淺析遷移策略 提升物理核心素養(yǎng)

浙江 方道余

一、遷移及其在學(xué)習(xí)中的意義

新修訂的《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》，將物理課程目標(biāo)中的具體目標(biāo)(三維目標(biāo))深化為“物理核心素養(yǎng)”。物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。發(fā)展核心素養(yǎng)可簡單地理解為：學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能夠把所學(xué)知識、培養(yǎng)的能力應(yīng)用到新環(huán)境、新情景中去。而學(xué)會知識間的遷移有兩種，一種是將處于同一層次，在難度和復(fù)雜程度上大致屬于同一水平的知識進(jìn)行遷移，使彼此之間存在某種聯(lián)系，這種遷移稱為水平遷移或橫向遷移，如學(xué)習(xí)了拋體運(yùn)動知識后，可將其遷移到帶電粒子在勻強(qiáng)電場中運(yùn)動的學(xué)習(xí)；另一種是把非同一層次，難度和復(fù)雜程度上均不在同一水平面的知識之間進(jìn)行遷移，這種遷移稱為垂直遷移或縱向遷移，如電流的磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)的學(xué)習(xí)有助于電磁波知識中電磁波的產(chǎn)生和傳播的學(xué)習(xí)。

也就是說，學(xué)習(xí)的最終目的，并不是將知識經(jīng)驗儲存于頭腦中，而是遷移到各種不同的問題情景中，解決各種實際問題。因此在物理習(xí)題教學(xué)中，要指導(dǎo)學(xué)生利用遷移策略來解決并強(qiáng)化物理問題，培養(yǎng)學(xué)生將已有知識與新情境新事物相聯(lián)系的能力。

二、物理習(xí)題教學(xué)中的遷移策略

1.水平遷移策略

由于并列結(jié)合的物理問題與已有的某“知識組塊”之間存在狀態(tài)或過程的相似或相同要素，因此可用水平遷移的方法解決這類問題。習(xí)題教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相似的物理狀態(tài)或過程分析，尋找出相同要素，從而順利實現(xiàn)水平遷移，使知識類化。用心理學(xué)的觀點看，這是一個知識同化的過程。

【母題】如圖1所示，在一豎直面內(nèi)有一光滑的軌道，軌道左邊是光滑弧線，右邊是足夠長的水平直線。現(xiàn)有質(zhì)量分別為mA和mB的兩個質(zhì)點，B在水平軌道上靜止，A在高h(yuǎn)處自靜止滑下，與B發(fā)生彈性碰撞，碰后A仍可返回到弧線的某一高度上，并再度滑下。問：A、B的質(zhì)量滿足什么關(guān)系時至少可以發(fā)生兩次碰撞。

圖1

【解析】A與B間的碰撞是一個彈性碰撞過程，它是所有碰撞過程中一種極端的情況即形變能夠完全恢復(fù)，機(jī)械能沒有損失。彈性碰撞除了遵從上述的動量守恒定律外，還具備碰前、碰后系統(tǒng)的總動能相等的特征。設(shè)A球與B球第一次碰撞前速度為v0，碰撞后A球和B球的速度分別為vA和vB。A球從軌道上下滑的過程，由機(jī)械能守恒定律得

對于A、B碰撞的過程，取向右為正方向，根據(jù)動量守恒定律和能量守恒定律得

mAv0=mAvA+mBvB

要使A、B兩球至少發(fā)生兩次碰撞，第一次碰撞后A球反向彈回，且A球的速度大小必須大于B球的速度，則

vA<0，|vA|>vB

聯(lián)立解得mB>3mA

【點評】這道題利用了彈性碰撞過程遵從動量守恒定律和碰前、碰后系統(tǒng)的總動能相等的特征，再結(jié)合A、B能進(jìn)行第二次碰撞可得出：第一次碰撞后A球反向彈回，經(jīng)左邊的光滑弧線后反向向右運(yùn)動的速度大小必須大于B球的速度，這樣才能實現(xiàn)至少兩次碰撞，由此列式子結(jié)合條件得出結(jié)論。

【變式一】如圖2所示，有一質(zhì)量為mB的光滑小車靜止在光滑的水平面上，其右端與平臺相切，一個質(zhì)量為mA的小球以速度v0滑上小車后又返回下來，當(dāng)小球離開小車時，mA和mB的速度各是多少？

圖2

【解析】通過該問題與上面的母題彈性碰撞的過程相似性分析，遵循動量、機(jī)械能轉(zhuǎn)化的相似性分析，可知小球和小車相當(dāng)于經(jīng)歷了一次彈性碰撞。因此可將彈性碰撞的有關(guān)知識和規(guī)律直接遷移過來，則

mAv0=mAvA+mBvB

【點評】變式一與上面的母題對比，這道題依然涉及兩個物體運(yùn)動，只是帶有光滑弧面的小車代替了母題中的小球B。對此，學(xué)生不容易判斷動量是否守恒。我們可以引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)動量守恒條件分析，在豎直方向上小球動量發(fā)生變化，而小車動量不變。判斷出小球與小車組成的系統(tǒng)動量不守恒，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生類比母題思考，在水平方向上系統(tǒng)動量是否守恒，從而應(yīng)用動量守恒。最后遷移母題的思路，由此根據(jù)水平方向動量守恒與機(jī)械能守恒，綜合求解。

【歸結(jié)】要使水平遷移順利完成，在平時物理習(xí)題教學(xué)過程中要經(jīng)常采用“一題多變”的教學(xué)模式，指導(dǎo)學(xué)生對有關(guān)問題進(jìn)行歸納整理，使知識類化；同時也要經(jīng)常采用“題組”教學(xué)法，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用水平遷移策略的復(fù)習(xí)。如：

①如圖3所示，甲、乙兩圖分別表示在光滑的水平面上，木塊被子彈擊中和一滑塊m滑上質(zhì)量為M的小車，實際上也是同一個問題，不同點在于作用快慢不一樣。

甲

乙

②如圖4所示，在甲、乙、丙中，一切表面光滑，如果m從右端運(yùn)動到左端，比較一下有哪些相同要素呢？

甲

乙

丙

這樣的訓(xùn)練，有助培養(yǎng)學(xué)生對遷移認(rèn)知思想的理解。從教學(xué)實踐可知，學(xué)生對水平遷移的認(rèn)知能力越強(qiáng)，遷移的跨度就會越大，遷移就越容易實現(xiàn)。

2.垂直遷移策略

物理綜合題符合垂直遷移策略的應(yīng)用，其包括多過程問題、多體問題和跨學(xué)科(物理分支學(xué)科)問題。要順利解決這類物理問題，學(xué)生必須具備較強(qiáng)的分析分解能力，從而準(zhǔn)確、快速地將這類綜合問題分解成小的知識模塊，然后利用已有的“知識組塊”解決每一個小問題，實現(xiàn)垂直遷移完成解答。用心理學(xué)的觀點看，這也是知識同化的過程。

【變式二】如圖5所示，一輕質(zhì)彈簧兩端連著質(zhì)量分別為mA=0.09 kg，mB=0.1 kg的兩木塊A和B，放在光滑的水平面上，如果物塊A被水平速度為v0=800 m/s，質(zhì)量mC=0.01 kg的子彈C射中并嵌在物塊A的中心，求彈簧的最大彈性勢能。

圖5

【解析】與上面的母題對比，這道題涉及的運(yùn)動物體有木塊A、木塊B、子彈C以及輕質(zhì)彈簧；可以分兩個過程，過程一為子彈C打入木塊A；過程二為子彈C和木塊A一起壓縮彈簧到與木塊B速度相等，此時彈簧的彈性勢能最大。

過程一：子彈C速度大，子彈C打入木塊A過程時間短，此過程可以認(rèn)為彈簧來不及形變。對于子彈C與木塊A，在子彈C打入木塊A過程認(rèn)為動量守恒；但此過程屬于非彈性碰撞，機(jī)械能不守恒，有熱能產(chǎn)生、機(jī)械能減少。子彈C與木塊A相互作用后剩余多少機(jī)械能，與上面的例題類同，可根據(jù)動量守恒定律與能量守恒定律求解，即

mCv0=(mC+mA)v1

過程二：木塊A、木塊B、子彈C以及輕質(zhì)彈簧組成的系統(tǒng)可以看成上面母題中A、B兩小球發(fā)生彈性碰撞；當(dāng)輕質(zhì)彈簧壓縮最短時就類同于母題中A、B兩小球碰撞中壓的最緊，母題中A、B兩小球此時速度相等，木塊A、木塊B、子彈C此時也速度相等。與上面的例題類同，可根據(jù)動量守恒定律與機(jī)械能守恒定律求解，即

(mC+mA)v1=(mA+mB+mC)v2

解得Ep=160 J

【點評】與上面的母題對比，這道題涉及參與運(yùn)動的物體個數(shù)多、過程復(fù)雜，有子彈C與木塊A相互作用，還有彈簧連著A與B作用。對此，學(xué)生往往無從下手，過程分析不清，規(guī)律不能恰當(dāng)應(yīng)用；也有些學(xué)生可能把問題簡單化，沒注意到子彈打擊木塊A過程機(jī)械能損失，直接把木塊A、木塊B與子彈C看成一個系統(tǒng)，應(yīng)用動量守恒定律求出三個物體一起的末速度和一起的末動能，由此根據(jù)機(jī)械能守恒，把子彈的初動能減去三個物體的末動能，最終導(dǎo)致出錯。我們引導(dǎo)學(xué)生對物體分過程歸類，再對各小過程應(yīng)用類似例題的動量守恒定律與能量守恒定律處理，最終得出結(jié)論。此道題，要求學(xué)生具有過程分析、應(yīng)用規(guī)律等綜合能力，能把學(xué)過的基本規(guī)律、類似題型、小知識模塊分別應(yīng)用到此道題涉及的A、B、C三個物體的各個過程，最終綜合求解。

按信息加工理論的觀點，垂直遷移是學(xué)習(xí)者在已有“原問題的知識組塊”上加上某一條件來處理一個新的問題，或從已有的知識組塊中分離出相對較小的知識組塊的信息加工過程。學(xué)生垂直遷移能力的關(guān)鍵在于頭腦中所貯存關(guān)于“原問題的知識組塊”的數(shù)量和學(xué)生對問題的分析能力，而對問題的分析能力體現(xiàn)在學(xué)生是否能夠從“待處理問題”中分析出解決這一問題所需要的“新知識組塊”。垂直遷移的難易程度決定于“原問題知識組塊”和“待處理問題”的差異的大小。差異越小，即所需的“新知識組塊”越小，遷移越容易。