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物理迁移理论教学启发
物理迁移理论教学启发 一、物理教材中的迁移素材 最常用的教学工具为教材，将教材中的教学素材应用到教学中利于学生对 知识的理解。笔者以动量守恒定律一章为例分析:本章包括“实验探究碰撞中的不 变量”、“动量守恒定律(一)”、“动量守恒定律(二)”、“碰撞”、“反冲运动火箭”、“用 动量概念表示牛顿的第二定律”共6节内容组成。学习第1节之前，学生对动量的 概念没有清楚的认识，伊始文中指出:“碰撞是自然界中常见的现象。两节火车车 厢之间的挂钩靠碰撞连接，台球由于碰撞而改变运动状态，微观粒子之间……” 其中，台球是学生在生活中所熟识的一种运动，将教材中台球碰撞的频闪照片素 材作为教学实例讲解，通过对台球运动过程的描述讲解碰撞的细节，易于学生对 动量有一个初步的认识和理解。学习第2节时，有一个关于系统的概念描述:“我 们说这两个(或多个)物体组成了一个力学系统。实际上过去我们也曾涉及系统的 问题。例如，重力势能属于地面附近的物体与地球组成的系统;轻质弹簧产生的 弹性势能属于它所连接的两个物体。”［3］此处，先定义了碰撞中的力学系统， 再提到过去涉及过的系统问题，旧知识中“系统”概念的认识利于新知识中“系统” 概念的理解，新知识中“系统”概念的定义利于旧知识中“系统”概念的巩固，达到 明确新知识并巩固旧知识的目的。第3节中，首先通过实例用牛顿运动定律推导 出动量守恒定律，将牛顿运动定律与动量守恒定律紧密结合起来，用已掌握的物 理知识推导出新知识;其次通过比较动量守恒定律和牛顿运动定律的适用范围， 提出相互之间的不可替代性。在这个过程中，学生已掌握的物理知识对新知识学 习有指导作用，将前后知识对比让学生对知识的理解更加深刻。第4节中，从理 论上讨论了第1节开始的实验。在此，学生通过科学理论与实验的联系，对学习 方法和迁移的思想有了新的体验。学习第5节之前，学生对于火箭的概念没有清 楚的认识，开始文中举出许多关于反冲运动的例子，此时，将学生熟识的“放手 后观察气球的运动”实验为例，讲解放手后气球反冲的过程，为学生对火箭的反 冲运动理解做准备。学习第6节之前，学生已基本学完关于动量定律的相关内容。用动量概念表示牛顿第二定律的课题，是对动量定律应用的一种拓展，充分体现 了新知识对旧知识的反馈。因此，学生在更清楚地理解动量定律的同时，更透彻 地理解了牛顿第二定律。上述分析表明，在“动量守恒定律”一章的教学中，合理 利用教材中的素材体现了一种知识对另一种知识的积极影响，表明知识的迁移是 物理教学中普遍存在的现象，说明迁移对物理知识学习的积极作用。在此，笔者 通过不同知识对物理新知识学习的影响，用实例分析物理教学中的迁移。二、物理教学中的迁移 迁移是一种学习对另一种学习的影响［1］。善于发现已习得的知识与新 知识之间的共同要素，运用到新知识的理解中利于学生对新旧知识的理解、思想 方法的掌握［4］。笔者主要通过物理知识、数学思想、生活经验及“为迁移而教” 的思想对物理新知识学习的作用阐述物理教学中迁移方法的运用。
(一)物理知识对物理新知识学习的影响 众所周知，知识本身是相互联系相互影响的，所以在学习新知识之前，对 前面知识的合理应用可以帮助新知识的理解和学习。在物理教学中，物理知识对 物理新知识学习的影响，就是将学生已掌握的物理知识迁移到物理新知识的学习 和理解中［5］。笔者以“电场强度”的概念教学为例:(1)教材中用试探电荷的实验 来说明“电场强度”的定义［6］，用抽象的概念“试探电荷”对抽象的概念“电场强 度”解释，学生理解起来较困难。(2)学习“电场强度”的概念之前，学生已熟知地 球存在着万有引力，即重力场，利用重力场和电场性质方面的相似性，引导学生 理解电场的概念。(3)举例分析:在地球表面同一处放置不同质量的物体，重力与 质量之比为恒值g;再将质量同为m的两个物体放在距地面不同高度的地方，重力 与质量之比为恒值g。由此得出结论:物体的质量与所受重力的大小成正比，重力 与质量之比为恒值g。将重力场的实验方法类比到电场强度概念的理解中:通过实 验将电荷量不同的检验电荷q和2q放在电场中的同一位置，得出电场力与电荷之 比是个定值E;再将电荷量同为q的两个检验电荷放在电场中不同位置，所受到的 电场力的大小不同，电场力与电荷之比也不同。可以得出结论:电荷量与电场力 成正比，在电场的不同位置电场力与电荷的比值大小不同。上述分析表明，将重 力场知识迁移到学习“电场强度”概念教学中，是对抽象的或难以理解的概念和问 题理解的简化，同时对新知识的掌握和旧知识巩固有积极的作用。又如，在“磁 场强度”的学习过程中，可以将这三种知识再作对比，用已学到的重力场及电场 强度知识迁移到学习磁场强度中来，加深理解。
(二)数学思想对物理新知识学习的影响 数学和物理有着密不可分的关系，在物理教学中，恰当地利用数学的思想 和方法，对解决物理问题提供了很好的策略［3］。笔者以人民教育出版社物理 选修3－5第十六章动量守恒定律第4节碰撞中的思考与讨论［3］为例:(1)此题属 于非对心碰撞问题。题为一个运动的球和一个静止的球碰撞，碰撞之前球的运动 速度与两球心的连线不在同一条直线上，碰撞之后两球的速度都会偏离原来两球心的连线。(2)将物理问题转化为数学问题。由动量守恒定律可知，碰撞前后的 动量是守恒的，即矢量和的大小和方向相同。利用几何知识中的平行四边形法则 来解决这个问题，简化了问题的难度。(3)实际分析:由于碰撞前动量总和的大小 为mv1，记作P，方向水平向右，碰撞后B球的动量大小为mv2，记作P2，A球的 动量大小记作P1，方向如图1所示，由于数学中的平行四边形法则可以大致画出 碰撞后A球的速度。上述分析表明，物理教学中运用数学思想方法解题可以简化 计算过程，简化物理问题。除此之外，数学推导可促进物理规律的建立，数学图 像可以很直观地表达物理模型，正交分解法在物理解题中起到至关重要的作用等。
(三)生活经验对物理新知识学习的影响 物理源于生活，生活体现着物理规律，在教学中适当地将学生熟识的生活 经验和常识运用到物理知识的讲解中，有助于学生对物理知识的理解［7］。笔 者以“功率”的理解教学为例:(1)功率的概念理解较为抽象。(2)讲解“功率”时，教 师可以用学生已有的生活常识为例进行类比讲解功率的概念。(3)举例讲解:首先 给出做功的情况:有100kg重物要从一楼搬到五楼，如果一个小孩搬运需要60分钟， 一个成人搬运需要20分钟，试比较小孩与成人做功的不同。由此有必要引出一个 做功快慢的物理量，给这个物理量一个定义的方法。此时可以利用学生的实际生 活做例子:从学校回家走路和骑自行车的快慢方法进行类比，相同距离，比较不 同运动方法所用的时间;相同时间，比较不同运动形式运动的距离;当距离、时间 都不同时，比较单位时间的运动距离。很快就会得出比较做功快慢用到的方法: 两个物体做功相同，比较所用时间;两个物体用相同的时间，比较所做的功;当功、 时间都不同时，比较单位时间的功，得出功率的定义。上述分析表明，将学生日 常生活的实际知识和经验运用到物理教学中，不仅让学生理解了功率的概念、学 会了比较做功快慢的方法，而且让学生懂得将生活实际和物理知识相互迁移的思 想方法，提高了教学效率。(四)为迁移而教的思想对物理新知识学习的影响物理 教学中的迁移不仅包括知识的迁移，还有迁移思想方法的授受。教育界提出“为 迁移而教”的口号意在让教学以学生为主体，让学生形成自主学习的能力，最终 达到不教的目的［8］－［9］。例如，人教版必修2第七章机械能守恒定律第一 节追寻守恒量―――能量，其中有一段材料:诺贝尔物理学奖获得者费恩曼曾 说:“有一个事实，如果你愿意，也可以说是一条定律，支配这至今所知的一切自 然现象……这条规律称作能量守恒定律。它指出:有某一个量，我们把它称为能 量，在自然界经历的多种多样的变化中它不变化。那是一个最抽象的概念……” ［3］费恩曼所说的就是自然界能量的守恒原理。它的应用领域极其广泛:从物理、 化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。人类对各种能量，如煤、石油等燃料以及水能、风能、核 能等的利用，都是通过能量转化来实现的。在物理学中:保守力学系统、热力学 系统、核力学系统等都体现了能量守恒。综上所述，将费恩曼关于能量的观点延 伸到各个学科乃至生活中，由此及彼，触类旁通。因此，在教学中教师应不拘泥 于某种教学形式或方法，勿以为教学而教学，而是注重知识间的相互联系和影响， 教师在课堂内外都应注意培养学生的学习迁移意识，结合具体的教学内容的特点 和具体教学对象的特点，灵活地创设教育情境并利用教育契机去引导学生积极地 思考。
三、物理教学中的迁移对教学的启示 物理教学中知识的迁移是普遍存在的，不同知识之间是可以相互迁移的。
物理教学中的迁移对教学有以下几点启示。
(一)迁移方法的多样性转变教师“为教物理而教”的思想 在物理教学中除了用物理方法解决物理问题，还可以有更多的方法和捷径 解决物理问题。以平抛运动中的典型例题为例:如图2所示，在倾角为θ的斜面上 以速度v0水平抛出一个小球，该斜面足够长，则从抛出开始计时，经过多长时间 小球离开斜面的距离达到最大，最大距离为多少传统解法:将平抛运动分解为沿 斜面向下和垂直斜面向上的分运动，取沿斜面向下为x轴的正方向，垂直斜面向 上为y轴的正方向，如图2所示，在y轴上，当vy=0时，小球在y轴上运动到最高点， 即小球离开斜面的距离达到最大，它所用的时间就是小球从抛出开始，运动到离 开斜面最大距离的时间。利用数学方法简单求解:小球在抛出过程中，曲线为一 个圆弧状，当曲线的某一点到斜面的距离最大时，由数学知识可知，这一点的切 线与斜面平行，如图3所示v的方向，此时小球离开斜面的距离达到最大。因此， 求解极为简单，由数学中的几何关系可知，v0与v的夹角为θ，由数学知识 得:tanθ=v1/v0，由物理关系知:v1=gt两式联立即可得出小球从抛出运动到离开斜 面最大距离的时间。综上所述，在物理知识的教学过程中教师应灵活运用不同的 教学方法，利用所有利于教学的有效方法和策略来教学，只要有理、适合的方法 都可以用于物理教学中，达到物理三维教学目标。
(二)知识迁移的创新教学有利于提升教师的综合素质 中国台湾中原大学张世忠教授曾说过:课程的改革，核心精神是教师的创 新教学，要培养有创意的学生，必先需要有创意的教师，创意的教师必须不断地学习和自我成长，教材的组织和编排，教学技术的灵活运用，教学情境的妥善布 置等都必须要有创新的思维和策略。可见，这就要求教师具有举一反三、将知识 融会贯通的能力，在教学中善于灵活把握学科内外知识之间的联系，让物理课堂 生动起来。例如，自然界万物是能量守恒的，这个结论在任何学科和领域都是适 用的。生物学中食物链能量是逐级递减的，但能量的总和是守恒的。物理学科也 不例外，不管系统的能量如何转化，能量的总和是守恒的。比如，摆球的能量守 恒。上例是对知识的灵活迁移，物理学科与其他学科内外的知识都有着密不可分 的关系。这就要求教师除了具备专业知识的同时，还应不断地学习和自我提升。
这是对教师专业素养的一种锻炼，也是对教师专业发展和迈向研究型教师的促进。
(三)知识迁移的先后顺序对教材编排的要求 迁移，是一种知识对另一种知识的影响，即需在掌握一种知识的基础上， 才能对另一种知识产生影响，这就要求教材需要符合知识的顺序性和学生的发展 性。第一，物理与数学知识教学顺序的完美结合。教材在修订过程中应考虑到学 科之间的相互影响，在有些物理知识规律讲解中需要数学知识作为支撑的时候， 此时学生应该已具备这种知识。例如，在学习运动力学之前，学生需要有关于速 度、路程和时间的概念的知识做铺垫;讨论物理公式中各个量的关系的时候，需 要函数的性质的知识做基础等。第二，注意教材编排逻辑顺序符合学生年龄及认 知特征。教材编排应考虑学生的年龄及认知特征，这样才符合学生智力水平的发 展。
(四)知识的迁移强调教师运用现代知识的教学创新 台湾中原大学张世忠教授说过:教师凭借过去所学，教现在学生，去适应 未来的社会。因此，教师应不断关注科技和事实知识，教学中的实例应该是在贴 近学生生活的基础上符合社会发展和时代感的例子，不能将20世纪50年代的例子 用到教育90年代的学生身上让他们从中体会生活中的物理，这样太强的时代感学 生无法理解，给教学形成阻碍。
(五)知识迁移的讨论是研究构建完美课堂的基础 当下研究的“有效教学”、“艺术教学”等等，都有迁移思想的渗透。例如， 中学是掌握物理学中数学方法的重要时期，物理教育把培养学生“运用数学解决 物理问题的能力”列为一项重要任务。“艺术教学”中也渗透着迁移的思想，将教 学作为一门艺术，运用知识间的相互影响来教学。可见，无论是研究有效教学或艺术教学等对于完美课堂的诠释问题，都是以迁移的思想方法作为基础的。本文 从教材出发，介绍了迁移是物理教学中普遍存在的现象，进而用实例分析了物理 教学中的迁移方法和形式，然后对迁移对物理教学的启示做了思考。需要说明的 是，探讨物理教学中的迁移思想只是众多教育思想方法中的一个方面。实际上， 物理教学中的迁移不仅有它不可替代的优点，更应该注意负迁移的影响。物理教 学中的迁移，不仅利于课堂内外各个方面的教学，也利于教师专业素质的升华， 更利于教学的反思和启示。这些方面还有待进一步研究和探讨。
作者：李攸香 王较过 李秉政 工作单位：陕西师范大学物理学与信息技 术学院
