物理新课程与类比学习

余俊文

(四川省邛崃市平乐中学,四川邛崃 611539)

物理新课程的基本理念就是“在课程结构上重视基础;在课程内容上体现基础性;在课程实施上注重自我学习,提倡教学方式的多样化…….”一方面强调物理知识的基础性,另一方面强调自我学习,学会迁移.奥苏泊尔认为:“为迁移而教.”从物理课程的自身特点出发进行类比学习,是实现物理新课程强调知识基础性和自主学习迁移性的有效途径,也为学生终身学习,终身发展奠定良好的基础.

1 物理概念的类比学习

物理知识体系都是建立在基本概念基础上的,理解掌握物理基本概念极为必要.每个概念又都建立在一定事实基础上,并为学习物理理论所需要.在学习物理概念时,要突出比较,比较概念与概念的定义背景、定义内容、描述方式等,即比较同类事物的共同特征.所以,要主动去比较新旧概念间的相同、相似和区别之处,扩大概念与概念的共同特征,发现提高学习物理概念的过程迁移和知识能力迁移的方法,物理概念迁移范围、迁移效果及这2个“迁移度”的方法.

1.1 定性物理概念的类比学习

物理概念中定性理解的概念有很多.例如,从“磁感线”到“电场线”再到“电子云”这一组概念,就属于典型的定性理解的概念.教材顺序为先学习磁感线概念,后学习的电场线概念,就可以将电场线概念与磁感线概念进行这样的类比:首先它们所创设的实验情景相似,电场线来自于奎宁晶体在静电场中的分布情况,相似于磁感线来自于铁屑在磁场中的分布情况;都是为了简便形象描述场分布情况而人为绘画的曲线;都具有方向性且方向都是人们规定的;都能定性描述场的强弱分布.在理解电子云概念时,仍能类比于电场线、磁感线,电子云也是为了简便形象描述电子运动情况而人为绘画的.与电场线、磁感线相比,都是有根据而画的,只不过电子云不是根据肉眼能观察的实验,而是根据运算出电子在核外空间出现的概率大小而画的.在定性概念的类比学习中强调创设相近的情景很重要.又例如,电容器类比于水容器;气体压强产生类比于雨点持续打击伞面而产生压强;电子振荡的能量补偿类比于小孩荡秋千的能量补偿;电场强度类比于磁感应强度的情景、定义方法等等.

1.2 定量物理概念的类比学习

定量物理概念的类比学习,先在定性类比的基础上,再进行定量类比.着重类比定量物理量表示什么、具体定义怎样、定义式怎样等.例如,匀强电场中的一系列定量概念类比于(匀强)重力场:①匀强电场中带电粒子受到电场力F电=qE,类比于重力场中物体受重力G=mg;②电场强度 E类比于重力场强度g;③电场中的电势 φ、零电势 φ0=0和电势差U,分别类比于重力场中的高度 h、零高度h0=0和高度差Δh;④电场力做功 W电=qU与路径无关,类比于重力做功 WG=mgΔh与路径无关;⑤电势能的改变量Δε=-qU 类比于重力势能改变量 ΔEp=-mgΔh等等.通过类比学习电场这个定量概念,不仅能帮助学习者正确理解电势、电势差、电势能,还能帮助学习者准确运用电场的一系列定量概念,更进一步认识电场和重力场中的做功情况、能量改变情况、受力情况、运动情况.在定量物理概念的类比学习中,强调定义式的条件和注意事项.再比如,从“速度、“外力这一组概念的类比:①它们都是一个物理量随时间变化快慢,即变化率;②它们都是随时间变化,当Δt→0时,它们都是瞬时值;当Δt取一段时间,它们都是平均值.抓住了定义中各量的意义、关系、运算进行类比,就能促进定量物理量的运用掌握.

2 物理规律的类比学习

物理知识体系中,物理规律是最重要的核心部分,需要对物理定律、定理、规律进行有效地概括和提炼.将一个规律的学习经验迁移到另一个规律的学习中来,并转化形成已有知识结构中的一部分.理解掌握物理规律的多少与其概括水平的高低成正比.同时如果类比程度不深或没有实质类比,没有充分理解物理规律情况下,去应用、去解题,极易造成知识紊乱,而产生负向迁移,达不到物理规律类比学习的目的.

2.1 定性物理规律的类比学习

例如,光的折射规律类比于光的反射规律,就属于定性物理规律的类比学习.它们的知识结构有着共同原理,都是研究光在界面传播方向发生改变的规律,内容上概括起来有3点:①都是三线共面;②都是与入射光分居法线两侧;③都与入射角是增函数关系.区别为:反射角遵守 i′=i,而折射角遵守的规律.这样将原理和内容概括起来类比其中相同、相似和区别之处,有利于提高定性物理规律的迁移量.又如,电荷守恒定律类比于能量守恒定律、角动量守恒类比于动量守恒,它们的共同知识结构的原理是,在某一变化过程中,该物理量在系统中不管怎样变化其总量保持不变.凡是守恒问题,其内容概括起来都是这么3方面:①该物理量都不生不灭;②该物理量都能(转化)转移;③该物理量总量都保持不变.

2.2 定量物理定律的类比学习

物理定律都是从实验中总结出的规律.要成功地类比学习物理定律,需要从定律的原理(包括实验原理、方法、条件、装置、过程等)和内容(包括结论形式、定律表述、定律表达式等)进行概括提炼,比较相似和区别之处.例如,库仑定律类比于万有引力定律,概括起来它们都是利用扭秤测量微弱力;都是测量两质点(点电荷)间的作用力;作用力的大小都与两点间距离平方成反比;都与两点质量(电荷量)乘积成正比;它们表达式的形式完全相同:和这样类比学习,自然把万有引力定律的理解迁移过来促进理解库仑定律.再如,学习动量守恒定律是利用机械能守恒定律来类比学习,突出实验原理、过程、结论包括表达式,概括起来有许多相似之处,迅速地掌握新的定量物理定律.

2.3 定量物理定理的类比学习

物理定理是从已有物理知识中经过数学推导出来的定量规律,需要从定理原理(条件、推导过程)和内容(包括结论形式、定理表述、定理表达式)去概括,比较它们相似的部分.例如,动量定理类比于动能定理.它们相似之处:都描述一个物体受外力产生动量(或动能的)变化;它们区别之处:动能定理描述的是外力空间积累(做功)过程与物体初末状态动能的改变关系,其推导过程为:W=Fs=而动量定理则是描述外力时间积累(冲量)过程与物体初末状态动量的改变关系,其推导过程为:类比起来,凸显这两个物理量的特点,都只需研究初末状态,而回避了中间变化过程的变化细节.中学物理无法解决变力做功和变力冲量的过程问题,这两个定理将过程变化转化为初末状态变化来研究.这样很容易将动能定理的理解、推导过程迁移到动量定理上,充实知识结构,学习动量定理反过来对动能定理加深理解.

2.4 定量物理过程的类比学习

定量物理过程分析就是综合物理的定量规律、定理、定律,对具体物理过程进行分析,主要是从物理过程中所含的运动原理(运动的分解与合成)和内容(物理过程中的各定量规律,如运动学规律、动力学规律等)去概括提炼,比较它们的相同或相似的部分.例如,带电粒子在电场中偏转与平抛运动,许多人干脆把带电粒子在电场中偏转叫类平抛运动.概括起来,这2个物理过程的分析方向,都是先将运动进行分解,分别利用对应的规律进行研究,然后再将运动合成起来.带电粒子在垂直电场方向做匀速运动,在沿着电场方向做初速度为0的匀加速运动.经过类比,就能把平抛运动的定量过程(包括整个过程和各个细节)迁移到带电粒子在电场中偏转的定量过程.

3 物理图像的类比学习

学习的迁移是由于学习者突然发现2个学习经验之间存在关系的结果.通过类比学习发现两个学习经验间的关系,不管这个关系是突然(顿悟)发现,还是经过逻辑推理过程发现,发现其间的关系是至关重要的.例如物理公式与物理图像间的关系,假如物理公式是一次函数,则物理图像是倾斜的直线.由部分电路的欧姆定律公式导出其 I-U图像是过原点斜直线.假如物理公式是二次函数,则物理图像是抛物线.例如初速度为0的匀加速位移公式s导出其 s-t图是抛物线.假如物理公式为指数函数,物理图像为指数曲线.例如原子核的半衰期公式图像为指数曲线.假如物理公式为正余弦函数,则物理图像为正余弦图线.例如做简谐运动的位移公式 x=Asin(ω t+φ0),导出 x-t图像为正余弦曲线等等.其次物理图像也可以导出物理公式,实现直接由图线(函数图像)定性研究方法,过渡到物理公式定量研究方法.例如实验数据通过描点作图,回归法分析误差,再导出物理公式,利用图像来计算的过程.从物理公式导出物理图像类比理解由物理图像导出物理公式,解决在实验基础上找出规律的研究问题.注意利用图线理解物理过程是需要将物理图像看成变化的,弄清横坐标是时间还是空间,例如振动图像和波动图像,横坐标怎样变化导致纵坐标是怎样变化的,这样才能从物理图像导出物理公式,定量确定物理量的变化关系.

4 物理实验的类比学习

维克夏尔在《教育方法》一书中指出:“智力官能只有通过审慎的练习,才能接受教养,除非通过练习,没有别的方法使心理官能得到发展.”不论是演示实验还是分组实验,都是物理知识的事实基础,实验不仅是为学习现有的课本上的知识服务,而且还能训练我们思考和操作的心理智力官能的练习方法,并且可以把实验思维操作等基本功进行类比,迁移到其他的事情上,例如生活中,我们推理某个事情但不能确定时,首先想到的是实验方法,即物理实验类比学习的延伸应用.所以实验中不同的过程、不同的步骤,都能够训练不同的官能活动,主要是动脑官能和动手官能.如果应该做的实验不做了,那么学习者的多种官能得不到训练和提升,遇到新问题(包括生活中)需要实验来解决就会束手无策.所以物理实验类比学习强调在实验中教学仿真演练,以培养实验方法、过程思维及动手官能.

4.1 物理演示实验的类比学习

例如,研究“自由落体运动”到“平抛运动”、“简谐运动”这一组演示实验,在自由落体运动中利用频闪照相的方法,通过记录小球在相等时间间隔的各个时刻的位置,研究小球在竖直方向上的运动特点,训练了学习者认识研究小球运动较为特殊的方法(频闪照相);训练了学习者如何观察装置,如何调试使用,才能得到较为清晰的照片;训练了怎样分析频闪照片等等.通过这样的官能训练,很自然地做到将频闪照相的思维,由“自由落体运动”类比迁移到研究“平抛运动”,再类比迁移到“简谐运动”,“验证动量守恒”等等.

4.2 物理分组实验的类比学习

在分析纸带的训练中,可以把测定加速度的分析纸带方法,类比迁移到研究物体是否匀变速运动,研究物体自由落体机械能是否守恒,以至于将这样的实验原理和方法迁移到其他需要记录某时刻物体位置、位移、速度、加速度等问题,都是形式训练促进学习迁移的必然结果.分组实验是对动脑官能和动手官能同步训练的最佳机会.训练的机会越多,主要训练包括实验原理、操作顺序、仪器调试等,在其他相似分组实验中就能灵活自如,所遇问题迎刃而解.再如,利用平抛运动,验证小球碰撞动量守恒的实验中,通过小球多次下落,利用作图法来确定个小球平均落点的方法,自然,是由确定平抛运动小球所在轨道上的点描绘记录的方法迁移而来的,还可以将此方法迁移到图像回归法来减小误差等.

总之,学习物理新课程,利用类比学习物理概念、物理规律、物理图像、物理实验,都能很有效地实现物理新课程强调的基础性和自主学习、学习迁移性,提高学生自主学习物理知识与技能,培养学生对物理知识体系的探究能力,以便养成科学态度和科学精神,奠定终身发展的良好基础.

1 教育部.普通高中物理课程标准(第1版).北京:人民教育出版社,2003.

2 黄希庭.心理学(第1版).上海:上海教育出版社,1997.

3 李小融.教育心理学(第1版).成都:四川教育出版社,2005.

4 陈安福.中学教学心理学(第1版).成都:四川人民出版社,2000.