一道相對運動圖像試題的評析、反思與教學(xué)建議

許冬保 朱文惠

摘 要：2021年湖北省學(xué)業(yè)水平選擇性考試模擬試卷第15題，是一道涉及相對運動圖像的試題.試題以相對運動速度圖像為載體呈現(xiàn)信息，較好地考查了考生的多方面能力.相對運動是重要的知識點，貫穿于物理學(xué)的始終.然而，相對運動并未列入我國高中物理課程及考試大綱的內(nèi)容.在應(yīng)用相對運動的方法解決有關(guān)問題時，學(xué)生表現(xiàn)無奈、茫然，教學(xué)效率低下.主要原因有二，一是相對運動作為陳述性知識，信息輸入存在障礙;二是相對運動分析問題的方法，是程序性知識，教學(xué)設(shè)計存在誤區(qū).為此，在陳述性知識與程序性知識教學(xué)設(shè)計的架構(gòu)下，提出相對運動教學(xué)的建議.

關(guān)鍵詞：試題;相對運動;相對速度;圖像方法;反思;建議

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標(biāo)識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）15-0059-03

作者簡介：許冬保（1963-），男，江西九江人，本科，中學(xué)特級教師，研究方向：物理考試命題及其評價;

朱文惠（1965-），男，江西贛州人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)數(shù)學(xué)教育研究.

1 試題呈現(xiàn)

2.2 評價

試題是一道學(xué)習(xí)探索情境化試題，主要考查考生“科學(xué)思維”學(xué)科素養(yǎng)中的科學(xué)推理、科學(xué)論證以及“物理觀念”中的運動與相互作用觀念.試題涉及受力分析、勻變速直線運動的規(guī)律、牛頓運動定律等內(nèi)容，要求考生能夠利用所給的圖像，從圖像上獲取信息，運用所學(xué)物理概念和規(guī)律解決相關(guān)問題.

試題在經(jīng)典板塊模型的基礎(chǔ)上，摒棄傳統(tǒng)的命題思路，另辟蹊徑，以考生比較陌生的相對速度圖像為載體，考查考生的理解能力、推理論證能力及創(chuàng)新能力.

2.3 拓展

若以地面為參考系，在同一坐標(biāo)系中，畫出A和B的速度圖像.

在地面參考系中，A和B的有關(guān)運動學(xué)信息，如上所述，畫出的速度圖像如圖3所示.

3 教學(xué)反思

該題在測試中，實測難度較大，且區(qū)分度較低，究其原因主要有以下兩個方面.

3.1 教材及考綱的缺漏

我們知道，教材是重要的課程資源，我們提倡“由教教材轉(zhuǎn)變?yōu)橛媒滩慕獭钡恼n程理念.但在實際教學(xué)中，由于多方面的原因，教材上沒有的知識點，考綱上沒有列出的考點，一般來說教師們是不會增補的.在我國中學(xué)物理教材中，長期以來，“相對運動”既非課程內(nèi)容，也非高考考試大綱所列考查內(nèi)容.但是，相對運動的概念、思想以及相對運動分析問題的方法，隱性滲透或顯性呈現(xiàn)于物理學(xué)的有關(guān)理論及解題訓(xùn)練之中.由于相對運動及其有關(guān)概念在教材中未獨立成節(jié)，因而在教學(xué)中當(dāng)我們試圖用相對運動的分析方法解決問題時，學(xué)生表現(xiàn)的是被動接受，陌生、茫然之態(tài)常常充斥著課堂.這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與教材及考綱的缺漏是有直接關(guān)聯(lián)的.

3.2 習(xí)題教學(xué)的設(shè)計誤區(qū)

在信息加工心理學(xué)中，知識通常分為陳述性知識和程序性知識.圖式可以視為陳述性知識的主要類型，策略可視為特殊的程序性知識[1].相對運動及其相關(guān)知識，屬陳述性知識;相對運動分析問題的方法則屬程序性知識.在習(xí)題教學(xué)中，由于學(xué)生缺少陳述性知識的基礎(chǔ)，直接用相對運動的分析方法解決問題，就方法講方法，這樣的教學(xué)設(shè)計，會造成學(xué)生學(xué)習(xí)的被動，使學(xué)生覺得突兀、恍惚.如此的教學(xué)設(shè)計也表現(xiàn)在其他的習(xí)題教學(xué)中.撇開知識、一味講方法的設(shè)計策略，是造成當(dāng)下習(xí)題教學(xué)效率低下的主要原因.

4 教學(xué)建議

信息加工心理學(xué)表明，問題解決作為一種認(rèn)知活動或思維活動，它與知識的關(guān)系體現(xiàn)在兩個方面：一是知識影響問題解決;二是問題解決是知識獲得的重要途徑[1].問題解決既可看作是信息加工的過程，也可看成是知識建構(gòu)過程.基于此，問題解決具體學(xué)習(xí)的性質(zhì)，問題解決可以對知識結(jié)構(gòu)的完善、優(yōu)化具有十分重要的意義.這對于教學(xué)具有重要的指導(dǎo)意義.

4.1 關(guān)于陳述性知識與程序性知識的教學(xué)設(shè)計

認(rèn)知心理學(xué)是以信息加工為核心的心理學(xué)，運用信息加工觀點來研究認(rèn)知活動，其研究范圍主要包括感知覺、注意、表象、學(xué)習(xí)記憶、思維和言語等心理過程或認(rèn)知過程，以及兒童的認(rèn)知發(fā)展和人工智能（計算機模擬）.認(rèn)知心理學(xué)指出：陳述性知識是指個人具有有意識地提取線索、因而能直接陳述的知識.該類知識主要解決“是什么”“為什么”的問題，具有靜態(tài)的性質(zhì);程序性知識是個人無有意識地提取線索.因而其存在只能借助某種作業(yè)形式間接推測的知識.認(rèn)知策略是指學(xué)習(xí)者用于支配自己的心智加工過程的內(nèi)部組織起來的技能，也屬于程序性知識.該類知識主要用來解決“做什么”“怎么做”的問題，具有動態(tài)的性質(zhì)[2].

陳述性知識和程序性知識是學(xué)生形成正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力之基礎(chǔ).陳述性知識和程序性知識雖然內(nèi)涵不同，但兩者并不是孤立的，它們之間有相互促進和轉(zhuǎn)化的關(guān)系，要想掌握程序性知識，必須先掌握陳述性知識，陳述性知識是程序性知識的基礎(chǔ)和前提，程序性知識的獲得，能夠進一步發(fā)展學(xué)生的能力，因而也更有利于學(xué)生掌握陳述性知識[3].相對運動及其相關(guān)知識是陳述性知識，由于教材的缺漏，少了作為陳述性知識的內(nèi)容.在教學(xué)中必須作較為系統(tǒng)的補充，才能促進相對運動作為解決問題方法的程序性知識的教學(xué).相對運動作為解決問題的重要的物理科學(xué)方法，單靠講是不可取的，要將教師的“講”與學(xué)生的“悟”（包括必要的習(xí)題訓(xùn)練）結(jié)合起來.教學(xué)中既不能用陳述性知識的教學(xué)方法替代程序性知識的教學(xué)，也不能用程序性知識的教學(xué)方法替代陳述性知識的教學(xué).

4.2 相對運動教學(xué)建議

在習(xí)題教學(xué)中，對于相對運動分析方法的介入，要知曉教材的編寫思路（滲透）、了解學(xué)生的知識基礎(chǔ)，在教學(xué)實施中，對于剛開始引入相對運動的方法分析具體問題時，要增補作為陳述性知識的有關(guān)內(nèi)容.在問題解決中要通過具體的案例，使學(xué)生主動形成運動與相互作用觀念，加深對相對運動中參考系的認(rèn)識、理解參考系的變換及速度矢量疊加原理.建議將以下內(nèi)容列入教學(xué)設(shè)計中.

4.2.1 相對運動的概念及相對速度的變換式

在物理學(xué)中，通常把相對觀察者靜止的參考系稱為靜止參考系，把相對觀察者運動的參考系稱為運動參考系.把物體相對靜止參考系的運動稱為絕對運動，物體相對運動參考系的運動稱為相對運動，運動參考系相對靜止參考系的運動稱為牽連運動[4].

絕對運動、相對運動及牽連運動所對應(yīng)的速度分別稱為絕對速度v→絕對、相對速度v→相對及牽連速度v→牽連，即

v→絕對=v→相對+v→牽連

4.2.2 相對速度矢量圖

在不同參考系中進行速度變換，為表述方便，往往用右下標(biāo)字母來區(qū)分相關(guān)速度.設(shè)物體A、B均對同一參考系C運動，某時刻的速度分別為v→AC、v→BC.則A對B的運動稱為相對運動，A對B的速度稱為相對速度，用v→AB來表示（v→BA則表示B對A的相對速度）.則在某時刻這三個速度之間的關(guān)系為

v→AC=v→AB+v→BC

上式的物理意義是，物體A相對物體C的速度（絕對速度）等于物體A相對于物體B的速度（相對速度）與物體B相對于物體C的速度（牽連速度）之和[5].

三個速度的矢量圖，如圖4所示.

5 結(jié)束語

物理課程標(biāo)準(zhǔn)[6]指出，運動與相互作用觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之重要內(nèi)容.從物體間相對運動或相對運動趨勢產(chǎn)生摩擦力到摩擦發(fā)熱的定量計算（滑動摩擦力與相對路程的乘積）;從相對磁場運動產(chǎn)生動生電動勢到微觀粒子碰撞中資用能的計算（對粒子反應(yīng)真正有用的相對動能）;從經(jīng)典物理學(xué)小船渡河問題中速度的合成到近代物理學(xué)相對論時空觀，可以說，相對運動及其相關(guān)知識貫穿于物理學(xué)的始終.

如前所述，我國中學(xué)物理教材并未系統(tǒng)介紹相對運動及其相關(guān)知識，由于缺失作為陳述性知識教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，因而在習(xí)題教學(xué)中，講授相對運動分析方法時，宜增補相對運動的有關(guān)知識，做到陳述性知識與程序性知識的教學(xué)統(tǒng)一，從而促進兩者之間的相互作用、相互轉(zhuǎn)化.

相對運動作為重要的物理內(nèi)容，對于物理學(xué)其他有關(guān)新知識的學(xué)習(xí)，對學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)的完善，是不可或缺的;相對運動分析問題的方法，是重要的科學(xué)思維方法，對學(xué)生物理觀念的形成，對學(xué)生理解能力、推理論證能力與創(chuàng)新能力的提升，意義深遠(yuǎn).

相對運動及其相關(guān)知識，是教材重要的課程資源，應(yīng)該成為重要的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容.美國高中主流理科教材[7]及我國大學(xué)物理教材[8-11]，對于相對運動及其相關(guān)知識均進行了較為詳盡的介紹.我們期待在將來的課程改革中，相對運動能成為物理課程的內(nèi)容之一，能在教材中獨立成節(jié).

參考文獻：

[1]辛自強.問題解決與知識建構(gòu)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2005.

[2]陳剛.物理教學(xué)設(shè)計[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2009.

[3]盧長賀.陳述性知識向程序性知識轉(zhuǎn)化的策略[J].語文教學(xué)研究，2015（11）：62-63.

[4]東南大學(xué)等七所工科院校，馬文蔚改編.物理學(xué)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5]顧建中.普通物理學(xué)簡明教程力學(xué)部分[M].北京：人民教育出版社，1977.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[7][美]齊澤維茨（ZITZEWITZ，P.W.）著，錢振華等譯.科學(xué)發(fā)現(xiàn)者（物理原理與問題上冊）[M].杭州：浙江教育出版社，2008.

[8]趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[9]鄭永令，賈起民，方小敏.力學(xué) [M].北京：高等教育出版社，2002.

[10]楊維纮.力學(xué)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2004.

[11]梁昆淼.力學(xué)（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2010.

（收稿日期：2021-06-01）