论物理教育中的直觉思维及其对教学的启示

摘要：我国物理缺乏对直觉思维的重视是上一直存在的问题，而对直觉思维认知机制的模糊认识是其重要原因。基于此，我们依据布鲁纳的智力过程理论，提出了直觉思维认知机制的解释模型。通过理论与经验的比较，表明该模型很好地解释了直觉思维的认知特点，并得出结论：直觉思维采取的是图像把握的认知方式，它本质上是非逻辑的。在此基础上，通过研究物理直觉思维的认识功能与教育功能，归纳了物理直觉思维的创造教育价值，从而为在物理教育中培养学生的创造性思维提供了有益的启示。

关键词：直觉思维；创造性思维；认知机制

直觉思维的创造性教育价值，如同物理教育研究中的其他基本问题一样，总是随着人们对其本质认识的深入而逐步发展的。在物研究和物理教育中，直觉思维及其所具有的独特、甚至是不可取代的重要作用，日益受到人们的重视。著名物理学家爱因斯坦高屋建瓴地道出了直觉思维的创造价值：“物理学家的最高使命是要得到那些普遍的基本定律，要通向这些定律，并没有逻辑的道路，只有通过那种以对经验共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些定律。”^[1]（102）纵观我国的物理教育，不难发现，重视对学生逻辑思维能力的培养是好的教育传统。然而，忽视对直觉思维的培养却也是历史上一直存在的问题。比如，中学物理教学大纲在对学生思维能力培养的要求中就指出：“要通过概念的形成、的得出、模型的建立、知识的运用等，培养学生抽象和概括、分析和综合、推理和判断等思维能力以及的语言文字表达能力和口头交流能力”。^[2]可见，我国物理教育比较重视逻辑思维而忽视直觉思维。

针对我国物理教育中过分强调逻辑性的倾向，诺贝尔物理奖获得者杨振宁教授指出：“的物理教学中有一个倾向，使人觉得物理就是逻辑。逻辑，没有问题是物理的一部分，可是只有逻辑的物理是不会前进的，必须还要能够跳跃。这种跳跃当然不是随随便便的跳跃，而是要依据许许多多的不断延续下来的与实际的事物发生的联系。由这些联系出发才可以使一个人有胆量作出一些逻辑上还不能推演出来的这种跳跃。”^[3]“直觉的下意识的推理，是所有理论物理和实验物理的一个基本的环节。没有这个环节，不太容易作出真正最重要的贡献。许许多多最最重要的工作，是先经过很多思考，后来在没有经过逻辑推演而得出来的新的想法之下产生出来的。”^[3]

其实，早在1959年，美国著名教育心理学家布鲁纳就提出了这样的观点：“直觉思维、预感的训练，是正式的学术学科和日常生活中创造性思维的很受忽视而重要的特征。机灵的预测、丰富的假说和大胆迅速地作出的试验性结论，这些是从事任何一种工作的思想家极其珍贵的财富。”^[4]（33）这充分说明，无论是物理学家还是教育心理学家，尽管他们的专业各不相同，研究视角各异，但他们却都不约而同地对直觉思维给予高度的评价。有鉴于此，本文从认知心理学的已有成果出发，深入研究了直觉思维的认知机制、认识功能与教育功能，并提出了培养学生直觉思维能力的教学建议，希望能对物理教育中培养学生的创造性思维以有益的启示。

二、直觉思维的认知机制

何谓直觉思维？一般认为，直觉思维是直接领悟的思维，是人脑对于突然出现在面前的新事物、新现象、新问题及其关系的一种迅速识别、敏锐而深入的洞察、直接的本质理解和综合的整体判断。对于直觉思维的认知机制，国内外心理学家和教育学家有着不同的理解。其中，一种“知识组块说”的观点引起了我们的深入思考。

这种观点认为，“直觉思维的实质是运用有关知识组块对当前问题进行分析及推理，以便迅速发现解决问题的方向或途径的思维方式。在某种程度上说直觉是一种逻辑性推理。从组块的产生来看，它是通过一步步推理而得到的，因此直觉的结果往往可以通过逻辑推理来验证。从直觉的产生来看，人们以组块作为推理的根据（组块起着大前提的作用），推理才一蹴而就，迅速完成。”［5］“人们普遍认为直觉是一种非逻辑性加工。其实所谓的非逻辑性加工，不过是由于组块内的推理经反复练习而熟练，并浓缩成了一个整体（组块）。这个知识是个人心目中的‘定律’，运用这个定律进行推理似乎是一种非逻辑性加工，展开这个非逻辑性推理的过程，即是严密的一步步推理。”^[5]

我们认为，“知识组块说”把直觉思维看作是“一种逻辑性推理”的观点是值得商榷的。因为这种观点既与科学家的科研过程有较大出入，又与大多数科学家的观点相左。包括杨振宁在内的许多著名科学家，在自己的研究体会后都确认，直觉思维在本质上是非逻辑的。费米发现慢中子作用的过程便是一个生动的例证。

1932年，费米和他的学生在做中子实验时，观察到一个非常奇特的现象：他们用一个屏蔽物希望把中子流挡住，然而他们发现，屏蔽物放的越多，后面的中子好像越多。费米后来回忆说，当时是一个他不知道的道理，促使他作了一个完全是下意识的决定。他对大家说：“我们不要用重的物质做屏蔽，而用一个非常轻的物质试一试。”^[3]结果发现，后面的中子效应大大增加了。这是因为一个轻的东西放上去以后，中子的速度更慢了，反应截面变得非常之大。对于这一现象，费米思考了一个晚上之后，就完全弄懂了。

显然，对于直觉思维认知机制的认识还有待深入。关于这个问题，美国教育心理学家布鲁纳的智力发展过程理论可以为我们提供一个较好的解释模型。

布鲁纳认为，儿童的认知发展不是刺激与反应结合的渐次复杂化的量的连续过程，而是由结构上迥异的三个阶段组成的阶段性的质的过程。这三个阶段是：行为把握，图像把握，符号把握。其中，行为把握是从动作中认知的阶段，图像把握是把事物当做视觉的或听觉的想象进行掌握。图像把握以视觉图像为主，以听觉图像为辅。图像把握比行为把握的认知机制更复杂。在行为把握中，一个刺激只产生一个反应（认知），而在图像把握中，对一个刺激可以同时作出两个以上的反应；符号把握是依靠语言符号表现的认知。在符号把握中，物体所具有的诸要素已分别语言化了，可以依据语言所具有的作用认识事物诸要素间的关系，所以能够达到逻辑把握。依据智力发展过程理论，布鲁纳建构了关于直觉思维的认知解释。

首先，直觉思维多数采取图像的认知方式。一般来说，逻辑思维相当于符号把握，而直觉思维则相当于图像把握。在图像把握中，可以同时浮现事物的所有因素，所以是同时把握的。如果说，行为把握受“时间顺序”的束缚，同一时刻只能把握一个因素；符号把握受“逻辑顺序”的束缚，只能以规定好的步骤前进；那么，图像把握既不受“时间顺序”的束缚，也不受“逻辑顺序”的束缚，可以一览无余地把握构成事物的各种要素。

其次，直觉思维的过程是非语言的认知过程。由于直觉思维大多是图像把握或图像之前的情绪性的感知，而图像通常具有非语言的性质，是难于言传的。正是因为这个特点，在直觉思维中，用语言表述其思维结果并不太困难，而用语言表述其思维的过程就极其困难。直觉思维是一闪念的思维，飞跃的思维。它是一种深层知觉的过程，是缺乏语言媒介的直接过程。所以，直觉思维是无算法的过程。所谓算法是指一步一步逼近解决目标的逻辑步骤。逻辑思维与算法之间存在着紧密的相关关系，而直觉思维原则上是无算法的过程。^[6]（19）

第三，直觉思维是对不确凿情境的感知。直觉思维是在所研究的客观事物细节尚未分明的情形下对整个事物的内隐的感知。它具有跨越时间和空间的性质，因此，这种内隐的感知不同于我们通常所说的感知。通常所说的感知，一般是指人脑对直接作用于感觉器官的事物个别属性和整体属性的反应，这种属性通常是对事物表面的认知。而直觉思维虽然在具有生动的图像这一点上与通常所说的感知相类似，但在掌握事物本质结构这一点上却有根本不同。

由于直觉思维是黑箱性质的心理成分，目前对其进行研究还缺乏有效的方法。但是，我们所有的人都曾有过自己的直觉体验，因此，用内省方法分析自己的直觉并印证直觉思维的理论是一种可以采用的策略。此外，更有必要引入科学家运用直觉思维获得重大科学突破后的成功体验来检验直觉思维的理论，从而使之趋向某种程度的客观化。运用此种方法来印证布鲁纳的直觉思维认知机制解释模型，我们发现，该模型与科学家的成功体验非常吻合。

布鲁纳认为，直觉思维多数采取图像的认知方式。对此，爱因斯坦也有基本一致的观点，他说：“在我的思维结构中，书面的或口头的文字似乎不起任何作用。作为思想元素的心理的东西，是一些记号和有一定明晰程度的意象，它们可以由我‘随意地’再生和组合。……在进行可以传达给别人的、由文字或别的记号建立起来的任何逻辑之前，上述的这些元素就我来说是视觉的，有时也是动觉的。通用的文字或其他记号只有在第二阶段才能很费劲地找出来，此时上述的联想活动已经充分建立，而且可以随意地再生出来。”^[1]（416）可以看出，理论和经验较好地达到统一。

布鲁纳直觉思维理论的关键在于，他提出了图像把握既不受“时间顺序”的束缚，也不受“逻辑顺序”的束缚，可以一览无余地把握构成事物的各种要素的观点。而这一观点与杨振宁关于直觉思维的论述十分吻合。杨振宁认为：“从每一个方向来看，规律是逻辑性的。可是科学的创造不只是从每一个方向去发现与了解那个方向的规律，更重要的是，要通过想象、通过直觉（灵感），一下子同时了解每一个方向的规律。这种更高一层的了解就不只是逻辑思考所能达到的了。”^[7]可见，图像把握的同时性特点与直觉思维的整体性特点非常吻合。

按照布鲁纳的见解，直觉思维是在所研究的客观事物细节尚未分明的情形下对整个事物的内隐的感知，它具有跨越时间和空间而直达事物本质的性质，爱因斯坦提出狭义相对论的过程生动地说明了这一点。

1895年，当爱因斯坦还是一个16岁的中学生时，他就提出了一个朴素的理想实验──“追光实验”。当一个人以光速运动时，他应该看到被“冻结”的光的波峰和波谷的图像。然而，这个结果却不是麦克斯韦理论应有的解。当时大多数物理学家认为牛顿力学是正确的，应该对麦克斯韦理论进行修改。爱因斯坦以他自己的直觉认为，为了保持物理学定律在逻辑上的一致性和麦克斯韦电磁理论的有效性，必须对以牛顿力学为基础的相对论原理做出修改。经过十年的努力，爱因斯坦终于在崭新的时空观上建立了狭义相对论。

通过上述理论与经验的比较，我们认为布鲁纳的直觉思维认知机制解释模型是一个较好的模型。同时，由布鲁纳的直觉思维认知机制解释我们可以认为，直觉思维和逻辑思维是截然不同性质的思维形式。

三、直觉思维的认知功能

为什么在物理学研究和物理教育中特别强调要重视直觉思维？其理由在于，直觉思维具有逻辑思维所不具备的独特的认识功能。直觉思维的跳跃性、整体性和猜测性的特点，使其在物理学研究和物理教育中具有以下认知功能。

（一）创造功能

直觉思维是物理研究中的重要因素，它既不同于逻辑思维，也不同于形象思维和辩证思维，它是一种重要的创造性思维方法。在经典物理时代，从特殊到一般，是人们得出理性认识的主要过程，而归纳法是常被采用的一种方法。与培根重视归纳法不同的是，爱因斯坦却更加重视直觉。他说：“从特殊到一般的道路是直觉性的，而从一般到特殊的道路则是逻辑性的”。^[1]（490）由此，爱因斯坦提出了科学形成和的两条途径：一是无意识方面，即通过非逻辑的直觉和想象；二是有意识方面，即通过逻辑思维。（而且是先运用直觉思维，然后才是逻辑思维。）比如，20世纪的杰出物家狄拉克，就是在没有任何实验证据的情况下，仅仅基于他对物理美的直觉欣赏，进而天才地在1928年写出了具有里程碑意义的狄拉克方程。该方程的奥妙虽然当时立刻被人们所认识，可是其中狄拉克凭直觉引入的“负能”现象却是大家绝对不能接受的。然而，狄拉克不顾玻尔、海森堡、泡利等著名物理学家的冷嘲热讽，于1931年又大胆地凭直觉提出了“反粒子”来解释负能现象。这个理论更不能为人们所接受，因而流传了许多半是羡慕半是嘲讽的故事。直到1932年安德森发现了的反粒子，人们才深刻地领会了狄拉克直觉思维的悠远高深。

（二）选择功能

直觉思维是面对各种可能性做出正确选择的重要能力。因为在科学认识活动中，科学家常常会面临各种可能做出抉择的局面。特别是在各种可能结果出现的概率差不多，一时难以分出高低的情况下，科学家就会处于一种所谓“布里丹的驴子”的困境：一头驴子站在两个同样大小的干草堆连线的中点处，如果它日复一日地无法决定吃哪一堆干草，那么最后只会饿死。当然，实际上驴子是不至于如此的。但是当科学家处于这种情景的时候，能否做出正确的决定，这主要取决于他的直觉思维能力。^[8]

（三）联系功能

直觉思维具有联系事物的功能。当人们研究某一物理问题时，外界提供的信息常常是不充分的，有很多空白点，仅凭逻辑思维根本无法窥探事物的本质，此时，直觉思维不受“逻辑顺序”束缚的特点便可发挥作用。直觉思维的特点在于其思维的触角可以伸出非常远，往往在还没有看清楚一个事物的时候就抓住了它的精神，然后再想办法把中间的路径联系起来。虽然并不能保证每一次都能把中间的路径联系起来，但如果不去伸出直觉思维的触角，就永远也走不远。爱因斯坦曾高度评价物理直觉思维联系事物的重要意义，他指出：“在法拉第—麦克斯韦这一对和伽利略—牛顿这一对之间有非常值得注意的内在相似性──每一对中的第一位都直觉地抓住了事物的直接联系，而第二位则严格地用公式把这些联系表述了出来，并且定量地应用了它们。”^[1]（102）这很好地说明了物理直觉思维的联系功能。

（四）预见功能

物理学家在科学创造过程中，当逻辑思维还不能起作用的时候，首先要对研究对象做出判断，提出自己独立的见解，做出科学的预见。这种预见是在经验和实践的基础上，依靠科学洞察力和想象而来。即使在逻辑思维起作用的时候，直觉思维也还是非常重要的。深与远是直觉思维最为重要的特色。这是因为，在新的领域内，由于研究对象的复杂和深奥，人们已不能随意构造实验去发现或建立方程、，也不能随时随意用实验验证理论的正确性，而必须借助于越来越复杂的数学，尤其是借助于科学家的直觉去推进科学的发展。

四、直觉思维的功能

在物理教育中，直觉思维不仅具有独特的认识功能，而且在培养学生创造性思维品质方面也具有独特的教育功能。

思维是能力的核心，而思维品质是判断思维能力高低的主要指标。物理学研究中的思维品质则是人们在研究和学习物理过程中逐渐形成和发展起来的个体思维特征，主要包括思维的深刻性、思维的灵活性、思维的批判性、思维的独创性和思维的敏捷性。这样，物理教育中直觉思维的教育功能就有如下几个方面。

（一）有助于学生思维深刻性的培养

思维的深刻性反映了思维活动的深度、广度和难度。它表现为善于深入地思考物理问题，把握物理事物的本质和规律；善于开展系统的、全面的物理思维活动；善于从整体上认识物理事物，掌握物理知识。思维的深刻性是思维品质的基础，其发展水平的高低必然会影响到其他思维品质的发展。^[9]而直觉思维则在一定程度上反映了思维深刻性的本质。人们借助于直觉思维的高级表现形式──科学洞察力，往往能透过事物的现象而直达事物的本质。

（二）有助于学生思维灵活性的培养

思维的灵活性是指思维活动的灵活程度，能够根据客观情况的变化而变化，能够从不同角度、不同方面去思考问题。直觉思维是以整个知识为背景的直接而迅速的认识，它的跳跃性、猜测性的特点，使其可以不经过详尽的逻辑推理，不经过分析的演绎步骤而提出一个假设或法则等去试图解决问题，当问题不能解决时，又可以提出新的假设，从而表现出它的灵活性。

（三）有助于学生思维批判性的培养

思维的批判性是指在进行思维时，善于发现问题，提出质疑，不人云亦云，不盲从附和。因此，即使是学生理解科学知识的内容，同样也离不开思维的批判性。比如，现行教材中的许多物理量是通过比值法来定义的，如R=U/I，学生凭直觉提出质疑──为什么要用两个物理量相比来定义一个新的物理量？这就是思维的批判性。进一步，教师可以告诉学生：比较的关键是选取相同的标准。因为只有选取相同的标准，才能使比较的结果有意义。所以，比值定义法采用两个物理量相比，就是在比较时选取相同标准。不讲清楚这一点，学生就不可能明白比值定义法的意义。而重要的是，物理直觉思维在这里起到了思维批判性的先导作用。

（四）有助于学生思维独创性的培养

思维的独创性表现为善于独立思考，善于创造性地发现问题和解决问题。而物理直觉思维在思维独创性方面的突出表现形式之一就是直觉的想象，它通常是一种创造性想象。它按照一定的目的、任务，不依赖现成的描述，而在头脑中独立创造新形象。创造性想象具有独特性、新颖性和发散性的特点。正如爱因斯坦所说：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”^[1]（284）比如，高中物理的楞次定律学生就难以理解，一个学生凭直觉把感应电流的磁场的磁力线想象成弯曲为一个“磁力线弹簧”。这样，当磁铁插入或拔出线圈时，感应电流组成的“磁力线弹簧”总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。这正是思维独创性品质的表现。

（五）有助于学生思维敏捷性的培养

思维的敏捷性，是指思维过程的迅速程度。在处理和解决问题的过程中，能够积极思维，正确判断并迅速地得出结论。

物理学习中思维的敏捷性是指在学习物理知识时，快速、准确地领会所学内容，在头脑中予以内化；在运用物理知识解决问题时，迅速、准确地将物理信息输入头脑中，利用原有的认知结构，找出问题的关键所在从而正确地解决问题。由于直觉思维是从物理现象直达结论的思维，它具有跨越时空的特性，不需要从头至尾一步步地推理，从而大大缩短了思维的过程。因此，是否具有直觉思维，往往是一个人思维敏捷性的标志。

五、培养学生直觉思维能力的教学建议

首先，赋予直觉思维以合理的地位。

为了培养学生的物理直觉思维能力，在物理教学中必须推崇直觉思维。教师应当告诉学生，在科学创造过程中，逻辑思维和直觉思维是同等重要的，不能厚此薄彼。通过创造自由民主的课堂教学气氛，鼓励学生大胆地推测，引导学生深化直觉思维而不去追究推测的理由。因为只有学生具有直觉的自信和勇气，才会发展自己的直觉思维。^[6]（20）教师还应当通过物理学史的介绍，使学生相信科学创造过程中直觉思维普遍存在的客观性，为学生主动养成直觉思维的习惯奠定心理基础。

其次，有结构地呈现教材。

要使学生形成物理直觉思维能力，很重要的一点就是要有结构地呈现教材。布鲁纳提出：“结构的理解，能使学生从中提高他直觉处理问题的效果。”^[4]（70）无结构的零乱的信息是难以形成直觉思维的，当有秩序、有结构的信息从提供的信息中忽隐忽现时，就会活跃直觉思维。例如，阿基米德定律的表述为“浸入液体里的物体受到向上的浮力，浮力的大小等于它排开的液体受到的重力”。按照力的三要素来呈现阿基米德定律的结构，不难发现，定律只有浮力的方向和大小而没有作用点，此时，教师可以鼓励学生运用直觉思维来作出推测。这样，学生就可以从教材赋予的信息的狭隘性中解放出来，向着同这种信息相关的直觉思维的境界展翅飞翔。

第三，使学生在头脑中建立丰富的物理图像。

在有结构地呈现教材之后，教师在指导工作中还要注意防止过早的语言化，因为直觉思维的本性是图像性的，它的过程是非语言性的。^[6]（21）像的特点就是一时间浮现出事物的各种要素。强化对各种要素的同时性（共时性）的掌握，有助于活跃学生头脑中的物理图像，从而有助于活跃物理直觉思维。比如，像“交流电在导线中传输时电子是如何运动”的问题，就能很好地使学生在头脑中形成典型的物理图景，从而有助于发展物理直觉思维。

第四，鼓励有组织的推测。

直觉思维是组合部分信息（几个线索），利用一闪念感知事物结构全貌的思维。直觉思维的这种进程，正因为不是逻辑地一步一步向前的算法，所以不宜指导。然而，从部分信息进行推测，达到对事物全貌的感知，这既是直觉思维的特点，同时又是非常重要的。例如，可以做一个实验：在一个试管内加入一些沙子后把它竖直放入水中，当加入的沙子较少时，试管在水中会翻倒；当加入的沙子较多时，则试管在水中就不会翻倒。然后组织学生利用给定的部分信息，进行有组织的推测──试管在水中翻倒与不翻倒的本质是什么？这样的问题就能较好地开拓学生的物理直觉思维。

第五，利用原始物理问题培养学生的直觉思维。

为了更好地培养学生的物理直觉思维能力，非常重要的一个问题是训练材料的选取。因为只有向学生提供与物理学家研究物理相类似的问题，才有可能使学生产生直觉的体验。比如，1995年10月28日，加拿大人科克伦手握长杆走钢丝跨越长江三峡。这样的问题我们称之为原始物理问题。科克伦如何使用手中的长杆？其物理原理是什么？解决这样的问题正是直觉思维大显身手的舞台。相反，目前物理教学中广泛采用的物理习题却很难为直觉思维提供这样的舞台。这是因为，每一道习题都是从原始物理问题抽象而来，已经把原始物理问题的一些次要细节、非本质的联系舍去，也就是说，直觉思维的过程已经被习题编制人员“越俎代庖”地完成了。因此，在一定意义上说，我国学生直觉思维能力的匮乏正是“题海战术”的直接后果，这应当引起我们的深思。

［1］爱因斯坦.爱因斯坦文集［M］.许良英，李保恒，赵中立，译.北京：商务印书馆，1977.

［2］中华人民共和国教育部.全日制普通高级中学物理教学大纲［S］.北京：人民教育出版社，2002.

［3］杨振宁.杨振宁文集［M］.上海：华东师范大学出版社，1998.534—535.

［4］布鲁纳.教育过程［M］.邵瑞珍，译.北京：文化教育出版社，1982.

［5］刘电芝，张庆林.试论直觉的心理机制［J］.教育研究，1988，（1）：48—51.

［6］钟启泉，黄志成.美国教学论流派［M］.西安：陕西人民出版社，1993.

［7］高策.走在时代前面的科学家──杨振宁［Z］.太原：山西科学技术出版社，1999.425.

［8］朱雄.物理教育展望［M］.上海：华东师范大学出版社，2002.89.

［9］田世昆，胡卫平.物理思维论［M］.南宁：广西教育出版社，1996.16.