物理新課程與類比學習

余俊文

(四川省邛崍市平樂中學,四川邛崍 611539)

物理新課程的基本理念就是“在課程結構上重視基礎;在課程內容上體現基礎性;在課程實施上注重自我學習,提倡教學方式的多樣化…….”一方面強調物理知識的基礎性,另一方面強調自我學習,學會遷移.奧蘇泊爾認為:“為遷移而教.”從物理課程的自身特點出發進行類比學習,是實現物理新課程強調知識基礎性和自主學習遷移性的有效途徑,也為學生終身學習,終身發展奠定良好的基礎.

1 物理概念的類比學習

物理知識體系都是建立在基本概念基礎上的,理解掌握物理基本概念極為必要.每個概念又都建立在一定事實基礎上,并為學習物理理論所需要.在學習物理概念時,要突出比較,比較概念與概念的定義背景、定義內容、描述方式等,即比較同類事物的共同特征.所以,要主動去比較新舊概念間的相同、相似和區別之處,擴大概念與概念的共同特征,發現提高學習物理概念的過程遷移和知識能力遷移的方法,物理概念遷移范圍、遷移效果及這2個“遷移度”的方法.

1.1 定性物理概念的類比學習

物理概念中定性理解的概念有很多.例如,從“磁感線”到“電場線”再到“電子云”這一組概念,就屬于典型的定性理解的概念.教材順序為先學習磁感線概念,后學習的電場線概念,就可以將電場線概念與磁感線概念進行這樣的類比:首先它們所創設的實驗情景相似,電場線來自于奎寧晶體在靜電場中的分布情況,相似于磁感線來自于鐵屑在磁場中的分布情況;都是為了簡便形象描述場分布情況而人為繪畫的曲線;都具有方向性且方向都是人們規定的;都能定性描述場的強弱分布.在理解電子云概念時,仍能類比于電場線、磁感線,電子云也是為了簡便形象描述電子運動情況而人為繪畫的.與電場線、磁感線相比,都是有根據而畫的,只不過電子云不是根據肉眼能觀察的實驗,而是根據運算出電子在核外空間出現的概率大小而畫的.在定性概念的類比學習中強調創設相近的情景很重要.又例如,電容器類比于水容器;氣體壓強產生類比于雨點持續打擊傘面而產生壓強;電子振蕩的能量補償類比于小孩蕩秋千的能量補償;電場強度類比于磁感應強度的情景、定義方法等等.

1.2 定量物理概念的類比學習

定量物理概念的類比學習,先在定性類比的基礎上,再進行定量類比.著重類比定量物理量表示什么、具體定義怎樣、定義式怎樣等.例如,勻強電場中的一系列定量概念類比于(勻強)重力場:①勻強電場中帶電粒子受到電場力F電=qE,類比于重力場中物體受重力G=mg;②電場強度 E類比于重力場強度g;③電場中的電勢 φ、零電勢 φ0=0和電勢差U,分別類比于重力場中的高度 h、零高度h0=0和高度差Δh;④電場力做功 W電=qU與路徑無關,類比于重力做功 WG=mgΔh與路徑無關;⑤電勢能的改變量Δε=-qU 類比于重力勢能改變量 ΔEp=-mgΔh等等.通過類比學習電場這個定量概念,不僅能幫助學習者正確理解電勢、電勢差、電勢能,還能幫助學習者準確運用電場的一系列定量概念,更進一步認識電場和重力場中的做功情況、能量改變情況、受力情況、運動情況.在定量物理概念的類比學習中,強調定義式的條件和注意事項.再比如,從“速度、“外力這一組概念的類比:①它們都是一個物理量隨時間變化快慢,即變化率;②它們都是隨時間變化,當Δt→0時,它們都是瞬時值;當Δt取一段時間,它們都是平均值.抓住了定義中各量的意義、關系、運算進行類比,就能促進定量物理量的運用掌握.

2 物理規律的類比學習

物理知識體系中,物理規律是最重要的核心部分,需要對物理定律、定理、規律進行有效地概括和提煉.將一個規律的學習經驗遷移到另一個規律的學習中來,并轉化形成已有知識結構中的一部分.理解掌握物理規律的多少與其概括水平的高低成正比.同時如果類比程度不深或沒有實質類比,沒有充分理解物理規律情況下,去應用、去解題,極易造成知識紊亂,而產生負向遷移,達不到物理規律類比學習的目的.

2.1 定性物理規律的類比學習

例如,光的折射規律類比于光的反射規律,就屬于定性物理規律的類比學習.它們的知識結構有著共同原理,都是研究光在界面傳播方向發生改變的規律,內容上概括起來有3點:①都是三線共面;②都是與入射光分居法線兩側;③都與入射角是增函數關系.區別為:反射角遵守 i′=i,而折射角遵守的規律.這樣將原理和內容概括起來類比其中相同、相似和區別之處,有利于提高定性物理規律的遷移量.又如,電荷守恒定律類比于能量守恒定律、角動量守恒類比于動量守恒,它們的共同知識結構的原理是,在某一變化過程中,該物理量在系統中不管怎樣變化其總量保持不變.凡是守恒問題,其內容概括起來都是這么3方面:①該物理量都不生不滅;②該物理量都能(轉化)轉移;③該物理量總量都保持不變.

2.2 定量物理定律的類比學習

物理定律都是從實驗中總結出的規律.要成功地類比學習物理定律,需要從定律的原理(包括實驗原理、方法、條件、裝置、過程等)和內容(包括結論形式、定律表述、定律表達式等)進行概括提煉,比較相似和區別之處.例如,庫侖定律類比于萬有引力定律,概括起來它們都是利用扭秤測量微弱力;都是測量兩質點(點電荷)間的作用力;作用力的大小都與兩點間距離平方成反比;都與兩點質量(電荷量)乘積成正比;它們表達式的形式完全相同:和這樣類比學習,自然把萬有引力定律的理解遷移過來促進理解庫侖定律.再如,學習動量守恒定律是利用機械能守恒定律來類比學習,突出實驗原理、過程、結論包括表達式,概括起來有許多相似之處,迅速地掌握新的定量物理定律.

2.3 定量物理定理的類比學習

物理定理是從已有物理知識中經過數學推導出來的定量規律,需要從定理原理(條件、推導過程)和內容(包括結論形式、定理表述、定理表達式)去概括,比較它們相似的部分.例如,動量定理類比于動能定理.它們相似之處:都描述一個物體受外力產生動量(或動能的)變化;它們區別之處:動能定理描述的是外力空間積累(做功)過程與物體初末狀態動能的改變關系,其推導過程為:W=Fs=而動量定理則是描述外力時間積累(沖量)過程與物體初末狀態動量的改變關系,其推導過程為:類比起來,凸顯這兩個物理量的特點,都只需研究初末狀態,而回避了中間變化過程的變化細節.中學物理無法解決變力做功和變力沖量的過程問題,這兩個定理將過程變化轉化為初末狀態變化來研究.這樣很容易將動能定理的理解、推導過程遷移到動量定理上,充實知識結構,學習動量定理反過來對動能定理加深理解.

2.4 定量物理過程的類比學習

定量物理過程分析就是綜合物理的定量規律、定理、定律,對具體物理過程進行分析,主要是從物理過程中所含的運動原理(運動的分解與合成)和內容(物理過程中的各定量規律,如運動學規律、動力學規律等)去概括提煉,比較它們的相同或相似的部分.例如,帶電粒子在電場中偏轉與平拋運動,許多人干脆把帶電粒子在電場中偏轉叫類平拋運動.概括起來,這2個物理過程的分析方向,都是先將運動進行分解,分別利用對應的規律進行研究,然后再將運動合成起來.帶電粒子在垂直電場方向做勻速運動,在沿著電場方向做初速度為0的勻加速運動.經過類比,就能把平拋運動的定量過程(包括整個過程和各個細節)遷移到帶電粒子在電場中偏轉的定量過程.

3 物理圖像的類比學習

學習的遷移是由于學習者突然發現2個學習經驗之間存在關系的結果.通過類比學習發現兩個學習經驗間的關系,不管這個關系是突然(頓悟)發現,還是經過邏輯推理過程發現,發現其間的關系是至關重要的.例如物理公式與物理圖像間的關系,假如物理公式是一次函數,則物理圖像是傾斜的直線.由部分電路的歐姆定律公式導出其 I-U圖像是過原點斜直線.假如物理公式是二次函數,則物理圖像是拋物線.例如初速度為0的勻加速位移公式s導出其 s-t圖是拋物線.假如物理公式為指數函數,物理圖像為指數曲線.例如原子核的半衰期公式圖像為指數曲線.假如物理公式為正余弦函數,則物理圖像為正余弦圖線.例如做簡諧運動的位移公式 x=Asin(ω t+φ0),導出 x-t圖像為正余弦曲線等等.其次物理圖像也可以導出物理公式,實現直接由圖線(函數圖像)定性研究方法,過渡到物理公式定量研究方法.例如實驗數據通過描點作圖,回歸法分析誤差,再導出物理公式,利用圖像來計算的過程.從物理公式導出物理圖像類比理解由物理圖像導出物理公式,解決在實驗基礎上找出規律的研究問題.注意利用圖線理解物理過程是需要將物理圖像看成變化的,弄清橫坐標是時間還是空間,例如振動圖像和波動圖像,橫坐標怎樣變化導致縱坐標是怎樣變化的,這樣才能從物理圖像導出物理公式,定量確定物理量的變化關系.

4 物理實驗的類比學習

維克夏爾在《教育方法》一書中指出:“智力官能只有通過審慎的練習,才能接受教養,除非通過練習,沒有別的方法使心理官能得到發展.”不論是演示實驗還是分組實驗,都是物理知識的事實基礎,實驗不僅是為學習現有的課本上的知識服務,而且還能訓練我們思考和操作的心理智力官能的練習方法,并且可以把實驗思維操作等基本功進行類比,遷移到其他的事情上,例如生活中,我們推理某個事情但不能確定時,首先想到的是實驗方法,即物理實驗類比學習的延伸應用.所以實驗中不同的過程、不同的步驟,都能夠訓練不同的官能活動,主要是動腦官能和動手官能.如果應該做的實驗不做了,那么學習者的多種官能得不到訓練和提升,遇到新問題(包括生活中)需要實驗來解決就會束手無策.所以物理實驗類比學習強調在實驗中教學仿真演練,以培養實驗方法、過程思維及動手官能.

4.1 物理演示實驗的類比學習

例如,研究“自由落體運動”到“平拋運動”、“簡諧運動”這一組演示實驗,在自由落體運動中利用頻閃照相的方法,通過記錄小球在相等時間間隔的各個時刻的位置,研究小球在豎直方向上的運動特點,訓練了學習者認識研究小球運動較為特殊的方法(頻閃照相);訓練了學習者如何觀察裝置,如何調試使用,才能得到較為清晰的照片;訓練了怎樣分析頻閃照片等等.通過這樣的官能訓練,很自然地做到將頻閃照相的思維,由“自由落體運動”類比遷移到研究“平拋運動”,再類比遷移到“簡諧運動”,“驗證動量守恒”等等.

4.2 物理分組實驗的類比學習

在分析紙帶的訓練中,可以把測定加速度的分析紙帶方法,類比遷移到研究物體是否勻變速運動,研究物體自由落體機械能是否守恒,以至于將這樣的實驗原理和方法遷移到其他需要記錄某時刻物體位置、位移、速度、加速度等問題,都是形式訓練促進學習遷移的必然結果.分組實驗是對動腦官能和動手官能同步訓練的最佳機會.訓練的機會越多,主要訓練包括實驗原理、操作順序、儀器調試等,在其他相似分組實驗中就能靈活自如,所遇問題迎刃而解.再如,利用平拋運動,驗證小球碰撞動量守恒的實驗中,通過小球多次下落,利用作圖法來確定個小球平均落點的方法,自然,是由確定平拋運動小球所在軌道上的點描繪記錄的方法遷移而來的,還可以將此方法遷移到圖像回歸法來減小誤差等.

總之,學習物理新課程,利用類比學習物理概念、物理規律、物理圖像、物理實驗,都能很有效地實現物理新課程強調的基礎性和自主學習、學習遷移性,提高學生自主學習物理知識與技能,培養學生對物理知識體系的探究能力,以便養成科學態度和科學精神,奠定終身發展的良好基礎.

1 教育部.普通高中物理課程標準(第1版).北京:人民教育出版社,2003.

2 黃希庭.心理學(第1版).上海:上海教育出版社,1997.

3 李小融.教育心理學(第1版).成都:四川教育出版社,2005.

4 陳安福.中學教學心理學(第1版).成都:四川人民出版社,2000.