基于物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法及其教學(xué)策略

譚國武

摘 要：表征物理問題條件與任務(wù)的核心信息是物理概念，而物理概念通過相關(guān)定義與規(guī)律組成一個知識網(wǎng)絡(luò)，以物理模型為核心的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)能使物理問題解決變得簡單高效。基于這種物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法的核心是“找關(guān)系”，具體包括根據(jù)已知信息所在的關(guān)系得到一些簡單的結(jié)論；建構(gòu)物理模型，選擇包含了未知量與已知信息的關(guān)系，進行推理分析從而得到解決問題的思路?；谖锢砹筷P(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法的教學(xué)策略，一是以各個物理模型為核心，進行由簡到繁的、循序漸進的、支架式的研究性學(xué)習(xí)；二是進行“找關(guān)系”法運用的專項訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：物理量；關(guān)系網(wǎng)絡(luò)；物理問題解決

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）2-0024-4

運用物理知識解決問題，是高中物理課程中形成物理觀念、培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）中，關(guān)于課程目標(biāo)提出“具有建構(gòu)模型的意識和能力；能運用科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面對相關(guān)問題進行科學(xué)推理、找出規(guī)律、形成結(jié)論?！盵1]物理高考大綱中也提出要求，物理高考在考查知識的同時注重考查能力，并把對能力的考查放在首要位置。對各種能力的考查主要通過解決物理問題來實現(xiàn)。

1 物理問題的結(jié)構(gòu)

物理問題的結(jié)構(gòu)，大致可以分為條件與任務(wù)兩部分。問題情境中，包含有解決物理問題的條件。有些條件能夠直接給出，有些條件則隱含在情境中，需要學(xué)生根據(jù)已有知識與經(jīng)驗將隱含條件明朗化。問題的任務(wù)有些比較明朗，直接要求求出某些物理量或者某種條件。有的問題任務(wù)則需要學(xué)生從問題中去抽象出來，例如某些判斷狀態(tài)的物理問題，學(xué)生必須求出決定這個狀態(tài)的物理量的取值等。

解決物理問題，需要理解問題，即學(xué)生首先從問題情境中將研究對象找出來，將問題屬于何種物理模型找出來，將各種條件表征出來，然后將任務(wù)明朗化，即已知什么，要求什么。理解問題后需要分析問題，即分析已知信息與未知信息之間的關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系來完成解決問題的任務(wù)。

2 物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

2.1 物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)一般論述

根據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論，學(xué)生在思維活動中，工作記憶處理的信息不宜過多，為了提高信息存儲與調(diào)用的效率，知識或者經(jīng)驗應(yīng)該以合適的形式組織起來，形成不同層級的圖式。這就是物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)分層建構(gòu)的理論依據(jù)。

描述一個物理問題條件與任務(wù)的核心是物理概念。描述概念之間的聯(lián)系主要是相關(guān)定義與物理規(guī)律，即相關(guān)物理公式、定理、定律。物理概念通過相關(guān)定義與規(guī)律，連接成一張知識網(wǎng)絡(luò)，各概念就是這個網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點。以動力學(xué)為例，知識網(wǎng)絡(luò)從粗到細可以分為三個層次：第一個層次，有三個圖式，核心分別為力、運動狀態(tài)、能量狀態(tài)。第二個層次，在力的核心之下，又有力與力之間的關(guān)系（平衡或不平衡）、重力、彈力、摩擦力、電場力、磁場力、力做的功、力的沖量等；運動狀態(tài)核心下，描述運動的量有位移、速度、加速度、時間、角速度、周期、動量等，描述運動的形式有勻速直線運動、勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧振動等；能量狀態(tài)核心下，有動能、重力勢能、彈性勢能、機械能、電勢能、電熱（電流做功導(dǎo)致增加的內(nèi)能）、摩擦生熱（滑動摩擦導(dǎo)致增加的內(nèi)能）、內(nèi)能、核能等。另外，還有描述空間的物理量，如空間某位置的高度、兩點之間的高度差，電場空間某點的電勢、兩點之間的電勢差；描述對象屬性的量，如質(zhì)量、體積、溫度、壓強等。第三個層次，又以第二個層次的許多概念為核心，形成一個小的圖式。物理問題中的每一個物理量都處于這樣一個多層次、立體的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)之中。

2.2 以物理模型為核心的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)實例

如果整個高中物理知識均歸納到一張關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中，就會是一個非常復(fù)雜的立體的網(wǎng)絡(luò)，不利于學(xué)生解決物理問題時的應(yīng)用。而以物理模型為核心，圍繞該模型的物理量構(gòu)建一個小型的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，則在實際運用時變得簡單高效。基于關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法，就是從這種關(guān)系網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點到達另一個節(jié)點的分析方法。

以動力學(xué)問題中的勻變速直線運動物理模型為例，其所包含的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

物理問題解決的主要過程，就是利用包含已知信息與任務(wù)信息的關(guān)系，來使問題獲得解決。例如圖1中所示，速度v包含在多個關(guān)系中，如果要求速度，則要看哪個關(guān)系更加接近已知信息，就選用哪個關(guān)系。

3 基于物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法

基于物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法，簡要地說，包含如下幾個內(nèi)容：

在審題階段，用示意圖或關(guān)系式將物理問題情境中的已知條件與任務(wù)信息表征出來，根據(jù)已知信息所在的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，看能夠得到什么簡單結(jié)論。

分析問題階段，確定研究對象，建立物理模型，分析要求的量包含在哪個階段或狀態(tài)的哪個關(guān)系里面，就寫出這個關(guān)系的方程或公式，分析已知與未知，看還需要找哪個關(guān)系。依次類推，直到能夠使問題得到解決為止。當(dāng)一個量同時包含在多個關(guān)系中時，要根據(jù)已知信息（審題時得到的簡單結(jié)論也視為已知信息）來選擇合適的關(guān)系。可能用到的主要關(guān)系有運動學(xué)公式、位移關(guān)系、速度關(guān)系、時間關(guān)系、幾何關(guān)系、牛頓第二定律、動量關(guān)系、能量關(guān)系等，電路中常用歐姆定律與電壓、電流、功率的分配關(guān)系。

4 “找關(guān)系”分析示例

例 如圖2，一長木板置于粗糙水平地面上，木板左端放置一小物塊，在木板右方有一墻壁，木板右端與墻壁的距離為4.5 m，如圖2（a）所示。t=0時刻開始，小物塊與木板一起以共同速度向右運動，直至t=1 s時木板與墻壁碰撞（碰撞時間極短）。碰撞前后木板速度大小不變，方向相反；運動過程中小物塊始終未離開木板。已知碰撞后1 s時間內(nèi)小物塊的v-t圖線如圖2（b）所示。木板質(zhì)量是小物塊質(zhì)量的15倍，重力加速度g取10 m/s2。求木板的最小長度。

本題第一階段以整體為對象，整體受到重力、支持力、地面的滑動摩擦力，運動狀態(tài)是勻減速直線運動。第二階段，小物塊受到的合外力為向左的滑動摩擦力，而速度向右，因此以4 m/s的速度開始向右勻減速運動。而木板則從墻壁反彈，向左做勻減速直線運動達到兩者共速。這里有一個隱含條件，物塊第2 s末速度減為零，畫兩者的v-t圖容易知道此時木板一定還在向左運動，因此兩者將達到向左的共速。第三階段，兩者一起向左勻減速至靜止?！罢谊P(guān)系”分析如表1所示。

5 基于物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的物理問題解決方法教學(xué)反思與策略

5.1 幫助學(xué)生建構(gòu)起物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

在教學(xué)實踐中，學(xué)生學(xué)習(xí)的難點在于分析某個未知量時其所在的關(guān)系不能很快地提取出來，也就是說，學(xué)生建構(gòu)起頭腦中的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)是學(xué)習(xí)的一個難點。而要建構(gòu)起物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，不能靠死記硬背，要靠學(xué)生對知識的理解與運用。高中物理知識從內(nèi)容來看，可以歸類為多種物理模型，包括對象模型、狀態(tài)模型、過程模型、問題模型等。依前文所述，以物理模型為核心的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，是與問題解決契合度較高的知識圖式。建構(gòu)物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)策略之一，就是以各個物理模型為核心，進行由簡到繁的、循序漸進的、支架式的研究性學(xué)習(xí)。教師提供的支架，可以以問題的形式出現(xiàn)，為學(xué)生研究性學(xué)習(xí)指明方向，降低學(xué)習(xí)的難度。學(xué)生在回答學(xué)習(xí)支架問題時要注意運用物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。

下面以勻加速直線運動為例，進行以物理模型為核心的研究性學(xué)習(xí)方案設(shè)計，如表2所示。

通過研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生對該模型的物理量關(guān)系進行不同形式的多次選擇與調(diào)用，從而在頭腦中逐步建構(gòu)起以該模型為核心的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。

在每一個物理模型的研究性學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生可以自主畫出以該模型為核心的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，互相交流討論，完善自己的物理量關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。

5.2 進行“找關(guān)系”法運用的專項訓(xùn)練

通過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生要較好地掌握“找關(guān)系”法解決物理問題，需要進行專項訓(xùn)練。專項訓(xùn)練的方法之一是樣例學(xué)習(xí)，即教師采用啟發(fā)式提問的方式，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析問題，然后通過專門設(shè)計的學(xué)案，進行專項練習(xí)。在學(xué)案中，需要自我提問來確定分析方向。自我提問有這樣幾個要點：情境與對象；已知條件與簡單結(jié)論；受力、狀態(tài)與過程；要求的量所在的關(guān)系；在進行自我提問時，還要進行自我解釋來增加問題分析的準(zhǔn)確性。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯 劉 榮）