元认知能力与高中物理创造力的培养教学资料.doc

Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。元认知能力与高中物理创造力的培养-元认知能力与高中物理创造力的培养曹宝龙（浙江省富阳中学311400）摘要本文就高中物理教学，从元认知的角度谈创造力的培养方法。主要观点是：元认知是创造力的核心。从元认知领域培养创造力的主要途径有：物理学方法论思想的渗透；程序性教学策略的应用；元认知迁移性教学；问题解决的元认知监控。文章试图就高中物理教学领域建立元认知能力培养与创造力培养的高相关性或相通性，从而开辟物理教学中学生创造力的培养有一个有效途径，为创造力在物理教学中寻找一个合理的落脚点。关键词元认知创造力方法论程序教学迁移监控1问题提出11元认知与创造力的概念及它们之间关系元认知（metacognition）是近年来在人类认知研究领域中出现的非常引人注目的一个新概念、新课题。根据首次提出该概念的美国心理学家弗莱维尔（J·Flavell）的观点，元认知就是对认知的认知。它包括以下三个方面的内容：一是元认知知识，指个体关于自己或他人的认知活动、过程、结果、影响因素等方面的知识。二是元认知体验，指伴随着认知活动而产生的认知体验或情感体验。三是元认知监控，指个人在认知活动进行过程中，对自己的认知活动积极进行监控，并相应地进行调节，以迅速达到目标。它主要有制定计划、实行控制、检查结果、采取补救措施等内容。11 陈英和认知发展心理学浙江人民出版社96年12月第1版2 林崇德教育的智慧开明出版社99年1月第1版P.1153 董奇儿童创造力发展心理浙江教育出版社93年10月第1版P.134 林崇德培养和造就高素质的创造性人才北京师范大学学报99.1P.95 董奇儿童创造力发展心理浙江教育出版社93年10月第1版P.376 邵瑞珍等教育心理学上海教育出版社1997年6月第1版P.2437 皮连生学与教的心理学华东师范大学出版社97年5月第2版P.1498 邵瑞珍等教育心理学上海教育出版社1997年6月第1版P.133创造力是根据一定的目的，运用一切已知信息，在新异情况或困难面前采取对策，独特地、新颖地且有价值地解决问题的过程中所表现出来的智力品质。2根据创造力本身从萌发到形成的动态过程，可以将创造力划分为类创造力（前创造力）、潜创造力、真创造力三种层次。3类创造力是创造力的雏形，不能产生创造性结果，如幻想、憧憬等，常被视作创造力的准备层次。潜创造力产生一种对本人来说是新颖、独特的，但已为人类发现或发明过的成果。儿童、中小学生的创造力主要体现在前两个层次上。培养学生的创造力实际上是培养学生的类创造力、潜创造力。与学前，小学儿童的创造力相比，中学生的创造力有如下特点：中学生的创造力不再带有虚幻的、超脱现实的色彩，而更多地带有现实性，更多地是由现实中遇到的问题和困难情境激发的；中学生的创造力带有更大的主动性和有意义性，能够用自己的创造力去解决新问题；中学生的创造力更为成熟。4创造成果的产生通常是由于采纳和使用某些思维方式直接导致，而采纳和使用这些思维方式显然都是创造主体元认知监控的结果。元认知与思维品质存在显著的相关，这种联系的实质是因果关系。思维品质中的灵活性和独创性是创造力的最重要的两个指标。由此可知，元认知对于创造力是起核心作用的。5因此培养学生的元认知能力是培养学生创造力的主要途径。12物理创造力的培养途径中学物理教学中，学生元认知能力是培养创造力的主要途径。从元认知能力本身的特点出发可以发现，物理教学中必须通过以下几个方面培养物理思维能力和创造力。从元认知知识的认知策略的角度来分析与推理，结合学科本体知识，我们不难发现，教学中必须十分注重学科研究方法与能力的培养。即将物理学科方法论知识与物理本体知识有机地结合，使学生在学习物理本体知识的同时，体会与掌握物理学研究的基本方法。从元认知监控的角度来考虑，为了使学生的学习过程能处在积极有效地调控之中，必须采用程序性教学和元认知迁移教学法。因此作者认为，在物理概念与规律教学中，要以渗透物理学研究方法的教学策略来培养创造性研究能力，以程序性教学的方法来培养学生认知过程的元认知监控能力，在物理练习中，要采用多种手段，实施有效的元认知迁移，有效培养学生的元认知迁移能力。物理教学中从元认知角度，培养学生创造力的途径可用图1表示：物理学研究方法和方法论元认知策略程序性学习元认知能力物理创造力问题解决的监控元认知监控元认知迁移学习（图1）当然，物理创造力的培养途径有其多样性，元认知与物理创造力之间的关系也比我们设想的复杂。就高中物理教学的实际出发，抓住了以上四条途径就象牵住“牛鼻子”，能得到“事半功倍”的效果。2培养创造力的途径与方法21物理学方法论思想的渗透物理学是一门以实验为基础的定量科学。物理学研究是一种高度复杂的实践与思维过程。在物理学发展整个历史中，具体的研究方法纷繁复杂，千姿百态。科学研究工作不仅发现了物理学本身的特点与规律，同时也创造了许多研究方法。就教学本身来说，我们必须以清晰的研究思想与方法指导物理教学。作者认为，高中物理教学中必须使学生体会一条物理科学研究的思路。如图2所示是物理学研究中从问题结论的研究途径示意。问题实际实验思想实验结论假说科学抽象（理想化方法）（图2）从图2可看出，高中物理教学中须十分重视培养发现问题能力、科学实验能力、科学假说能力、思想实验能力，培养这些能力将使高中学生的物理思想培养有一种实在的感觉。在教学模式上要创造一种在“问题”到“结论”的探索式教学模式。211发现问题能力发现问题是科学研究的“入口”，不能发现问题便谈不上有科研能力。发现问题的能力是创造力的重要标志。发现问题能力的重要标志是观察与思考能力。观察与思考是捕捉问题的关键所在，只有观察没有思考（研究）叫“视而不见”，说明没有科学头脑，只有思考而没有观察，思考便必定成为空想。众所周知，历史上x射线、放射性现象、威尔逊云室、电子蛙眼、气泡室的发现与发明都来自于科学的观察。物理学的发展，物理规律的发现往往是从发现矛盾和提出问题开始的。如量子论的发现来自于黑体辐射实验结果与当时理论的不符。狭义相对论的诞生得益于迈克逊莫雷尔实验与当时以太学说的不符。课堂教学中要及时抓住机遇让学生进行矛盾感受，使学生在感受到的矛盾中发现问题、激发对问题解决的强烈欲望。例如，在原子物理教学中，从汤姆逊模型卢瑟福模型玻尔模型量子模型，每一次都要引导学生发现模型的“毛病”，并且寻找其原因，从而找到解决问题的方法。212物理实验能力物理实验是根据研究目的，利用物理仪器设备人为控制条件，模拟物理现象，抽象出物理规律的一种活动。它在发现与建立理论、验证假说、完善理论体系中起重要作用。从物理实验形式与功能来分类，可分为探索性实验、验证性实验和判决性实验。实验能力是创造力的重要组成部分。（1）培养对实验课题本身的元认知认识的能力物理实验是根据物理研究活动中的需要来确立的。实验课题的确定要考虑以下几个方面：为什么要进行研究；重点解决什么问题；实验类型是什么（验证性、探索性、判决性）？高中物理教学大多是探索性与验证性实验。例如：验证牛顿第二定律实验可以下列步骤教学：从物理现象观察，物体加速度跟哪些因素有关；加速度与相关因素的定性关系；提出加速度与质量、外力关系的假说；用实验来验证假说。实际上前三步的教学教师都是很重视的，但是我们往往是忽视第步与前三步的因果关系，这正是问题所在。所以实验的提出必须使学生认识到该实验在整个研究过程中的必要性和重要性。（2）强化对实验过程的元认知能力的培养很多学生对物理实验的态度是“照本宣科”，没有思考实验步骤本身的合理性怎么样，往往按照实验册上的步骤做完实验就算完成任务，这样的教学实际上没有达到效果。难怪高考题中对实验步骤考查题的得分率不高。对实验设计的元认知能力培养可注重以下几个问题：实验前首先由学生自己设计一个步骤，器材可超过课本上实验器材范围，并论证其可行性；检查与研究课本上的实验步骤有没有不合理处，如何改进？哪些步骤可以交换或颠倒过来而不影响实验结果？本实验构思主要采用了哪些实验思想和方法？本实验处理数据的方法是什么？有什么优点？有什么缺点？你有其它方法吗？213思想实验能力思想实验是一种科学思想中形象思维与抽象思维的高度统一，是透过事物表面现象，揭示其本质的过程。思想实验能力是学生科学创造力的重要体现。实验的方法是学生对理论与实验的交合成份的高度抽象。从物理学研究的角度来看它属于元认知知识，但对具体研究的问题而言，它属于一种元认知策略。思想实验能力的培养可从以下几方面进行：参见曹宝龙思想实验及其在中学物理中的教学策略物理教师98年第4期（1）充分挖掘教材上思想实验材料的元认知知识与策略教材上出现思想实验的素材很多，例如伽利略斜面实验、牛顿“卫星上天”实验、伽利略轻重球下落快慢的“重物悖论”实验、伽利略车子前进与停止的因果分析思想实验等等。例如在学习牛顿关于“卫星上天”过程的思想实验时，强调以下几个问题效果较好：牛顿设想的空间是理想化的；高山顶上抛铅球的那个人是理想化的“大力神”；轨道随速度改变的逐渐变化过程；当速度达到某一值时，此球将沿圆轨道而永远不落；当球由（落地的）非圆轨道转化成（不落地的）圆轨道时发生了“质”的飞跃，即物理过程的“质变”；这一理想实验在牛顿时代无法实现，但现在可实现；设想有座山的高度恰好等于月球轨道的高度，那么“大力神”抛出的物体的速度至少为多大才能绕地球作匀速圆周运动，多长时间绕地球一周？（2）利用思想实验来模拟某些物理规律或物理过程思想实验有其深刻的思想性，蕴含着很多“实际实验”无法实现的方法论思想。有些物理规律的推导过程很繁杂且无必要，学生也很难理解。以思想实验的形式来模拟某些过程会收到很好的效果。例如可在课堂上设计这样一个思想实验让学生进行讨论。（作者在教学实践中实施，效果极好。）如图3所示：一个小杂技演员从很远的地方沿处于主光轴上的钢丝向透镜的光心作匀速运动，对这个问题分析，可以使透镜问题的很多复杂运算得以简化，且物理意义更清晰，分析过程见附录（1）。巧妙设计思想实验还可呈现实验中较难说明的规律，或巩固一些物理规律。例如在讲波的干涉实验时，学生理解“加强”、“减弱”可能是没有问题时，但是要建立“加强”与“减弱”在空间上的动态图象可能要困难一些。为了克服这个难点，笔者又设计了如下一个思想实验：设想在原来风平浪静的大海(或湖泊)中，有两只相同的大轮船相隔恰当的距离。现在让它们同时同频率振动起来(设振幅均为A)。再设计下列问题让学生讨论。(1)水面发生什么现象?(生：干涉。)(2)如果一个观察者沿海岸线走动，会看到什么现象呢?(生：某一段时间如果浪特别大，接着一个阶段风平浪静，这样依次反复。)(3)风浪很大的那条“线”上的“浪”在运动吗?(实际上是振幅为2A的水波，当然在运动。)这个“实验”的作用是把水波干涉实验“放大”了，使物理图象“显示”得更清晰，可激发学生的学习兴趣，调节课堂气氛，并能培养学生的想象、类比、迁移能力。（3）利用思想实验调节课堂气氛，激发学习兴趣巧妙设计思想实验，可活跃课堂气氛，融恰师生情感，从而激发学生的学习积极性与主动性。情感智商具有很强的可塑性，且情感智商的高低直接关系到学生今后的学习与工作的成败。课堂教学中设计一些具有情感色彩的思想实验可有效地调节课堂气氛。例如，现代科技的发展出现了具有幻想色彩的动画片，这对拓宽儿童的思维具有极重要的作用。教师要充分利用这些素材,经科学创新后为课堂教学服务。譬如在一次力学习题课中,我编了这样一个题目让学生做。课堂实况简述如下：今天我们来讲一个米老鼠的故事(一语既出，课堂气氛顿然活跃)。一次，质量为M的米老鼠在捉弄唐老鸭的游戏中，一不小心从高空连同一根质量为M的长木杆一起掉落，如图所示。请同学回答下列问题：(1)米老鼠与木杆下落的加速度多大?(2)如果米老鼠拼命挣扎而向上爬，结果米老鼠在空中保持高度不变。那么杆子的加速度多大?米老鼠对杆子的作用力多大？方向如何?(3)如果在其上方有一个安全平台，米老鼠有无可能使自已的高度增大爬上平台而脱离危险?（4）如果杆子向下的加速度为，则米老鼠的加速度多大?方向如何?以上例子实际生活中很难做到，实质上是一个思想实验。整个习题在学生学习的过程中始终处于身心愉悦的状态之中，学生的思维积极性很高，当然课堂教学效果较好。（4）利用思想实验培养学生对物理问题的批判性思维能力批判性思维与元认知监控能力本质上是等同的，且批判性思维是创新思维的重要组成部分。在物理学的发展史上，物理学家往往用思想实验来发现一些物理规律的局限性。如爱因斯坦“同时性”的“雷电”思想实验、麦克斯韦在1871年提出的“麦克斯韦妖”的思想实验等均是典型例子。本人在牛顿第二定律的局限性一节教学中引用这样的计算题叫学生计算：设在外层空间一质量为m=1kg的物体，在F=100N的作用下，经过一年时间（约3.1×106s）物体速度可以达到多大？学生很快算出t=3.1×108m/s。接着问学生：此速度可能吗？然后引入教学正题与学生一起讨论结果中的错误原因。这样的教学效果很好，学生对牛顿第二定律的局限性有了较深的认识。又如本人设计一个思想实验引出一个电磁学的悖论，让学生讨论，课堂气氛非常热烈。（图5）设想有一个有界匀强磁场，磁场方向向下，磁感强度为B。有一个矩形导线框平行于磁感线放置，一部分在磁场内，一部分在磁场外，如图5所示。用导线切割方法与回路方法分别分析abcd框内有无感应电流？分析：有的同学从切割磁感线的角度来分析，cd边切割磁感线，故线框中有感应电流。但另一些同学从磁通量角度进行研究，认为线框中磁通量始终为零，即=0，由法拉第电磁感应定律可知，线框中无感应电流。那么，法拉第电磁感应有无错误呢?线框中到底有无电流呢?这个“思想实验”中似乎遇到了无法克服的困难。其实，“实验”中所创设的物理情景是不存在的，由于磁感线是闭合的，故不可能存在如题中所设的“有界”磁场。这一思想实验说明磁感线必定闭合。如果存在不闭合的磁感线(存在磁单极子)，那么整个电磁学将会彻底更新，当然法拉第电磁感应定律也将推翻而更正。214科学假说能力科学假说是一种复杂的理论思维形式，是人们运用科学思维，根据已知的事实材料，对未知的事物及其规律所作的推断和假定，是一种带有推测性和假定性的理论形态，没有经过实验的充分证实和检验。假说是自然科学研究的重要理论形态，对自然现象的任何创新思维形式都是以假说形式存在，并在此基础上发展为理论。假说属于物理学的元认知知识，细分起来属于元认知策略，培养学生构建假说的能力，实际上是培养了学生的创新意识和创新方法。教材中有很多利用假说构建物理理论的材料，这些材料的教学不能忽视，要抓住不放，挖掘其方法论思想。方法论思想的本质也是元认知能力。假说材料可按如下程序进行：找问题，从问题的材料分析感受问题的困难所在；分析存在困难的原因有哪些；提出解决问题的设想假说；用已有的材料和事实初步验证假说的合理性，从而形成理论。这是一个循环，有时形成的理论会受到新的事实的挑战，这时必须又要构建新的假说，从而形成新理论。例如原子物理中关于原子模型的建立和发展过程无不体现了如图（7）所示的发展模式：假说与事实不符相符假说与事实相符假说与事实不符新理论新实验理论实验假说问题（图7）例如关于法拉第电磁感应定律建立过程，在教学中要充分体现法拉第在研究中的元认知思想，我在教学实践中提出以下问题让学生讨论：从能的转化观点来看，奥斯特实验的本质是什么？法拉第从“电生磁”（奥斯特实验）想到“磁生电”是一种什么样的思维方法？如果法拉弟没有对“磁生电”必然性的坚信，能对此问题坚持长达十年的研究吗？法拉第的研究可给我们提供什么样的哲学思考？再如在讨论对光的认识问题（光的波粒二象性）的教学中，我与学生一起讨论下列问题：牛顿的粒子说能解释哪些光学现象？在哪些现象上遇到了困难？讨论其成功与缺陷之处。惠更斯的波动说能解释哪些光学现象？在哪些现象上遇到了困难？讨论其成功与缺陷之处。如果提出一种新的关于光的模型，这种模型必须解释所有的光学现象，那么这一模型可能是怎么样的？请设想一下。“波”与“粒子”是二种不同的对立模型，它们在“光子”模型中如何统一？“波粒二象性”假说中，“粒子性”和“波动性”有什么区别和联系？“波粒二象性”与光的电磁说有什么联系？“波粒二象性”体现了一种什么样的哲学思想？22程序性教学策略的应用221程序性教学概说程序性教学是为促进教学的有效性，根据学生学习的原有知识水平，对教学材料进行有序组合而进行的教学。程序性教学的特点是：以学生原有知识为起点，且起点较低；对难点问题设计合理的台阶，使每一步的程序降低问题的难度；有利于教学过程的调控，使学生对教学过程有较深刻的理解。为了发挥程序性教学的优势，必须遵循下列程序性教学的基本原则：承前启后原则。程序教学的理论依据是迁移理论。迁移量的大小决定于前后学习之间产生的重叠量的多少。只有对先前知识有全方位的理解后，才有可能产生迁移。循序渐进原则。迁移能力与学生对先前知识掌握的熟练程度有关。因此在对原有知识没有达到一定的认知水平之前，不能急于抛出迁移的目标知识，学生在达到理想水平后才向目标知识的迁移，这样的迁移效果较好。小台阶原则。加涅曾说：“要决定什么知识先学习，什么知识后学习，有必要分析教材中所包含的不同性质的学习。知识获得有一个过程，在这个过程中，新的能力建立在先前习得的能力的基础上在计划教材程序时，最重要的是，教材应能使学生避免因跳越知识学习过程中的必要步子而出现的错误。”7程序教学的本质是教师领着学生“一步一个台阶”地向上走，而不是一步登天，因此要根据学生实际情况（学生原有知识水平、迁移能力）设计前后程序的台阶量的大小。前后知识要保持一定的同一性，这样有助于学习的掌握率提高。教学监控原则。设计完的教案在实际教学过程中未必能完全符合教学任务的需求，教师在教学的每一个环节中都要随时根据课堂各种信息渠道的反馈，及时调整教学，及时改进。教师在教学过程中要不断引导学生进行自我监控。教学过程的每一步都必须提醒学生：我理解了这个问题吗？这个问题的解决方法是什么？有没有其它思路？教学中切忌急躁冒进，要领着学生一步一个脚印地往前走。222程序性教学特征程序性教学实施的核心教学思想，是加大教学过程中教师对教的过程的监控和学生对学习过程的自我监控，因此它有以下几个方面的特征：低起点高落点。由于程序性教学过程编排的灵活性，可根据学生可接受原则来安排起点，合理设置知识铺垫。迁移性。从内容深度的安排上程序性教学内容是由浅入深的，而且内容之间存在相同要素，因此有垂直迁移能力的因素。从每一个子程序间的关系来看，问题解决的方法几乎是同步的，因此每一个子程序间存在方法因素的水平迁移。监控性。即教学过程中每一步实施都可实现教与学的监控。高密度、大容量。内容的安排上排除了学生很多对教学难点理解上的困难，而使教学过程可实现高密度、大容量。223程序性教学例举（正文略，见附录2）23元认知迁移性教学迁移是一种学习对另一种学习的影响。根据多种维度对学习的迁移现象进行分类可以分水平迁移（lateraltransfer）和垂直迁移（verticaltransfer）。新近研究表明，如果把策略训练提高到元认知水平，则策略训练的迁移效果良好。8根据迁移的性质来分有正迁移和负迁移。凡是一种学习对另一种学习有促进作用的叫正迁移；一种学习对另一种学习起干扰或抑制作用的都称负迁移。现代心理学各种理论所揭示的迁移的本质，实质上是两种学习之间在知识结构、认知规律上相同要素间的影响与同化。学习的迁移是检验学习过程中是否培养能力的重要标志。我们认为，凡是学习都会有迁移。因为孤立的，彼此互不影响的学习是不存在的。从教学目标来看，我们着眼于学习中的正迁移，尽可能避免负迁移。正迁移量越大，说明教学效果越好。迁移能力反映了主体对迁移对象的元认知水平。我们认为，在迁移性教学中培养学生的元认知水平可从以下几方面来认识：231概念教学中的迁移学生物理概念形成的根本方法是教师引导他们分析大量的物理现象与物理事实，从现象和事实中概括、抽象出共同的本质属性。因此概念教学的关键是进行合理抽象与概括。当然很多概念可以在原有概念基础上进行迁移而得。作者认为：概念的获得可由图（8）表示：大量物理事实上位概念新概念相似概念下位概念垂直迁移（演绎）概括水平迁移抽象垂直迁移（归纳）（图8）新概念的获得一般是对大量的同类物理现象概括、抽象出共同属性或本质属性。但也可以从另外三种渠道获得：从相似概念中通过水平迁移获得。例如，学习了圆周运动的周期概念后，可迁移到振动、波动、交流电、磁场、原子模型、物理光学等各种物理问题的周期概念的学习中。学习了万有引力的概念后可迁移到库仑力的概念，学习电场概念后可迁移到磁场概念。从异位概念中通过垂直迁移而获得。存在包容关系的两个概念称为异位概念。如力和重力、弹力、摩擦力、电场力、磁场力、核力之间存在包容关系。其中，“力”是另外几个具体的力的上位概念，另外几个具体的力是“力”的下位概念。在学习了力的概念后，学生明确了力是物体对物体的作用，而不同的力无非是引起作用的原因不一样，传递力的形式不一样。各种形式的力的概念学习后，有助于学生加深对“力”的认识，而“力”的概念认识的加深有助于学生对新的形式某些具体力的学习。这种迁移形式显然是垂直迁移。电场强度是一个非常重要而又十分抽象的概念，课本上通过检验电荷受到的力与检验电荷的电量大小的比值对某一点来说是一个常量这一本质属性来定义电场强度这个物理量。实际上这个概念的建立不是很顺利的，学生有一个思维障碍，即为什么要用这种方法来测试电场的强弱，造成学生在方法认识上没有主动性。这属于一种元认知困难。针对这个问题，作者使用一个迁移方法来解决这一难题。以下是教学实录：师：同学们，我们现在来研究一个问题，如何测定风力的强弱？（提示：应该使用风的什么性质？风对阻挡物有力的作用。）生：用一个物体去挡风，测试力的大小。师：物体受到的风力大小与哪些因素有关呢？生：与阻挡风的面积大小有关。师：风力大小与挡风面积之间存在什么关系？生：风力大小正比于挡风面积。师：那么我们可以将风力F与挡风面积S间关系表示成F=KS，那么K=，讨论K的意义。生：K的大小实际上表证了所测点的风力强度。这段讨论给学生启示了一种测量物理量强度的方法。挡风面积S的引入起测量作用。测量点的风力强度与引入挡风面积大小或是否测量无关。这是风力的客观性。在这种思考的引导下，再引入电场强的测量（定义）E=就非常容易理解了，而且这种方法可迁移到磁感强度B的定义方法。232规律教学中的迁移物理规律反映了物理状态或过程中的物理概念之间的相互制约关系，是物理学的核心骨架。物理规律之间由于存在一些相同要素，因此学习过程中可以进行迁移。从元认知的角度来分析，物理规律之间能否进行顺利迁移，取决于学生对导致规律产生的深层原因（原理）是否具有一致性或相似性。例如，万有引力定律与库仑定律的基本原理十分相似，因此在很多规律上可以迁移，例如，原子的动能、势能、总能、速度、加速度、周期等物理量与轨道半径的关系，这些与人造卫星问题完全具有相似迁移关系。但是如果研究原子结构中电子的轨道问题时，我们知道它与人造地球卫星的轨道不完全相等。原因是电子的运动又要遵从量子化规则，因此其轨道、能量等物理量均表现出量子化规律。作者认为一个新的物理规律的获得可由图（9）表示：下位规律相似规律新规律上位规律相相互互联制系约的的规概律念群群垂直迁移（演绎）推理水平迁移实验垂直迁移（归纳）（图9）动量定律可从牛顿第二定律推导而得，而动量守恒定律必须根据牛顿第二定律和牛顿第三定律推得。这是物理规律获得的主要渠道。另外三条渠道为：以相似规律水平迁移获得，例如把机械振动中的周期、动能、势能的变化规律迁移到LC振荡，分析其周期、磁场能、电场能的变化。从异位规律（包括上位规律、下位规律）通过垂直迁移获得。如从玻意耳定律和查理定律（下位规律）通过归纳方法（垂直迁移）推得理想气体的状态方程（上位规律），反过来也可从理想气体的状态方程通过演绎方法（垂直迁移）推得气体的三大实验定律。233问题解决的迁移策略问题解决（Problem-solving）需要有一定的策略作为指导，心理学研究表明，专家与新手解决问题主要区别在元认知监控水平。因此，教师在教学过程中要尽可能利用迁移方法对学生进行指导。从信息加工理论的观点来看，新手在解决问题时使用大脑的零散信息来处理问题，而专家则往往用由零散知识组成的有序“知识组块”来处理信息，所以易产生“直觉”或“顿悟”。从信息加工理论来看，迁移过程本质上是学习者利用已有的“知识组块”来处理新的问题。因此这种方法的熟练使用有利于使新手向专家过渡，培养创造力。2331水平迁移解决问题1参见曹宝龙谈物理教学中的水平迁移问题中学物理教学参考1989年第2期1（A）（B）（C）（A）（B）（图10）（图11）RL（A）（B）（图12）两个或多个并列的物理问题之间存在状态或过程的相似或相同要素时，可用水平迁移方法解决问题。如图（10）所示，（A）、（B）、（C）图实质上是同一个问题，无非是形式上有所不同而已。又如光滑的水平面上，木块被子弹击中和一滑块m滑上质量为M的小车，如图（11），实际上也是同一个问题，无非是作用快慢不一样。如图（12）中（A）是摆长为L的单摆在小幅摆动；（B）是小球在光滑的半径在R=L的圆弧槽上作微小的往复运动，这两个问题显然是一样的。有些问题虽然初看一下不是同类问题，但仔细研究会发现一些问题。如图（13）（A）（B）（C）（D）中，一切表面光滑，如果m从右端运动到左端，比较一下有哪些相同要素呢？（这样的训练，有助培养学生对迁移的元认知思想的理解。）从教学实践可知，学生对水平迁移问题元认知能力越强，迁移的跨度可越大，上述图（10）（11）（12）之例的迁移跨度不是很大，但是图（13）之例中的迁移跨度便大些了。（A）（B）（C）（D）（图13）光滑（图14）光滑（图15）教学中也要引导学生进行相似的物理过程迁移。例如弹性碰撞中两个等质量小球的速度交换问题是大家熟知的，而图（14）中，在一个光滑的水平面上有一质量为M的光滑滑块，一个质量为m=M的小球以速度V0滑上M后又返回下来，当小球返回到水平面时，M和m的速度各是多少？一般地这个问题不能顺利迁移，但可以让学生进行计算，通过计算发现也是速度交换，这时要抓住时机让学生思考：两个结果相同的原因是什么？然后进行过程的相似性分析，遵循的动量、能量转化的相似性分析，再让学生总结与归纳，然后可让学生进行同类问题的编题训练。实践证明，学生能编出很多类似的问题。例如图（15）所示，小球从轻弹簧上弹回后两物体的速度多大？2332垂直迁移解决问题两个或多个非并列的（或包容关系）的物理问题之间存在状态或过程的相似要素时，可使用垂直迁移方法解决问题，按信息加工理论的观点，作者认为垂直迁移是学习者在已有的原问题的知识组块上加上某一条件变化信息来处理一个新的问题，或从已有的知识组块中分离出相对较小的知识组块的信息加工过程，如图16所示。原问题的知识组块待处理问题新信息组块垂直迁移（图16）24问题解决的元认识监控研究表明，优秀解题者的推理过程始终处于自已的意识的监控之下。这种元认知监控的水平的高低往往能区分出良好的解决问题者和不良的解决问题者。学生的元认知能力可以通过系统而长期的教学得到改善。9作者认为物理问题的解决过程中，元认知监控主要表现在以下三个方面：问题的解决的基本策略；问题解决步骤的反思性监控；对问题答案的讨论与监控。问题解决基本策略包括物理学研究方法论（前面已讨论过），解决物理问题的具体方法（如微元分析法、整体法、隔离法、对称法、顺推法、逆推法、极限法、图象法、矢量法、等效方法等）和元认识迁移方法，这些方法掌握需系统地培养才能奏效。问题解决过程中的步骤反思性监控能力的培养，作者认为应按以下几个方面来考虑：对问题进行细仔地审查；分析并寻找问题解决方案；解决过程中每一个步骤进行准确论证；对解题答案的科学性进行讨论。一般地，以上反思性监控中，对答案的讨论没有引起学生的注意，这也反映了教师在教学过程中对答案讨论的忽视。因此，作者认为对答案的讨论可从以下方面加入重视。每个问题的答案必须进行讨论，要养成良好习惯。有的同学解出根本不可能的答案也没有进行反馈讨论，这样的学习往往是不成功的。要对答案成立条件与实际问题题意结合起来考虑其合理性，对答案变化规律进行逐项讨论，有时答案的讨论可推导出一些非常重要的结论与方法。1参见曹宝龙试谈习题答案的讨论物理教师1990年第11期从问题解决的元认知能力来考虑，我们在教学中也要十分重视学生编题能力的培养。学生自已编题和被动解题，从认知过程上是不一样的。编题过程中学生始终处于对问题认知的综合调控之中。实践证明，指导学生编题对学生创造力培养显著有效。编题方法如下：对已知条件进行变化，使其变成隐含条件。显然，这样的变化，问题的难度增加了；将问题的逻辑结构逆推，使未知和已知条件相互交换；将已知条件进行各种变换；将两个或两个以上问题的要素结合，编出综合性问题，编题例子见附录2。3讨论高中物理教学中培养创造力是提高学生的素质的主要任务，培养创造力的途径很多，从元认知能力培养的角度来探索培养创造力的途径是十分有效的。在新知识的教学中必须以科学方法论为指导，以探索教学的模式效果最佳，同时要适时地应用各种知识迁移的方法，采用程序性教学的原理，使学生的思维过程尽可能的有灵活性与独创性。在解决问题的教学中，要充分利用学生原有知识组块的功能，灵活使用水平迁移和垂直迁移的基本原理，使解决问题的路径既快捷又灵活。当然在训练学生的创新思维能力的教学中，也必须十分重视一题多变，一题多解，多题归一，学生自已编题的训练。而教学中元认知策略和迁移原理的应用会使教学如虎添翼。*该文获1999年浙江省物理教学优秀论文一等奖（第一名）-