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動學(xué)知識，對高中物理圖景教學(xué)策略進行了探索，即課堂中重視圖景，學(xué)會讀圖;練習(xí)中強調(diào)圖景，學(xué)會畫圖;訓(xùn)練中積累圖景，學(xué)會用圖;評價中突出圖景，體現(xiàn)評價的實踐性，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)物理實驗研究;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)物理實驗研究。

【基金項目】新疆師范大學(xué)“新型光源與微納光學(xué)”實驗室基金資助項目“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。原始問題即實際問題，是自然界及社會生產(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[1]。抽象問題是將原始問題進行簡化、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的感性認(rèn)識（含物理現(xiàn)象、物理事實及物理過程）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物理過程兼具形象思維與抽象思維的動態(tài)圖像，是學(xué)生解決物理問題時由感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的橋梁，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)識物理概念與物理規(guī)律，解決物理問題，并體會科學(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，強化物理觀念

（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，指人腦對自然界中的事物（包括對象、過程、現(xiàn)象、事實等）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)會辨識、分析、歸納和總結(jié)，促進學(xué)生的觀察與思考能力。很多學(xué)生在做題時不知如何下手，尤其是面對文字較長的題目時。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，決定去追趕，2.4s后警車發(fā)動起來，警車在追上貨車前都可視為做加速度a=2m/s2的勻加速運動。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，畫出貨車和警車運動過程的速度—時間圖像（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，兩車距離逐漸增大;當(dāng)警車速度大于貨車速度時，兩車距離逐漸減小。故當(dāng)兩車速度相等時，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)點在于直觀反映事物的動態(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，對其進行語言復(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，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動的速度—時間圖像可推導(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)識科學(xué)本質(zhì)，理解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的對科學(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，要讓學(xué)生本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度認(rèn)真作圖，實事求是，從而養(yǎng)成科學(xué)規(guī)范的作圖習(xí)慣，促進其形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S方式和做事風(fēng)格，增強科學(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間變化的規(guī)律時，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動，通過測量相鄰兩點間的距離，以及根據(jù)一段時間內(nèi)中間時刻的瞬時速度等于這段時間的平均速度求解出各點的瞬時速度，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—時間圖像（如圖5），根據(jù)斜率等于小車的加速度進行驗證。

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教學(xué)策略。

（一）課堂中重視圖景，學(xué)會讀圖

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、實驗等給學(xué)生提供形象基礎(chǔ)，最大化地利用教材中的圖景，鼓勵學(xué)生聯(lián)系生活中的物理情境進行解題。

例如，對于人教版高中物理必修第一冊（2019年版）“自由落體運動”的教學(xué)，教師通過牛頓管實驗演示鐵片與羽毛的下落速度，得出沒有空氣阻力的影響時，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計時器研究自由落體運動規(guī)律，對得到的頻閃照片或紙帶進行分析得出重力加速度等。

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

（二）練習(xí)中強調(diào)圖景，學(xué)會畫圖

教師的言傳身教對學(xué)生的影響是巨大的，因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)在強調(diào)畫圖重要性的同時做出表率，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，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動知識時，教師通過畫圖分析豎直上拋運動的各個階段，使學(xué)生理解豎直上拋運動的過程，掌握豎直上拋運動的規(guī)律等。

另外，教師應(yīng)循序漸進地培養(yǎng)學(xué)生的畫圖習(xí)慣，讓學(xué)生多練習(xí)。如對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，強化學(xué)生的圖像表征意識。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，畫出知識框圖并進行小組討論等。

（三）訓(xùn)練中積累圖景，學(xué)會用圖

通過多種手段，夯實學(xué)生物理基礎(chǔ)知識和模型的積累，循序漸進地培養(yǎng)學(xué)生的圖景建構(gòu)能力。從一個研究對象一個過程、一個研究對象多個過程、兩個研究對象一個過程、兩個研究對象兩個過程、多個研究對象多個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、拋體運動模型等。

教師應(yīng)鼓勵學(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態(tài)的物理圖景，存儲于記憶中。這樣，在解答物理問題時，學(xué)生才能隨時調(diào)用頭腦中的圖景，并靈活運用。

（四）評價中突出圖景，體現(xiàn)評價的實踐性

評價具有診斷、激勵、調(diào)節(jié)和教學(xué)等作用，通過評價，不僅讓師生明確教與學(xué)的情況，也對學(xué)生的學(xué)習(xí)動機具有激發(fā)作用。教師可以結(jié)合形成性評價對學(xué)生進行激勵，運用發(fā)展的眼光對待每一名學(xué)生，及時調(diào)整教學(xué)工作，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和運用物理圖景解決問題的能力。如針對畫圖能力制訂評價標(biāo)準(zhǔn)，由學(xué)生進行自我評價或互相評價;對考題進行創(chuàng)新，增加作圖項目，通過考試對學(xué)生進行評價;結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力，運用適宜的評價方法對學(xué)生展開綜合性評價等，從而促進物理教學(xué)質(zhì)量的提升，提高學(xué)生運用物理圖景解決問題的能力。

三、小結(jié)

對學(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物理圖景有清晰的認(rèn)識，在教學(xué)過程中有意識地滲透物理圖景的思維方式，并通過各個環(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，體會物理之美。

參考文獻：

[1] 邢紅軍，陳清梅.對原始物理問題教學(xué)的思考[J].中國教育學(xué)刊，2006（8）：67-69.

[2]項華，李永艷.物理圖景素養(yǎng)的培養(yǎng)：模型、問題與對策[J].課程·教材·教法，2008（3）：59-62，77.

[3]莫金華.高中電磁學(xué)物理圖景教學(xué)研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2012.

[4]胡衛(wèi)平，林崇德.青少年的科學(xué)思維能力研究[J].教育研究，2003（12）：19-23.

[5]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.

[6]胡衛(wèi)平.物理學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與表現(xiàn)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017（8）：1-3.

（責(zé)任編輯：羅小熒）