中国物理变式教学研究：传统与发展

胡扬洋 陈清梅 邢红军

（胡扬洋：首都师范大学物理系 北京 100048 陈清梅：北京中医药大学 副教授 北京 100102 邢红军：首都师范大学物理系 教授，博士，博士生导师 北京100048 责任编辑：洪淑媛）

变式教学作为我国理科教学中一种传统且有代表性的教学方法，不仅有大量经验的检验与总结，还有广泛的实践基础。其中数学教育对变式教学的研究走在了前列，不仅回应了国际关于“中国学习者悖论”的叩问，并且建构了体现中国特色的理论体系，为临近学科的变式教学提供了可贵的启示。〔1〕相较之下，我国物理变式教学的传统与对其研究的滞后则显出极不相称的态势。据此，如何基于我国物理教学深厚的实践基础与最新的研究成果，系统地构建体现学科特色的中国物理变式教学理论就成为了我们的研究课题。

一、物理变式教学的回顾与反思

早在二十世纪八十年代初，老一辈物理教育学家乔际平先生针对物理概念与规律教学中出现的“毕其功于一役”现象，指出了要在初步领会和认识概念与规律之后，指导学生继续从不同的主要侧面完善对概念和规律的认识。他说：“用来完善学生对概念与定律认识的物理问题 （包括实验），必须有计划、有目的地认真选择，否则就达不到预期的目的”，并据此提出了该环节选题的“典型”和“灵活”原则。（1983）〔2〕阎金铎先生则在讲述“教给学生分析物理问题的方法”时，提出了要使学生达到“举一反三、以一贯十”的效果，并生动地诠释了习题教学的“正误对照、一题多解、一题多变”等方式。（1981）〔3〕是为物理变式教学的先声。

我们认为，老一辈物理教育学者关于物理变式教学的经验与论述蕴含着本土实践的智慧，在当下愈发彰显了重要意义。其中尤其可贵的是，传统的研究一开始就伴随着对题海战术、偏难怪题等教学痼疾的反对和矫正，研究路径则主要沿着“概念与规律的教学”以及“分析解决物理问题”展开，并且明确提出通过研究概念与定律教学提高教学质量，习题教学则“应着重在应用物理知识、分析物理过程上多下功夫，要提高学生考虑问题的思路和方法”。〔4〕〔5〕这些论述既对教学实践产生了深远的影响，也是我国物理教学实践的深刻总结与高度概括，所以，笼统地将传统物理教学思想扣上“机械训练”的帽子是欠妥的。

我们认为，对于物理教学，虽然数学是必要的，但是物理学由其概念、规律、方法架构而成的学科结构及其学科本质与数学学科都有极大不同。事实上，物理学科的学习不仅包含一种科学自然观的形成，还包括在这一观念框架下应用物理知识、改造自然界，并进一步发展物理学，这就是物理学科的两个基本向度，在教学中即表现为“物理知识的获得”与“物理知识的应用”。据此，也就不难理解为什么概念与规律的教学与物理问题解决一直以来都是物理教学研究的基本范畴了。正是学科间的诸多差异，才决定了对物理变式教学的研究不应满足、迷失于其他经验与理论的简单移植，而应在批判借鉴的基础上，运用理论思维做到与时俱进的发展。

二、物理变式教学的内涵与原理

物理学的学科本质决定了其对现象、范例根本性的关注。物理学家认为“现象是物理学的根源”；〔6〕科学哲学家认为：物理学作为一种范式，首先是范例。〔7〕由此，各种物理现象、实例、习题等具体与实在的处理就自然占据了物理教学的大部分时间，甚至构成了物理教学的基本支撑，它们某种程度上，都可以作为广义或前科学化的物理变式教学。这就是理解物理变式教学的物理学科基础。而物理现象与实例的无限性与课堂教学时空有限性的矛盾则必然要求物理变式教学采取有序化的设计。据此，我们提出：物理变式教学是依据一定的教学意图与教学规律，通过对有限多个 （种）物理现象、物理实例或物理问（习）题结构化的呈现，以促进物理学科理解或物理学科应用水平提高的一种物理教学方法。进一步，我们将物理及变式的基本结构划分为物理变式的起点、节点与落脚点，并对其原理详加阐释。

（一）物理变式的起点：典型化

讲典型、练典型、攒典型是理科教学的传统经验。我们提出，物理变式的典型化就是指在符合物理学科内涵与教学目标的前提下，最大程度地突显所教物理概念与规律的全部重要特征或信息，对科学方法则要体现完整、明晰的环节。也正如乔际平先生所说：“所提的问题一定要突出概念和规律的基本特征。”〔8〕

然而在实际中，符合这种特征的实例和情景往往很少或并不存在，这是因为“突显全部重要特征或信息”的典型化实际上已经要求物理变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、简单性和特殊化又是“典型化”的三个具体要求。例如“力的分解”一节，最体现典型化的物理变式就是：在斜面-物块情境下，对重力作沿斜面与垂直于斜面的分解。其中，将一个力分解为两个力、三角形法则、特殊的矢量平行四边形、特殊的矢量直角三角形、三角函数的特殊方法等都是“典型化”的体现。有意义学习理论认为，这样的典型化有利于学生与已有认知结构之间建立清晰稳定的联系，并为进一步的学习提供概念上的“固定点”。〔9〕

由此可见，将典型题等同于难题、偏题是失当的。而物理习题往往从小车、滑块等抽象物讲起也就不无依据了。值得注意的是，“典型化”原则不能被教条地使用，典型的变式起点并不是固定不变的。如果实际中存在符合要求的例证或情景，就可以被使用，而不必拘泥于“一定的抽象性”。对于基础较好的学生，则可以从有一定的情境化的变式出发。此外，学生的文化与经验背景也应作为“典型化”变式设计的依据。

（二）物理变式的节点：迁移性

如何从一个变式过渡到另一个变式，是物理变式教学的核心问题。如果无法明确两两变式之间的逻辑关系，有序的变式组也就成为了凌乱的“问题筐”。对此，我们将迁移性作为变式节点的本质特征。在物理教学中，举一反三、触类旁通等学习现象，都是迁移的体现。在迁移中，学生表现、展开并深化了学习过程。物理变式的节点就应着眼于迁移的心理机制，以可迁移性为特征仔细考量。

对物理迁移的心理机制，邢红军教授认为：两个学习活动中的共同因素是迁移的充分条件，对两个学习活动中的共同因素的概括是迁移的必要条件。〔10〕据此，物理变式节点对迁移性的体现就应着眼于已知条件、提问角度、问题情境等因素精心设计，每次只改变变式的个别特征或要素，并且，对变化要素的选取以及变化的程度都应力图在学习者心理层面实现一种逐渐概括化、深刻化的体验。所以，变化要素的选择、数量、变化幅度的大小等都应纳入变式节点的研讨。例如讲解“力的分解”时，对斜面上的小球，只需要有序地改变挡板的位置就能呈现生动的变式组，其中只有一个条件在灵活有序地变动，生动地诠释了变式节点的特征。

（三）物理变式的落脚点：生态化

物理变式教学不能为了变式而变式，而应有正确的方向和落脚点，否则只能造成“题海”泛滥，甚至钻入偏难怪题的牛角尖。解决这一难题的方式在于将“生态化”确立为物理变式教学的落脚点。近来的原始物理问题研究就是在教育生态化的趋势下兴起的，并为促进物理教育的生态化做出了重要贡献。〔11〕

研究表明，原始物理问题直接、完整地描述未被抽象加工的科学现象和事实，不出现任何条件或数据，因此具有很强的生态效度。例如“力的分解”变式教学中，变式组的最后环节就可以呈现如下的原始物理问题。“当载重卡车陷于淤泥中时，司机只有一根较长的钢索，旁边只有一棵大树。想想怎样才能很便捷地从泥坑中拉出卡车？”物理变式教学将原始问题作为落脚点，找到了正确的方向。这是因为，面对生态化的现象，抽象概括思维是绕不开的，并且往往还需要首先用物理直觉思维大幅度跳跃式地提取信息。这都比习题演算更加切合物理学科特点。

物理变式教学与原始物理问题相融合的意义还在于，物理教育生态化的内涵将被进一步充实。因为物理变式组不仅包含单个习题、原始问题的设置，更包含着对变式之间关联程度、变化逻辑的布局。这就要求变式组不能停留在生态化的某个状态或生态要素的简单加合，还要进一步研究生态化意义上的多样性、相互依存、相互联系、相互变化。例如，两两变式间学生的心理体验经历了怎样的变化？问题情境对物理意义是否展示完全？中间是否插入其他变式会更好？诸如此类，都需要更加深入的研析。

三、物理变式教学的功能与应用

物理变式教学力图促进物理教学的结构化、有序化发展，并突破题海战术的束缚，具有很大的开拓空间。下面依据物理教学的基本范畴，从物理知识、物理方法和物理思维三个层面论述其功能与应用。

（一）物理知识：物理变式促进物理意义的理解

物理知识教学中，物理变式专注于变化的逻辑和序列，这使其对物理意义的教学具有特殊的促进作用。所谓“物理意义”，是指物理概念与规律的全部的内涵与外延及反变关系。往往是从其定义、性质、作用、功能及其与有关物理现象、物理过程的联系中，与物质系统所处的状态之联系中揭示出来的。〔12〕单个习题的设置，由于缺少置于变式序列中的整体考量，就很容易滞留于概念个别属性或与其它范畴单一联系的呈现。而精心设计的物理变式可以将物理意义的复杂性与丰富性科学地组织起来并有序地呈现，从而极大提高认知效率。

物理变式教学中，变式组可以有序呈现诸如物理知识的内涵、外延、联系、反变、作用、组合、过程、抽象等范畴与逻辑。不变的是物理学的概念、规律、方法，变的是承载着不同物理意义的情境。乔际平先生在论述选题的“灵活”原则时说：“灵活：就是要从概念和定律的各个主要侧面去提出问题，不能只局限在某一个侧面上反复运用。”〔13〕

（二）物理方法：物理变式使时空次序有序呈现

近年来的研究表明，物理方法不仅可以表达教学的逻辑，还对物理问题解决有着比物理知识更高的相关性。〔14〕在教学中，物理方法的教学的确比物理知识更加困难，这是因为物理方法隐藏在物理知识背后，是高度隐蔽性的，往往以一种时空次序的方式存在，所以非常不易捕捉和显化。而物理变式则成为了实施物理方法显性教育的良好载体。

物理变式教学由于自身特点，可以循序渐进、由易到难的，并通过“变”与“不变”的凸显、反复和对照，使得细致、精微的方法要素得以在变式的平台上有序地呈现并展开教学。尤其是围绕物理方法设计的变式组，更是有利于方法教学的开展。值得强调的是，变式教学应该将物理方法细致的时空次序作为解剖的对象开展研究并结构化地呈现，而不应去追求旁门左道式的技巧。

（三）物理思维：物理变式构建系统化的训练平台

思维作为能力的组成部分不仅是重要的，而且对其提升在能力的诸多要素中尤其不易。物理思维方法的训练需要系统化的训练平台。思维方法作为人脑的功能也具有层次化的特点，其中分析与综合方法是基础，抽象与具体方法是核心。〔15〕这种思维方法间的层次关系与物理变式的结构化特征相互契合。通过变式教学由易到难、由近及远、由简单到复杂、由熟悉到陌生、由抽象到生态化的系统平台，有利于思维方法的训练有序展开并逐步提升，并能成为突破物理思维障碍的“利器”。

四、物理变式教学的总结与展望

回顾对物理变式教学的研究历程，我们发现根植于我国物理学科教学研究与实践深厚土壤基础上并运用理论思维的意义。以上研究诚然存在局限，但其实践基础的坚实与其理论的系统与简约，使其有潜力为后续研究提供一种可积累、可修正的基本理论框架。以下我们试图对物理变式教学的进一步研究方向做出展望。

1.物理变式结构与原理的深入研究。对物理变式的结构，不应局限于“一题接一题”的单线模式，多个例子同时呈现、多起点、分枝型等物理变式结构都应纳入考量。此外，如阎金铎先生的“正误对照”等特殊的物理变式结构也都有待研究。物理变式教学的原理则需要进一步深入思考，心理学中的样例学习、迁移、教育生态化等研究对物理变式都有借鉴价值。

2.物理变式教学内容的具体研究。物理变式的另一个研究方向是在教学内容上的具体化，也即对物理教学中的诸多重点难点、各个章节、专题，甚至各个概念、方法的变式做出具体而深刻的研究。在该层面，实证方法的引入或许已是必然。这项工作将使得物理变式教学成为一项专业工作并为实践尽可能多地提供标准化与可操作性。此外，现有物理变式教学对物理学的历史文化之维的教学功能还有待开掘的空间。

3.物理变式教学解决教学问题的应用研究。物理学科与学生心理的复杂性使得物理教学中大量存在着性别差异、前概念、学习困难、台阶现象等物理教学问题。如何应用物理变式教学解决这些问题，甚至在物理变式教学的理论透镜下中发现新的教学问题就是第三个研究方向，这将成为物理教学理论与实践的双重生长点。

注释：

〔1〕鲍建生，黄荣金，易凌峰，顾泠沅.变式教学研究〔J〕.数学教学，2003（1）：11-12.

〔2〕〔4〕〔8〕〔13〕《乔际平教育思想文集》 编委会.乔际平教育思想文集 〔M〕.北京：首都师范大学出版社，2011：40-46.

〔3〕〔5〕阎金铎.中学物理教材教法 〔M〕.北京：北京师范大学出版社，1981：53-75.

〔6〕杨振宁.读书教学再十年 〔M〕.台北：时报文化出版企业有限公司，1995：9.

〔7〕（美）托马斯·库恩，科学革命的结构 〔M〕.金吾伦，胡新和，译.北京：北京大学出版社，2003.

〔9〕陈琦，刘德儒.当代教育心理学 〔M〕.北京：北京师范大学出版社，2007：171.

〔10〕邢红军.论物理教学与学生迁移能力的培养 〔J〕.物理教师， 1994 （12）： 1-3.

〔11〕邢红军.物理教育的生态化及其对物理课程改革的启示〔J〕 .教育科学研究， 2010 （1）： 59-64.

〔12〕阳玉岗.关于物理意义的教学 〔J〕.乐山师专学报：社会科学版，1994（2）：46-54.

〔14〕邢红军，罗良，林崇德.物理问题解决的影响因素研究〔J〕 .课程·教材·教法， 2012， 32 （6）： 91-96.

〔15〕林先发，陈自元.试论思维方法之间的关系 〔J〕.武汉大学学报：社会科学版，1983（1）：91-96.