谈高中物理空间想象能力的培养

摘 要： 本文从分析高中生空间想象能力的现状入手，结合自身的教学实际提出了在高中物理教学中提高学生的空间想象能力的策略和体会。

关键词： 高中物理教学 空间想象能力 现状分析 培养策略

学生进入高中普遍觉得物理难学，甚至包括一些初中物理成绩优秀的学生。在初中他们容易接受直观、形象、简单的物理现象及知识，而一旦进入高中，教材对学生的要求已经上升到具备一定的抽象概括能力和空间想象能力。空间想象能力的欠缺直接制约着高中物理的学习。例如，初中学习的二力平衡，属于一维直线的问题，学生接受起来不存在困难；而在高中学习的是不在同一直线上的多力平衡，属于二维平面甚至是三维空间的问题，这就要求学生具备较强的空间想象能力。笔者认为高中物理教师在教学中应注重培养学生的空间想象能力。

一、空间想象能力的概念及影响因素

所谓空间想象能力，就是人们借助想象把某种事物在自己头脑中虚拟的空间方位和范围上进行定位的一种高级思维的能力。这个空间方位和范围的虚拟过程就是空间想象。想象的结果与客观实际情况之间的差异大小，体现了个体空间想象能力的大小和水平的高低。它受制于三大因素：一是个体本身的形象思维和抽象思维能力；二是个体在进行想象前所积累的知识和已经具有的空间概念；三是将要被定位的这种事物本身的某些时空特征[1]。

二、高中生物理空间想象能力现状分析

在平时的教学中，笔者发现很多学生在构建空间图像时不够准确，甚至出现较大的偏差，从而导致对物理过程分析的错误，大致体现在以下三个方面。

1.空间定位错误。

案例1：在学习圆周运动之火车在倾斜的铁轨上转弯时，如图1所示。很多学生认为其圆轨道与斜面平行，把圆心定位在斜面与水平面的交点处，而错误地认为火车受到的合外力沿斜面向下，如图2所示。而实际上火车的圆轨道是水平圆，火车受到的合外力是水平方向的。

为什么会出现这样的错误呢？笔者认为随着人们生活水平的提高，生活学习在城市的学生越来越多，这就使得他们的生活范围较为狭小，野外实习机会有限，与大自然接触越来越少，取而代之的是互联网等虚拟世界逐渐占据他们的生活，这就在某种程度上造成了他们空间想象能力的缺失。

2.立体情景平面化。

案例2：在涉及点电荷的等势面时，学生第一感觉总是想到是以点电荷为圆心的一系列同心圆，而不是想到以点电荷为球心的一系列同心球面，容易将立体的情景不假思索地进行平面化。学生虽然生活在现实空间之中，所学习的物理现象也都是以空间为舞台发生的，但在审视物理问题时往往缺乏空间观念。造成这种现象的一个重要原因是教师在教学时揭示教材内容力度不够，对于电场线和磁感线的教学，我们用图形呈现在学生面前的只是平面图形，缺乏对电场线和磁感线立体形象的充分揭示，有些教师甚至连起码的说明都没有，这就给学生留下了一个片面的形象错觉[2]。

3.立体图与三视图之间的转化存在障碍。

案例3：如图4所示，AB和CD是足够长的平行光滑导轨，其间距为l，导轨平面与水平面的夹角为θ，整个装置处在磁感应强度为B、方向垂直于导轨平面且向上的匀强磁场中，AC端连有阻值为R的电阻，若将一质量为m、垂直于导轨的金属棒EF在某处由静止释放，金属棒及导轨的电阻不计，求：

（1）金属棒下滑过程中的最大速度；

（2）通过电阻R的最大电流。

本题给出的是立体图，本是更加形象直观，但在对金属棒的运动过程的分析当中不便进行受力分析。若能把立体图转换成侧视图，然后对金属棒进行受力分析，问题将会更加明朗。但很多学生在解这种类型的题目时，往往没有转换图形的习惯，而是直接在题目所给的立体图上直接进行受力分析，导致思维混乱。

三、高中生物理空间想象能力培养策略

能力的培养关键在于活动的开展。有效、有目的的活动能够促进能力的提高与锻炼。根据高中生的认知规律和教学实际物理学科的特点，笔者归纳了以下四点关于空间想象能力的培养策略。

1.研读教材，树立空间意识。

要想更好地培养学生的空间想象能力，笔者认为最重要的是教师要研读教材，发掘有关内容，树立学生的空间意识。物理学是一门研究我们赖以生存的客观物质世界基本结构、相互作用的自然科学，如果在物理教学中教师脱离空间来谈空间，那么学生的空间想象能力也就只能停留在肤浅的水准。比如，在电场线或磁感线的教学中，教师时刻要强调电荷周围存在电场，电流或磁体周围存在磁场，既然是周围，就涉及空间的范围了。这时，教师要指导学生应该超越课本上的平面图形上升到空间领域进行想象，必要时可借助其他手段进行形象的描述。

2.善用模型，丰富想象素材。

空间想象能力是大量的空间记忆表象的组合与升华。要培养学生的空间想象能力，就必须丰富他们的空间想象素材。而模型教学是目前最有效、最便捷、最直观的教学。例如对于地球自转时各地角速度相同而线速度不同，部分学生难以理解，此时教师可以出示地球仪这一实物模型来引导学生以此为表象建立空间想象分析各地做圆周运动的圆心位置及相应的半径，从而轻松得出角速度相同但线速度不相同，甚至对于两极的线速度为零学生也能够理解，并且在以后学习万有引力之卫星绕地球运动时，学生也可以以此模型为记忆表象在头脑中建立空间图形。

3.巧用多媒体，补充空间素材。

在教学中有些模型是难以制作、难以获得的。此时我们不得不依靠视频、动画、图片等来补充学生的空间想象素材。例如在学习等量同种电荷周围电场时，无论是课本上的图片，还是习题中的图都是平面的。我们也很难找到立体的模型来呈现其周围空间的电场，此时须利用多媒体。图6是多媒体呈现的空间电场图片，由此可帮助学生树立空间意识，补充学生的空间想象素材。

4.转换图形，强化想象能力。

几何图形是一种视觉符号，与表象的形成密切相关，因此，图形及图形的加工、变换能力在培养与发展空间想象能力的过程中起了关键作用[3]。教师在教学过程中，要有意识地引导学生根据需要将立体图转换成三视图，或将三视图想象成立体模型，学生只有灵活地进行图形转换，才能更好地发展空间想象能力。

四、教学体会

高中生物理空间想象能力的培养绝非一朝一夕之事，而是需要经历一个不断积累、循序渐进的过程，其培养过程贯穿整个高中物理教学。作为一线教师，我们应把培养学生的空间想象能力作为有意识的教学活动，引导学生用空间的观念去看待物质世界。

参考文献：

[1]王同德.如何培养学生学习地理的空间想象能力[J].创新教育与素质教育，2006.

[2]孙正川.物理教学中培养学生空间想象能力的体会[J].黄石教育学院学报，1988.

[3]甄艳蕊.浅谈高中数学空间想象能力的培养[J].神州，2012.