物理遷移理論教學啟發

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一、物理教材中的遷移素材

最常用的教學工具為教材，將教材中的教學素材應用到教學中利于學生對知識的理解。筆者以動量守恒定律一章為例分析:本章包括“實驗探究碰撞中的不變量”、“動量守恒定律(一)”、“動量守恒定律(二)”、“碰撞”、“反沖運動火箭”、“用動量概念表示牛頓的第二定律”共6節內容組成。學習第1節之前，學生對動量的概念沒有清楚的認識，伊始文中指出:“碰撞是自然界中常見的現象。兩節火車車廂之間的掛鉤靠碰撞連接，臺球由于碰撞而改變運動狀態，微觀粒子之間……”其中，臺球是學生在生活中所熟識的一種運動，將教材中臺球碰撞的頻閃照片素材作為教學實例講解，通過對臺球運動過程的描述講解碰撞的細節，易于學生對動量有一個初步的認識和理解。學習第2節時，有一個關于系統的概念描述:“我們說這兩個(或多個)物體組成了一個力學系統。實際上過去我們也曾涉及系統的問題。例如，重力勢能屬于地面附近的物體與地球組成的系統;輕質彈簧產生的彈性勢能屬于它所連接的兩個物體?！保?］此處，先定義了碰撞中的力學系統，再提到過去涉及過的系統問題，舊知識中“系統”概念的認識利于新知識中“系統”概念的理解，新知識中“系統”概念的定義利于舊知識中“系統”概念的鞏固，達到明確新知識并鞏固舊知識的目的。第3節中，首先通過實例用牛頓運動定律推導出動量守恒定律，將牛頓運動定律與動量守恒定律緊密結合起來，用已掌握的物理知識推導出新知識;其次通過比較動量守恒定律和牛頓運動定律的適用范圍，提出相互之間的不可替代性。在這個過程中，學生已掌握的物理知識對新知識學習有指導作用，將前后知識對比讓學生對知識的理解更加深刻。第4節中，從理論上討論了第1節開始的實驗。在此，學生通過科學理論與實驗的聯系，對學習方法和遷移的思想有了新的體驗。學習第5節之前，學生對于火箭的概念沒有清楚的認識，開始文中舉出許多關于反沖運動的例子，此時，將學生熟識的“放手后觀察氣球的運動”實驗為例，講解放手后氣球反沖的過程，為學生對火箭的反沖運動理解做準備。學習第6節之前，學生已基本學完關于動量定律的相關內容。用動量概念表示牛頓第二定律的課題，是對動量定律應用的一種拓展，充分體現了新知識對舊知識的反饋。因此，學生在更清楚地理解動量定律的同時，更透徹地理解了牛頓第二定律。上述分析表明，在“動量守恒定律”一章的教學中，合理利用教材中的素材體現了一種知識對另一種知識的積極影響，表明知識的遷移是物理教學中普遍存在的現象，說明遷移對物理知識學習的積極作用。在此，筆者通過不同知識對物理新知識學習的影響，用實例分析物理教學中的遷移。

二、物理教學中的遷移

遷移是一種學習對另一種學習的影響［1］。善于發現已習得的知識與新知識之間的共同要素，運用到新知識的理解中利于學生對新舊知識的理解、思想方法的掌握［4］。筆者主要通過物理知識、數學思想、生活經驗及“為遷移而教”的思想對物理新知識學習的作用闡述物理教學中遷移方法的運用。

(一)物理知識對物理新知識學習的影響

眾所周知，知識本身是相互聯系相互影響的，所以在學習新知識之前，對前面知識的合理應用可以幫助新知識的理解和學習。在物理教學中，物理知識對物理新知識學習的影響，就是將學生已掌握的物理知識遷移到物理新知識的學習和理解中［5］。筆者以“電場強度”的概念教學為例:(1)教材中用試探電荷的實驗來說明“電場強度”的定義［6］，用抽象的概念“試探電荷”對抽象的概念“電場強度”解釋，學生理解起來較困難。(2)學習“電場強度”的概念之前，學生已熟知地球存在著萬有引力，即重力場，利用重力場和電場性質方面的相似性，引導學生理解電場的概念。(3)舉例分析:在地球表面同一處放置不同質量的物體，重力與質量之比為恒值g;再將質量同為m的兩個物體放在距地面不同高度的地方，重力與質量之比為恒值g。由此得出結論:物體的質量與所受重力的大小成正比，重力與質量之比為恒值g。將重力場的實驗方法類比到電場強度概念的理解中:通過實驗將電荷量不同的檢驗電荷q和2q放在電場中的同一位置，得出電場力與電荷之比是個定值E;再將電荷量同為q的兩個檢驗電荷放在電場中不同位置，所受到的電場力的大小不同，電場力與電荷之比也不同?？梢缘贸鼋Y論:電荷量與電場力成正比，在電場的不同位置電場力與電荷的比值大小不同。上述分析表明，將重力場知識遷移到學習“電場強度”概念教學中，是對抽象的或難以理解的概念和問題理解的簡化，同時對新知識的掌握和舊知識鞏固有積極的作用。又如，在“磁場強度”的學習過程中，可以將這三種知識再作對比，用已學到的重力場及電場強度知識遷移到學習磁場強度中來，加深理解。

(二)數學思想對物理新知識學習的影響

數學和物理有著密不可分的關系，在物理教學中，恰當地利用數學的思想和方法，對解決物理問題提供了很好的策略［3］。筆者以人民教育出版社物理•選修3－5第十六章動量守恒定律第4節碰撞中的思考與討論［3］為例:(1)此題屬于非對心碰撞問題。題為一個運動的球和一個靜止的球碰撞，碰撞之前球的運動速度與兩球心的連線不在同一條直線上，碰撞之后兩球的速度都會偏離原來兩球心的連線。(2)將物理問題轉化為數學問題。由動量守恒定律可知，碰撞前后的動量是守恒的，即矢量和的大小和方向相同。利用幾何知識中的平行四邊形法則來解決這個問題，簡化了問題的難度。(3)實際分析:由于碰撞前動量總和的大小為mv1，記作P，方向水平向右，碰撞后B球的動量大小為mv2，記作P2，A球的動量大小記作P1，方向如圖1所示，由于數學中的平行四邊形法則可以大致畫出碰撞后A球的速度。上述分析表明，物理教學中運用數學思想方法解題可以簡化計算過程，簡化物理問題。除此之外，數學推導可促進物理規律的建立，數學圖像可以很直觀地表達物理模型，正交分解法在物理解題中起到至關重要的作用等。

(三)生活經驗對物理新知識學習的影響

物理源于生活，生活體現著物理規律，在教學中適當地將學生熟識的生活經驗和常識運用到物理知識的講解中，有助于學生對物理知識的理解［7］。筆者以“功率”的理解教學為例:(1)功率的概念理解較為抽象。(2)講解“功率”時，教師可以用學生已有的生活常識為例進行類比講解功率的概念。(3)舉例講解:首先給出做功的情況:有100kg重物要從一樓搬到五樓，如果一個小孩搬運需要60分鐘，一個成人搬運需要20分鐘，試比較小孩與成人做功的不同。由此有必要引出一個做功快慢的物理量，給這個物理量一個定義的方法。此時可以利用學生的實際生活做例子:從學?；丶易呗泛万T自行車的快慢方法進行類比，相同距離，比較不同運動方法所用的時間;相同時間，比較不同運動形式運動的距離;當距離、時間都不同時，比較單位時間的運動距離。很快就會得出比較做功快慢用到的方法:兩個物體做功相同，比較所用時間;兩個物體用相同的時間，比較所做的功;當功、時間都不同時，比較單位時間的功，得出功率的定義。上述分析表明，將學生日常生活的實際知識和經驗運用到物理教學中，不僅讓學生理解了功率的概念、學會了比較做功快慢的方法，而且讓學生懂得將生活實際和物理知識相互遷移的思想方法，提高了教學效率。(四)為遷移而教的思想對物理新知識學習的影響物理教學中的遷移不僅包括知識的遷移，還有遷移思想方法的授受。教育界提出“為遷移而教”的口號意在讓教學以學生為主體，讓學生形成自主學習的能力，最終達到不教的目的［8］－［9］。例如，人教版必修2第七章機械能守恒定律第一節追尋守恒量———能量，其中有一段材料:諾貝爾物理學獎獲得者費恩曼曾說:“有一個事實，如果你愿意，也可以說是一條定律，支配這至今所知的一切自然現象……這條規律稱作能量守恒定律。它指出:有某一個量，我們把它稱為能量，在自然界經歷的多種多樣的變化中它不變化。那是一個最抽象的概念……”［3］費恩曼所說的就是自然界能量的守恒原理。它的應用領域極其廣泛:從物理、化學到地質、生物，大到宇宙天體，小到原子核內部，只要有能量轉化，就一定服從能量守恒的規律。人類對各種能量，如煤、石油等燃料以及水能、風能、核能等的利用，都是通過能量轉化來實現的。在物理學中:保守力學系統、熱力學系統、核力學系統等都體現了能量守恒。綜上所述，將費恩曼關于能量的觀點延伸到各個學科乃至生活中，由此及彼，觸類旁通。因此，在教學中教師應不拘泥于某種教學形式或方法，勿以為教學而教學，而是注重知識間的相互聯系和影響，教師在課堂內外都應注意培養學生的學習遷移意識，結合具體的教學內容的特點和具體教學對象的特點，靈活地創設教育情境并利用教育契機去引導學生積極地思考。

三、物理教學中的遷移對教學的啟示

物理教學中知識的遷移是普遍存在的，不同知識之間是可以相互遷移的。物理教學中的遷移對教學有以下幾點啟示。

(一)遷移方法的多樣性轉變教師“為教物理而教”的思想

在物理教學中除了用物理方法解決物理問題，還可以有更多的方法和捷徑解決物理問題。以平拋運動中的典型例題為例:如圖2所示，在傾角為θ的斜面上以速度v0水平拋出一個小球，該斜面足夠長，則從拋出開始計時，經過多長時間小球離開斜面的距離達到最大，最大距離為多少?傳統解法:將平拋運動分解為沿斜面向下和垂直斜面向上的分運動，取沿斜面向下為x軸的正方向，垂直斜面向上為y軸的正方向，如圖2所示，在y軸上，當vy=0時，小球在y軸上運動到最高點，即小球離開斜面的距離達到最大，它所用的時間就是小球從拋出開始，運動到離開斜面最大距離的時間。利用數學方法簡單求解:小球在拋出過程中，曲線為一個圓弧狀，當曲線的某一點到斜面的距離最大時，由數學知識可知，這一點的切線與斜面平行，如圖3所示v的方向，此時小球離開斜面的距離達到最大。因此，求解極為簡單，由數學中的幾何關系可知，v0與v的夾角為θ，由數學知識得:tanθ=v1/v0，由物理關系知:v1=gt兩式聯立即可得出小球從拋出運動到離開斜面最大距離的時間。綜上所述，在物理知識的教學過程中教師應靈活運用不同的教學方法，利用所有利于教學的有效方法和策略來教學，只要有理、適合的方法都可以用于物理教學中，達到物理三維教學目標。

(二)知識遷移的創新教學有利于提升教師的綜合素質

中國臺灣中原大學張世忠教授曾說過:課程的改革，核心精神是教師的創新教學，要培養有創意的學生，必先需要有創意的教師，創意的教師必須不斷地學習和自我成長，教材的組織和編排，教學技術的靈活運用，教學情境的妥善布置等都必須要有創新的思維和策略?？梢?，這就要求教師具有舉一反三、將知識融會貫通的能力，在教學中善于靈活把握學科內外知識之間的聯系，讓物理課堂生動起來。例如，自然界萬物是能量守恒的，這個結論在任何學科和領域都是適用的。生物學中食物鏈能量是逐級遞減的，但能量的總和是守恒的。物理學科也不例外，不管系統的能量如何轉化，能量的總和是守恒的。比如，擺球的能量守恒。上例是對知識的靈活遷移，物理學科與其他學科內外的知識都有著密不可分的關系。這就要求教師除了具備專業知識的同時，還應不斷地學習和自我提升。這是對教師專業素養的一種鍛煉，也是對教師專業發展和邁向研究型教師的促進。

(三)知識遷移的先后順序對教材編排的要求

遷移，是一種知識對另一種知識的影響，即需在掌握一種知識的基礎上，才能對另一種知識產生影響，這就要求教材需要符合知識的順序性和學生的發展性。第一，物理與數學知識教學順序的完美結合。教材在修訂過程中應考慮到學科之間的相互影響，在有些物理知識規律講解中需要數學知識作為支撐的時候，此時學生應該已具備這種知識。例如，在學習運動力學之前，學生需要有關于速度、路程和時間的概念的知識做鋪墊;討論物理公式中各個量的關系的時候，需要函數的性質的知識做基礎等。第二，注意教材編排邏輯順序符合學生年齡及認知特征。教材編排應考慮學生的年齡及認知特征，這樣才符合學生智力水平的發展。

(四)知識的遷移強調教師運用現代知識的教學創新

臺灣中原大學張世忠教授說過:教師憑借過去所學，教現在學生，去適應未來的社會。因此，教師應不斷關注科技和事實知識，教學中的實例應該是在貼近學生生活的基礎上符合社會發展和時代感的例子，不能將20世紀50年代的例子用到教育90年代的學生身上讓他們從中體會生活中的物理，這樣太強的時代感學生無法理解，給教學形成阻礙。

(五)知識遷移的討論是研究構建完美課堂的基礎

當下研究的“有效教學”、“藝術教學”等等，都有遷移思想的滲透。例如，中學是掌握物理學中數學方法的重要時期，物理教育把培養學生“運用數學解決物理問題的能力”列為一項重要任務?！八囆g教學”中也滲透著遷移的思想，將教學作為一門藝術，運用知識間的相互影響來教學?？梢?，無論是研究有效教學或藝術教學等對于完美課堂的詮釋問題，都是以遷移的思想方法作為基礎的。本文從教材出發，介紹了遷移是物理教學中普遍存在的現象，進而用實例分析了物理教學中的遷移方法和形式，然后對遷移對物理教學的啟示做了思考。需要說明的是，探討物理教學中的遷移思想只是眾多教育思想方法中的一個方面。實際上，物理教學中的遷移不僅有它不可替代的優點，更應該注意負遷移的影響。物理教學中的遷移，不僅利于課堂內外各個方面的教學，也利于教師專業素質的升華，更利于教學的反思和啟示。這些方面還有待進一步研究和探討。

作者：李攸香王較過李秉政工作單位：陜西師范大學物理學與信息技術學院