中國物理變式教學(xué)研究：傳統(tǒng)與發(fā)展

胡揚洋 陳清梅 邢紅軍

（胡揚洋：首都師范大學(xué)物理系 北京 100048 陳清梅：北京中醫(yī)藥大學(xué) 副教授 北京 100102 邢紅軍：首都師范大學(xué)物理系 教授，博士，博士生導(dǎo)師 北京100048 責(zé)任編輯：洪淑媛）

變式教學(xué)作為我國理科教學(xué)中一種傳統(tǒng)且有代表性的教學(xué)方法，不僅有大量經(jīng)驗的檢驗與總結(jié)，還有廣泛的實踐基礎(chǔ)。其中數(shù)學(xué)教育對變式教學(xué)的研究走在了前列，不僅回應(yīng)了國際關(guān)于“中國學(xué)習(xí)者悖論”的叩問，并且建構(gòu)了體現(xiàn)中國特色的理論體系，為臨近學(xué)科的變式教學(xué)提供了可貴的啟示?！?〕相較之下，我國物理變式教學(xué)的傳統(tǒng)與對其研究的滯后則顯出極不相稱的態(tài)勢。據(jù)此，如何基于我國物理教學(xué)深厚的實踐基礎(chǔ)與最新的研究成果，系統(tǒng)地構(gòu)建體現(xiàn)學(xué)科特色的中國物理變式教學(xué)理論就成為了我們的研究課題。

一、物理變式教學(xué)的回顧與反思

早在二十世紀(jì)八十年代初，老一輩物理教育學(xué)家喬際平先生針對物理概念與規(guī)律教學(xué)中出現(xiàn)的“畢其功于一役”現(xiàn)象，指出了要在初步領(lǐng)會和認(rèn)識概念與規(guī)律之后，指導(dǎo)學(xué)生繼續(xù)從不同的主要側(cè)面完善對概念和規(guī)律的認(rèn)識。他說：“用來完善學(xué)生對概念與定律認(rèn)識的物理問題 （包括實驗），必須有計劃、有目的地認(rèn)真選擇，否則就達(dá)不到預(yù)期的目的”，并據(jù)此提出了該環(huán)節(jié)選題的“典型”和“靈活”原則。（1983）〔2〕閻金鐸先生則在講述“教給學(xué)生分析物理問題的方法”時，提出了要使學(xué)生達(dá)到“舉一反三、以一貫十”的效果，并生動地詮釋了習(xí)題教學(xué)的“正誤對照、一題多解、一題多變”等方式。（1981）〔3〕是為物理變式教學(xué)的先聲。

我們認(rèn)為，老一輩物理教育學(xué)者關(guān)于物理變式教學(xué)的經(jīng)驗與論述蘊含著本土實踐的智慧，在當(dāng)下愈發(fā)彰顯了重要意義。其中尤其可貴的是，傳統(tǒng)的研究一開始就伴隨著對題海戰(zhàn)術(shù)、偏難怪題等教學(xué)痼疾的反對和矯正，研究路徑則主要沿著“概念與規(guī)律的教學(xué)”以及“分析解決物理問題”展開，并且明確提出通過研究概念與定律教學(xué)提高教學(xué)質(zhì)量，習(xí)題教學(xué)則“應(yīng)著重在應(yīng)用物理知識、分析物理過程上多下功夫，要提高學(xué)生考慮問題的思路和方法”?！?〕〔5〕這些論述既對教學(xué)實踐產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，也是我國物理教學(xué)實踐的深刻總結(jié)與高度概括，所以，籠統(tǒng)地將傳統(tǒng)物理教學(xué)思想扣上“機械訓(xùn)練”的帽子是欠妥的。

我們認(rèn)為，對于物理教學(xué)，雖然數(shù)學(xué)是必要的，但是物理學(xué)由其概念、規(guī)律、方法架構(gòu)而成的學(xué)科結(jié)構(gòu)及其學(xué)科本質(zhì)與數(shù)學(xué)學(xué)科都有極大不同。事實上，物理學(xué)科的學(xué)習(xí)不僅包含一種科學(xué)自然觀的形成，還包括在這一觀念框架下應(yīng)用物理知識、改造自然界，并進(jìn)一步發(fā)展物理學(xué)，這就是物理學(xué)科的兩個基本向度，在教學(xué)中即表現(xiàn)為“物理知識的獲得”與“物理知識的應(yīng)用”。據(jù)此，也就不難理解為什么概念與規(guī)律的教學(xué)與物理問題解決一直以來都是物理教學(xué)研究的基本范疇了。正是學(xué)科間的諸多差異，才決定了對物理變式教學(xué)的研究不應(yīng)滿足、迷失于其他經(jīng)驗與理論的簡單移植，而應(yīng)在批判借鑒的基礎(chǔ)上，運用理論思維做到與時俱進(jìn)的發(fā)展。

二、物理變式教學(xué)的內(nèi)涵與原理

物理學(xué)的學(xué)科本質(zhì)決定了其對現(xiàn)象、范例根本性的關(guān)注。物理學(xué)家認(rèn)為“現(xiàn)象是物理學(xué)的根源”；〔6〕科學(xué)哲學(xué)家認(rèn)為：物理學(xué)作為一種范式，首先是范例?！?〕由此，各種物理現(xiàn)象、實例、習(xí)題等具體與實在的處理就自然占據(jù)了物理教學(xué)的大部分時間，甚至構(gòu)成了物理教學(xué)的基本支撐，它們某種程度上，都可以作為廣義或前科學(xué)化的物理變式教學(xué)。這就是理解物理變式教學(xué)的物理學(xué)科基礎(chǔ)。而物理現(xiàn)象與實例的無限性與課堂教學(xué)時空有限性的矛盾則必然要求物理變式教學(xué)采取有序化的設(shè)計。據(jù)此，我們提出：物理變式教學(xué)是依據(jù)一定的教學(xué)意圖與教學(xué)規(guī)律，通過對有限多個 （種）物理現(xiàn)象、物理實例或物理問（習(xí)）題結(jié)構(gòu)化的呈現(xiàn)，以促進(jìn)物理學(xué)科理解或物理學(xué)科應(yīng)用水平提高的一種物理教學(xué)方法。進(jìn)一步，我們將物理及變式的基本結(jié)構(gòu)劃分為物理變式的起點、節(jié)點與落腳點，并對其原理詳加闡釋。

（一）物理變式的起點：典型化

講典型、練典型、攢典型是理科教學(xué)的傳統(tǒng)經(jīng)驗。我們提出，物理變式的典型化就是指在符合物理學(xué)科內(nèi)涵與教學(xué)目標(biāo)的前提下，最大程度地突顯所教物理概念與規(guī)律的全部重要特征或信息，對科學(xué)方法則要體現(xiàn)完整、明晰的環(huán)節(jié)。也正如喬際平先生所說：“所提的問題一定要突出概念和規(guī)律的基本特征。”〔8〕

然而在實際中，符合這種特征的實例和情景往往很少或并不存在，這是因為“突顯全部重要特征或信息”的典型化實際上已經(jīng)要求物理變式具有一定的抽象性，并需要有一定的代表性和超前性。所以，抽象性、簡單性和特殊化又是“典型化”的三個具體要求。例如“力的分解”一節(jié)，最體現(xiàn)典型化的物理變式就是：在斜面-物塊情境下，對重力作沿斜面與垂直于斜面的分解。其中，將一個力分解為兩個力、三角形法則、特殊的矢量平行四邊形、特殊的矢量直角三角形、三角函數(shù)的特殊方法等都是“典型化”的體現(xiàn)。有意義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，這樣的典型化有利于學(xué)生與已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間建立清晰穩(wěn)定的聯(lián)系，并為進(jìn)一步的學(xué)習(xí)提供概念上的“固定點”?！?〕

由此可見，將典型題等同于難題、偏題是失當(dāng)?shù)?。而物理?xí)題往往從小車、滑塊等抽象物講起也就不無依據(jù)了。值得注意的是，“典型化”原則不能被教條地使用，典型的變式起點并不是固定不變的。如果實際中存在符合要求的例證或情景，就可以被使用，而不必拘泥于“一定的抽象性”。對于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，則可以從有一定的情境化的變式出發(fā)。此外，學(xué)生的文化與經(jīng)驗背景也應(yīng)作為“典型化”變式設(shè)計的依據(jù)。

（二）物理變式的節(jié)點：遷移性

如何從一個變式過渡到另一個變式，是物理變式教學(xué)的核心問題。如果無法明確兩兩變式之間的邏輯關(guān)系，有序的變式組也就成為了凌亂的“問題筐”。對此，我們將遷移性作為變式節(jié)點的本質(zhì)特征。在物理教學(xué)中，舉一反三、觸類旁通等學(xué)習(xí)現(xiàn)象，都是遷移的體現(xiàn)。在遷移中，學(xué)生表現(xiàn)、展開并深化了學(xué)習(xí)過程。物理變式的節(jié)點就應(yīng)著眼于遷移的心理機制，以可遷移性為特征仔細(xì)考量。

對物理遷移的心理機制，邢紅軍教授認(rèn)為：兩個學(xué)習(xí)活動中的共同因素是遷移的充分條件，對兩個學(xué)習(xí)活動中的共同因素的概括是遷移的必要條件?！?0〕據(jù)此，物理變式節(jié)點對遷移性的體現(xiàn)就應(yīng)著眼于已知條件、提問角度、問題情境等因素精心設(shè)計，每次只改變變式的個別特征或要素，并且，對變化要素的選取以及變化的程度都應(yīng)力圖在學(xué)習(xí)者心理層面實現(xiàn)一種逐漸概括化、深刻化的體驗。所以，變化要素的選擇、數(shù)量、變化幅度的大小等都應(yīng)納入變式節(jié)點的研討。例如講解“力的分解”時，對斜面上的小球，只需要有序地改變擋板的位置就能呈現(xiàn)生動的變式組，其中只有一個條件在靈活有序地變動，生動地詮釋了變式節(jié)點的特征。

（三）物理變式的落腳點：生態(tài)化

物理變式教學(xué)不能為了變式而變式，而應(yīng)有正確的方向和落腳點，否則只能造成“題?！狈簽E，甚至鉆入偏難怪題的牛角尖。解決這一難題的方式在于將“生態(tài)化”確立為物理變式教學(xué)的落腳點。近來的原始物理問題研究就是在教育生態(tài)化的趨勢下興起的，并為促進(jìn)物理教育的生態(tài)化做出了重要貢獻(xiàn)?！?1〕

研究表明，原始物理問題直接、完整地描述未被抽象加工的科學(xué)現(xiàn)象和事實，不出現(xiàn)任何條件或數(shù)據(jù)，因此具有很強的生態(tài)效度。例如“力的分解”變式教學(xué)中，變式組的最后環(huán)節(jié)就可以呈現(xiàn)如下的原始物理問題?！爱?dāng)載重卡車陷于淤泥中時，司機只有一根較長的鋼索，旁邊只有一棵大樹。想想怎樣才能很便捷地從泥坑中拉出卡車？”物理變式教學(xué)將原始問題作為落腳點，找到了正確的方向。這是因為，面對生態(tài)化的現(xiàn)象，抽象概括思維是繞不開的，并且往往還需要首先用物理直覺思維大幅度跳躍式地提取信息。這都比習(xí)題演算更加切合物理學(xué)科特點。

物理變式教學(xué)與原始物理問題相融合的意義還在于，物理教育生態(tài)化的內(nèi)涵將被進(jìn)一步充實。因為物理變式組不僅包含單個習(xí)題、原始問題的設(shè)置，更包含著對變式之間關(guān)聯(lián)程度、變化邏輯的布局。這就要求變式組不能停留在生態(tài)化的某個狀態(tài)或生態(tài)要素的簡單加合，還要進(jìn)一步研究生態(tài)化意義上的多樣性、相互依存、相互聯(lián)系、相互變化。例如，兩兩變式間學(xué)生的心理體驗經(jīng)歷了怎樣的變化？問題情境對物理意義是否展示完全？中間是否插入其他變式會更好？諸如此類，都需要更加深入的研析。

三、物理變式教學(xué)的功能與應(yīng)用

物理變式教學(xué)力圖促進(jìn)物理教學(xué)的結(jié)構(gòu)化、有序化發(fā)展，并突破題海戰(zhàn)術(shù)的束縛，具有很大的開拓空間。下面依據(jù)物理教學(xué)的基本范疇，從物理知識、物理方法和物理思維三個層面論述其功能與應(yīng)用。

（一）物理知識：物理變式促進(jìn)物理意義的理解

物理知識教學(xué)中，物理變式專注于變化的邏輯和序列，這使其對物理意義的教學(xué)具有特殊的促進(jìn)作用。所謂“物理意義”，是指物理概念與規(guī)律的全部的內(nèi)涵與外延及反變關(guān)系。往往是從其定義、性質(zhì)、作用、功能及其與有關(guān)物理現(xiàn)象、物理過程的聯(lián)系中，與物質(zhì)系統(tǒng)所處的狀態(tài)之聯(lián)系中揭示出來的?！?2〕單個習(xí)題的設(shè)置，由于缺少置于變式序列中的整體考量，就很容易滯留于概念個別屬性或與其它范疇單一聯(lián)系的呈現(xiàn)。而精心設(shè)計的物理變式可以將物理意義的復(fù)雜性與豐富性科學(xué)地組織起來并有序地呈現(xiàn)，從而極大提高認(rèn)知效率。

物理變式教學(xué)中，變式組可以有序呈現(xiàn)諸如物理知識的內(nèi)涵、外延、聯(lián)系、反變、作用、組合、過程、抽象等范疇與邏輯。不變的是物理學(xué)的概念、規(guī)律、方法，變的是承載著不同物理意義的情境。喬際平先生在論述選題的“靈活”原則時說：“靈活：就是要從概念和定律的各個主要側(cè)面去提出問題，不能只局限在某一個側(cè)面上反復(fù)運用?！薄?3〕

（二）物理方法：物理變式使時空次序有序呈現(xiàn)

近年來的研究表明，物理方法不僅可以表達(dá)教學(xué)的邏輯，還對物理問題解決有著比物理知識更高的相關(guān)性?！?4〕在教學(xué)中，物理方法的教學(xué)的確比物理知識更加困難，這是因為物理方法隱藏在物理知識背后，是高度隱蔽性的，往往以一種時空次序的方式存在，所以非常不易捕捉和顯化。而物理變式則成為了實施物理方法顯性教育的良好載體。

物理變式教學(xué)由于自身特點，可以循序漸進(jìn)、由易到難的，并通過“變”與“不變”的凸顯、反復(fù)和對照，使得細(xì)致、精微的方法要素得以在變式的平臺上有序地呈現(xiàn)并展開教學(xué)。尤其是圍繞物理方法設(shè)計的變式組，更是有利于方法教學(xué)的開展。值得強調(diào)的是，變式教學(xué)應(yīng)該將物理方法細(xì)致的時空次序作為解剖的對象開展研究并結(jié)構(gòu)化地呈現(xiàn)，而不應(yīng)去追求旁門左道式的技巧。

（三）物理思維：物理變式構(gòu)建系統(tǒng)化的訓(xùn)練平臺

思維作為能力的組成部分不僅是重要的，而且對其提升在能力的諸多要素中尤其不易。物理思維方法的訓(xùn)練需要系統(tǒng)化的訓(xùn)練平臺。思維方法作為人腦的功能也具有層次化的特點，其中分析與綜合方法是基礎(chǔ)，抽象與具體方法是核心。〔15〕這種思維方法間的層次關(guān)系與物理變式的結(jié)構(gòu)化特征相互契合。通過變式教學(xué)由易到難、由近及遠(yuǎn)、由簡單到復(fù)雜、由熟悉到陌生、由抽象到生態(tài)化的系統(tǒng)平臺，有利于思維方法的訓(xùn)練有序展開并逐步提升，并能成為突破物理思維障礙的“利器”。

四、物理變式教學(xué)的總結(jié)與展望

回顧對物理變式教學(xué)的研究歷程，我們發(fā)現(xiàn)根植于我國物理學(xué)科教學(xué)研究與實踐深厚土壤基礎(chǔ)上并運用理論思維的意義。以上研究誠然存在局限，但其實踐基礎(chǔ)的堅實與其理論的系統(tǒng)與簡約，使其有潛力為后續(xù)研究提供一種可積累、可修正的基本理論框架。以下我們試圖對物理變式教學(xué)的進(jìn)一步研究方向做出展望。

1.物理變式結(jié)構(gòu)與原理的深入研究。對物理變式的結(jié)構(gòu)，不應(yīng)局限于“一題接一題”的單線模式，多個例子同時呈現(xiàn)、多起點、分枝型等物理變式結(jié)構(gòu)都應(yīng)納入考量。此外，如閻金鐸先生的“正誤對照”等特殊的物理變式結(jié)構(gòu)也都有待研究。物理變式教學(xué)的原理則需要進(jìn)一步深入思考，心理學(xué)中的樣例學(xué)習(xí)、遷移、教育生態(tài)化等研究對物理變式都有借鑒價值。

2.物理變式教學(xué)內(nèi)容的具體研究。物理變式的另一個研究方向是在教學(xué)內(nèi)容上的具體化，也即對物理教學(xué)中的諸多重點難點、各個章節(jié)、專題，甚至各個概念、方法的變式做出具體而深刻的研究。在該層面，實證方法的引入或許已是必然。這項工作將使得物理變式教學(xué)成為一項專業(yè)工作并為實踐盡可能多地提供標(biāo)準(zhǔn)化與可操作性。此外，現(xiàn)有物理變式教學(xué)對物理學(xué)的歷史文化之維的教學(xué)功能還有待開掘的空間。

3.物理變式教學(xué)解決教學(xué)問題的應(yīng)用研究。物理學(xué)科與學(xué)生心理的復(fù)雜性使得物理教學(xué)中大量存在著性別差異、前概念、學(xué)習(xí)困難、臺階現(xiàn)象等物理教學(xué)問題。如何應(yīng)用物理變式教學(xué)解決這些問題，甚至在物理變式教學(xué)的理論透鏡下中發(fā)現(xiàn)新的教學(xué)問題就是第三個研究方向，這將成為物理教學(xué)理論與實踐的雙重生長點。

注釋：

〔1〕鮑建生，黃榮金，易凌峰，顧泠沅.變式教學(xué)研究〔J〕.數(shù)學(xué)教學(xué)，2003（1）：11-12.

〔2〕〔4〕〔8〕〔13〕《喬際平教育思想文集》 編委會.喬際平教育思想文集 〔M〕.北京：首都師范大學(xué)出版社，2011：40-46.

〔3〕〔5〕閻金鐸.中學(xué)物理教材教法 〔M〕.北京：北京師范大學(xué)出版社，1981：53-75.

〔6〕楊振寧.讀書教學(xué)再十年 〔M〕.臺北：時報文化出版企業(yè)有限公司，1995：9.

〔7〕（美）托馬斯·庫恩，科學(xué)革命的結(jié)構(gòu) 〔M〕.金吾倫，胡新和，譯.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

〔9〕陳琦，劉德儒.當(dāng)代教育心理學(xué) 〔M〕.北京：北京師范大學(xué)出版社，2007：171.

〔10〕邢紅軍.論物理教學(xué)與學(xué)生遷移能力的培養(yǎng) 〔J〕.物理教師， 1994 （12）： 1-3.

〔11〕邢紅軍.物理教育的生態(tài)化及其對物理課程改革的啟示〔J〕 .教育科學(xué)研究， 2010 （1）： 59-64.

〔12〕陽玉崗.關(guān)于物理意義的教學(xué) 〔J〕.樂山師專學(xué)報：社會科學(xué)版，1994（2）：46-54.

〔14〕邢紅軍，羅良，林崇德.物理問題解決的影響因素研究〔J〕 .課程·教材·教法， 2012， 32 （6）： 91-96.

〔15〕林先發(fā)，陳自元.試論思維方法之間的關(guān)系 〔J〕.武漢大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，1983（1）：91-96.