例谈高中物理知识与情境化问题间的学习迁移

车 博，何 易

重庆外国语学校，重庆 400039

1 前言

1.1 学习迁移的含义

现代心理学对学习迁移的研究由来已久[1]，布鲁纳认为迁移可以被看作学习者把习得的认知结构用于新的事例。奥苏贝尔认为，一切有意义的学习必然包括迁移，因为一切有意义的学习都是在原有学习的基础上产生的。建构主义认为，学习迁移实质上就是在新情境中对知识的应用。我国学者吴庆麟指出，迁移是“在一种情境中获得的技能、知识或态度对另一种情境中技能、知识的获得或态度的形成之影响。”[2]简而言之，学习迁移指的是一种学习对另一种学习的影响。本文中物理知识与情境间的学习迁移是指二者之间的正相关的影响。

1.2 物理知识与情境

《普通高中物理课程标准（2017年版）》对课程目标有这样的要求：“能用物理观念解释自然现象和解决实际问题”[3]。要达成这样的目标就必须强化物理知识与情境化问题间的迁移，增强学生联系二者的自觉性，使学生能通过物理语言、图形、文字、符号等自觉联想到相对应的物理情境。相反的，学生面对物理情境时，也能自觉地联想到相关的物理概念、定理和规律等知识。二者相辅相成、相互促进、深入理解，很好地完成迁移性学习[4]。具体关联如图1所示。

图1 物理知识间的关联

2 物理知识与情境化问题间的学习迁移示例窥析

物理知识所包含的内容为物理核心概念、定律、定理、规律等，情境化问题包括典型试题、生活实际问题、开放性问题等[5]。根据多年的教学实践经验，结合学生学习之所困，笔者将从概念性知识与对应情境化问题间的学习迁移、原理规律性知识与对应情境化问题间的学习迁移和实验与对应情境化问题间的学习迁移三个方面，尝试论证物理知识与情境化问题间如何实现相互关联和迁移，探索解决高中物理问题的新思路。下面就以具体的物理问题为例进行详尽分析。

2.1 概念性知识与情境间的学习迁移

例1静电场中，一带电粒子仅在电场力的作用下自M点由静止开始运动，N为粒子运动轨迹上的另外一点，则（ ）

A.运动过程中，粒子的速度大小可能先增大后减小

B.在M、N两点间，粒子的轨迹一定与某条电场线重合

C.粒子在M点的电势能不低于其在N点的电势能

D.粒子在N点所受电场力的方向一定与粒子轨迹在该点的切线平行

分析：“一带电粒子”对应正电荷粒子或负电荷粒子，“仅在电场力”暗示电场力为合外力，“静止开始运动”告诉我们初速度为0。对有经验的学生，会马上想到粒子在电场中各种熟悉的运动情形，如粒子在匀强电场中的运动、粒子在单个点电荷形成的电场中的运动、粒子在等量同（异）种点电荷形成的电场中的运动等。这时需要选项帮助我们聚焦，A选项中根据题设粒子的速度先增大没有问题，后减小有可能发生吗？再次联想，将粒子在匀强电场和单个点电荷形成的电场中的运动排除掉，就剩下等量同（异）种点电荷形成的电场中的运动了，由此构建出图2所示的电场。根据等量同种点电荷电场的特征，一负电粒子在两电荷中垂线上先加速后减速可以实现。根据对A选项的分析，B选项显然不正确。对C选项而言，翻译出的物理意思是EpM≧EpN。有了A、B选项的基础，再依据题干，学生进一步知道粒子可以沿电场线运动，也可以不沿电场线运动。若粒子沿电场线运动，电场力做正功，则M点电势能大于N点电势能，即EpM＞EpN。若等号要成立即EpM=EpN，根据电势能定义Ep=qφ，推知要满足φM=φN，可以实现吗？沿电场运动是不可能的，思维再一次迁移到粒子在等量同（异）种点电荷形成的电场中的运动，结合电场线和等势面的分布特征，M、N可以位于同一个等势面上的不同位置，这就满足了EpM=EpN，C选项也正确。在等量同（异）种点电荷形成的电场中，粒子也可能做曲线运动，则电场力与轨迹不可能平行。

图2 两等量正点电荷形成的电场

由以上分析我们知道，本题目的题设情境比较发散，题干与问题涉及到的静电场概念众多，而解决问题的核心思想是在题设基础上根据静电场知识构建合理的情境，再结合四个选项对情境展开讨论。在抽象、推理、判断的过程中需要对电场线、电场力、电势能、等势面等概念“信手拈来”，达到自动化程度，所以物理概念与情境间迁移的基本前提是学生应深刻理解物理概念的内涵、外延和物理意义，并能在不同情境中熟练地切换。纵观整个解决问题过程也是对静电场核心知识的又一次强化与提升，在解决问题过程中情境与物理概念的交互作用让学生深切体会到迁移性学习的价值。

2.2 原理、规律性知识与情境间的学习迁移

例2利用三颗位置适当的地球同步卫星，可使地球赤道上任意两点之间保持无线电通信。目前，地球同步卫星的轨道半径为地球半径的6.6倍。假设地球的自转周期变小，若仍仅用三颗同步卫星来实现上述目的，则地球自转周期的最小值约为（ ）

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

图3 三个卫星连接与地球相切

例3潜水钟是一种水下救生设备，它是一个底部开口、上部封闭的容器，外形与钟相似。潜水钟在水下时其内部上方空间里存有空气，以满足潜水员水下避险的需要。为计算方便，将潜水钟简化为截面积为S、高度为h、开口向下的圆筒；工作母船将潜水钟由水面上方开口向下吊放至深度为H的水下，如图4所示。已知水的密度为 ρ，重力加速度大小为 g，大气压强为 p0，H＞＞h，忽略温度的变化和水密度随深度的变化。

图4 潜水钟下沉到水中

（i）求进入圆筒内水的高度l；

（ⅱ）保持H不变，压入空气使筒内的水全部排出，求压入的空气在其压强为p0时的体积。

分析：第1小问中，首先明确研究对象为潜水钟里面的气体，“忽略温度的变化”告诉我们求解过程所用规律是玻意耳定律，接下来依据题设寻找气体对应的两个状态的条件，列方程解决问题。

设潜水钟在水面上方时和放入水下后筒内气体的体积分别为V0和V1，放入水下后筒内气体的压强为p1，则

联立以上各式，并考虑到 H＞＞h＞l，解得

第2小问中潜水钟里面有原气体、压入气体和混合气体三种气体，由此研究对象的确定是解决问题的关键。确定研究对象的依据就是题设和问题，“忽略温度的变化”再次提醒应用玻意耳定律解决问题。问题是“求压入的空气在其压强为p0时的体积”，若以压入气体为研究对象，压入气体的压强不好计算，玻意耳定律无从谈起。经过物理知识与情境间的相互匹配和协调后，第2小问中的研究对象为混合气体。混合气体两个状态为筒内水全部排出后和这些气体在压强为p0时的状态。

设水全部排出后筒内气体的压强为p2；此时筒内气体的体积为V0，这些气体在其压强为p0时的体积为V3，由玻意耳定律有

设需压入筒内的气体体积为V，依题意

联立（2）（6）（7）（8）式得

纵观整个分析过程，物理定律、原理在应用过程中必须要与情境相符合、相适应，而情境的变化同时暗示物理定律、原理要在符合情境中做出适应性调整，二者相互交融、相互调适的过程就是物理知识与情境之间迁移性学习的过程。学生在解决问题时应对物理定律、原理有深刻的认识，并理解这些规律使用的条件、范围和物理意义。

2.3 实验问题与情境间的学习迁移

例4某实验小组采用图5（甲）所示的装置“探究动能定理”，即探究小车所受合外力做功与小车动能的变化之间的关系。该小组将细绳一端固定在小车上，另一端绕过定滑轮与力传感器、重物相连。实验中，小车在细绳拉力的作用下从静止开始加速运动，打点计时器在纸带上记录小车的运动情况，力传感器记录细绳对小车的拉力大小。

（1）实验中为了把细绳对小车的拉力视为小车的合外力，要完成的一个重要步骤是 ______；

（2）若实验中小车的质量没有远大于重物的质量，对本实验 ______影响（填“有”或“没有”）；

（3）实验时，下列物理量中必须测量的是______。

A.长木板的长度L

B.重物的质量m

C.小车的总质量M

（4）实验中，力传感器的示数为F，打出的纸带如图5（乙）所示。将打下的第一个点标为O，在纸带上依次取A、B、C三个计数点。已知相邻计数点间的时间间隔为T，测得A、B、C三点到O点的距离分别为x1、x2、x3。则从打O点到打B点过程中，探究结果的表达式是：___________（用题中所给字母表示）。

图5 例4题图

从分析中我们看到了实验问题的情境一方面与旧知识间有紧密关联，另一方面问题的设置紧扣题设，而物理概念、规律、定理、推论等往往蕴含在试题情境中，需要学生做深入的思考和挖掘，实验设置与情境化问题间的学习迁移相较于概念、规律而言，更需要关注实验目的、实验器材、实验步骤、实验原理、数据处理等，以及实验过程与实际操作的相符和操作过程中巧妙的细节处理。实验过程本身就是应用物理知识解决综合性的物理问题，既牵涉到具体的物理原理，又和现实生活相关联，这更加需要学生有细致的迁移性学习意识。

3 思考与启示

迁移性学习理论体系成熟，内容丰富，包括了形式训练说、相同要素说、概括说、关系说、认知结构说等，这些学说大多通俗易懂，便于应用。高中物理知识的特征决定了它与情境之间有着必然的紧密关系，要实现两者之间自由顺畅的转换，教师一方面注意把各个独立的教学内容建立必要的横（或纵向）关联，一方面通过归因、反馈、强化等方式帮助学生主动地对物理知识与情境化问题产生深刻的认知。对学生而言，通过对情境化问题的分析与思考，提取有用的信息，找到知识与问题间的深层次关系，再利用数学工具、物理模型建立解决问题的有效途径，这个过程不但培养了学生科学思维和创新能力，还使学生增强了物理观念和科学探究过程的训练。如果能经过适当的变式训练以达到对知识的认识不受特定情境的制约，即抓住了物理知识的本质。经常对已有的知识、方法结构进行总结、反思，上升为自身的一种问题解决和迁移能力。只有正确认识并使用学习迁移理论，长久应用于物理学习，才能提出有物理特色的迁移策略。