物理教學(xué)中規(guī)范作圖能力的培養(yǎng)

解 毅

（河北衡水中學(xué)，河北 衡水 053000）

規(guī)范作圖是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)之一，對學(xué)生作圖能力的考查在教學(xué)過程中隨處可見，例如力學(xué)中的受力分析圖、運(yùn)動學(xué)中的運(yùn)動過程圖、過程狀態(tài)圖、電磁場中的電場、磁場圖、帶電粒子的運(yùn)動軌跡圖、探究物理量之間的規(guī)律函數(shù)圖像等。由于物理學(xué)科具有概念抽象、規(guī)律復(fù)雜等特點(diǎn)，若利用圖形進(jìn)行思考，可降低思維的難度，使抽象問題形象化，模糊問題具體化，復(fù)雜問題簡單化，達(dá)到事半功倍的效果。因此，作圖規(guī)范與否將直接影響物理現(xiàn)象的分析。同時(shí)，學(xué)科核心素養(yǎng)明確提出，科學(xué)思維是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程，科學(xué)探究中強(qiáng)調(diào)獲取和處理信息的能力提升。學(xué)生通過作圖把實(shí)際情景中的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)，通過提煉、轉(zhuǎn)化，形成一定的理想物理模型，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維中的建模能力培養(yǎng)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。

近年來，運(yùn)用作圖的思想和方法解決物理問題被廣泛認(rèn)可。其中楊振環(huán)針對學(xué)生從初中階段進(jìn)入高中階段，物理作圖難度增大、作圖要求不同等問題，論述了初高中物理作圖能力銜接教育的相關(guān)措施。[1]宋光政認(rèn)為利用作圖解決物理問題具有簡明扼要、快捷準(zhǔn)確等特點(diǎn)。[2]王浩利用規(guī)范作圖形象地模擬問題的情景和過程，通過分析、比較、運(yùn)算得到正確的結(jié)論。[3]易繼東提出了物理圖像正確分析、處理、解決的關(guān)鍵在于會視圖、會用圖、會作圖。[4]展云飛針對培養(yǎng)學(xué)生作圖能力的問題，提出了通過老師教學(xué)示范，引領(lǐng)學(xué)生從概念建立作圖、用圖的習(xí)慣，從實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生作圖能力的方案。[5]南京師范大學(xué)的許海波針對學(xué)生在解決物理問題時(shí)注重?cái)?shù)學(xué)演算、缺少畫圖思考的意識等問題，從認(rèn)識論、心理學(xué)以及信息論多角度出發(fā)，探討了畫圖思考的理論基礎(chǔ)的重要性。[6]河南師范大學(xué)的張歡歡，在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對畫圖思考的概念進(jìn)行了界定，總結(jié)了畫圖思考解決物理問題的一般程序。[7]揚(yáng)州大學(xué)的劉婭楠總結(jié)了概念圖的特點(diǎn)及原則，提出了概念圖能夠優(yōu)化物理教學(xué)的結(jié)論。[8]此外，胡兆雄通過闡述培養(yǎng)學(xué)生物理作圖能力的必要性，探討了在初中物理教學(xué)學(xué)中學(xué)生作圖解題思維能力的具體策略。[10]

本文通過分析作圖能力在物理問題解決過程中的必要性，從培養(yǎng)學(xué)生作圖意識的角度出發(fā)，采用數(shù)形結(jié)合等教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范作圖意識，提高學(xué)生繪制圖形表征物理問題的能力。

1 突出圖的地位，培養(yǎng)學(xué)生作圖意識

高中物理教學(xué)中圖的價(jià)值的呈現(xiàn)在于規(guī)范作圖，通過不斷突出作圖在物理教學(xué)中的重要地位，幫助學(xué)生建立作圖的概念、養(yǎng)成用圖解題習(xí)慣，以實(shí)踐為目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生的作圖能力。在老師引領(lǐng)下，加強(qiáng)對物理教材中插圖的理解，例如“電場線”“等勢面”等，在理解“圖”的背景，才能進(jìn)一步提高作圖的積極性。

高中物理教學(xué)中圖的價(jià)值的呈現(xiàn)在于規(guī)范作圖，通過不斷突出作圖在物理教學(xué)中的重要地位，使學(xué)生樹立規(guī)范作圖思維，養(yǎng)成用圖解題習(xí)慣，從而達(dá)到對學(xué)生作圖能力培養(yǎng)的目的。具體如下:

一定質(zhì)量理想氣體發(fā)生等壓膨脹時(shí)氣體對外做功的物理問題為例，由于題型較抽象，直接講解不但增加教學(xué)難度，也不利于學(xué)生對該部分知識的掌握。因此，教學(xué)中教師往往利用p-V圖幫助學(xué)生理解和解答，通過不斷的訓(xùn)練達(dá)到見題作圖的目的。此外，通過對比作圖和無圖情況下解答上述的問題，可發(fā)現(xiàn)p-V圖中圖線與坐標(biāo)軸所圍的面積即表示功，可直觀化的解決問題。

由于題型較為簡單，在不利用作圖的情況下，也可進(jìn)行解答，但與圖形相結(jié)合會使物理問題表現(xiàn)得更為直觀。例如:在求老鼠由A運(yùn)動至B所需的時(shí)間的問題中（圖1），老鼠的運(yùn)動不滿足勻速直線運(yùn)動和勻變速直線運(yùn)動的特點(diǎn)，故不能采用方程進(jìn)行求解由A到B所需的時(shí)間。對老鼠的運(yùn)動速度為作v-d圖像，但雙曲線并不利于觀察圖像所反映的物理規(guī)律，因此，將圖像進(jìn)行一定的等效變換，如圖1所示，即可使目標(biāo)問題清晰明了。

圖1 1/v-d圖

由圖可知，將物理問題進(jìn)行有效的先行表達(dá)，可起到簡化解題難度的目標(biāo)，可知打好良好作圖意識的基礎(chǔ)對后期物理學(xué)習(xí)十分關(guān)鍵。良好的作圖的意識關(guān)鍵在于教師的主導(dǎo)作用，在授課中教師通過引導(dǎo)示范，培養(yǎng)學(xué)生遇題畫圖、畫圖解題的思想，使利用作圖解題成為學(xué)生解答物理知識固定的一部分，通過不斷實(shí)踐讓學(xué)生養(yǎng)成作圖的習(xí)慣。首先教師在高一階段開始培養(yǎng)學(xué)生善于在概念、規(guī)律教學(xué)的過程中利用作圖來進(jìn)行解題，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的作圖意識；在教學(xué)中善于挖掘可以利用作圖來更高效進(jìn)行教學(xué)的內(nèi)容，例如運(yùn)動、受力分析、光學(xué)等內(nèi)容的講解過程注重規(guī)范作圖，展示作圖的正確方法和步驟；最后對學(xué)生作業(yè)的規(guī)范上，要求正確畫出圖形，并對其圖形給與一定的分值，從而引起學(xué)生對規(guī)范作圖的重視。

2 加強(qiáng)物理建模，培養(yǎng)對信息的提取、轉(zhuǎn)換能力

學(xué)生常常抱怨，題干較長，讀完之后往往頭腦中一片空。通過和學(xué)生交談，主要表現(xiàn)為以下兩個(gè)方面:（1）學(xué)生抓住新信息實(shí)質(zhì)的能力不足。隨著信息時(shí)代的到來，各種新知識如井噴式產(chǎn)生，為了適應(yīng)社會的發(fā)展，提高學(xué)生對信息的提取、處理能力，顯得尤為重要。同時(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)也強(qiáng)調(diào)了對學(xué)生獲取和處理信息的能力。但過多的文字?jǐn)⑹鲈黾恿藢W(xué)生把握已知條件、挖掘深層條件的難度。（2）建模能力不足。物理問題側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用，物理模型是將復(fù)雜情景問題轉(zhuǎn)為簡化的物理結(jié)構(gòu)，利用圖形化的思想運(yùn)用物理語言和方法，解答相關(guān)物理問題。通過對物理問題的建模更能直觀、簡便讓學(xué)生理解問題、解答問題。

以下例題轉(zhuǎn)化成圖像對過程的分析更直觀:

在相遇追擊問題中，以圖2為例，求汽車在接收到兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔內(nèi)前進(jìn)的距離和汽車的車速。

可假設(shè)超聲波在第一次和第二次到達(dá)汽車時(shí)，汽車距測速儀的距離分別為s1、s2，兩次距離之差即為汽車在接收到兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔內(nèi)前進(jìn)的距離，畫出s-t圖像可直觀地觀察斜率表示超聲波的波速，用兩個(gè)小矩形塊表示汽車）。

圖2 s-t圖

時(shí)間間隔在b圖標(biāo)尺上對應(yīng)30個(gè)小格，則p1、p2之間相差12個(gè)格子，說明第1個(gè)超聲波信號從發(fā)出到返回歷時(shí)0.40 s；同理，p2、n2之間相差9個(gè)格子，即第2個(gè)信號從發(fā)出到返回歷時(shí)0.30 s。此時(shí)，汽車在接收到兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔內(nèi)前進(jìn)的距離為17 m。由圖2的標(biāo)尺小格線易知，汽車的速度為17.9 m/s。

這種能力的培養(yǎng)需要掌握一定的技巧，教師可以有意識地講解，通過典型例題來進(jìn)行專題訓(xùn)練。在建模實(shí)踐指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，還需加強(qiáng)建模訓(xùn)練，通過實(shí)踐訓(xùn)練，將傳授的建模方法進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為學(xué)生自己的能力，學(xué)以致用才是關(guān)鍵。

3 實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)作圖，培養(yǎng)解答動力問題的能力

運(yùn)動學(xué)在物理教學(xué)中占據(jù)著重要的位置，用于描述參照物、機(jī)械運(yùn)動、位移、速度等物體位置變化規(guī)律的內(nèi)容，利用精準(zhǔn)作圖能夠清晰表現(xiàn)出動力學(xué)的知識點(diǎn)以及數(shù)量、位置關(guān)系，高效解題。

例如，如圖3所示，兩個(gè)質(zhì)量完全一樣的小球，從光滑的a管和b管由靜止滑下，設(shè)轉(zhuǎn)彎處無能量損失，比較兩球所用時(shí)間的長短。（B、D兩點(diǎn)在同一水平面上）。

分析:沿a管下滑的小球，在AB段的加速度比BC段的小，則在圖像中所表示的a小球的斜率先小后大；同理，沿b管下滑的小球斜率先大后小。由機(jī)械能守恒定律可知兩球滑到底端時(shí)的速度相同，又由管道形狀知兩球經(jīng)過的總路程相等，即在速度圖像上的面積相等，可ta＞tb知。

圖3 小球滑落問題

在作圖解答動力問題基礎(chǔ)上，需對問題進(jìn)行準(zhǔn)確分類和精準(zhǔn)作圖。由于物理題型較多，學(xué)會對問題進(jìn)行歸納總結(jié)至關(guān)重要，學(xué)生根據(jù)不同類型問題采用不同方式的解題思路，在保證解題準(zhǔn)確性的同時(shí)也可保證解題效率。此外，規(guī)范精準(zhǔn)作圖是解題的關(guān)鍵一步，可形象地反映文字所表達(dá)的信息，通過作圖理解題目的含義，直觀地表示各個(gè)量之間的關(guān)系，提高解題的準(zhǔn)確性。

以動力問題為例，利用數(shù)字和圖形相結(jié)合的方式，表達(dá)已知量和未知量之間的關(guān)系，幫助學(xué)生分析各種物理量之間的聯(lián)系，必要時(shí)可根據(jù)題目需要添加輔助線，達(dá)到有效解題的目的。

4 應(yīng)用三維軟件，培養(yǎng)空間維度轉(zhuǎn)換能力

高二階段的電磁場、電場線、等力以及洛倫茲力的學(xué)習(xí)已經(jīng)涉及到空間立體的結(jié)構(gòu)，這對學(xué)生思維來說是具有挑戰(zhàn)性。許多學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容的時(shí)候會顯得比較吃力，讓學(xué)生感到困難的原因主要為必修一和二的力學(xué)涉及到平面作圖，需三維簡圖解決受力分析和運(yùn)動過程圖。高一階段的學(xué)習(xí)，已固化了學(xué)生對平面圖形的使用，學(xué)生不能快速建立三維思維建構(gòu)圖形的知識。同時(shí)書本與黑板作為平面媒介，不能全面地表達(dá)與傳遞三維信息，學(xué)生在解決物理問題時(shí)，需要把具有立體的情景用二維的簡圖來表示就更困難了。

隨著多媒體時(shí)代的到來，對具有復(fù)雜三維情景的問題，教師可利用三維軟件進(jìn)行建模，通過三維軟件的直觀化幫助學(xué)生建立更加生動的場景。例如，利用OpenGL、3Dmax、Solidworks軟件模擬各種復(fù)雜、對導(dǎo)軌在傾斜導(dǎo)軌上的受力分析、電子槍中陰極射線的軌跡等難以理解的物理情景，通過三維與二維的轉(zhuǎn)換，帶給學(xué)生更加直觀的體驗(yàn)，從而幫助學(xué)生提高作圖能力，以及對三維情景的意識。

在利用軟件模擬物理情景的基礎(chǔ)上，教師應(yīng)適當(dāng)講授軸測圖、主視圖、側(cè)視圖等方面的基礎(chǔ)知識，進(jìn)一步幫助學(xué)生理解相關(guān)知識。

例如，蘇永莊利用Excel軟件編輯簡單的程序自動生成相應(yīng)的圖像，不僅節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，又能直觀地反映物理規(guī)律，如圖4所示。[11]

圖4 Excel程序自動成像

結(jié)語

物理作為一門抽象的學(xué)科，作圖是物理問題分析和計(jì)算的重要方法，是現(xiàn)實(shí)物理問題向數(shù)學(xué)問題轉(zhuǎn)化的必要手段，因此，培養(yǎng)學(xué)生規(guī)范作圖的意識和習(xí)慣尤為重要?；诖?，教師在發(fā)揮引導(dǎo)示范作用時(shí)，向?qū)W生傳達(dá)作圖的重要性，引導(dǎo)學(xué)生自覺作圖，利用作圖解答復(fù)雜問題，讓學(xué)生體會利用作圖準(zhǔn)確解答問題的成就感和規(guī)范作圖的必要性。