一道相對運動圖像試題的評析、反思與教學建議

許冬保 朱文惠

摘 要：2021年湖北省學業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容.在應用相對運動的方法解決有關問題時，學生表現無奈、茫然，教學效率低下.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，教學設計存在誤區.為此，在陳述性知識與程序性知識教學設計的架構下，提出相對運動教學的建議.

關鍵詞：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，中學高級教師，研究方向：中學數學教育研究.

1 試題呈現

2.2 評價

試題是一道學習探索情境化試題，主要考查考生“科學思維”學科素養中的科學推理、科學論證以及“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律、牛頓運動定律等內容，要求考生能夠利用所給的圖像，從圖像上獲取信息，運用所學物理概念和規律解決相關問題.

試題在經典板塊模型的基礎上，摒棄傳統的命題思路，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、推理論證能力及創新能力.

2.3 拓展

若以地面為參考系，在同一坐標系中，畫出A和B的速度圖像.

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

3 教學反思

該題在測試中，實測難度較大，且區分度較低，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“由教教材轉變為用教材教”的課程理念.但在實際教學中，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.在我國中學物理教材中，長期以來，“相對運動”既非課程內容，也非高考考試大綱所列考查內容.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于物理學的有關理論及解題訓練之中.由于相對運動及其有關概念在教材中未獨立成節，因而在教學中當我們試圖用相對運動的分析方法解決問題時，學生表現的是被動接受，陌生、茫然之態常常充斥著課堂.這種現象的出現與教材及考綱的缺漏是有直接關聯的.

3.2 習題教學的設計誤區

在信息加工心理學中，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.在習題教學中，由于學生缺少陳述性知識的基礎，直接用相對運動的分析方法解決問題，就方法講方法，這樣的教學設計，會造成學生學習的被動，使學生覺得突兀、恍惚.如此的教學設計也表現在其他的習題教學中.撇開知識、一味講方法的設計策略，是造成當下習題教學效率低下的主要原因.

4 教學建議

信息加工心理學表明，問題解決作為一種認知活動或思維活動，它與知識的關系體現在兩個方面：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過程.基于此，問題解決具體學習的性質，問題解決可以對知識結構的完善、優化具有十分重要的意義.這對于教學具有重要的指導意義.

4.1 關于陳述性知識與程序性知識的教學設計

認知心理學是以信息加工為核心的心理學，運用信息加工觀點來研究認知活動，其研究范圍主要包括感知覺、注意、表象、學習記憶、思維和言語等心理過程或認知過程，以及兒童的認知發展和人工智能（計算機模擬）.認知心理學指出：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，具有靜態的性質;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形式間接推測的知識.認知策略是指學習者用于支配自己的心智加工過程的內部組織起來的技能，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，具有動態的性質[2].

陳述性知識和程序性知識是學生形成正確價值觀念、必備品格和關鍵能力之基礎.陳述性知識和程序性知識雖然內涵不同，但兩者并不是孤立的，它們之間有相互促進和轉化的關系，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和前提，程序性知識的獲得，能夠進一步發展學生的能力，因而也更有利于學生掌握陳述性知識[3].相對運動及其相關知識是陳述性知識，由于教材的缺漏，少了作為陳述性知識的內容.在教學中必須作較為系統的補充，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.相對運動作為解決問題的重要的物理科學方法，單靠講是不可取的，要將教師的“講”與學生的“悟”（包括必要的習題訓練）結合起來.教學中既不能用陳述性知識的教學方法替代程序性知識的教學，也不能用程序性知識的教學方法替代陳述性知識的教學.

4.2 相對運動教學建議

在習題教學中，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）、了解學生的知識基礎，在教學實施中，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內容.在問題解決中要通過具體的案例，使學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識、理解參考系的變換及速度矢量疊加原理.建議將以下內容列入教學設計中.

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，往往用右下標字母來區分相關速度.設物體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 結束語

物理課程標準[6]指出，運動與相互作用觀念是物理學科核心素養之重要內容.從物體間相對運動或相對運動趨勢產生摩擦力到摩擦發熱的定量計算（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（對粒子反應真正有用的相對動能）;從經典物理學小船渡河問題中速度的合成到近代物理學相對論時空觀，可以說，相對運動及其相關知識貫穿于物理學的始終.

如前所述，我國中學物理教材并未系統介紹相對運動及其相關知識，由于缺失作為陳述性知識教學的重要環節，因而在習題教學中，講授相對運動分析方法時，宜增補相對運動的有關知識，做到陳述性知識與程序性知識的教學統一，從而促進兩者之間的相互作用、相互轉化.

相對運動作為重要的物理內容，對于物理學其他有關新知識的學習，對學生認知結構的完善，是不可或缺的;相對運動分析問題的方法，是重要的科學思維方法，對學生物理觀念的形成，對學生理解能力、推理論證能力與創新能力的提升，意義深遠.

相對運動及其相關知識，是教材重要的課程資源，應該成為重要的教學目標和學生的學習內容.美國高中主流理科教材[7]及我國大學物理教材[8-11]，對于相對運動及其相關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容之一，能在教材中獨立成節.

參考文獻：

[1]辛自強.問題解決與知識建構[M].北京：教育科學出版社，2005.

[2]陳剛.物理教學設計[M].上海：華東師范大學出版社，2009.

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

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

[5]顧建中.普通物理學簡明教程力學部分[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準（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.科學發現者（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[M].北京：高等教育出版社，2004.

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

[10]楊維纮.力學[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2004.

[11]梁昆淼.力學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2010.

（收稿日期：2021-06-01）