物理迁移理论教学启发

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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