基于問題解決的高中物理圖景教學(xué)分析與探索

郭喬 吳建琴 李婷 黃力行 何曉

【摘 要】圖景是高中物理的重要內(nèi)容之一。研究者在分析概述物理圖景的概念、分類及其重要性和功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合人教版高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，對(duì)高中物理圖景教學(xué)策略進(jìn)行了探索，即課堂中重視圖景，學(xué)會(huì)讀圖;練習(xí)中強(qiáng)調(diào)圖景，學(xué)會(huì)畫圖;訓(xùn)練中積累圖景，學(xué)會(huì)用圖;評(píng)價(jià)中突出圖景，體現(xiàn)評(píng)價(jià)的實(shí)踐性，使學(xué)生能夠更好地發(fā)現(xiàn)并理解物理規(guī)律，解決物理問題，體會(huì)物理之美。

【關(guān)鍵詞】物理圖景;圖景教學(xué);物理規(guī)律

【作者簡介】郭喬、李婷、黃力行，新疆師范大學(xué)在讀碩士研究生;吳建琴，教授，主要從事物理課程與教學(xué)論、中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究;何曉，新疆師范大學(xué)教師，主要從事物理課程與教學(xué)論、中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)研究。

【基金項(xiàng)目】新疆師范大學(xué)“新型光源與微納光學(xué)”實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目“石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工藝特性研究”（XJNUSYS2019B07）

物理問題是指通過物理知識(shí)或物理思維、方法才能解決的問題，一般分為原始問題和抽象問題兩類。原始問題即實(shí)際問題，是自然界及社會(huì)生產(chǎn)、生活中客觀存在的，能夠反映物理概念、規(guī)律且未被加工的典型物理現(xiàn)象和物理事實(shí)[1]。抽象問題是將原始問題進(jìn)行簡化、抽象并人為設(shè)置一定的物理量所形成的問題。物理問題解決是學(xué)生根據(jù)物理情境，在頭腦中還原物理過程，并進(jìn)行質(zhì)疑、論證、建模，以尋求合適的物理概念、規(guī)律和方法來構(gòu)建物理圖景，最終解決問題的過程。

關(guān)于物理圖景概念的界定目前尚未統(tǒng)一。項(xiàng)華、李永艷認(rèn)為，物理圖景是一種“心智圖畫”，這種“心智圖畫”建立在對(duì)物理世界的感知基礎(chǔ)之上，并通過形象思維與物理世界的相互作用而形成，可借助示意圖、函數(shù)圖像等形象化的方式加以描述[2]。莫金華認(rèn)為，物理圖景是在物理知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)（含物理現(xiàn)象、物理事實(shí)及物理過程）科學(xué)物理概念，物理模型，物理規(guī)律及定理，物理原理等圖景元素的基礎(chǔ)上建立的清晰合理的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)體系[3]。

參照已有的研究，筆者認(rèn)為物理圖景是人腦中形成的對(duì)物理過程兼具形象思維與抽象思維的動(dòng)態(tài)圖像，是學(xué)生解決物理問題時(shí)由感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的橋梁，是幫助學(xué)生成功解題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。物理圖景一般包括圖式文本、知識(shí)框圖、示意圖、函數(shù)圖像等。通過物理圖景，可將枯燥難懂的文字信息轉(zhuǎn)化為直觀、形象的圖像，有助于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的科學(xué)思維能力，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念與物理規(guī)律，解決物理問題，并體會(huì)科學(xué)思想與科學(xué)精神。

一、圖景在高中物理問題解決中的功能

（一）理解物理知識(shí)，強(qiáng)化物理觀念

（二）分析物理過程，提高科學(xué)思維

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，指人腦對(duì)自然界中的事物（包括對(duì)象、過程、現(xiàn)象、事實(shí)等）的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及自然界中事物間的聯(lián)系和相互關(guān)系的間接的、概括的和能動(dòng)的反映[4]。其主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[5]。

物理圖景有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，如教材中有大量的插圖和圖表，教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)辨識(shí)、分析、歸納和總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生的觀察與思考能力。很多學(xué)生在做題時(shí)不知如何下手，尤其是面對(duì)文字較長的題目時(shí)。通過畫示意圖可將復(fù)雜的物理過程與問題直觀地表示出來，方便學(xué)生厘清物理過程，找到解決問題的突破口。這樣不僅有效幫助學(xué)生解題，也可以培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活性、概括性和有序性。如追及或相遇問題、小船渡河問題等就可以通過物理圖景幫助學(xué)生更好地解題。

例 一輛執(zhí)勤的警車停在平直的公路邊，當(dāng)一名警員發(fā)現(xiàn)從他旁邊經(jīng)過的一輛以10m/s速度勻速行駛的貨車有超載行為時(shí)，決定去追趕，2.4s后警車發(fā)動(dòng)起來，警車在追上貨車前都可視為做加速度a=2m/s2的勻加速運(yùn)動(dòng)。求：警車追上貨車前，兩車的最大距離。

解析：首先分析物理過程，畫出貨車和警車運(yùn)動(dòng)過程的速度—時(shí)間圖像（如圖3），則速度圖線與橫軸和縱軸圍成的圖形面積表示位移。在警車追上貨車之前，當(dāng)警車速度小于貨車速度時(shí)，兩車距離逐漸增大;當(dāng)警車速度大于貨車速度時(shí)，兩車距離逐漸減小。故當(dāng)兩車速度相等時(shí)，兩車距離最大，即為圖中的②區(qū)域面積。然后根據(jù)圖中信息進(jìn)行求解。

物理函數(shù)圖像是數(shù)形結(jié)合的物理圖景，優(yōu)點(diǎn)在于直觀反映事物的動(dòng)態(tài)變化，其過程清晰、簡單。如以上例題中，通過畫出函數(shù)圖像，對(duì)其進(jìn)行語言復(fù)述，可讓學(xué)生在頭腦中清晰還原物理過程，培養(yǎng)學(xué)生的形象思維。同時(shí)，利用函數(shù)圖像也可推導(dǎo)出基本的物理公式，如通過勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度—時(shí)間圖像可推導(dǎo)出位移公式等，以培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維、發(fā)展思維和理解物理概念的能力，讓學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法。

（三）解決物理問題，增強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是指在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度及責(zé)任感，主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會(huì)責(zé)任等要素[6]。教師在引導(dǎo)學(xué)生通過圖像分析物理過程解決問題時(shí)，要讓學(xué)生本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度認(rèn)真作圖，實(shí)事求是，從而養(yǎng)成科學(xué)規(guī)范的作圖習(xí)慣，促進(jìn)其形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式和做事風(fēng)格，增強(qiáng)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。例如，在探究小車在重物牽引下速度隨時(shí)間變化的規(guī)律時(shí)，得到如圖4所示的紙帶，分析紙帶可以很直觀地判斷小車做勻加速運(yùn)動(dòng)，通過測量相鄰兩點(diǎn)間的距離，以及根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段時(shí)間的平均速度求解出各點(diǎn)的瞬時(shí)速度，最終得出加速度。為證明所求加速度的準(zhǔn)確性，可繪制速度—時(shí)間圖像（如圖5），根據(jù)斜率等于小車的加速度進(jìn)行驗(yàn)證。

二、基于問題解決的高中物理圖景教學(xué)策略

提高學(xué)生問題解決的能力是高中物理學(xué)習(xí)的重要目的之一，也是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要體現(xiàn)。構(gòu)建物理圖景不僅能幫助學(xué)生直觀地理解物理概念和規(guī)律，也能幫助學(xué)生更有效地厘清思路，解決物理問題。教師要幫助學(xué)生掌握構(gòu)建物理圖景的方法，使學(xué)生學(xué)會(huì)讀圖、畫圖、用圖，將復(fù)雜的物理問題簡單化、具體化。為此，筆者提出基于問題解決的高中物理圖景的幾個(gè)教學(xué)策略。

（一）課堂中重視圖景，學(xué)會(huì)讀圖

筆者分析近五年的高考全國物理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)試題都配有圖片，其中，以示意圖和函數(shù)圖像居多。學(xué)生需要結(jié)合試題要求仔細(xì)分析圖片，在讀圖的過程中獲取有用信息，達(dá)到正確解題的目的。為此，教師可以根據(jù)教學(xué)需要采用插圖、視頻、實(shí)驗(yàn)等給學(xué)生提供形象基礎(chǔ)，最大化地利用教材中的圖景，鼓勵(lì)學(xué)生聯(lián)系生活中的物理情境進(jìn)行解題。

例如，對(duì)于人教版高中物理必修第一冊(cè)（2019年版）“自由落體運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)，教師通過牛頓管實(shí)驗(yàn)演示鐵片與羽毛的下落速度，得出沒有空氣阻力的影響時(shí)，輕物體與重物體下落得同樣快的結(jié)論;通過頻閃攝影或用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)得到的頻閃照片或紙帶進(jìn)行分析得出重力加速度等。

同時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)看圖、學(xué)會(huì)辨析，讓學(xué)生說出從圖片中獲得的信息。如圖6是物體運(yùn)動(dòng)的位移—時(shí)間圖像，讓學(xué)生討論并回答橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)、斜率、最高點(diǎn)、最低點(diǎn)等分別表示什么，判斷物體在各時(shí)間段內(nèi)做什么形式的運(yùn)動(dòng)。

（二）練習(xí)中強(qiáng)調(diào)圖景，學(xué)會(huì)畫圖

教師的言傳身教對(duì)學(xué)生的影響是巨大的，因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)在強(qiáng)調(diào)畫圖重要性的同時(shí)做出表率，利用直尺、圓規(guī)等工具規(guī)范作圖，潛移默化地影響學(xué)生作圖的規(guī)范性。同時(shí)，不斷啟發(fā)學(xué)生思考，讓學(xué)生明白在解題過程中，畫圖是厘清物理過程的重要方法。如在教授豎直上拋運(yùn)動(dòng)知識(shí)時(shí)，教師通過畫圖分析豎直上拋運(yùn)動(dòng)的各個(gè)階段，使學(xué)生理解豎直上拋運(yùn)動(dòng)的過程，掌握豎直上拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律等。

另外，教師應(yīng)循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的畫圖習(xí)慣，讓學(xué)生多練習(xí)。如對(duì)于物理情景盡量用文字描述，減少配圖，要求學(xué)生通過規(guī)范作圖（示意圖或函數(shù)圖像）解決物理問題，強(qiáng)化學(xué)生的圖像表征意識(shí)。再如在復(fù)習(xí)階段，要求學(xué)生自己總結(jié)所學(xué)物理知識(shí)，畫出知識(shí)框圖并進(jìn)行小組討論等。

（三）訓(xùn)練中積累圖景，學(xué)會(huì)用圖

通過多種手段，夯實(shí)學(xué)生物理基礎(chǔ)知識(shí)和模型的積累，循序漸進(jìn)地培養(yǎng)學(xué)生的圖景建構(gòu)能力。從一個(gè)研究對(duì)象一個(gè)過程、一個(gè)研究對(duì)象多個(gè)過程、兩個(gè)研究對(duì)象一個(gè)過程、兩個(gè)研究對(duì)象兩個(gè)過程、多個(gè)研究對(duì)象多個(gè)過程等情況中積累圖景。如斜面模型、長木板模型、傳送帶模型、單擺模型、圓弧模型、圓盤模型、拋體運(yùn)動(dòng)模型等。

教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生多觀察、多思考，觀察生活中的物理情景，分析其物理狀態(tài)與物理過程，從而在頭腦中形成動(dòng)態(tài)的物理圖景，存儲(chǔ)于記憶中。這樣，在解答物理問題時(shí)，學(xué)生才能隨時(shí)調(diào)用頭腦中的圖景，并靈活運(yùn)用。

（四）評(píng)價(jià)中突出圖景，體現(xiàn)評(píng)價(jià)的實(shí)踐性

評(píng)價(jià)具有診斷、激勵(lì)、調(diào)節(jié)和教學(xué)等作用，通過評(píng)價(jià)，不僅讓師生明確教與學(xué)的情況，也對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)具有激發(fā)作用。教師可以結(jié)合形成性評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生進(jìn)行激勵(lì)，運(yùn)用發(fā)展的眼光對(duì)待每一名學(xué)生，及時(shí)調(diào)整教學(xué)工作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運(yùn)用物理圖景解決問題的能力。如針對(duì)畫圖能力制訂評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)或互相評(píng)價(jià);對(duì)考題進(jìn)行創(chuàng)新，增加作圖項(xiàng)目，通過考試對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià);結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力，運(yùn)用適宜的評(píng)價(jià)方法對(duì)學(xué)生展開綜合性評(píng)價(jià)等，從而促進(jìn)物理教學(xué)質(zhì)量的提升，提高學(xué)生運(yùn)用物理圖景解決問題的能力。

三、小結(jié)

對(duì)學(xué)生物理圖景素養(yǎng)的培養(yǎng)不是一朝一夕就能完成的，這就要求教師自身要對(duì)物理圖景有清晰的認(rèn)識(shí)，在教學(xué)過程中有意識(shí)地滲透物理圖景的思維方式，并通過各個(gè)環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用物理圖景的習(xí)慣，讓學(xué)生能應(yīng)用其發(fā)現(xiàn)并理解物理規(guī)律，解決物理問題，體會(huì)物理之美。

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（責(zé)任編輯：羅小熒）