物理學科必備知識結構化的實施路徑

福建 康賢明 李蘭芝

《中國高考評價體系》以下簡稱高考評價體系由“一核四層四翼”組成。其中“四層”為考查內(nèi)容，包括核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力和必備知識，回答了高考“考什么”的問題。在“四層”中必備知識的積累是形成關鍵能力和學科素養(yǎng)的基礎，也是高三復習備考的重點內(nèi)容。高考評價體系強調(diào)必備知識的考查，不是強調(diào)對知識的死記硬背以及對孤立的、靜態(tài)的知識點的考查，而是要求學生在培養(yǎng)物理關鍵能力和學科素養(yǎng)的養(yǎng)成過程中必須具備可遷移的知識。讓學生掌握必備的可遷移的知識的關鍵是要建立牢固的知識結構及利用知識結構解決問題。本文通過物理學科必備知識的結構及其建構的路徑，探索備考策略，為科學復習提供一定指導作用。

一、物理學科必備知識的結構

物理學科的必備知識是由物理學科的基本事實、基本概念、基本規(guī)律、基本方法組成的基礎知識體系。高中物理學科的基本事實是什么？筆者認為，物理學科的基本事實是由物理觀念所統(tǒng)領。物理觀念包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念和能量觀念。物理觀念的結構可用圖1表示，其中物質(zhì)運動是物理學研究的現(xiàn)象，而相互作用和能量是研究物質(zhì)運動的兩條線索。物理觀念結構圖可以說是物理學科必備知識的主框架，基本概念、基本規(guī)律和基本方法都要在這個主框架上進行搭建。

圖1 物理觀念的結構圖

對于學生而言，物理觀念結構圖過于抽象，不易把握。筆者將物質(zhì)的運動形象地描述為“對象在環(huán)境中經(jīng)歷的過程”，因為高中階段所研究的大多數(shù)物理現(xiàn)象，本質(zhì)上都是某個研究對象在某個環(huán)境中經(jīng)歷的某個過程，物理學首先要描述這個過程，說明如何經(jīng)歷這個過程，然后再從相互作用和能量兩個角度解釋形成這個過程的原因。實際情況往往比較復雜，而為了描述和解釋這些基本事實，物理學通過建立理想化模型的方法，使描述的對象、環(huán)境和過程都模型化，再用物理規(guī)律表達這些基本事實就相對簡單了。基于此，筆者將物理學科的基本事實用圖2表示，即物理學描述的基本事實是研究對象模型在環(huán)境模型中經(jīng)歷的過程模型的規(guī)律。這個基本事實結構圖既是物理學科必備知識的框架，又是物理解題的思維框架。

圖2 基本事實結構圖

概念是表達的工具。物理學科需要一些專業(yè)的語言表達物理現(xiàn)象。在基本事實框架的基礎上，就可以搭建基本概念的結構。而物理學中的概念大多是對物理量的相關描述，筆者按照基本事實的結構，把物理量分為四種：物質(zhì)特征量、狀態(tài)量、過程量和作用量。其中物質(zhì)特征量簡稱特征量，是描述物質(zhì)屬性的物理量。由于物質(zhì)分為對象和環(huán)境，則可將特征量分為兩類，一是對象特征量，常見的有質(zhì)量m、電量q、電流I等；二是環(huán)境特征量，環(huán)境又分為場環(huán)境和裝置環(huán)境。場環(huán)境的特征量有重力加速度g、電場強度E、磁感應強度B等，而裝置環(huán)境的特征量有動摩擦因數(shù)μ和勁度系數(shù)k等。一個物理過程是從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化，描述狀態(tài)的物理量有位置x、速度v、動量P、動能Ek；過程量有時間t、位移s；作用量有力F、沖量I、功W，需說明的是沖量I和功W也可以歸為過程量。基本概念結構圖如圖3所示。圖3中并沒有包括高中物理所有物理量，但基本包含了力學(包括電場和磁場)體系的核心物理量。盡管將物理量按照該方法進行分類可能并不科學，但有利于解題時對信息進行梳理。

圖3 基本概念結構圖

規(guī)律是概念的聯(lián)系。對象在環(huán)境中，對象與環(huán)境的相互作用的規(guī)律就是各種類型的力的規(guī)律，而這些規(guī)律是對象特征量與環(huán)境特征量的組合，例如重力G=mg，就是對象的特征量質(zhì)量m和重力場環(huán)境特征量g的組合。對象經(jīng)歷過程的規(guī)律，分為規(guī)律的描述和解釋，如用運動學物理量和運動學公式或函數(shù)描述運動過程的規(guī)律，用動量定理或動能定理解釋形成運動的過程的原因。基本規(guī)律結構圖如圖4所示。圖中描述過程的規(guī)律包括三個因果和兩個守恒。三個因果是指牛頓運動定律、動量定理和動能定理，而兩個守恒是指動量守恒和能量守恒。

圖4 基本規(guī)律結構圖

基本事實的結構是“對象在環(huán)境中經(jīng)歷過程”，那么解決問題的思維流程就是找對象、找環(huán)境和找過程，如圖5所示。教學中要求學生始終抓住這個流程，按照流程進行審題和解題。利用該流程圖解題，學生能較容易結構化的調(diào)用所梳理的知識結構。如分析環(huán)境時，就會從試題信息中找到相應環(huán)境信息，建構環(huán)境模型，再從知識結構圖中回憶不同環(huán)境的特點并進行分析，最后用受力分析圖表示出來；再如分析過程時，根據(jù)試題的信息建構過程模型，然后畫出過程草圖。畫完受力分析圖和過程草圖后，再根據(jù)圖中標注的信息，選擇合適的規(guī)律列方程求解。

圖5 解題思維結構圖

筆者認為，在剛進入高三復習時，教師就可以將圖1至圖4這四個結構圖用講授法介紹給學生，讓學生有一個初步的認識，并能站在一定的高度俯瞰高三復習，同時讓學生對整個知識體系有總體的認識，使復習有了結構和方向。

二、逐步完善知識結構和思維結構

必備知識結構化只搭個框架還遠遠不夠。學生要理解這個框架的內(nèi)涵，形成物理觀念，需要在框架的基礎上進行添磚加瓦，逐步完善知識結構。而且在整個高三復習中，要以基本框架為導航系統(tǒng)進行。下面將舉例說明完善知識結構的具體實施方案。

【例1】描述運動的物理量的知識結構圖

在復習“運動的描述”單元時，如果讓學生畫知識結構圖，學生往往只能畫出知識羅列型的樹狀圖，這樣的結構圖只是便于記憶，不能加深對知識的理解。描述運動的各物理量之間存在嚴密的邏輯關系，如圖6所示。復習中，教師可以先引導學生經(jīng)歷圖6的構建過程，然后要求學生能自主繪制該結構圖。值得強調(diào)的是，該圖不要直接給學生，應該先讓學生自己畫羅列型的樹狀圖，然后引導學生思考樹狀圖中的知識點與知識點之間的聯(lián)系，最后再一步步引導學生畫出結構圖，讓學生親身體驗知識結構的搭建過程。

圖6 描述運動的物理量結構

【例2】運動模型結構圖

以質(zhì)點在重力場中的不同運動問題為情境，梳理運動模型，包括勻變速直線運動、自由落體運動、豎直上拋運動、平拋運動、圓周運動等。圖7為運動模型的結構圖，該圖主要是運動模型的分類，可以引導學生利用思維導圖軟件進行繪制，便于學生比較、梳理和記憶。實際操作中，還可以讓學生自己進行細化，畫出屬于自己的知識結構圖。

圖7 運動模型結構圖

【例3】環(huán)境模型結構圖

以物體在不同環(huán)境中的平衡問題為情境，梳理環(huán)境模型，完善物質(zhì)觀念和相互作用觀念。環(huán)境模型結構圖如圖8所示。教師幫助學生梳理出該框架后，要求學生在該框架的基礎上進一步細化，完善每個環(huán)境模型的特點和細節(jié)。如重力場的兩個基本模型，即在小尺度空間內(nèi)的重力場和在大尺度空間的重力場，分別有什么規(guī)律。

圖8 環(huán)境模型結構圖

【例4】靜電場的知識結構圖

靜電場這一環(huán)境模型，高中階段要求比較高、涉及的物理量也較多，如果僅簡單的羅列這些物理量，學生往往無法理解其內(nèi)涵，且容易遺忘。從研究物質(zhì)運動的兩條線索出發(fā)，梳理靜電場力的性質(zhì)與能的性質(zhì)，幫助學生梳理出一個網(wǎng)狀的立體式知識結構圖，如圖9所示。

圖9 靜電場知識結構圖

三、知識結構圖指導下的復習策略

知識結構和思維結構只是框架和方向，高三復習中，如何在結構的導向下在框架上添磚加瓦呢？筆者的做法是聚焦框架中的某個點，編寫題組，并讓學生進行刻意訓練。所謂刻意練習是指教師結合學情，把要訓練的內(nèi)容拆分成有針對性的小塊，讓學生在“學習區(qū)”內(nèi)對每一個小塊進行重復練習，教師再針對訓練的情況給出反饋和改進建議。學生通過高一高二的學習已經(jīng)儲備了一定的物理學科必備知識，高三復習的目的就是要讓知識結構化，所以刻意練習也應該是結構化的練習。下面舉例說明。

【案例1】多題一解，完善知識結構

本題組的教學內(nèi)容是對象在環(huán)境中做勻速直線運動。教學目標是學會建構勻速直線運動的模型，學會分析不同環(huán)境下物體的受力，理解不同環(huán)境的特點。

【訓練1】如圖10所示，一質(zhì)量為m的正方體物塊置于風洞內(nèi)的水平面上，其一面與風速垂直，當風速為v0時剛好能推動該物塊。已知風對物塊的推力F∝Sv2，其中v為風速、S為物塊迎風面積。當風速變?yōu)?v0時，剛好能推動用同一材料做成的另一正方體物塊，求該物塊的質(zhì)量。

圖10

【訓練2】如圖11所示，質(zhì)量為M的探空氣球在勻速下降，若氣球所受浮力F始終保持不變，氣球在運動過程中所受阻力僅與速率有關，重力加速度為g。現(xiàn)欲使該氣球以同樣速率勻速上升，則需從氣球吊籃中減少的質(zhì)量為多少？

圖11

【訓練3】在雷雨云下沿豎直方向的電場強度為104V/m，已知一半徑為1 mm的雨滴在此電場中不會下落，取重力加速度大小為10 m/s2，水的密度為103kg/m3。求雨滴攜帶電荷量的最小值。

【訓練4】一平行板電容器的兩個極板水平放置，兩極板間有一帶電量不變的小油滴，油滴在極板間運動時所受空氣阻力的大小與其速率成正比。若兩極板間電壓為零，經(jīng)過一段時間后，油滴以速率v勻速下降；若兩極板間的電壓為U，經(jīng)一段時間后，油滴以速率v勻速上升。若兩極板間電壓為-U，求油滴做勻速運動時速度大小和方向。

圖12

本題組5道習題的事件結構都是對象在環(huán)境中做勻速直線運動，雖試題的情境不同，解法卻幾乎相同，即同一直線上的受力平衡問題。學生在完成試題的過程中，自然而然的經(jīng)歷了對知識結構和思維結構的構建。教學中還可以讓學生發(fā)散思維，在知識結構中，研究對象還可以在哪些環(huán)境或環(huán)境的組合中做勻速直線運動。可見，在這樣的刻意練習中，學生的目標明確、方向聚焦，教師無需太多的講解，只需在關鍵之處對學生進行點撥即可。復習中，教師可以選取不同的切入點，設計編寫大量這樣的題組，讓學生進行訓練。

【案例2】一題多問，使知識結構圖立體化

針對某一情境，結合教學目標，設計不同層次、逐層遞進的設問，讓學生在解決問題的過程中完成知識結構的構建。舉例如下：

如圖13所示，水平線MN上方有一水平向右的勻強電場，一帶電粒子從A點以速度v0豎直向上射入電場，粒子的質(zhì)量為m、電荷量為+q，到達點B時的速度方向變?yōu)樗剑笮?v0，已知重力加速度大小為g，求：

圖13

(1)粒子從A運動到B的時間；

(2)AB兩點豎直方向的距離、水平方向的距離；

(3)從A點到B點，粒子動能的變化量；

(4)從A點到B點，粒子重力勢能的變化量；

(5)從A點到B點，粒子電勢能的變化量；

(6)從A點到B點，粒子機械能的變化量；

(7)AB兩點的電勢差；

(8)勻強電場的電場強度；

(9)粒子再次經(jīng)過水平線MN上的C點(圖13中未畫出)時A、B間的距離；

(10)粒子再次經(jīng)過水平線MN上的C點(圖13中未畫出)時的速度大小；

(11)從A到C的過程中，粒子動能的最小值。

本題改編自選擇題，如果讓學生直接對原題進行訓練，學生往往淺嘗輒止，做出答案就不再深究了，若改成多個設問的解答題，學生在逐一解決的過程中，需要調(diào)用圖9中靜電場的知識結構圖，學生不斷調(diào)用知識結構圖的過程，就是使知識結構圖深化和立體化的過程。

四、結束語