陳閣 徐曉梅

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

一個(gè)人將以前在學(xué)習(xí)或問題解決時(shí)獲得的經(jīng)驗(yàn)及知識(shí)應(yīng)用于新情境時(shí)即為遷移[1].美國(guó)心理學(xué)家M·L·比格曾經(jīng)說過,“學(xué)習(xí)遷移是教育最后必須寄托的柱石.如果學(xué)生在學(xué)校中學(xué)習(xí)那些材料無(wú)助于目前和以后的生活中更有效地應(yīng)付各種情境,那么就是浪費(fèi)他們的許多時(shí)間.”[2]在核心素養(yǎng)教育的號(hào)召下，“為遷移而教”在信息時(shí)代煥發(fā)新活力.知識(shí)的遷移性孕育著素養(yǎng)的遷移性[3]，這意味著促進(jìn)素養(yǎng)的發(fā)展，我們?cè)诮虒W(xué)中仍需要把遷移擺在重要位置.為學(xué)生的學(xué)習(xí)遷移而教，其實(shí)核心就是要培養(yǎng)遷移思維.遷移思維是指人腦在發(fā)展創(chuàng)造性思維過程中根據(jù)已經(jīng)獲得的知識(shí)、技能和方法等信息，來(lái)獲取新知識(shí)、新技能和新方法，或解釋判斷物理問題的思維過程[4].這種思維深刻地影響著人的遷移和創(chuàng)造，但文獻(xiàn)[5]在研究中指出,“遷移創(chuàng)新維度是學(xué)生能力發(fā)展的薄弱點(diǎn)，與我國(guó)當(dāng)前注重創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)目標(biāo)還存在較大差距”，所以展開針對(duì)培養(yǎng)遷移思維的教學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)我國(guó)學(xué)生薄弱點(diǎn)，順應(yīng)時(shí)代要求很有必要.基于遷移的習(xí)題教學(xué)設(shè)計(jì)旨在為學(xué)生提供連續(xù)遞變的問題情境，培養(yǎng)遷移思維，提高其解決問題的能力.文章嘗試將遷移運(yùn)用于設(shè)計(jì)習(xí)題教學(xué)中，擬從順向與逆向兩個(gè)角度來(lái)展開習(xí)題教學(xué)，重在將知識(shí)、情境與遷移學(xué)習(xí)糅合為一個(gè)整體，以訓(xùn)練學(xué)生遷移思維與解決問題能力,為核心素養(yǎng)的發(fā)展做出嘗試.

1 設(shè)計(jì)系列習(xí)題順向培養(yǎng)學(xué)生遷移思維

不同的物理問題有不同的情境，基于遷移設(shè)計(jì)系列習(xí)題就是構(gòu)建逐步變化的問題情境，幫助學(xué)生由熟悉的問題逐步學(xué)習(xí)陌生的問題.原型問題就是學(xué)生認(rèn)知中較為熟悉并能熟練解決的問題.由原型問題設(shè)計(jì)一系列熟悉到陌生的問題情境，產(chǎn)生一個(gè)連貫的、相關(guān)的學(xué)習(xí).對(duì)這一系列的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生可以形成深刻印象，又可以抓住某一共同要素而聯(lián)想起整個(gè)問題鏈.

遷移理論提出了“共同要素”的概念，但隨著多年的研究，影響學(xué)習(xí)遷移的因素很多，概括來(lái)說主要有如下幾個(gè):相關(guān)性、相似性、概念或事物的關(guān)鍵特征和學(xué)生原有學(xué)習(xí)的程度等[6].我們根據(jù)這些影響遷移的因素巧妙地將原型問題逐步修改，由熟悉到陌生，逐步幫助學(xué)生由近遷移轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)遷移，由低級(jí)遷移變?yōu)楦呒?jí)遷移.

1.1 尋找原型問題

原型問題的特點(diǎn)決定它是學(xué)生認(rèn)知中具有延伸性的圖式，利用這些圖式可以使學(xué)生對(duì)與其相似、相關(guān)的問題提高認(rèn)知關(guān)注度并快速掌握多個(gè)問題的解決思路.尋找原型問題就是去發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知中那些可以熟練解決的、印象深刻的問題.

【例1】劉飛同學(xué)在“利用單擺測(cè)重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中，先測(cè)得擺線長(zhǎng)為47.50 cm，后測(cè)得均勻擺球半徑為1.00 cm，接著借助秒表記下了單擺振動(dòng)50次所用的時(shí)間，問：

(1)該擺擺長(zhǎng)為______cm;

(2)如果他最后測(cè)得重力加速度值偏小，以下可能的原因是______.

A.他在計(jì)算擺長(zhǎng)時(shí)，直接使用了線長(zhǎng)

B.在計(jì)數(shù)周期時(shí)，將49次記成了50次

C.擺線在振動(dòng)中出現(xiàn)松動(dòng)，使擺線長(zhǎng)度增加了

D.開始時(shí)，過遲按下秒表

解析：本題就是一個(gè)典型的原型問題，是課堂上教師都曾演示過的單擺測(cè)重力加速度實(shí)驗(yàn).在尋找原型問題時(shí)，教師要注意抓住學(xué)生熟悉的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn).單擺的擺長(zhǎng)是線長(zhǎng)加小球的半徑(如果是不均勻的小球，就要測(cè)出重心到擺心的長(zhǎng)度)，在此題中就是

47.5 cm+1.00 cm=48.50 cm

1.2 改為大同小異的“新問題”

“大同小異”的“大同”是指在修改原型問題時(shí)大體相同，要使共同要素易于發(fā)現(xiàn)，旨在讓學(xué)生快速發(fā)現(xiàn)前后學(xué)習(xí)的相似性.“小異”指在細(xì)節(jié)之處要稍作變化，如改變已知條件的表述，從反向提問.一成不變的問題只會(huì)讓學(xué)生感到疲憊，稍有不同不僅可以讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)提高，還可以讓學(xué)生逐漸適應(yīng)情境的變化.由例1進(jìn)而設(shè)計(jì)例2如下.

【例2】在“用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中用刻度尺量出懸線長(zhǎng)96.60 cm，之后測(cè)得小球直徑是6.56 cm，某同學(xué)為減少實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)同一擺長(zhǎng)的單擺進(jìn)行3次周期測(cè)量，每次在擺球通過最低點(diǎn)時(shí)，按下秒表開始計(jì)時(shí)，并將此次通過最低點(diǎn)作為第一次，接著記錄通過最低點(diǎn)的次數(shù)，一直數(shù)到計(jì)時(shí)終止，結(jié)果如表1所示.

表1 周期測(cè)量

(1)這個(gè)單擺振動(dòng)周期的測(cè)定值是( )s，當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊闹凳? )m/s2(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位).

(2)若測(cè)得的g值比實(shí)際值大，則可能的原因是( )

A.測(cè)擺長(zhǎng)時(shí)未計(jì)入擺球的半徑

B.秒表不準(zhǔn)，比實(shí)際時(shí)間慢

C.在計(jì)數(shù)周期時(shí),將n次記成n+1次

D.小球質(zhì)量過輕

解析：將例1的“半徑”改為例2中的“直徑”，以及在(2)問中采用反向提問，其次利用在擺長(zhǎng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，遷移學(xué)習(xí)對(duì)時(shí)間的測(cè)量，由一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)而逐漸拓展.

1.3 設(shè)計(jì)小同大異的“舊問題”

“小同大異”的“小同”是指新設(shè)計(jì)的問題與之前相比要使共同要素變少變小，但依然能發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，表面上的相似性要逐步變?yōu)閮?nèi)容本質(zhì)上的相關(guān)性，旨在幫助學(xué)生的遷移思維逐步脫離最初的易察覺的情境.“大異”則是指新問題在情境設(shè)置上要做出較大變化，要讓學(xué)生對(duì)題目有陌生感.在學(xué)習(xí)解決這一環(huán)節(jié)問題時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)是關(guān)鍵.在共同要素上，不少現(xiàn)代認(rèn)知派心理學(xué)家對(duì)主體因素在學(xué)習(xí)遷移過程的作用進(jìn)行了大量的研究,他們認(rèn)為,不僅要求兩個(gè)刺激情境相似,而且要求學(xué)生必須能覺察出這種相似性,特殊遷移才有可能發(fā)生.當(dāng)不告之被試兩種學(xué)習(xí)任務(wù)是相關(guān)的,他們只學(xué)習(xí)一種任務(wù),然后不加評(píng)論就去學(xué)習(xí)另一種任務(wù),這種情況下普遍發(fā)現(xiàn)沒有遷移[7].在設(shè)計(jì)小同大異的問題時(shí)，教師要在每個(gè)環(huán)節(jié)都著重注意幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)之間的關(guān)聯(lián)，掌握這種關(guān)聯(lián)是培養(yǎng)學(xué)生遷移思維的關(guān)鍵.

【例3】國(guó)外一位物理老師設(shè)計(jì)了“用單擺測(cè)重力加速度”的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[8].步驟如下：

A.按照裝置圖，安裝實(shí)驗(yàn)設(shè)備

B.進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)，使單擺在小于5°角下擺動(dòng)，測(cè)量長(zhǎng)度L0,記錄時(shí)間記錄器中所記錄的單擺周期

C.調(diào)整線頭位置使長(zhǎng)度增加ΔL，進(jìn)行第2次實(shí)驗(yàn)，使單擺在小于5°角下擺動(dòng)，記錄時(shí)間記錄器所記錄的單擺周期

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

(1)推導(dǎo)重力加速度;

(2)思考：實(shí)驗(yàn)中小球是否均勻會(huì)影響測(cè)量的重力加速度嗎，實(shí)驗(yàn)中擺動(dòng)角度可以大于5°嗎？

解析：實(shí)驗(yàn)當(dāng)中進(jìn)行了兩次測(cè)量，ΔL為懸線長(zhǎng)度差值

由以上兩式得

教師先嘗試讓學(xué)生獨(dú)自解決例3，當(dāng)學(xué)生無(wú)法發(fā)現(xiàn)例3與例1和例2的關(guān)聯(lián)時(shí)，教師要及時(shí)指出“小同”，即兩個(gè)問題最根本的關(guān)聯(lián)是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理是一樣的，然后讓學(xué)生重新思考.當(dāng)學(xué)生能夠依靠前兩個(gè)例子的實(shí)驗(yàn)原理理解例3之后，再讓他們思考例題不一樣之處，那就是例3中計(jì)算重力加速度的擺長(zhǎng)被巧妙地替換成ΔL.借助此題(1)的解決過程，學(xué)生會(huì)很快發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)中小球不再影響實(shí)驗(yàn)中g(shù)的測(cè)量.此外，教師也要提醒學(xué)生揣摩實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的創(chuàng)新性，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新思維.

1.4 設(shè)計(jì)面目全非的“老問題”

設(shè)計(jì)新情境的“老問題”要抓住問題的內(nèi)在聯(lián)系和結(jié)構(gòu)特征,就是說此時(shí)設(shè)計(jì)的問題情境對(duì)于學(xué)生是陌生的，但是這個(gè)新設(shè)計(jì)的問題與之前的問題存在內(nèi)在聯(lián)系.下面通過例4的分析來(lái)解釋.

【例4】一位科學(xué)研究者想要測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，可是找不到完全均勻的小球，于是她為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只能找代替小球的物體，用一個(gè)大小約為5cm，外形不規(guī)則的大理石塊來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)步驟如下：

A.用細(xì)尼龍線將石塊系好，再固定住尼龍線的頂端

B.用刻度尺測(cè)量尼龍線固定點(diǎn)到石塊的長(zhǎng)度L作為擺長(zhǎng)

C.將石塊拉開一個(gè)大約α=30°的角度，然后由靜止釋放

D.擺球開始擺動(dòng)時(shí)開始計(jì)時(shí)，利用秒表記錄一次全振動(dòng)的時(shí)間，即周期

E.把尼龍線剪短，然后接著做幾次實(shí)驗(yàn)，記下相應(yīng)的擺長(zhǎng)和周期

(1)這位研究者在實(shí)驗(yàn)步驟中有明顯錯(cuò)誤的是______(填序號(hào))；

(2)研究者在發(fā)現(xiàn)自己的不妥之處后，參考例3改進(jìn)了自己的實(shí)驗(yàn)：先使尼龍線到石頭長(zhǎng)度為L(zhǎng)0，測(cè)出其周期T1；后使尼龍線到石頭長(zhǎng)度比原來(lái)伸長(zhǎng)了ΔL,再測(cè)出擺的周期T2.那么，重力加速度的值可以表示為______(用T1,T2,ΔL表示).

解析：經(jīng)過在之前3道題目，學(xué)生對(duì)于利用單擺測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)過程已經(jīng)非常熟悉，遷移解決(1)對(duì)于學(xué)生并非難事，但是這道題的形式卻又是全新的，可以說“面目全非”，因?yàn)樵谡麄€(gè)實(shí)驗(yàn)情境上、表述上，學(xué)生很難發(fā)現(xiàn)與之前問題的相關(guān)性，在講解題目時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想例1，例2和例3的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)幾次學(xué)習(xí)之間的相關(guān)性、相似性，有助于學(xué)生在這個(gè)新的情境下利用遷移解決問題.回憶例1與例2，擺長(zhǎng)是小球重心到懸點(diǎn)的長(zhǎng)度，即均勻小球的半徑加線長(zhǎng)，B只考慮了線長(zhǎng)，明顯錯(cuò)誤.回憶例3中提到的擺動(dòng)角度必須小于5°，C卻擺動(dòng)了30°，故錯(cuò)誤.設(shè)置F項(xiàng)就是利用遷移幫助學(xué)生繼續(xù)成長(zhǎng)，在測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，每一次實(shí)驗(yàn)得到的每一組數(shù)據(jù)，在組內(nèi)是相關(guān)的，用多次測(cè)得數(shù)據(jù)求平均值而忽略相關(guān)性就失去了物理科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)思維.所以，題(1)選擇B,D,F.

在(2)中研究者改變了實(shí)驗(yàn)做法，聯(lián)想例3中的兩次測(cè)量求ΔL的方案，根據(jù)例3遷移解決本問如下.

總之，設(shè)計(jì)問題的環(huán)節(jié)中，教師要注重問題的連續(xù)變化，層層遞進(jìn)，力求對(duì)同一知識(shí)的考查用多種情境來(lái)呈現(xiàn)，使學(xué)生的思維與知識(shí)可以從熟悉的情境中逐漸剝離，最終適應(yīng)新的情境.

2 從新問題中剖析原型問題逆向鍛煉遷移思維

單單從原型問題順向培養(yǎng)學(xué)生遷移思維是不夠的，利用原型問題來(lái)剖析新問題也是重要的教學(xué)策略.當(dāng)學(xué)生面對(duì)新情境中的問題，幫助他們找到原型問題與新問題的相關(guān)條件或相似條件，就可以利用原型問題遷移解決新問題.

【例5】圖2所示為一種擺式摩擦因數(shù)測(cè)量?jī)x，可測(cè)量輪胎與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，其主要部件有：底部固定有輪胎橡膠片的擺錘和連接擺錘的輕質(zhì)細(xì)桿．?dāng)[錘的質(zhì)量為m，細(xì)桿可繞軸在豎直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，擺錘重心到O點(diǎn)距離為L(zhǎng).測(cè)量時(shí)，測(cè)量?jī)x固定于水平地面，將擺錘從與O等高的位置處?kù)o止釋放.擺錘到最低點(diǎn)附近時(shí)，橡膠片緊壓地面擦過一小段距離s(s

(1)擺錘在上述過程中損失的機(jī)械能；

(2)在上述過程中摩擦力對(duì)擺錘所做的功；

(3)橡膠片與地面之間的動(dòng)摩擦因數(shù).

圖2 摩擦因數(shù)測(cè)量?jī)x

解析：本題出自2012年的重慶高考題，很多學(xué)生閱讀文字之后會(huì)對(duì)陌生且復(fù)雜的摩擦因數(shù)測(cè)量?jī)x感到束手無(wú)策.這時(shí)便需要引入原型問題，借助熟悉的問題遷移解決新問題，養(yǎng)成學(xué)生面對(duì)題中“高科技”能冷靜分析出熟悉模型的習(xí)慣.

2.1 剖析物理問題的原型

進(jìn)一步分析本題時(shí)，可以注意到本題最核心的機(jī)制就是單擺下落經(jīng)過橡膠片摩擦消耗機(jī)械能,由此可以從一個(gè)復(fù)雜新問題中剖析出熟悉的單擺問題，據(jù)此提出原型問題，借助原型問題的產(chǎn)生式遷移解決新問題.此題中引出原型問題例6.

【例6】如圖3所示，一擺長(zhǎng)為L(zhǎng)的單擺從A點(diǎn)開始下落，在最低點(diǎn)與地面發(fā)生摩擦損失機(jī)械能，然后繼續(xù)擺至與豎直方向成θ角的最高位置，該過程中單擺損失的機(jī)械能是多少？

圖3 單擺下落

解析:此題就是摩擦因數(shù)測(cè)量?jī)x的原型問題，拋開無(wú)關(guān)干擾讓學(xué)生直接嘗試解決核心知識(shí)相關(guān)問題.整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，單擺經(jīng)過摩擦而損失機(jī)械能，B點(diǎn)時(shí)相比A點(diǎn)重力勢(shì)能減少，整個(gè)過程機(jī)械能不守恒.由此選擇解決方法，想到以下公式

mgL=mgL(1-cosθ)+ΔE

2.2 借助原型問題遷移解決新問題

將原型問題解決過程直接遷移到例5中，擺錘其實(shí)就是單擺的擺球，橡膠片只是為了增加摩擦效果，整個(gè)測(cè)量摩擦因數(shù)的過程其實(shí)就是例6中單擺的運(yùn)動(dòng)過程.經(jīng)過這樣的引入，學(xué)生可以很快掌握兩題之間的相似性，掌握相同的產(chǎn)生式，不會(huì)再被復(fù)雜的“高科技”迷惑，直接利用機(jī)械能守恒解決例5中的問題.例5中的(2)、(3)問可以直接遷移小木塊在粗糙面移動(dòng)的問題來(lái)解決，過程略.

逆向培養(yǎng)學(xué)生遷移思維，就是依靠在新問題中剖析原型問題，借助原型問題與之相關(guān)性或相似性快速分析新的情境.這個(gè)過程的關(guān)鍵在于教師要注重挖掘?qū)W生頭腦中的原型問題，將新問題由繁化簡(jiǎn)，并不斷地訓(xùn)練這個(gè)過程，同時(shí)注重幫學(xué)生不斷積累頭腦中的原型問題數(shù)量.

3 結(jié)束語(yǔ)

總之，這種基于遷移的習(xí)題教學(xué)設(shè)計(jì)僅是為培養(yǎng)學(xué)生遷移思維的其中一種嘗試,廣大教師和研究者應(yīng)該本著“為遷移而教”的理念，不斷探索更多培養(yǎng)學(xué)生遷移思維的教學(xué)方法.