例談高中物理知識(shí)與情境化問(wèn)題間的學(xué)習(xí)遷移

車(chē) 博，何 易

重慶外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，重慶 400039

1 前言

1.1 學(xué)習(xí)遷移的含義

現(xiàn)代心理學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)遷移的研究由來(lái)已久[1]，布魯納認(rèn)為遷移可以被看作學(xué)習(xí)者把習(xí)得的認(rèn)知結(jié)構(gòu)用于新的事例。奧蘇貝爾認(rèn)為，一切有意義的學(xué)習(xí)必然包括遷移，因?yàn)橐磺杏幸饬x的學(xué)習(xí)都是在原有學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。建構(gòu)主義認(rèn)為，學(xué)習(xí)遷移實(shí)質(zhì)上就是在新情境中對(duì)知識(shí)的應(yīng)用。我國(guó)學(xué)者吳慶麟指出，遷移是“在一種情境中獲得的技能、知識(shí)或態(tài)度對(duì)另一種情境中技能、知識(shí)的獲得或態(tài)度的形成之影響。”[2]簡(jiǎn)而言之，學(xué)習(xí)遷移指的是一種學(xué)習(xí)對(duì)另一種學(xué)習(xí)的影響。本文中物理知識(shí)與情境間的學(xué)習(xí)遷移是指二者之間的正相關(guān)的影響。

1.2 物理知識(shí)與情境

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對(duì)課程目標(biāo)有這樣的要求：“能用物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題”[3]。要達(dá)成這樣的目標(biāo)就必須強(qiáng)化物理知識(shí)與情境化問(wèn)題間的遷移，增強(qiáng)學(xué)生聯(lián)系二者的自覺(jué)性，使學(xué)生能通過(guò)物理語(yǔ)言、圖形、文字、符號(hào)等自覺(jué)聯(lián)想到相對(duì)應(yīng)的物理情境。相反的，學(xué)生面對(duì)物理情境時(shí)，也能自覺(jué)地聯(lián)想到相關(guān)的物理概念、定理和規(guī)律等知識(shí)。二者相輔相成、相互促進(jìn)、深入理解，很好地完成遷移性學(xué)習(xí)[4]。具體關(guān)聯(lián)如圖1所示。

圖1 物理知識(shí)間的關(guān)聯(lián)

2 物理知識(shí)與情境化問(wèn)題間的學(xué)習(xí)遷移示例窺析

物理知識(shí)所包含的內(nèi)容為物理核心概念、定律、定理、規(guī)律等，情境化問(wèn)題包括典型試題、生活實(shí)際問(wèn)題、開(kāi)放性問(wèn)題等[5]。根據(jù)多年的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)之所困，筆者將從概念性知識(shí)與對(duì)應(yīng)情境化問(wèn)題間的學(xué)習(xí)遷移、原理規(guī)律性知識(shí)與對(duì)應(yīng)情境化問(wèn)題間的學(xué)習(xí)遷移和實(shí)驗(yàn)與對(duì)應(yīng)情境化問(wèn)題間的學(xué)習(xí)遷移三個(gè)方面，嘗試論證物理知識(shí)與情境化問(wèn)題間如何實(shí)現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)和遷移，探索解決高中物理問(wèn)題的新思路。下面就以具體的物理問(wèn)題為例進(jìn)行詳盡分析。

2.1 概念性知識(shí)與情境間的學(xué)習(xí)遷移

例1靜電場(chǎng)中，一帶電粒子僅在電場(chǎng)力的作用下自M點(diǎn)由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，N為粒子運(yùn)動(dòng)軌跡上的另外一點(diǎn)，則（ ）

A.運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，粒子的速度大小可能先增大后減小

B.在M、N兩點(diǎn)間，粒子的軌跡一定與某條電場(chǎng)線重合

C.粒子在M點(diǎn)的電勢(shì)能不低于其在N點(diǎn)的電勢(shì)能

D.粒子在N點(diǎn)所受電場(chǎng)力的方向一定與粒子軌跡在該點(diǎn)的切線平行

分析：“一帶電粒子”對(duì)應(yīng)正電荷粒子或負(fù)電荷粒子，“僅在電場(chǎng)力”暗示電場(chǎng)力為合外力，“靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)”告訴我們初速度為0。對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生，會(huì)馬上想到粒子在電場(chǎng)中各種熟悉的運(yùn)動(dòng)情形，如粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、粒子在單個(gè)點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)、粒子在等量同（異）種點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)等。這時(shí)需要選項(xiàng)幫助我們聚焦，A選項(xiàng)中根據(jù)題設(shè)粒子的速度先增大沒(méi)有問(wèn)題，后減小有可能發(fā)生嗎？再次聯(lián)想，將粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)和單個(gè)點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)排除掉，就剩下等量同（異）種點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)了，由此構(gòu)建出圖2所示的電場(chǎng)。根據(jù)等量同種點(diǎn)電荷電場(chǎng)的特征，一負(fù)電粒子在兩電荷中垂線上先加速后減速可以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)對(duì)A選項(xiàng)的分析，B選項(xiàng)顯然不正確。對(duì)C選項(xiàng)而言，翻譯出的物理意思是EpM≧EpN。有了A、B選項(xiàng)的基礎(chǔ)，再依據(jù)題干，學(xué)生進(jìn)一步知道粒子可以沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)，也可以不沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)。若粒子沿電場(chǎng)線運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)力做正功，則M點(diǎn)電勢(shì)能大于N點(diǎn)電勢(shì)能，即EpM＞EpN。若等號(hào)要成立即EpM=EpN，根據(jù)電勢(shì)能定義Ep=qφ，推知要滿足φM=φN，可以實(shí)現(xiàn)嗎？沿電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)是不可能的，思維再一次遷移到粒子在等量同（異）種點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，結(jié)合電場(chǎng)線和等勢(shì)面的分布特征，M、N可以位于同一個(gè)等勢(shì)面上的不同位置，這就滿足了EpM=EpN，C選項(xiàng)也正確。在等量同（異）種點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)中，粒子也可能做曲線運(yùn)動(dòng)，則電場(chǎng)力與軌跡不可能平行。

圖2 兩等量正點(diǎn)電荷形成的電場(chǎng)

由以上分析我們知道，本題目的題設(shè)情境比較發(fā)散，題干與問(wèn)題涉及到的靜電場(chǎng)概念眾多，而解決問(wèn)題的核心思想是在題設(shè)基礎(chǔ)上根據(jù)靜電場(chǎng)知識(shí)構(gòu)建合理的情境，再結(jié)合四個(gè)選項(xiàng)對(duì)情境展開(kāi)討論。在抽象、推理、判斷的過(guò)程中需要對(duì)電場(chǎng)線、電場(chǎng)力、電勢(shì)能、等勢(shì)面等概念“信手拈來(lái)”，達(dá)到自動(dòng)化程度，所以物理概念與情境間遷移的基本前提是學(xué)生應(yīng)深刻理解物理概念的內(nèi)涵、外延和物理意義，并能在不同情境中熟練地切換。縱觀整個(gè)解決問(wèn)題過(guò)程也是對(duì)靜電場(chǎng)核心知識(shí)的又一次強(qiáng)化與提升，在解決問(wèn)題過(guò)程中情境與物理概念的交互作用讓學(xué)生深切體會(huì)到遷移性學(xué)習(xí)的價(jià)值。

2.2 原理、規(guī)律性知識(shí)與情境間的學(xué)習(xí)遷移

例2利用三顆位置適當(dāng)?shù)牡厍蛲叫l(wèi)星，可使地球赤道上任意兩點(diǎn)之間保持無(wú)線電通信。目前，地球同步衛(wèi)星的軌道半徑為地球半徑的6.6倍。假設(shè)地球的自轉(zhuǎn)周期變小，若仍僅用三顆同步衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的，則地球自轉(zhuǎn)周期的最小值約為（ ）

A.1 h B.4 h C.8 h D.16 h

圖3 三個(gè)衛(wèi)星連接與地球相切

例3潛水鐘是一種水下救生設(shè)備，它是一個(gè)底部開(kāi)口、上部封閉的容器，外形與鐘相似。潛水鐘在水下時(shí)其內(nèi)部上方空間里存有空氣，以滿足潛水員水下避險(xiǎn)的需要。為計(jì)算方便，將潛水鐘簡(jiǎn)化為截面積為S、高度為h、開(kāi)口向下的圓筒；工作母船將潛水鐘由水面上方開(kāi)口向下吊放至深度為H的水下，如圖4所示。已知水的密度為 ρ，重力加速度大小為 g，大氣壓強(qiáng)為 p0，H＞＞h，忽略溫度的變化和水密度隨深度的變化。

圖4 潛水鐘下沉到水中

（i）求進(jìn)入圓筒內(nèi)水的高度l；

（ⅱ）保持H不變，壓入空氣使筒內(nèi)的水全部排出，求壓入的空氣在其壓強(qiáng)為p0時(shí)的體積。

分析：第1小問(wèn)中，首先明確研究對(duì)象為潛水鐘里面的氣體，“忽略溫度的變化”告訴我們求解過(guò)程所用規(guī)律是玻意耳定律，接下來(lái)依據(jù)題設(shè)尋找氣體對(duì)應(yīng)的兩個(gè)狀態(tài)的條件，列方程解決問(wèn)題。

設(shè)潛水鐘在水面上方時(shí)和放入水下后筒內(nèi)氣體的體積分別為V0和V1，放入水下后筒內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為p1，則

聯(lián)立以上各式，并考慮到 H＞＞h＞l，解得

第2小問(wèn)中潛水鐘里面有原氣體、壓入氣體和混合氣體三種氣體，由此研究對(duì)象的確定是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。確定研究對(duì)象的依據(jù)就是題設(shè)和問(wèn)題，“忽略溫度的變化”再次提醒應(yīng)用玻意耳定律解決問(wèn)題。問(wèn)題是“求壓入的空氣在其壓強(qiáng)為p0時(shí)的體積”，若以壓入氣體為研究對(duì)象，壓入氣體的壓強(qiáng)不好計(jì)算，玻意耳定律無(wú)從談起。經(jīng)過(guò)物理知識(shí)與情境間的相互匹配和協(xié)調(diào)后，第2小問(wèn)中的研究對(duì)象為混合氣體?；旌蠚怏w兩個(gè)狀態(tài)為筒內(nèi)水全部排出后和這些氣體在壓強(qiáng)為p0時(shí)的狀態(tài)。

設(shè)水全部排出后筒內(nèi)氣體的壓強(qiáng)為p2；此時(shí)筒內(nèi)氣體的體積為V0，這些氣體在其壓強(qiáng)為p0時(shí)的體積為V3，由玻意耳定律有

設(shè)需壓入筒內(nèi)的氣體體積為V，依題意

聯(lián)立（2）（6）（7）（8）式得

縱觀整個(gè)分析過(guò)程，物理定律、原理在應(yīng)用過(guò)程中必須要與情境相符合、相適應(yīng)，而情境的變化同時(shí)暗示物理定律、原理要在符合情境中做出適應(yīng)性調(diào)整，二者相互交融、相互調(diào)適的過(guò)程就是物理知識(shí)與情境之間遷移性學(xué)習(xí)的過(guò)程。學(xué)生在解決問(wèn)題時(shí)應(yīng)對(duì)物理定律、原理有深刻的認(rèn)識(shí)，并理解這些規(guī)律使用的條件、范圍和物理意義。

2.3 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題與情境間的學(xué)習(xí)遷移

例4某實(shí)驗(yàn)小組采用圖5（甲）所示的裝置“探究動(dòng)能定理”，即探究小車(chē)所受合外力做功與小車(chē)動(dòng)能的變化之間的關(guān)系。該小組將細(xì)繩一端固定在小車(chē)上，另一端繞過(guò)定滑輪與力傳感器、重物相連。實(shí)驗(yàn)中，小車(chē)在細(xì)繩拉力的作用下從靜止開(kāi)始加速運(yùn)動(dòng)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上記錄小車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況，力傳感器記錄細(xì)繩對(duì)小車(chē)的拉力大小。

（1）實(shí)驗(yàn)中為了把細(xì)繩對(duì)小車(chē)的拉力視為小車(chē)的合外力，要完成的一個(gè)重要步驟是 ______；

（2）若實(shí)驗(yàn)中小車(chē)的質(zhì)量沒(méi)有遠(yuǎn)大于重物的質(zhì)量，對(duì)本實(shí)驗(yàn) ______影響（填“有”或“沒(méi)有”）；

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列物理量中必須測(cè)量的是______。

A.長(zhǎng)木板的長(zhǎng)度L

B.重物的質(zhì)量m

C.小車(chē)的總質(zhì)量M

（4）實(shí)驗(yàn)中，力傳感器的示數(shù)為F，打出的紙帶如圖5（乙）所示。將打下的第一個(gè)點(diǎn)標(biāo)為O，在紙帶上依次取A、B、C三個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。已知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T(mén)，測(cè)得A、B、C三點(diǎn)到O點(diǎn)的距離分別為x1、x2、x3。則從打O點(diǎn)到打B點(diǎn)過(guò)程中，探究結(jié)果的表達(dá)式是：___________（用題中所給字母表示）。

圖5 例4題圖

從分析中我們看到了實(shí)驗(yàn)問(wèn)題的情境一方面與舊知識(shí)間有緊密關(guān)聯(lián)，另一方面問(wèn)題的設(shè)置緊扣題設(shè)，而物理概念、規(guī)律、定理、推論等往往蘊(yùn)含在試題情境中，需要學(xué)生做深入的思考和挖掘，實(shí)驗(yàn)設(shè)置與情境化問(wèn)題間的學(xué)習(xí)遷移相較于概念、規(guī)律而言，更需要關(guān)注實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)原理、數(shù)據(jù)處理等，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際操作的相符和操作過(guò)程中巧妙的細(xì)節(jié)處理。實(shí)驗(yàn)過(guò)程本身就是應(yīng)用物理知識(shí)解決綜合性的物理問(wèn)題，既牽涉到具體的物理原理，又和現(xiàn)實(shí)生活相關(guān)聯(lián)，這更加需要學(xué)生有細(xì)致的遷移性學(xué)習(xí)意識(shí)。

3 思考與啟示

遷移性學(xué)習(xí)理論體系成熟，內(nèi)容豐富，包括了形式訓(xùn)練說(shuō)、相同要素說(shuō)、概括說(shuō)、關(guān)系說(shuō)、認(rèn)知結(jié)構(gòu)說(shuō)等，這些學(xué)說(shuō)大多通俗易懂，便于應(yīng)用。高中物理知識(shí)的特征決定了它與情境之間有著必然的緊密關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)兩者之間自由順暢的轉(zhuǎn)換，教師一方面注意把各個(gè)獨(dú)立的教學(xué)內(nèi)容建立必要的橫（或縱向）關(guān)聯(lián)，一方面通過(guò)歸因、反饋、強(qiáng)化等方式幫助學(xué)生主動(dòng)地對(duì)物理知識(shí)與情境化問(wèn)題產(chǎn)生深刻的認(rèn)知。對(duì)學(xué)生而言，通過(guò)對(duì)情境化問(wèn)題的分析與思考，提取有用的信息，找到知識(shí)與問(wèn)題間的深層次關(guān)系，再利用數(shù)學(xué)工具、物理模型建立解決問(wèn)題的有效途徑，這個(gè)過(guò)程不但培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新能力，還使學(xué)生增強(qiáng)了物理觀念和科學(xué)探究過(guò)程的訓(xùn)練。如果能經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖兪接?xùn)練以達(dá)到對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)不受特定情境的制約，即抓住了物理知識(shí)的本質(zhì)。經(jīng)常對(duì)已有的知識(shí)、方法結(jié)構(gòu)進(jìn)行總結(jié)、反思，上升為自身的一種問(wèn)題解決和遷移能力。只有正確認(rèn)識(shí)并使用學(xué)習(xí)遷移理論，長(zhǎng)久應(yīng)用于物理學(xué)習(xí)，才能提出有物理特色的遷移策略。