初中物理圖像類問題的教學(xué)難點與策略分析

楊小春　朱超穎

摘要：通過對常州市近三年初中物理學(xué)業(yè)水平的分析發(fā)現(xiàn)，圖像類問題占比較高，貫穿始終，但得分率不理想。加之物理課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生運用物理圖像的能力提出了要求，以及物理圖像是解決物理問題的重要方法之一，這些無疑更加凸顯了物理圖像類問題的重要性。盡管如此，卻難以繞開物理圖像對學(xué)生素養(yǎng)能力要求高、物理意義難明確、考查方式多等難點。為此，教師在教學(xué)的過程中要有意識地引導(dǎo)學(xué)生重視物理圖像，不斷加強圖像與實驗的聯(lián)系，并且要深挖圖像中的物理意義，最終促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展，提升關(guān)鍵能力，培育核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理圖像? 物理意義? 質(zhì)量監(jiān)測

一、初中物理圖像類問題的重要性

1.符合物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中在課程目標(biāo)部分提到學(xué)生需要“會用簡單圖表等描述實驗結(jié)果”[1]?？梢妼W(xué)生需要根據(jù)實驗結(jié)果，將相關(guān)復(fù)雜的物理過程或物理實驗結(jié)論通過圖表的方式進(jìn)行表征。而這必須建立在學(xué)生理解相關(guān)圖表含義的基礎(chǔ)上，才能得以實現(xiàn)。因此，學(xué)生對于圖像、表格的理解與運用就顯得尤為重要。并且其中物理實驗表格主要是對實驗過程中原始數(shù)據(jù)的直接記錄，更多地是起到收集數(shù)據(jù)的功能，對于初中生而言較為簡單，也比較容易掌握。而物理圖像需要結(jié)合相關(guān)物理情境及函數(shù)等數(shù)學(xué)知識，對于初中生而言具有一定難度。不過物理圖像有利于將抽象的物理概念、物理規(guī)律形象化、具體化，便于學(xué)生進(jìn)一步的理解，并有助于培養(yǎng)和提升學(xué)生的形象思維、數(shù)形結(jié)合能力等，因而更加凸顯其重要性。

2.解決問題的重要方法

物理圖像是表示兩個物理量或多個物理量之間相互關(guān)系的一種常用方法。應(yīng)用通常為以下兩類：一是識圖解題，通過分析所給函數(shù)圖像解決物理問題;二是構(gòu)圖解題，通過相關(guān)文字?jǐn)⑹龌驅(qū)嶒灲Y(jié)論畫出物理圖像，再借助物理圖像形象、直觀的優(yōu)勢分析并解決物理問題。由于很多物理情境并非是某一時刻的或靜止的，所以僅僅通過文字或零散的實驗數(shù)據(jù)難以呈現(xiàn)出相應(yīng)的物理狀態(tài)或變化的情況，不利于學(xué)生尋找物理量間的變化規(guī)律。因此，可借助物理圖像對物理問題進(jìn)行表征，便于學(xué)生把握實驗數(shù)據(jù)的變化情況，反應(yīng)物理量間的關(guān)系。結(jié)合物理情境并明確物理量間的關(guān)系后，不僅有利于直接解題、啟發(fā)解題思路、幫助學(xué)生尋找實驗規(guī)律，而且能夠為學(xué)生后續(xù)階段的物理學(xué)習(xí)夯實基礎(chǔ)。

3.把握圖像類問題的規(guī)律

隨著物理學(xué)習(xí)的不斷深入，對于學(xué)生抽象思維能力的要求不斷提高。故在此背景下，如何幫助學(xué)生更加準(zhǔn)確直觀地描述、理解物理概念及規(guī)律等顯得尤為重要。因此，教材中很多實驗會借助圖像幫助學(xué)生尋找物理規(guī)律，得出相應(yīng)結(jié)論，如：蘇科版第二章中“觀察水的沸騰”實驗要求學(xué)生依據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出溫度隨時間變化的圖像，與單純的實驗數(shù)據(jù)相比，結(jié)合圖像能夠更加直觀得出沸騰前及沸騰時，水的溫度分別是如何變化的。除了在教材中圖像涉及到眾多章節(jié)中的物理實驗外，在初中學(xué)業(yè)水平考試試題及其他眾多試題中，圖像類問題同樣貫穿整份試題。以常州市近三年初中學(xué)業(yè)水平考試物理試題為例，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，大部分試題與圖像息息相關(guān)，注重圖像等呈現(xiàn)方式，無疑顯現(xiàn)出物理圖像的重要性。

二、初中物理圖像類問題的教學(xué)難點

1.對學(xué)生能力素養(yǎng)要求高

物理圖像不僅是解決物理問題的重要方法，而且對于初中生來說也是難點。其主要原因在于物理圖像類問題對于學(xué)生在數(shù)學(xué)知識、抽象思維、逆向思維等方面的要求較高。首先，很多物理圖像類問題需要結(jié)合函數(shù)圖像，在新課教學(xué)的過程中很多時候用到相關(guān)函數(shù)圖像時，學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)科中可能尚未學(xué)到，這無疑增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。其次，學(xué)生在應(yīng)用物理圖像解決問題的主觀意識方面較為薄弱。在遇到問題時，部分學(xué)生不愿動筆，存在通過直接看一看題目就能得到答案的不切實際的想法;還有部分同學(xué)受數(shù)學(xué)學(xué)科的影響，習(xí)慣于使用解析式法進(jìn)行解題，不愿使用物理圖像解決問題，但隨著物理與生活實際結(jié)合得越來越密切，學(xué)生在解決此類問題時會越來越吃力。最后，由于初中生正處于從形象思維向抽象思維過渡的階段，在將抽象的物理問題、物理規(guī)律等轉(zhuǎn)化為圖像的過程中存在一定的困難，需要經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)，學(xué)生才能更加準(zhǔn)確地構(gòu)建物理圖像，助力問題的解決。

2.圖像物理意義明確難

物理圖像與圖像最重要的區(qū)別在于物理圖像中各要素均有其物理意義[2]。以函數(shù)類物理圖像為例，在該類物理圖像中需明確其坐標(biāo)軸、坐標(biāo)點以及圖線的斜率、截距、相關(guān)面積的物理意義才能幫助學(xué)生有效地解決物理問題。

以一道涉及摩擦力、力與運動知識點的填空題為例（圖1）：如圖甲所示，放在粗糙程度不變的水平地面上的物體，用方向不變的力F向右推物體，推力F的大小隨時間的變化關(guān)系如圖乙所示，物體的運動速度隨時間的變化關(guān)系如圖丙所示，則在t=1s時，物體受到的摩擦力______N;在t=3s時，物體受到的摩擦力為______N。

學(xué)生遇到該類題目時，正確率普遍不高，其主要原因在于想要順利做出此題需要同時結(jié)合兩個函數(shù)圖像。要想知道物體所受摩擦力大小，需要根據(jù)t=1s結(jié)合v-t圖像判斷此時物體的運動狀態(tài)為相對地面靜止，從而判斷此時物體受到的是靜摩擦力，再依據(jù)二力平衡的知識得出此時靜摩擦力大小與拉力大小相等，然后在F-t圖像中找到1s時對應(yīng)的拉力F為2N，最終得出摩擦力為2N。在此過程中，學(xué)生需要分清兩個圖像的坐標(biāo)軸分別表示的是什么物理量，再聯(lián)系對應(yīng)坐標(biāo)點所表示的物理意義，明確物理量間的內(nèi)在聯(lián)系，才能順利解決該類問題。

三、初中物理圖像類問題的教學(xué)策略

1.引導(dǎo)學(xué)生重視物理圖像法的應(yīng)用

盡管大部分物理教師都知道物理圖像的重要性，但部分學(xué)生卻對物理圖像“視而不見”，并未認(rèn)識到物理圖像在物理學(xué)習(xí)中所占據(jù)的重要地位。長此以往，造成學(xué)生對于物理圖像不熟練、不敢用。因此，教師在教學(xué)的過程中，要注重對于圖像法的應(yīng)用，借用物理圖像巧妙地解決物理問題。而這無疑依賴于教師對于物理問題與圖像的理解，進(jìn)而通過不斷地強化，讓學(xué)生意識到物理圖像的優(yōu)勢，引發(fā)學(xué)生想用、樂用、敢用物理圖像解決物理問題。例如：常州市2020年初中學(xué)業(yè)水平考試物理試題中的第14題，比較飲料瓶在不同液體中所受浮力及兩種液體密度的大小關(guān)系（圖2），該題目借助圖像可以快速解決，僅需通過圖像中兩次飲料瓶均處于漂浮狀態(tài)，判斷出所受浮力均等于飲料瓶的重力，故飲料瓶兩次所受浮力大小相同。再根據(jù)圖像判斷出飲料瓶在甲中排開液體的體積小于飲料的體積，而在乙中排開液體的體積大于飲料的體積，從而得出兩種液體的密度關(guān)系。

2.加強圖像與實驗的聯(lián)系

物理中很多概念、規(guī)律的得出均需依靠物理實驗，并且進(jìn)行實驗時需對實驗中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。因此，在教學(xué)過程中不但需要重視物理實驗，更要注重實驗數(shù)據(jù)的處理[3]。否則，對于學(xué)生而言只是“隔岸觀火”，導(dǎo)致學(xué)生對于這些物理概念、規(guī)律只能“死記硬背”，無法真正理解、掌握，不利于學(xué)生能力的提升、思維的發(fā)展。

為此，在實驗處理中需要“兩步走”。第一步要先做到在數(shù)據(jù)處理時，引導(dǎo)學(xué)生嘗試多種方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如：解析式法、圖像法，并且要利用好圖像法的形象、直觀等優(yōu)勢，助力學(xué)生得出正確的實驗結(jié)論。第二步需嘗試在實驗進(jìn)行的同時，實時地繪制出相應(yīng)的物理圖像。將實驗數(shù)據(jù)的處理變靜態(tài)為動態(tài)，將原本需要先進(jìn)行實驗再繪制物理圖像的兩個過程“合二為一”，讓學(xué)生在實驗的同時可以獲取到物理量間實時的變化情況，有助于學(xué)生將其與實驗中的關(guān)鍵點進(jìn)行聯(lián)系與對比，進(jìn)而更好地理解物理概念、歸納出物理規(guī)律。

比如在“探究影響浮力大小的因素”時，可以借助常規(guī)實驗儀器與數(shù)字化實驗儀器相結(jié)合（實驗裝置如圖3所示），在將柱狀物塊勻速提升時，記錄彈簧測力計示數(shù)（實驗數(shù)據(jù)如圖4所示），并將與拉力有關(guān)的物理圖像實時繪制出來（實驗圖像如圖5所示）。通過在實驗的同時，學(xué)生可以根據(jù)實時的圖像變化情況得出有關(guān)結(jié)論。在物塊剛剛露出液面時，可以看到圖像開始發(fā)生明顯變化，并且物塊在逐步離開液體的過程中，拉力逐漸變小。當(dāng)物塊完全離開液體時，拉力的大小幾乎不變。從而可以清晰地得出，在同種液體中，隨著物體逐漸離開液體，物體排開液體的體積逐漸變小。與此同時，繩子對于物體的拉力逐漸增大。因此推出物體所受浮力大小與物體排開液體體積有關(guān)，排開液體體積越大，浮力越大。并且通過在實驗時，繪制圖像，可以很好地幫助學(xué)生看到圖像時有意識地將其與實驗相結(jié)合，架起物理圖像與實驗的“橋梁”，從而更加直觀、清晰地將影響浮力大小的相關(guān)因素等呈現(xiàn)在學(xué)生面前，并助力學(xué)生解決圖像類問題。

3.深挖圖像中的物理意義

通過對常州市近三年初中物理學(xué)業(yè)水平考試的分析發(fā)現(xiàn)，在對學(xué)生能力進(jìn)行考察時，更加注重具體圖像、簡化圖形以及數(shù)據(jù)表格的多重呈現(xiàn)方式，以生動、具體、形象的方式輔助呈現(xiàn)題干信息，并以此為據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生勾勒物理模型，分析數(shù)據(jù)規(guī)律，需要學(xué)生挖掘物理圖像中直觀、形象、具體、有效的豐富價值。因此，為促使學(xué)生能夠看懂、讀懂物理圖像，以函數(shù)類圖像為例，必須幫助學(xué)生明確圖像中的軸、線、點、斜率、面積、截距等表示的物理意義。在教學(xué)的過程中要注重對這些元素的分析，尋找隱藏信息，用以解決物理問題。

第一，需看清坐標(biāo)軸所表示的物理量及其單位，這是解決相關(guān)圖像類問題的基礎(chǔ)。只有明確了橫縱軸所表示的物理量，才能知道是哪兩個物理量之間的關(guān)系，進(jìn)而描述其物理規(guī)律。

第二，需明了圖像中的斜率所表示的含義，圖像的斜率通常情況下都是表示的某一物理量。如s-t圖像中斜率表示的就是物體運動的速度，若斜率為零，則表示物體處于靜止?fàn)顟B(tài);若斜率越大，則表示物體運動的速度越大。

第三，需瞄準(zhǔn)圖像中的交點、拐點、極值點等特殊點，這些點往往是圖像類問題的關(guān)鍵點。例如：常州市2020年初中學(xué)業(yè)水平考試物理試題中的第7題，涉及海波溫度隨時間變化的圖像（圖6）。想要解決這道題目，必須要先明確B、C兩個拐點所表示的物理意義，B點表示5min時海波溫度為48℃，開始凝固，C點表示10min時海波溫度為48℃，凝固結(jié)束。因此在明確兩個拐點物理意義的基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確判斷出該圖像所反映的物理過程。

除此之外，物理圖像中的面積、截距等所表示的物理意義及暗含的信息，均是解決物理問題的突破口。因此，教師在教學(xué)的過程中要注重引導(dǎo)學(xué)生有意識地去觀察、分析圖像中所含元素的物理意義，助力物理問題的解決，培養(yǎng)學(xué)生的思維方式。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012：6.

[2] 袁金成.圖像法在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].蘭州：西北師范大學(xué)，2017：14.

[3] 鄭智偉，朱超穎.教育信息化2.0時代提高初中物理實驗教學(xué)有效性的策略——以蘇科版八年級物理“凸透鏡成像的規(guī)律”教學(xué)為例[J].物理通報，2020（09）：80-83.

【責(zé)任編輯? 孫曉雯】