物理圖景素養(yǎng)的培養(yǎng):模型建構(gòu)與作圖

【摘 要】物理圖景是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)物理模型時(shí)，相關(guān)物理背景與相關(guān)思維活動(dòng)相結(jié)合而產(chǎn)生的心理印象，培養(yǎng)學(xué)生物理圖景素養(yǎng)的過(guò)程也就是培養(yǎng)學(xué)生的形象思維能力，創(chuàng)造思維能力及模型構(gòu)建能力的過(guò)程，而物理成績(jī)的好壞與學(xué)生物理圖景的素養(yǎng)的高低密切相關(guān)。本文力圖論述如何通過(guò)“作圖”這一手段，借助模型構(gòu)建，培養(yǎng)學(xué)生物理圖景素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】物理圖景 模型建構(gòu) 作圖

隨著新課程改革的不斷深入和“減負(fù)增效”的呼聲不斷高漲，作為一貫“難學(xué)難教”的高中物理不得不面臨一個(gè)非常尷尬的問(wèn)題：課時(shí)量不斷縮減，而高考對(duì)學(xué)生能力的要求卻越來(lái)越高，同時(shí)，理工科高校對(duì)目前高中生的物理素養(yǎng)也頗有微詞。在這樣的一種形勢(shì)下，如何提高學(xué)生思維能力及科學(xué)素養(yǎng)，是我們物理教師不得不面臨的問(wèn)題。

而與之形成對(duì)比的是，我們不得不承認(rèn)，在實(shí)際教學(xué)中我們受功利因素的驅(qū)使，往往存在重概念規(guī)律的識(shí)記，忽視觀察與實(shí)驗(yàn)；重視套用數(shù)學(xué)公式求解物理問(wèn)題，忽視分析物理過(guò)程及物理意義；重視理論知識(shí)，忽視科學(xué)方法、思想的有機(jī)滲透，忽視理論與實(shí)際的聯(lián)系等等。筆者以為，要真正培養(yǎng)學(xué)生物理素養(yǎng)，提高學(xué)生能力，就必須還其物理的本質(zhì)：注重圖景素養(yǎng)與模型構(gòu)建能力的培養(yǎng)。

一、什么是物理圖景

物理圖景是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)物理模型時(shí)，相關(guān)物理背景與相關(guān)思維活動(dòng)相結(jié)合而產(chǎn)生的心理印象；而物理模型是人們?yōu)楸阌诜治龊脱芯考姺笔忞s的自然現(xiàn)象，探究問(wèn)題的本質(zhì)，在觀察的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析、比較、綜合等手段對(duì)實(shí)際問(wèn)題做一定的“簡(jiǎn)化”和“模擬”，得出能反映原物（原過(guò)程）本質(zhì)特性的理想物質(zhì)（理想過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)。從本質(zhì)上說(shuō)，分析物理問(wèn)題的過(guò)程，就是構(gòu)建物理模型的過(guò)程，通過(guò)構(gòu)建物理模型，得出一幅清晰的物理圖景，是解決物理問(wèn)題的關(guān)鍵。

二、物理圖景的分類(lèi)

建構(gòu)物理圖景和模型是物理學(xué)中最常見(jiàn)、最重要的科研方法之一，根據(jù)圖景和模型的特點(diǎn)及作用可將其分為：概念模型與圖景（對(duì)象模型）、狀態(tài)模型與圖景（條件模型）、過(guò)程模型與圖景（過(guò)程模型）、理論的物理模型與圖景（物理假說(shuō)）；甚至包括實(shí)踐性物理模型和圖景（如實(shí)驗(yàn)裝置示意圖）、幫助澄清物理情境的模型與圖景（如運(yùn)動(dòng)示意圖、受力示意圖、圖像等）、幫助確定物理問(wèn)題性質(zhì)（如臨界問(wèn)題、極值問(wèn)題、等效問(wèn)題等）的模型與圖景等等。

物理圖景和模型是物理學(xué)的重要內(nèi)容，是我們了解、研究物質(zhì)世界的媒介，建立正確的物理圖景和模型的能力也是高中生必須具備的能力，尤其是隨著技術(shù)的發(fā)展，各種新的模型和圖景（如以膨脹宇宙為代表的大爆炸宇宙圖景，以神州7號(hào)和嫦娥1號(hào)為代表的航天技術(shù)圖景等）不斷出現(xiàn)，更是彰顯了這方面的要求。

三、培養(yǎng)物理圖景素養(yǎng)的有效手段：作圖

傳統(tǒng)的物理教學(xué)及有關(guān)的解題的訓(xùn)練，往往直接給出簡(jiǎn)化后的物理對(duì)象或物理圖景，學(xué)生習(xí)慣于抽象的邏輯推理及數(shù)學(xué)運(yùn)算，而缺乏對(duì)實(shí)際問(wèn)題的形象思考過(guò)程，缺少?gòu)膶?shí)際問(wèn)題中提取信息，排除次要因素（拋除非物理信息），確立理想化的物理模型及物理情景的訓(xùn)練，因而學(xué)生缺乏建構(gòu)模型和相關(guān)物理圖景的能力，在實(shí)際問(wèn)題面前就束手無(wú)策了。

然而，在教學(xué)中常遇到這樣的事，對(duì)于學(xué)生的問(wèn)題，當(dāng)你將受力示意圖或運(yùn)動(dòng)的過(guò)程圖畫(huà)出來(lái)時(shí)，即使不給講解，學(xué)生也會(huì)恍然大悟。為此，筆者認(rèn)為，作圖的過(guò)程是一種形象化的物理模型建立的過(guò)程，作圖時(shí)的分析、判斷、比較的過(guò)程則是構(gòu)建物理圖景的過(guò)程。

（一）在高中階段經(jīng)常畫(huà)的圖有圖示和圖象兩種。

圖示有受力圖、光路圖、電路圖、運(yùn)動(dòng)圖、軌跡圖等。圖象是指各種函數(shù)圖象，如速度——時(shí)間，位移——時(shí)間圖象，振動(dòng)圖像，波動(dòng)圖象等。

從建構(gòu)主義理論來(lái)看，作圖的過(guò)程是作圖者運(yùn)用已有物理知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)分析物理過(guò)程，構(gòu)建物理模型的過(guò)程。作為一種個(gè)體的思考方法，所作出得圖自然會(huì)因?qū)W生個(gè)性表達(dá)習(xí)慣和能力的差異而千差萬(wàn)別。但是作為一種信息表達(dá)和交流的工具，作圖應(yīng)該有約定的要求和規(guī)范。

首先，作圖思考的過(guò)程，要利用準(zhǔn)確規(guī)范的物理和數(shù)學(xué)符號(hào)，這不僅是為了較全面的反映出要表達(dá)的信息，而且為下面利用物理規(guī)律列數(shù)學(xué)方程作鋪墊，使數(shù)學(xué)公式中符號(hào)的含義在圖中明確的表示出來(lái)，而不需要另外再作說(shuō)明。

其次，圖形信息的轉(zhuǎn)化要完整、準(zhǔn)確。信息轉(zhuǎn)換有兩個(gè)基本要求：一是保持內(nèi)容不變。即在“題圖轉(zhuǎn)換”的過(guò)程中要去偽存精，提取“真實(shí)”信息，確保轉(zhuǎn)換內(nèi)容不失真。二是轉(zhuǎn)換的形式必須最適于對(duì)信息的使用。實(shí)際要解決的物理問(wèn)題，通常是用文字語(yǔ)言描述的，因此，需要把這些文字語(yǔ)言描述的信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的表象，圖與符號(hào)是表象記錄與操作的最好的形式，圖不僅有利于進(jìn)行視覺(jué)思考，也符合思維簡(jiǎn)潔性的要求。但是，在信息的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，信息不能遺漏，要全面的“翻譯”過(guò)來(lái)，達(dá)到看圖就可以知道問(wèn)題的主要內(nèi)容的程度，這一點(diǎn)往往是學(xué)生作圖時(shí)做得不夠好的。因此，應(yīng)該讓學(xué)生明確這一要求。解題時(shí)，根據(jù)題的內(nèi)容作圖，把題目的條件、受力特征、物理量的關(guān)系等信息在圖上標(biāo)明，這樣有助于我們正確審題，理解題意，從而正確解題，提高我們分析和解決問(wèn)題的能力。

最后，圖的幾何關(guān)系、大小比例要盡量準(zhǔn)確。準(zhǔn)確畫(huà)圖，有利于直覺(jué)的判斷和對(duì)幾何關(guān)系的把握，有利于視覺(jué)思維的訓(xùn)練和運(yùn)用，因此，要讓學(xué)生養(yǎng)成認(rèn)真畫(huà)圖的好習(xí)慣。

（二）作圖思考并不是針對(duì)某一道或某一類(lèi)題，而是將作圖作為一種思考的方式（或者說(shuō)認(rèn)知的策略），通過(guò)作圖，以物理圖示或圖像的形式建構(gòu)物理模型，展現(xiàn)物理圖景，從而培養(yǎng)學(xué)生建模能力、形象思維、邏輯推理的能力。就筆者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，要正確科學(xué)地作圖必須做好下述三個(gè)關(guān)系的轉(zhuǎn)換。

1. 從表象空間到幾何空間的轉(zhuǎn)換

物理問(wèn)題多以現(xiàn)實(shí)的客觀事物或其運(yùn)動(dòng)過(guò)程為背景，學(xué)生在讀題時(shí)，頭腦中就會(huì)產(chǎn)生以抽象邏輯思維為主導(dǎo)的物理表象，為了準(zhǔn)確地把握要研究的對(duì)象，建構(gòu)合適的物理模型，通常將表象反映成圖，也就是將頭腦中的表象空間通過(guò)構(gòu)圖反映為幾何空間（側(cè)面圖、立體圖、俯視圖、截面圖、過(guò)程示意圖等）。圖在信息轉(zhuǎn)化過(guò)程中的作用是：幫助理解題意，尋找變化規(guī)律，建立各物理量的聯(lián)系。在解題過(guò)程中，邊審題、邊畫(huà)圖，并一一把條件和問(wèn)題用字母符號(hào)注在圖上，使問(wèn)題能在腦中形成完整的表象，不至于因忘記條件或問(wèn)題而中斷解題過(guò)程的思維去重新審題。也就是說(shuō)，圖成為思維的載體，作圖、視圖的過(guò)程就是思維的過(guò)程。

【例1】如圖1（a）所示，質(zhì)量為M= 4kg，長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2m，高度為h=0.2m的小車(chē)在一個(gè)水平向右的拉力F=8N的作用下，以速度v0=4m/s沿水平地面向右方做勻速直線運(yùn)動(dòng)。在某時(shí)刻將質(zhì)量為m=1kg的小鐵塊輕輕地放在長(zhǎng)木板的最右端，若小鐵塊與木板間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和長(zhǎng)木板與水平地面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)均為=0.2，小鐵塊可視為質(zhì)點(diǎn)，g取10m/s2。求：

（1）小鐵塊經(jīng)多長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)木板？

（2）小鐵塊落地時(shí)，落地點(diǎn)距車(chē)尾的距離S？

【分析】本類(lèi)問(wèn)題的難點(diǎn)有兩點(diǎn)，一為小鐵塊和長(zhǎng)木板做何種運(yùn)動(dòng)？另一為如何尋找物理量的數(shù)量關(guān)系，作為建立方程的依據(jù)？審題之后，我們作出運(yùn)動(dòng)示意圖如圖1（b）。

上述運(yùn)動(dòng)示意圖準(zhǔn)確地反映了小鐵塊和長(zhǎng)木板的運(yùn)動(dòng)變化的主要過(guò)程，建立了清晰、直觀的物理圖景，而且通過(guò)圖很容易便發(fā)現(xiàn)位移的數(shù)量關(guān)系是我們建立方程的依據(jù)。因此，通過(guò)作圖完成從表象空間到幾何空間的轉(zhuǎn)換是我們建構(gòu)物理圖景最基礎(chǔ)的一環(huán)。

2. 從原型到模型的轉(zhuǎn)換

趙凱華先生在《我國(guó)赴美物理研究生考試（ucPsne）歷屆試題集解》序言中指出：“在我們的教學(xué)中，同一物理問(wèn)題，既可以把原始的物理問(wèn)題提交給學(xué)生，也可以由教師把物理問(wèn)題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后提交給學(xué)生，習(xí)慣于解后一類(lèi)問(wèn)題的學(xué)生，在遇到前一類(lèi)問(wèn)題時(shí)，往往會(huì)不知所措。”

把實(shí)際問(wèn)題中的原型抽象成物理和數(shù)學(xué)模型，是解決這類(lèi)原始的物理問(wèn)題的關(guān)鍵，我們希望以作圖的形式，將實(shí)際問(wèn)題（原型）合理地簡(jiǎn)化、分解、抽象成物理模型，增強(qiáng)學(xué)生建模意識(shí)，提高學(xué)生問(wèn)題解決能力。

【例2】走繩索的雜技演員在走到繩索中點(diǎn)時(shí)，使水平的繩索下垂θ角，繩索上的張力，應(yīng)是演員體重的多少倍？

【分析】這道題選自閻金鐸主編，梁樹(shù)森著的《物理思維論》，（廣西教育出版社，P132，1996年），他在研究中發(fā)現(xiàn)，一個(gè)班的學(xué)生，在回答這道純文字?jǐn)⑹鲱}時(shí)，有42%的同學(xué)出錯(cuò)。絕大多數(shù)人的錯(cuò)誤原因是未能畫(huà)出如下所示的示意圖（圖2）。而當(dāng)在原題中增加了這個(gè)示意圖以后，結(jié)果只有11%的同學(xué)出錯(cuò)。說(shuō)明即使是對(duì)抽象思維和概念思維逐漸加強(qiáng)的高中生，“作圖”依然是完成從原型到模型的轉(zhuǎn)換的一種很重要的方式。

3. 從物理情境到函數(shù)圖像的轉(zhuǎn)換

作圖的目的是為了結(jié)合抽象的物理規(guī)律解析復(fù)雜的物理過(guò)程，建構(gòu)正確、清晰的物理模型及圖景，單一的物理圖示往往不能形象直觀地反映物理過(guò)程中各物理量的變化情況，而此時(shí)函數(shù)圖像的特點(diǎn)就彌補(bǔ)了這方面的不足。

【例3】如圖3（a）所示，一根絕緣細(xì)桿固定在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，桿和磁場(chǎng)垂直，與水平方向成θ角，桿上套一個(gè)質(zhì)量為m、電量為+q的小球．小球與桿之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ．從A點(diǎn)開(kāi)始由靜止釋放小球，使小球沿桿向下運(yùn)動(dòng)，設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域很大，桿很長(zhǎng)，已知重力加速度為g，求：

（1）定性分析小球運(yùn)動(dòng)的加速度和速度的變化情況；

（2）小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大加速度的大小；

（3）小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最大速度的大小．

【分析】本題的關(guān)鍵就在于洛倫茲力的大小隨速度大小的變化而變化，導(dǎo)致桿對(duì)球的支持力、摩擦力都發(fā)生了變化：起始階段，支持力垂直桿向上，隨洛倫茲力的增加逐漸減小到零，再隨洛倫茲力的增加變成垂直桿向下，并逐漸增加；相應(yīng)的摩擦力便出現(xiàn)先減小后增加的變化，小球便先做加速度不斷增加的加速運(yùn)動(dòng)再做加速度不斷減小的加速運(yùn)動(dòng)，最終勻速。此物理過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，學(xué)生往往由于能力的不足無(wú)從下手，即使是教師講解了，學(xué)生也是似懂非懂，換個(gè)題型又不會(huì)求解，但如果在分析該過(guò)程的同時(shí)，作出相應(yīng)的速度——時(shí)間圖像（圖3（b）），運(yùn)用速度——時(shí)間圖像能形象直觀的反映加速度、速度的變化這一特點(diǎn)去理解這類(lèi)問(wèn)題，往往能起到事半功倍的效果。

綜上所述，通過(guò)作圖解題這一模式，不但可以優(yōu)化學(xué)生探究和解決物理問(wèn)題的思維方式，培養(yǎng)了思維的形象性、整體性、有序性。更重要的在于，通過(guò)作圖思考這一方法，讓學(xué)生學(xué)會(huì)建構(gòu)物理模型，勾畫(huà)物理圖景，使之掌握一定的探索自然科學(xué)的科學(xué)研究方法，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

【參考文獻(xiàn)】

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