反比，当老鼠运动到离洞中心距离为a的A点时速度为v0.试求：老鼠从A点运动到离洞中心距离为b的B点过程中所需时间.

分析：例5问题常规方法是运用图像累加方法.部分学生进行如下创新解答：老鼠速率与离洞距离x的关系为v=，构建如图5所示物理模型（恒定功率为p0的变力作用于轻质弹簧上A点），A点速率为v=（x为弹簧形变量，k为弹簧劲度系数）.老鼠速率与弹簧A点速率的数学模型相似，根据功能关系p0t=-结合=v0a，从而解得由a到b过程中运动时间t=.

通过构建数学模型相似的熟悉物理模型，运用类比方法解答例5问题，不仅简化解题过程，而且使学生体验到不同物理情形中所属物理模型和数学模型内在的相似美，有效地培养学生创新热情.

（四）在探究解答问题中感受物理学的重大价值，培养学生对物理学的价值追求

在物理竞赛教学中，创设一些以自然、生产、科研、军事等为背景，包含重要科学研究方法、物理思维方法和解题方法的实践型问题情境，让学生通过创新解答物理问题来认识到物理学的重大应用价值，认识到物理思维方法在解决疑难问题中的重要作用，从而培养学生对物理学的价值追求和持续的创新动机.

参考文献：

[1] 冯培，贺淑曼，等.创新素养与人才发展[M].北京：世界图书出版公司，2001.

[2] 程稼夫.中学奥林匹克竞赛物理教程（电磁学篇）[M].合肥：中国科技大学出版社，2012：56.