新課標(biāo)下物理圖景教學(xué)的意義及實施策略

李學(xué)智（廣東省海豐縣彭湃中學(xué)，廣東 海豐）

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中明確提出“高中物理課程在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上，幫助學(xué)生從物理學(xué)的視角認(rèn)識自然，理解自然，構(gòu)建關(guān)于自然界的物理圖景”。物理圖景在高中物理教學(xué)中的重要性不言而喻。那么什么是物理圖景？圖景教學(xué)的意義何在？怎樣開展圖景教學(xué)？筆者結(jié)合實際教學(xué)談一些粗淺的認(rèn)識。

一、物理圖景的概念

關(guān)于物理圖景的概念，學(xué)術(shù)界沒有統(tǒng)一的界定。鄧錫強(qiáng)認(rèn)為物理圖景是物理概念、物理現(xiàn)象、物理狀態(tài)和物理過程經(jīng)過人們充分的想象、分析、歸納、判斷作出的一種形象化的描述。項華、李永艷認(rèn)為物理圖景是一種“心智圖畫”，這種“心智圖畫”可借助草圖、圖像等形象化的方式加以描述。胡揚洋認(rèn)為物理圖景是物理概念與規(guī)律的物理意義在學(xué)習(xí)者精神中形象的顯現(xiàn)。筆者認(rèn)為物理圖景是學(xué)習(xí)者對物理現(xiàn)象所感知到的形象結(jié)果與其已有的物理知識經(jīng)過抽象思維所形成的一種心理映像，它是形象思維和抽象思維共同作用的結(jié)果，它可以是抽象出來的物理模型，也可以以形象化的圖示、圖象、圖形框架、思維導(dǎo)圖等形式呈現(xiàn)。

二、開展物理圖景教學(xué)的理論依據(jù)

物理圖景教學(xué)以學(xué)生積累的物理表象為出發(fā)點，結(jié)合學(xué)生已有的物理概念、規(guī)律、方法進(jìn)行分析、綜合、分類、比較、歸納、演繹、抽象、概括而最終形成動態(tài)變化的心理映像的一種教學(xué)模式。該教學(xué)模式不僅符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，而且符合高中生的心理特點。

圖景教學(xué)基于認(rèn)知心理學(xué)中的圖式理論，它是以某一個主題組織的知識表征和貯存方式為基礎(chǔ)的理論。該理論認(rèn)為，記憶會將關(guān)于情境的“一般”信息進(jìn)行編碼。然后利用這些信息來理解和記住圖式的新的實例。圖景教學(xué)的過程中引導(dǎo)學(xué)生在原有圖式的基礎(chǔ)上豐富原有圖式、認(rèn)知新的圖式，符合人們的認(rèn)知規(guī)律。

高中生觀察力顯著提高，觀察具有深刻性和全面性的特點，可以通過觀察事物的表面現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)特征。這使得學(xué)生可以積累正確的物理表象，為物理圖景的構(gòu)建提供了必要的條件。初中學(xué)生的抽象思維已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但還需要具體的形象支撐，其思維屬于經(jīng)驗型。高中生由于經(jīng)常掌握事物發(fā)展的規(guī)律和重要的科學(xué)理論，理論的抽象邏輯思維開始發(fā)展起來，其思維由經(jīng)驗型向理論性轉(zhuǎn)變，抽象思維已高度發(fā)展。物理圖景的建立是形象思維與抽象思維共同作用的結(jié)果，高中生抽象思維的高度發(fā)展，為物理圖景教學(xué)的開展提供了保障。

三、物理圖景教學(xué)的意義及實施策略

教學(xué)是科學(xué)，也是藝術(shù)。在圖景教學(xué)的過程中學(xué)生將一個個冰冷的物理概念、規(guī)律等以形象生動的物理圖景呈現(xiàn)在腦海中，有利于教師在教學(xué)過程中突出重點，克服難點，培養(yǎng)學(xué)生思維能力、提高學(xué)習(xí)效率。

1.克服教學(xué)難點，形成物理概念

物理概念是一種思維形式，反映了物理現(xiàn)象和物理過程的基本屬性。中學(xué)物理教學(xué)的核心問題是使學(xué)生形成清晰的物理概念，并充分發(fā)展其智力和能力。下面以粵教版3-1第二章第三節(jié)《研究閉合電路》中電源電動勢的教學(xué)片段為例：

電源電動勢是一個很抽象的概念，教學(xué)中從學(xué)生熟悉的生活情境和原有的物理圖景入手，設(shè)置圖1所示的圖景：A池（高處）中的水在重力作用下流到B池（低處）中，在水渠中就形成了水流，但要使水渠中有持續(xù)穩(wěn)定的水流，就必須使B池中的水回到A池，這時就要用到水泵。

圖1

圖2

圖2在閉合電路中正電荷在電場力作用下從高電勢（電源正極）流向低電勢（電源負(fù)極）從而在電路中形成了電流，為了使電路中的電流持續(xù)穩(wěn)定，就必須使到達(dá)電源負(fù)極的正電荷通過電源回到電源的正極，那么正電荷如何再次回到電源正極呢？有學(xué)生可能會回答“電泵”。這時教師引入非靜電力的概念，從功能轉(zhuǎn)化的角度使學(xué)生認(rèn)識到電源的另一個作用——將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而得到電動勢的概念及物理意義，最終在學(xué)生腦海中形成清晰的物理圖景（如圖3）。

圖3

電動勢概念的教學(xué)過程，從生活中常見的情境切入，通過水流物理圖景與電流物理圖景類比，由淺入深、循序漸進(jìn)、逐步深化，有效克服了教學(xué)的難點。

2.消除學(xué)生疑惑，理解物理規(guī)律

物理規(guī)律是物理知識的主干，它反映了若干物理概念之間的邏輯關(guān)系，是物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其運動中相關(guān)物理要素發(fā)展變化的必然趨勢的表現(xiàn)。下面以粵教版3-1第一章第二節(jié)《探究靜電力》的教學(xué)片段為例：

靜電力又稱庫侖力，是真空中兩個點電荷之間的相互作用力，其大小關(guān)系是法國物理學(xué)家查爾斯·庫侖于1785年發(fā)現(xiàn)的。庫倫定律的發(fā)現(xiàn)開啟了電學(xué)定量研究的大門，是電學(xué)發(fā)展史上一個重要的標(biāo)志。

庫侖定律是一個實驗定律，教材中設(shè)計的實驗利用控制變量法只能得到靜電力與帶電量和距離之間的定性關(guān)系。筆者在以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對庫倫定律的內(nèi)容能夠熟記于心，但在應(yīng)用的過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題，究其原因，是學(xué)生對庫倫定律的適用范圍理解不到位，為此筆者設(shè)計如下教學(xué)，幫助學(xué)生理解該定律。

庫侖定律教學(xué)結(jié)束后對學(xué)生提出如下問題：

①真空中兩個點電荷A、B，帶電量分別為Q和q，其間距為3r，求AB之間的靜電力大小F。該問題提出后，學(xué)生很快可以根據(jù)庫倫定律得到

緊接著又提出第二個問題：

②真空中兩個半徑均為r的帶電小球A、B，帶電量分別為Q和q，兩球心間距為3r，求AB之間的靜電力大小F。

圖4

很多學(xué)生根據(jù)第一問所獲得的成功的經(jīng)驗，迅速給出了答案——然而有些學(xué)生開始質(zhì)疑這個答案。出示圖4，提問：比較①②兩題的示意圖，②中的小球能視為點電荷嗎？這時給出答案的同學(xué)開始意識到自己忽視了庫侖定律適用的范圍。由于②中小球已不能視為點電荷，故庫倫定律不適用，其靜電力大小無法確定。再提出第三個問題：

引導(dǎo)學(xué)生繪制示意圖，結(jié)合電荷之間“同斥異吸”的作用規(guī)律，得出結(jié)論：若帶同種電荷，則靜電力小于若帶異種電荷，則靜電力大于

愛因斯坦曾說過：發(fā)現(xiàn)問題比解決問題更重要。上述教學(xué)過程中，通過問題設(shè)置和物理圖景的展現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析并解決學(xué)習(xí)過程中存在的問題，最終形成庫侖定律的物理圖景。這樣的過程不僅是學(xué)生正確理解物理規(guī)律的過程，也是培養(yǎng)學(xué)生思維能力的過程。

3.體驗實驗探究，掌握物理方法

物理教學(xué)的最終目標(biāo)是教會學(xué)生如何去學(xué)習(xí)。因此，教師必須在教學(xué)過程中滲透科學(xué)方法的教育。學(xué)生構(gòu)建物理圖景的過程本身就是一個體驗物理學(xué)思維方法和科學(xué)研究方法的過程。下面以粵教版必修1第二章第一節(jié)《探究自由落體運動》的教學(xué)片段為例：

實驗一：一手拿紙，一手拿書，雙手舉到同一高度后同時由靜止釋放，學(xué)生看到重的書比輕的紙下落快。（該結(jié)論與亞里士多德的觀點相同，同時也與學(xué)生的生活經(jīng)驗相符，有利于和學(xué)生的思想達(dá)成共鳴，為后續(xù)實驗做好鋪墊。）

實驗二：將實驗一中的紙揉成紙團(tuán)，一手拿書，一手拿紙團(tuán)，重復(fù)實驗一中的操作，學(xué)生看到書和紙團(tuán)同時落地。（與學(xué)生生活經(jīng)驗相悖，開始質(zhì)疑并提出猜測——可能是因為空氣阻力）

實驗三：兩張相同的紙（質(zhì)量相同），一張揉成紙團(tuán)，一手拿紙，一手拿紙團(tuán)，再次重復(fù)實驗一中的操作，學(xué)生看到紙團(tuán)先落地。（學(xué)生猜測得到肯定，但又會產(chǎn)生新的疑惑——如果沒有空氣阻力，不同質(zhì)量的物體真的會同時下落嗎?）

實驗四：（牛頓管演示）真空中的羽毛和金屬片同時從同一高度落下，并同時到達(dá)牛頓管底部。（消除了學(xué)生的疑惑，并成功構(gòu)建了自由落體運動的物理圖景。）

四個生動的演示實驗使學(xué)生經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程，在該過程中學(xué)生從實驗中獲得物理表象，去粗取精，去偽存真，最終形成自由落體運動這一運動模型的物理圖景。這個過程既是物理學(xué)思維方法和研究方法的完美呈現(xiàn)，也是物理學(xué)科素養(yǎng)的核心——學(xué)科探究的過程。

由于知覺的選擇性和注意的指向性、集中性以及圖式和記憶的選擇理論，在進(jìn)行物理演示實驗時，教師要通過語言引導(dǎo)使學(xué)生觀察特定的實驗現(xiàn)象，以使學(xué)生獲取正確的物理表象。

4.提高解題能力，感悟物理之美

在物理教學(xué)的過程中經(jīng)常聽學(xué)生說“物理太難！”上課聽得“懂”，課后不會“做”，這些都是在學(xué)習(xí)過程中不善于構(gòu)建物理圖景引起的必然結(jié)果。

例如2018年全國高考理科綜合Ⅰ卷15題。

如圖5，輕彈簧下端固定在水平桌面上，上端放有物塊P，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，現(xiàn)用一豎直向上的力F作用在P上，使其向上做勻加速直線運動，以x表示P離開靜止位置的位移，在彈簧恢復(fù)原長前，下列表示F和x之間關(guān)系的圖像可能正確的是：

該題考查學(xué)生對受力圖景和運動圖景的理解，若學(xué)生構(gòu)建圖6所示的物理圖景，結(jié)合牛頓第二定律及胡可定律，很容易得出正確答案A。

圖5

圖6

又如2018年全國高考理科綜合Ⅰ卷18題。

圖7

如圖7，abc是豎直面內(nèi)的光滑固定軌道，ab水平，長度為2R，bc是半徑為R的四分之一的圓弧，與ab相切于b點。一質(zhì)量為m的小球。始終受到與重力大小相等的水平外力的作用，自a點從靜止開始向右運動，重力加速度大小為g。小球從a點開始運動到其軌跡最高點，機(jī)械能的增量為：

圖8

該題考查動能定理、機(jī)械能等基本規(guī)律，對學(xué)生的邏輯推理能力有較高的要求。若學(xué)生構(gòu)建如圖8所示的物理圖景，從a到c的過程利用動能定理求出c點速度，從c到d的過程利用等效替代的思想將其分解到豎直方向（豎直上拋運動）和水平方向（初速度為0的勻加速直線運動），豎直方向求出時間，水平方向求出位移，再結(jié)合功能關(guān)系即可得到正確答案C。

物理概念和物理規(guī)律是物理知識體系的基礎(chǔ)，但解決實際物理問題的基礎(chǔ)是物理圖景，物理圖景的有效構(gòu)建為學(xué)生的解題提供保障，使其解題能力得以提高。也只有這樣，才能使學(xué)生對物理的學(xué)習(xí)跳出題海戰(zhàn)術(shù)的怪圈——不再懼怕物理，有興趣學(xué)物理，感悟物理之美。

5.適應(yīng)課改要求，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

新課標(biāo)下學(xué)校的教育應(yīng)從“知識傳遞”轉(zhuǎn)向“知識構(gòu)建”。構(gòu)建物理圖景的過程就是構(gòu)建物理知識的過程，在這個過程當(dāng)中學(xué)生體驗物理探究的樂趣，領(lǐng)悟物理學(xué)科思想方法和科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣。若干年后學(xué)生所做的習(xí)題可能已經(jīng)遺忘，但他們在物理學(xué)習(xí)過程中所掌握的分析問題解決問題的方法、思維品質(zhì)、良好習(xí)慣不但不會忘記，還會在工作實踐中加以應(yīng)用，使之得到進(jìn)一步提高，而這正是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的具體體現(xiàn)。

物理圖景是動態(tài)變化的心理映像，物理圖景的構(gòu)建需要一個過程。在高一、高二的教學(xué)中教師應(yīng)有意識地引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建基本物理圖景，在高三復(fù)習(xí)的過程中應(yīng)更多地引導(dǎo)學(xué)生尋找不同物理圖景之間的聯(lián)系，不斷豐富最初的基本物理圖景，促使學(xué)生形成完整的知識結(jié)構(gòu)。在常規(guī)訓(xùn)練時命題者可有意識地將物理情景以純文本的形式呈現(xiàn)，以激發(fā)學(xué)生想象力，促使其養(yǎng)成構(gòu)建物理圖景的習(xí)慣。同時針對不同的教學(xué)內(nèi)容，教師也應(yīng)有不同的圖景教學(xué)重點。