基于问题解决的高中物理图景教学分析与探索

郭乔 吴建琴 李婷 黄力行 何晓

【摘 要】图景是高中物理的重要内容之一。研究者在分析概述物理图景的概念、分类及其重要性和功能的基础上，结合人教版高中物理运动学知识，对高中物理图景教学策略进行了探索，即课堂中重视图景，学会读图;练习中强调图景，学会画图;训练中积累图景，学会用图;评价中突出图景，体现评价的实践性，使学生能够更好地发现并理解物理规律，解决物理问题，体会物理之美。

【关键词】物理图景;图景教学;物理规律

【作者简介】郭乔、李婷、黄力行，新疆师范大学在读硕士研究生;吴建琴，教授，主要从事物理课程与教学论、中学物理实验研究;何晓，新疆师范大学教师，主要从事物理课程与教学论、中学物理实验研究。

【基金项目】新疆师范大学“新型光源与微纳光学”实验室基金资助项目“石墨烯产业化技术工艺特性研究”（XJNUSYS2019B07）

物理问题是指通过物理知识或物理思维、方法才能解决的问题，一般分为原始问题和抽象问题两类。原始问题即实际问题，是自然界及社会生产、生活中客观存在的，能够反映物理概念、规律且未被加工的典型物理现象和物理事实[1]。抽象问题是将原始问题进行简化、抽象并人为设置一定的物理量所形成的问题。物理问题解决是学生根据物理情境，在头脑中还原物理过程，并进行质疑、论证、建模，以寻求合适的物理概念、规律和方法来构建物理图景，最终解决问题的过程。

关于物理图景概念的界定目前尚未统一。项华、李永艳认为，物理图景是一种“心智图画”，这种“心智图画”建立在对物理世界的感知基础之上，并通过形象思维与物理世界的相互作用而形成，可借助示意图、函数图像等形象化的方式加以描述[2]。莫金华认为，物理图景是在物理知识的感性认识（含物理现象、物理事实及物理过程）科学物理概念，物理模型，物理规律及定理，物理原理等图景元素的基础上建立的清晰合理的动态结构体系[3]。

参照已有的研究，笔者认为物理图景是人脑中形成的对物理过程兼具形象思维与抽象思维的动态图像，是学生解决物理问题时由感性认识到理性认识的桥梁，是帮助学生成功解题的关键环节。物理图景一般包括图式文本、知识框图、示意图、函数图像等。通过物理图景，可将枯燥难懂的文字信息转化为直观、形象的图像，有助于培养学生的学习兴趣，提高学生的科学思維能力，帮助学生认识物理概念与物理规律，解决物理问题，并体会科学思想与科学精神。

一、图景在高中物理问题解决中的功能

（一）理解物理知识，强化物理观念

（二）分析物理过程，提高科学思维

科学思维是物理学科核心素养的重要组成部分，指人脑对自然界中的事物（包括对象、过程、现象、事实等）的本质属性、内在规律及自然界中事物间的联系和相互关系的间接的、概括的和能动的反映[4]。其主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[5]。

物理图景有助于培养学生的科学思维能力，如教材中有大量的插图和图表，教师可以引导学生学会辨识、分析、归纳和总结，促进学生的观察与思考能力。很多学生在做题时不知如何下手，尤其是面对文字较长的题目时。通过画示意图可将复杂的物理过程与问题直观地表示出来，方便学生厘清物理过程，找到解决问题的突破口。这样不仅有效帮助学生解题，也可以培养学生思维的灵活性、概括性和有序性。如追及或相遇问题、小船渡河问题等就可以通过物理图景帮助学生更好地解题。

例 一辆执勤的警车停在平直的公路边，当一名警员发现从他旁边经过的一辆以10m/s速度匀速行驶的货车有超载行为时，决定去追赶，2.4s后警车发动起来，警车在追上货车前都可视为做加速度a=2m/s2的匀加速运动。求：警车追上货车前，两车的最大距离。

解析：首先分析物理过程，画出货车和警车运动过程的速度—时间图像（如图3），则速度图线与横轴和纵轴围成的图形面积表示位移。在警车追上货车之前，当警车速度小于货车速度时，两车距离逐渐增大;当警车速度大于货车速度时，两车距离逐渐减小。故当两车速度相等时，两车距离最大，即为图中的②区域面积。然后根据图中信息进行求解。

物理函数图像是数形结合的物理图景，优点在于直观反映事物的动态变化，其过程清晰、简单。如以上例题中，通过画出函数图像，对其进行语言复述，可让学生在头脑中清晰还原物理过程，培养学生的形象思维。同时，利用函数图像也可推导出基本的物理公式，如通过匀变速直线运动的速度—时间图像可推导出位移公式等，以培养学生的抽象思维、发展思维和理解物理概念的能力，让学生掌握科学的研究方法。

（三）解决物理问题，增强科学态度与责任

科学态度与责任是指在认识科学本质，理解科学·技术·社会·环境关系的基础上，逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度及责任感，主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素[6]。教师在引导学生通过图像分析物理过程解决问题时，要让学生本着科学严谨的态度认真作图，实事求是，从而养成科学规范的作图习惯，促进其形成严谨的思维方式和做事风格，增强科学态度与责任。例如，在探究小车在重物牵引下速度随时间变化的规律时，得到如图4所示的纸带，分析纸带可以很直观地判断小车做匀加速运动，通过测量相邻两点间的距离，以及根据一段时间内中间时刻的瞬时速度等于这段时间的平均速度求解出各点的瞬时速度，最终得出加速度。为证明所求加速度的准确性，可绘制速度—时间图像（如图5），根据斜率等于小车的加速度进行验证。

二、基于问题解决的高中物理图景教学策略

提高学生问题解决的能力是高中物理学习的重要目的之一，也是提高学生科学素养的重要体现。构建物理图景不仅能帮助学生直观地理解物理概念和规律，也能帮助学生更有效地厘清思路，解决物理问题。教师要帮助学生掌握构建物理图景的方法，使学生学会读图、画图、用图，将复杂的物理问题简单化、具体化。为此，笔者提出基于问题解决的高中物理图景的几个教学策略。

（一）课堂中重视图景，学会读图

笔者分析近五年的高考全国物理Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ卷，发现大多数试题都配有图片，其中，以示意图和函数图像居多。学生需要结合试题要求仔细分析图片，在读图的过程中获取有用信息，达到正确解题的目的。为此，教师可以根据教学需要采用插图、视频、实验等给学生提供形象基础，最大化地利用教材中的图景，鼓励学生联系生活中的物理情境进行解题。

例如，对于人教版高中物理必修第一册（2019年版）“自由落体运动”的教学，教师通过牛顿管实验演示铁片与羽毛的下落速度，得出没有空气阻力的影响时，轻物体与重物体下落得同样快的结论;通过频闪摄影或用打点计时器研究自由落体运动规律，对得到的频闪照片或纸带进行分析得出重力加速度等。

同时，教师要引导学生学会看图、学会辨析，让学生说出从图片中获得的信息。如图6是物体运动的位移—时间图像，让学生讨论并回答横坐标、纵坐标、斜率、最高点、最低点等分别表示什么，判断物体在各时间段内做什么形式的运动。

（二）练习中强调图景，学会画图

教师的言传身教对学生的影响是巨大的，因此，在教学过程中，教师应在强调画图重要性的同时做出表率，利用直尺、圆规等工具规范作图，潜移默化地影响学生作图的规范性。同时，不断启发学生思考，让学生明白在解题过程中，画图是厘清物理过程的重要方法。如在教授竖直上抛运动知识时，教师通过画图分析竖直上抛运动的各个阶段，使学生理解竖直上抛运动的过程，掌握竖直上抛运动的规律等。

另外，教师应循序渐进地培养学生的画图习惯，让学生多练习。如对于物理情景尽量用文字描述，减少配图，要求学生通过规范作图（示意图或函數图像）解决物理问题，强化学生的图像表征意识。再如在复习阶段，要求学生自己总结所学物理知识，画出知识框图并进行小组讨论等。

（三）训练中积累图景，学会用图

通过多种手段，夯实学生物理基础知识和模型的积累，循序渐进地培养学生的图景建构能力。从一个研究对象一个过程、一个研究对象多个过程、两个研究对象一个过程、两个研究对象两个过程、多个研究对象多个过程等情况中积累图景。如斜面模型、长木板模型、传送带模型、单摆模型、圆弧模型、圆盘模型、抛体运动模型等。

教师应鼓励学生多观察、多思考，观察生活中的物理情景，分析其物理状态与物理过程，从而在头脑中形成动态的物理图景，存储于记忆中。这样，在解答物理问题时，学生才能随时调用头脑中的图景，并灵活运用。

（四）评价中突出图景，体现评价的实践性

评价具有诊断、激励、调节和教学等作用，通过评价，不仅让师生明确教与学的情况，也对学生的学习动机具有激发作用。教师可以结合形成性评价对学生进行激励，运用发展的眼光对待每一名学生，及时调整教学工作，提高学生的学习兴趣和运用物理图景解决问题的能力。如针对画图能力制订评价标准，由学生进行自我评价或互相评价;对考题进行创新，增加作图项目，通过考试对学生进行评价;结合学生的认知能力，运用适宜的评价方法对学生展开综合性评价等，从而促进物理教学质量的提升，提高学生运用物理图景解决问题的能力。

三、小结

对学生物理图景素养的培养不是一朝一夕就能完成的，这就要求教师自身要对物理图景有清晰的认识，在教学过程中有意识地渗透物理图景的思维方式，并通过各个环节培养学生应用物理图景的习惯，让学生能应用其发现并理解物理规律，解决物理问题，体会物理之美。

参考文献：

[1] 邢红军，陈清梅.对原始物理问题教学的思考[J].中国教育学刊，2006（8）：67-69.

[2]项华，李永艳.物理图景素养的培养：模型、问题与对策[J].课程·教材·教法，2008（3）：59-62，77.

[3]莫金华.高中电磁学物理图景教学研究[D].成都：四川师范大学，2012.

[4]胡卫平，林崇德.青少年的科学思维能力研究[J].教育研究，2003（12）：19-23.

[5]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[6]胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现[J].中学物理教学参考，2017（8）：1-3.

（责任编辑：罗小荧）