物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖在高中物理學(xué)習(xí)中的用途

摘 要：核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理教學(xué)設(shè)計(jì)要采用多種教學(xué)策略，教給學(xué)生研究問(wèn)題的方法.物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖也是一種研究問(wèn)題的方法.通過(guò)實(shí)例說(shuō)明物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖在高中物理學(xué)習(xí)中的用途.應(yīng)用物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖可以幫助學(xué)生構(gòu)建學(xué)科知識(shí)體系框架、整合解題方法、具化思維過(guò)程.在教學(xué)中引入物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，提供給學(xué)生研究問(wèn)題方法更多的選擇.

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)圖;高中物理;學(xué)習(xí)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）07-0026-03

作者簡(jiǎn)介：馬紅蕾（1977-），女，云南人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教育教學(xué).

1 問(wèn)題提出

圖作為一種邏輯語(yǔ)言比文字表達(dá)形式更簡(jiǎn)潔、直觀，是人們分析和研究問(wèn)題的一種思維方法.美國(guó)康奈爾大學(xué)心理學(xué)家諾瓦克和高登提出知識(shí)結(jié)構(gòu)圖是由知識(shí)節(jié)點(diǎn)和邏輯連線(xiàn)組成的，反映知識(shí)之間相互關(guān)系的結(jié)構(gòu)表征圖，也是一種表示、檢查、修正和完善知識(shí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)知工具和策略[1].張佩認(rèn)為高中物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖是一種把高中物理學(xué)科的基本原理、基本概念和基本知識(shí)的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)組織，優(yōu)化組合教學(xué)內(nèi)容，啟發(fā)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)的圖表[2].任偉然和王邦平提出知識(shí)結(jié)構(gòu)圖不但可以幫助學(xué)生理解知識(shí)、構(gòu)建知識(shí)，還可以利用知識(shí)結(jié)構(gòu)圖幫助學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題[3].物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，就是以物理知識(shí)點(diǎn)和學(xué)科內(nèi)在的邏輯連線(xiàn)組成的結(jié)構(gòu)圖.在高中物理教學(xué)中引入物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，可以提供給學(xué)生研究問(wèn)題方法更多的選擇.

2 物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的用途和實(shí)例

2.1 幫助學(xué)生構(gòu)建物理學(xué)科知識(shí)體系，提升復(fù)習(xí)效率

在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)生獲得了大量零散的知識(shí)與技能，但不能在頭腦中形成對(duì)物理學(xué)科的完整認(rèn)識(shí).對(duì)具體的知識(shí)點(diǎn)也不能構(gòu)建其內(nèi)在的邏輯關(guān)系.學(xué)生靠刷題機(jī)械記憶物理概念和規(guī)律來(lái)提升解題技能，如果題目的情景較新，學(xué)生的得分率就很低.雖然也有學(xué)生會(huì)梳理筆記和錯(cuò)題，但大部分學(xué)生缺少高效率的復(fù)習(xí)方法.很少有學(xué)生會(huì)運(yùn)用畫(huà)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的方法把頭腦中零散的知識(shí)點(diǎn)的邏輯關(guān)系構(gòu)建起來(lái).物理學(xué)是由物理概念、規(guī)律構(gòu)成的邏輯體系，理解和掌握物理學(xué)的概念和規(guī)律是形成和發(fā)展物理觀念的基礎(chǔ)，也是形成學(xué)科素養(yǎng)的基礎(chǔ).用物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖認(rèn)識(shí)構(gòu)建物理知識(shí)內(nèi)在的規(guī)律及相互關(guān)系，從某一核心概念到某一規(guī)律，再到某一章知識(shí)，直至某一研究領(lǐng)域.

在復(fù)習(xí)時(shí)，以整體知識(shí)為背景，以核心概念為主線(xiàn)，構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系.例如，運(yùn)動(dòng)與相互作用是高中物理的物理觀念的三大要素之一.復(fù)習(xí)時(shí)，由具體物理情景中的問(wèn)題歸納總結(jié)，讓學(xué)生畫(huà)力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖.力是物體產(chǎn)生加速度的原因，恒力作用下的物體做勻變速運(yùn)動(dòng)，變力作用下的物體做變加速運(yùn)動(dòng).物體的受力決定物體的加速度.從這一主線(xiàn)再推廣到力和物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，如圖1所示.

學(xué)生在構(gòu)建力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖時(shí)，需要思考所學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特征，從物體的受力特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律兩個(gè)方面建立聯(lián)系.從圖1中能直觀地反映力與加速度之間的關(guān)系，力決定了物體的加速度，不是決定物體的速度.再比如，復(fù)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，仍從力和運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系這一主線(xiàn)來(lái)建立知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系.物體受到的力產(chǎn)生向心加速度，學(xué)生通過(guò)思考多個(gè)情景如火車(chē)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)、圓錐擺運(yùn)動(dòng)中物體的受力特征和運(yùn)動(dòng)特征及物理量之間的關(guān)系，如圖2所示，構(gòu)建圓周運(yùn)動(dòng)中的力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖.

以構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的形式進(jìn)行復(fù)習(xí)，便于學(xué)生了解知識(shí)體系的整體思想，有利于學(xué)生把零散的知識(shí)點(diǎn)串成整體的知識(shí)框架體系，有利于促進(jìn)學(xué)生形成物理觀念[4].

2.2 幫助學(xué)生整合解題方法，提升解題技能

學(xué)生在物理規(guī)律的應(yīng)用方面遇到具體問(wèn)題時(shí)，由于涉及的物理量較多，對(duì)物理量之間的聯(lián)系不夠熟悉，往往不知道該從哪里入手.以平拋運(yùn)動(dòng)為例，平拋運(yùn)動(dòng)是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個(gè)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，是教學(xué)重點(diǎn).解決平拋運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的方法也是以后解決勻變速曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的常用方法.解決平拋運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的思路是運(yùn)動(dòng)的分解，簡(jiǎn)單概括為如圖3所示的知識(shí)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)彼此獨(dú)立、時(shí)間相等;在數(shù)學(xué)幾何關(guān)系中，按照矢量分解法則分解位移和速度，速度偏轉(zhuǎn)角和位移偏轉(zhuǎn)角的正切值存在2倍關(guān)系.學(xué)生知道平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向和豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、相關(guān)公式，也知道用分解來(lái)解題的大致方法.但由于對(duì)物理量之間的聯(lián)系不夠熟悉，會(huì)出現(xiàn)解題過(guò)程“繞彎路”.

學(xué)生通過(guò)梳理平拋問(wèn)題的各個(gè)物理量之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系圖，來(lái)整合解題方法.如圖4所示，水平方向的運(yùn)動(dòng)描述中有初速度v0、位移x、時(shí)間t三個(gè)物理量，豎直方向運(yùn)動(dòng)的描述中有下落高度y、加速度g、時(shí)間t、豎直分速度vy四個(gè)物理量.從速度分解、位移分解建立物理量之間的聯(lián)系.

例題1 如圖5所示，轟炸機(jī)沿水平方向勻速飛行，到達(dá)山坡底端正上方時(shí)釋放一顆炸彈，并垂直擊中山坡上的目標(biāo)A.已知A點(diǎn)高度為h，山坡傾角為θ，由此可算出

A.轟炸機(jī)的飛行高度

B.轟炸機(jī)的飛行速度

C.炸彈的飛行時(shí)間

D.炸彈投出時(shí)的動(dòng)能

根據(jù)題意，炸彈垂直擊中目標(biāo)A可知速度與水平方向的夾角，在結(jié)構(gòu)圖中就是速度偏轉(zhuǎn)角的正切值已知，根據(jù)A點(diǎn)的高度可求得A點(diǎn)到底端的水平位移，即炸彈的水平位移，已知這兩個(gè)量從哪里入手快速解題？分析結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)與這兩個(gè)量聯(lián)系的最近“路徑”，如圖6所示.從推論入手，由速度偏轉(zhuǎn)角的正切值是位移偏轉(zhuǎn)角正切值的2倍，又已知水平位移，可以求出平拋運(yùn)動(dòng)豎直位移，從而得出轟炸機(jī)的飛行高度，故A項(xiàng)正確.求出平拋運(yùn)動(dòng)的豎直位移，根據(jù)y=12gt2得出炸彈平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間和水平位移求出轟炸機(jī)的初速度，故B項(xiàng)、C項(xiàng)均正確.由于炸彈的質(zhì)量未知，則無(wú)法求出炸彈投出時(shí)的動(dòng)能，故D項(xiàng)錯(cuò)誤.

構(gòu)建知識(shí)結(jié)構(gòu)圖可以熟悉物理量之間的關(guān)系;分析結(jié)構(gòu)圖，可以思考如何著手解題、如何調(diào)整解題策略.用結(jié)構(gòu)圖快速求解的辦法就是尋找已知量和未知量之間的最短“路徑”.用物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，可以讓學(xué)生整合解題方法，理清解題思路，能夠提升學(xué)生探求知識(shí)、規(guī)律應(yīng)用中的導(dǎo)航能力，提升解題技能.

2.3 可以具化思維過(guò)程，降低問(wèn)題難度

教學(xué)中可以用結(jié)構(gòu)圖研究問(wèn)題.用結(jié)構(gòu)圖把大腦活動(dòng)過(guò)程中分析問(wèn)題的思維流程表現(xiàn)出來(lái)，減輕學(xué)生在頭腦中思維的難度.學(xué)生可以反復(fù)對(duì)該結(jié)構(gòu)圖思考、質(zhì)疑、論證，直到找到解決問(wèn)題的關(guān)鍵條件.

例題2 （2015年全國(guó)Ⅱ卷）一汽車(chē)在平直公路上行駛.從某時(shí)刻開(kāi)始計(jì)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率P隨時(shí)間t的變化如圖7所示.假定汽車(chē)所受阻力的大小f恒定不變.下列描述該汽車(chē)的速度v隨時(shí)間t變化的圖線(xiàn)中，可能正確的是汽車(chē)啟動(dòng)問(wèn)題中，由于汽車(chē)變速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程比較復(fù)雜，如果分析牽引力F、速度v、加速度a這幾個(gè)物理量的變化原因，可以把這個(gè)過(guò)程中的知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)系構(gòu)建成結(jié)構(gòu)圖，如圖8所示.對(duì)圖中的關(guān)系推理論證，可以找到汽車(chē)的加速度一直減小至零，汽車(chē)將不再做變速運(yùn)動(dòng)這個(gè)關(guān)鍵條件.

3 結(jié)束語(yǔ)

在復(fù)習(xí)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，可以用結(jié)構(gòu)圖構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，有助于學(xué)生形成物理知識(shí)體系;在對(duì)解題方法歸納總結(jié)時(shí)，可以用結(jié)構(gòu)圖分析物理量之間的關(guān)系，理清解題思路.可以借助結(jié)構(gòu)圖，分析問(wèn)題過(guò)程，降低思維難度.在高中物理教學(xué)中引入物理知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，可以豐富學(xué)生研究問(wèn)題的方法，有效促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展.

參考文獻(xiàn)：

[1]王溢然，王亮.圖示與圖象[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2015.

[2]張佩.知識(shí)結(jié)構(gòu)圖對(duì)高中生物理學(xué)習(xí)能力的影響研究[D].洛陽(yáng)：洛陽(yáng)師范學(xué)院，2015.

[3]任偉然，王邦平.知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的二次開(kāi)發(fā)利用——談解決綜合問(wèn)題的能力[J].中國(guó)考試（高考版），2007（11）：44-47.

[4]王建宏，于正華.思維導(dǎo)圖在高三物理一輪復(fù)習(xí)中的應(yīng)用——以《動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用》為例[J].中學(xué)物理，2017，35（15）：16-17.

（收稿日期：2021-01-03）