例談高中物理知識與情境化問題間的學習遷移

車 博，何 易

重慶外國語學校，重慶 400039

1 前言

1.1 學習遷移的含義

現代心理學對學習遷移的研究由來已久[1]，布魯納認為遷移可以被看作學習者把習得的認知結構用于新的事例。奧蘇貝爾認為，一切有意義的學習必然包括遷移，因為一切有意義的學習都是在原有學習的基礎上產生的。建構主義認為，學習遷移實質上就是在新情境中對知識的應用。我國學者吳慶麟指出，遷移是“在一種情境中獲得的技能、知識或態度對另一種情境中技能、知識的獲得或態度的形成之影響。”[2]簡而言之，學習遷移指的是一種學習對另一種學習的影響。本文中物理知識與情境間的學習遷移是指二者之間的正相關的影響。

1.2 物理知識與情境

《普通高中物理課程標準（2017年版）》對課程目標有這樣的要求：“能用物理觀念解釋自然現象和解決實際問題”[3]。要達成這樣的目標就必須強化物理知識與情境化問題間的遷移，增強學生聯系二者的自覺性，使學生能通過物理語言、圖形、文字、符號等自覺聯想到相對應的物理情境。相反的，學生面對物理情境時，也能自覺地聯想到相關的物理概念、定理和規律等知識。二者相輔相成、相互促進、深入理解，很好地完成遷移性學習[4]。具體關聯如圖1所示。

圖1 物理知識間的關聯

2 物理知識與情境化問題間的學習遷移示例窺析

物理知識所包含的內容為物理核心概念、定律、定理、規律等，情境化問題包括典型試題、生活實際問題、開放性問題等[5]。根據多年的教學實踐經驗，結合學生學習之所困，筆者將從概念性知識與對應情境化問題間的學習遷移、原理規律性知識與對應情境化問題間的學習遷移和實驗與對應情境化問題間的學習遷移三個方面，嘗試論證物理知識與情境化問題間如何實現相互關聯和遷移，探索解決高中物理問題的新思路。下面就以具體的物理問題為例進行詳盡分析。

2.1 概念性知識與情境間的學習遷移

例1靜電場中，一帶電粒子僅在電場力的作用下自M點由靜止開始運動，N為粒子運動軌跡上的另外一點，則（ ）

A.運動過程中，粒子的速度大小可能先增大后減小

B.在M、N兩點間，粒子的軌跡一定與某條電場線重合

C.粒子在M點的電勢能不低于其在N點的電勢能

D.粒子在N點所受電場力的方向一定與粒子軌跡在該點的切線平行

分析：“一帶電粒子”對應正電荷粒子或負電荷粒子，“僅在電場力”暗示電場力為合外力，“靜止開始運動”告訴我們初速度為0。對有經驗的學生，會馬上想到粒子在電場中各種熟悉的運動情形，如粒子在勻強電場中的運動、粒子在單個點電荷形成的電場中的運動、粒子在等量同（異）種點電荷形成的電場中的運動等。這時需要選項幫助我們聚焦，A選項中根據題設粒子的速度先增大沒有問題，后減小有可能發生嗎？再次聯想，將粒子在勻強電場和單個點電荷形成的電場中的運動排除掉，就剩下等量同（異）種點電荷形成的電場中的運動了，由此構建出圖2所示的電場。根據等量同種點電荷電場的特征，一負電粒子在兩電荷中垂線上先加速后減速可以實現。根據對A選項的分析，B選項顯然不正確。對C選項而言，翻譯出的物理意思是EpM≧EpN。有了A、B選項的基礎，再依據題干，學生進一步知道粒子可以沿電場線運動，也可以不沿電場線運動。若粒子沿電場線運動，電場力做正功，則M點電勢能大于N點電勢能，即EpM＞EpN。若等號要成立即EpM=EpN，根據電勢能定義Ep=qφ，推知要滿足φM=φN，可以實現嗎？沿電場運動是不可能的，思維再一次遷移到粒子在等量同（異）種點電荷形成的電場中的運動，結合電場線和等勢面的分布特征，M、N可以位于同一個等勢面上的不同位置，這就滿足了EpM=EpN，C選項也正確。在等量同（異）種點電荷形成的電場中，粒子也可能做曲線運動，則電場力與軌跡不可能平行。

圖2 兩等量正點電荷形成的電場

由以上分析我們知道，本題目的題設情境比較發散，題干與問題涉及到的靜電場概念眾多，而解決問題的核心思想是在題設基礎上根據靜電場知識構建合理的情境，再結合四個選項對情境展開討論。在抽象、推理、判斷的過程中需要對電場線、電場力、電勢能、等勢面等概念“信手拈來”，達到自動化程度，所以物理概念與情境間遷移的基本前提是學生應深刻理解物理概念的內涵、外延和物理意義，并能在不同情境中熟練地切換。縱觀整個解決問題過程也是對靜電場核心知識的又一次強化與提升，在解決問題過程中情境與物理概念的交互作用讓學生深切體會到遷移性學習的價值。

2.2 原理、規律性知識與情境間的學習遷移

例2利用三顆位置適當的地球同步衛星，可使地球赤道上任意兩點之間保持無線電通信。目前，地球同步衛星的軌道半徑為地球半徑的6.6倍。假設地球的自轉周期變小，若仍僅用三顆同步衛星來實現上述目的，則地球自轉周期的最小值約為（ ）

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

圖3 三個衛星連接與地球相切

例3潛水鐘是一種水下救生設備，它是一個底部開口、上部封閉的容器，外形與鐘相似。潛水鐘在水下時其內部上方空間里存有空氣，以滿足潛水員水下避險的需要。為計算方便，將潛水鐘簡化為截面積為S、高度為h、開口向下的圓筒；工作母船將潛水鐘由水面上方開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）求進入圓筒內水的高度l；

（ⅱ）保持H不變，壓入空氣使筒內的水全部排出，求壓入的空氣在其壓強為p0時的體積。

分析：第1小問中，首先明確研究對象為潛水鐘里面的氣體，“忽略溫度的變化”告訴我們求解過程所用規律是玻意耳定律，接下來依據題設尋找氣體對應的兩個狀態的條件，列方程解決問題。

設潛水鐘在水面上方時和放入水下后筒內氣體的體積分別為V0和V1，放入水下后筒內氣體的壓強為p1，則

聯立以上各式，并考慮到 H＞＞h＞l，解得

第2小問中潛水鐘里面有原氣體、壓入氣體和混合氣體三種氣體，由此研究對象的確定是解決問題的關鍵。確定研究對象的依據就是題設和問題，“忽略溫度的變化”再次提醒應用玻意耳定律解決問題。問題是“求壓入的空氣在其壓強為p0時的體積”，若以壓入氣體為研究對象，壓入氣體的壓強不好計算，玻意耳定律無從談起。經過物理知識與情境間的相互匹配和協調后，第2小問中的研究對象為混合氣體。混合氣體兩個狀態為筒內水全部排出后和這些氣體在壓強為p0時的狀態。

設水全部排出后筒內氣體的壓強為p2；此時筒內氣體的體積為V0，這些氣體在其壓強為p0時的體積為V3，由玻意耳定律有

設需壓入筒內的氣體體積為V，依題意

聯立（2）（6）（7）（8）式得

縱觀整個分析過程，物理定律、原理在應用過程中必須要與情境相符合、相適應，而情境的變化同時暗示物理定律、原理要在符合情境中做出適應性調整，二者相互交融、相互調適的過程就是物理知識與情境之間遷移性學習的過程。學生在解決問題時應對物理定律、原理有深刻的認識，并理解這些規律使用的條件、范圍和物理意義。

2.3 實驗問題與情境間的學習遷移

例4某實驗小組采用圖5（甲）所示的裝置“探究動能定理”，即探究小車所受合外力做功與小車動能的變化之間的關系。該小組將細繩一端固定在小車上，另一端繞過定滑輪與力傳感器、重物相連。實驗中，小車在細繩拉力的作用下從靜止開始加速運動，打點計時器在紙帶上記錄小車的運動情況，力傳感器記錄細繩對小車的拉力大小。

（1）實驗中為了把細繩對小車的拉力視為小車的合外力，要完成的一個重要步驟是 ______；

（2）若實驗中小車的質量沒有遠大于重物的質量，對本實驗 ______影響（填“有”或“沒有”）；

（3）實驗時，下列物理量中必須測量的是______。

A.長木板的長度L

B.重物的質量m

C.小車的總質量M

（4）實驗中，力傳感器的示數為F，打出的紙帶如圖5（乙）所示。將打下的第一個點標為O，在紙帶上依次取A、B、C三個計數點。已知相鄰計數點間的時間間隔為T，測得A、B、C三點到O點的距離分別為x1、x2、x3。則從打O點到打B點過程中，探究結果的表達式是：___________（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驗問題的情境一方面與舊知識間有緊密關聯，另一方面問題的設置緊扣題設，而物理概念、規律、定理、推論等往往蘊含在試題情境中，需要學生做深入的思考和挖掘，實驗設置與情境化問題間的學習遷移相較于概念、規律而言，更需要關注實驗目的、實驗器材、實驗步驟、實驗原理、數據處理等，以及實驗過程與實際操作的相符和操作過程中巧妙的細節處理。實驗過程本身就是應用物理知識解決綜合性的物理問題，既牽涉到具體的物理原理，又和現實生活相關聯，這更加需要學生有細致的遷移性學習意識。

3 思考與啟示

遷移性學習理論體系成熟，內容豐富，包括了形式訓練說、相同要素說、概括說、關系說、認知結構說等，這些學說大多通俗易懂，便于應用。高中物理知識的特征決定了它與情境之間有著必然的緊密關系，要實現兩者之間自由順暢的轉換，教師一方面注意把各個獨立的教學內容建立必要的橫（或縱向）關聯，一方面通過歸因、反饋、強化等方式幫助學生主動地對物理知識與情境化問題產生深刻的認知。對學生而言，通過對情境化問題的分析與思考，提取有用的信息，找到知識與問題間的深層次關系，再利用數學工具、物理模型建立解決問題的有效途徑，這個過程不但培養了學生科學思維和創新能力，還使學生增強了物理觀念和科學探究過程的訓練。如果能經過適當的變式訓練以達到對知識的認識不受特定情境的制約，即抓住了物理知識的本質。經常對已有的知識、方法結構進行總結、反思，上升為自身的一種問題解決和遷移能力。只有正確認識并使用學習遷移理論，長久應用于物理學習，才能提出有物理特色的遷移策略。