物理圖像的能力價值與從學(xué)生學(xué)的視角組織物理圖像教學(xué) お

盧慕稚 馬廣明

1問題的提出

知識可以用來解決問題，所以說知識有應(yīng)用價值；類似，知識的學(xué)習(xí)過程可以使學(xué)生獲得某些能力的發(fā)展，因此知識也具有能力價值 .在中學(xué)物理圖像及其教學(xué)的研究中，在默認(rèn)物理圖像屬于描述物理知識的一種語言的前提下，也應(yīng)該看到圖像作為物理學(xué)的一種重要研究方法對學(xué)生的能力發(fā)展有價值.本文試以物理圖像如何能促進(jìn)學(xué)生的能力發(fā)展，以及究竟對哪些能力有較明顯的培養(yǎng)效果這些問題作切入點，討論物理圖像對學(xué)生的能力價值.然后再重點從學(xué)生學(xué)的角度，討論教師可以如何實現(xiàn)物理圖像的能力價值，以期為教學(xué)的實際運作提供一些思考的基礎(chǔ)與可行的思路.

2解物理圖像題涉及的認(rèn)知功能及其相應(yīng)的能力

2.1信息傳遞功能與讀取信息能力

對測試而言，命題者需要給被試呈現(xiàn)問題及其情境，與測試相關(guān)的所有信息都在試題表述之中.在紙介測試的條件下，這些信息只能依靠文字、圖與圖像來實現(xiàn).大多數(shù)情況下，包含同樣信息量的物理圖像比文字要簡潔（當(dāng)然也比文字描述和公式表述更直觀）.例如一定質(zhì)量的運動質(zhì)點的v-t線，包含著對該質(zhì)點運動的性質(zhì)信息，包含著它在諸多時刻的狀態(tài)信息（如相對位置、運動方向、速度、加速度、動量與動能等），還包含著它在不同時刻之間的狀態(tài)變化信息.由此，不少題之所以選擇物理圖像呈現(xiàn)物理情境和物理現(xiàn)象，給出物理條件與物理過程，就是基于圖像的這種信息傳遞功能；而測試目的之一就是考察學(xué)生從圖像讀取信息的能力.例如振動圖象（x-t圖）與波動圖象（y-x圖）同時都含有動態(tài)信息與靜態(tài)信息的內(nèi)容，這一綜合特征成為呈現(xiàn)波動問題豐富信息的直觀手段.

2.2邏輯推理功能與數(shù)理邏輯能力

在利用已有條件和必要假設(shè)以及依據(jù)物理概念規(guī)律進(jìn)行的邏輯分析中，可以從物理圖像上對條件間的聯(lián)系做出直接判斷，從而為推理指明思維的方向；也可利用圖像表明的特殊狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)隱含條件.圖像對邏輯分析問題的這種作用能較明確地表現(xiàn)出學(xué)生的數(shù)理邏輯能力.圖像的邏輯推理功能通常表現(xiàn)在以下幾個方面.

[HJ1.66mm]（1）在問題設(shè)置中，利用圖像給出情境中兩個物理量之間的變化，讓學(xué)生做出對過程性質(zhì)與特點的判斷.例如；安徽2012年高考物理卷第17題，設(shè)置帶電粒子在電場中僅受靜電力作用，做初速度為零的直線運動.給出其電勢能Ep與位移x的關(guān)系圖象，判斷題中圖象展示的四個過程的正確與否.

（2）設(shè)置問題情境，讓學(xué)生依托物理規(guī)律及其推證，尋求物理量間的變化圖象.例如：北京2014年高考理綜卷第21題，設(shè)置電源電動勢與內(nèi)阻確定的閉合電路，尋求電源的輸出功率與電路的路端電壓之間的變化關(guān)系圖象.

（3）借助圖像，實現(xiàn)對所學(xué)知識的概括總結(jié).典型的例子如北京2010年高考理綜卷第20題，給出一般性的函數(shù)圖象y=kx+b.（k>0，b>0），讓學(xué)生分析選項所給[JP3]出的四種情況下，對應(yīng)物理變化滿足這樣函數(shù)關(guān)系的過程.[JP]

這種圖像既考查與培養(yǎng)物理知識的理解能力和應(yīng)用物理知識解決問題能力，也體現(xiàn)出對知識的概括化、系統(tǒng)化、聯(lián)系化與內(nèi)在邏輯化的要求.

[JP3]3從學(xué)生學(xué)的視角，組織凸顯能力價值的物理圖像教學(xué)[JP]

注意到物理圖像教學(xué)中一般側(cè)重圖像對知識的理解和解題的應(yīng)用，教師可能缺乏通過物理圖像培養(yǎng)學(xué)生能力的自覺意識；而且教師通常是從“教”的角度組織圖像教學(xué).本文下面將重點從學(xué)生學(xué)的角度，討論教師如何實現(xiàn)物理圖像的能力價值.

3.1對物理圖像，學(xué)生到底都需要學(xué)什么？

在教師開始重視圖像教學(xué)以后，按以往的教學(xué)邏輯，可能依然是學(xué)生要學(xué)會運用圖像法解題，或者如何利用圖像更深地理解物理概念、規(guī)律.本文認(rèn)為，學(xué)生最要學(xué)的不是“使用或?qū)嵱谩毙再|(zhì)的內(nèi)容，而是作為其源與基礎(chǔ)的物理圖像本身的內(nèi)涵.對物理圖像作用的理解不能停留在抽象地認(rèn)為它是一種重要的物理學(xué)研究方法，具有直觀、形象的特點這一簡單水平.還需要對物理圖像的方法屬性；它與其它數(shù)學(xué)方法在物理學(xué)中功能的差異；中學(xué)所涉及的物理圖像與數(shù)學(xué)圖象的異同；物理圖像的成立、生成、物理內(nèi)涵、物理意義與應(yīng)用等等 有清楚的認(rèn)識.

首先，由物理公式或變形來的任何函數(shù)都可以有其數(shù)學(xué)圖象，可用來解物理題，但只有那些具有物理意義的函數(shù)圖象才可稱之為物理圖像.其次，根據(jù)坐標(biāo)軸代表的物理量，用坐標(biāo)系呈現(xiàn)出幾個物理量的變化及其相互關(guān)系，可以展現(xiàn)其物理狀態(tài)及狀態(tài)變化的過程.對物理現(xiàn)象及物理過程而言，圖像不僅是對文字語言描述的一種補(bǔ)充，還是一種豐富和完善，即物理圖像語言還擁有自己的“詞匯”體系.它們除了具有原有的數(shù)學(xué)意義外，自身還有明確的物理學(xué)的涵義.例如物理圖像中的“點”，表示由坐標(biāo)軸的物理量所標(biāo)示的一種物理運動狀態(tài)，而截距、端點、曲線交點則分別代表一種特定的物理狀態(tài)；物理圖像中的“線”既表征某種性質(zhì)的運動過程，又反映了運動狀態(tài)隨時刻（或其它物理量） 改變或不變的相互關(guān)系和運動的變化趨勢以及相關(guān)物理概念在某種條件下的聯(lián)系.

3.2物理圖像的教學(xué)，也須尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律

雖然有些物理圖像的基本知識可以通過講授完成，但無論是想讓學(xué)生學(xué)懂物理圖像與數(shù)學(xué)的異同、理解具體運動的物理圖像并能讀取圖像所提供的信息，還是想讓學(xué)生學(xué)會使用物理圖像解決問題，都不宜僅把圖像當(dāng)作陳述性知識講，還要把它當(dāng)作一種物理方法來理解和運用.究其原因：方法、能力等概念本身及其抽象程度都高于知識，即已不處于經(jīng)驗層面，能力乃是一種心理特征.根據(jù)大腦功能的發(fā)育時間，高二時，大腦已基本可以承擔(dān)只根據(jù)概念與規(guī)律的定義和內(nèi)涵就可完成抽象思維的工作 .也就是說，當(dāng)學(xué)生能夠從學(xué)習(xí)方法到進(jìn)而獲得能力發(fā)展的時候，高中教師就不應(yīng)再把方法（程序性知識）完全當(dāng)作陳述性知識處理.需要注意的是，具體到某個學(xué)生，進(jìn)入純抽象思維的時間則是隨機(jī)的，可能在高一也可能在高三甚至更晚；而且即使一個抽象思維能力成熟的人，在觸及陌生或困難的問題時也會傾向具體或直覺的方式 .因此，按照唯物的認(rèn)知方式，教師最好先帶領(lǐng)（或創(chuàng)設(shè)條件讓）學(xué)生對物理圖像作為方法的過程有數(shù)次感受甚至體驗，然后再結(jié)合學(xué)生已有的經(jīng)歷將相應(yīng)的圖像方法提煉出來.當(dāng)學(xué)生對圖像方法的理解是“有血有肉”的時候，再增加圖像方法的應(yīng)用性練習(xí).

此外，還需要重視聯(lián)想與想象能力的培養(yǎng).因為對物理圖像的認(rèn)知還需要想象和聯(lián)想.例如：由勻速直線運動的v-t圖象與橫軸所圍“面積”vt是其在t時間內(nèi)的位移s，聯(lián)想并推理得到勻加速直線運動的v-t圖象與橫軸所圍面積s=[SX（]（v0+vt）×t[]2[SX）]=v0t+[SX（]at2[]2[SX）]應(yīng)是物體運動對應(yīng)時間內(nèi)的位移.而要計算梯形的面積則需將梯形近似為無數(shù)個矩形，這就需要學(xué)生調(diào)動想象力才能完成.

3.3尊重學(xué)生學(xué)習(xí)心理的物理圖像教學(xué)策略，要靠師生一起共同探尋

教師的教學(xué)行為要尊重現(xiàn)在所教學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、過程和認(rèn)知的即時狀態(tài)，因此教學(xué)設(shè)計上就要及時了解學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容產(chǎn)生的疑惑、糾結(jié)之所在.

（1）使學(xué)生先行樹立并逐步加強(qiáng)物理圖像學(xué)習(xí)的意識

學(xué)生渴望學(xué)習(xí)物理圖像的積極性是師生共同加強(qiáng)物理圖像教學(xué)的基礎(chǔ).為此要讓學(xué)生明確“物理規(guī)律常用數(shù)學(xué)公式和圖像來表示”，理解“物理圖像是科學(xué)表達(dá)的一種‘語言”，以及“必要時能運用幾何圖形函數(shù)圖像進(jìn)行表達(dá)和分析”，“關(guān)注自己表達(dá)能力的提高”.還要提醒學(xué)生注意上述不同要求的差異，后者是對應(yīng)用物理圖像表征問題及處理問題的能力要求.

（2）引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物理意義識圖、用圖、畫圖、轉(zhuǎn)換圖

正確地識圖、用圖、畫圖、轉(zhuǎn)換圖乃是用圖像順利解決問題的基本途徑.例如分析不計重力的帶電粒子射入作周期性變化的平行板間電場的這類問題，通常的分析程序是：先識圖，發(fā)現(xiàn)加在平行金屬板上的電壓隨時間周期性變化，認(rèn)識到電壓的變化就是電場的變化；再畫出對應(yīng)的電場強(qiáng)度E隨時間t變化圖像，到分析出電場強(qiáng)度的變化就是電場力的變化，而電場力的變化又是加速度的變化，于是將E-t圖象轉(zhuǎn)換成帶電粒子在電場中運動的加速度隨時間變化的a-t圖象；最后，再結(jié)合粒子的初速度，利用a-t圖象畫出粒子在垂直平行板方向運動的v-t圖象.這樣，帶電粒子在電場中的復(fù)雜運動就被v-t圖象直觀地呈現(xiàn)出來了.在實際教學(xué)中最好先通過幾個實例讓學(xué)生感受這一基本途徑，再引導(dǎo)學(xué)生歸納出他們各自的含義.

（3）注意物理知識與圖像在教學(xué)中的自然融合

教學(xué)實踐表明，學(xué)生對物理知識的學(xué)習(xí)存在著由于思維發(fā)展水平不均衡引發(fā)的障礙性.它具有時間段兼內(nèi)容段的雙重性特征.例如，不少高一入學(xué)新生，掌握運動學(xué)知識的公式體系難度較大.其直接原因是公式表征對抽象能力的要求與這些學(xué)生對抽象度高的概念的認(rèn)知水平的不適應(yīng)，造成了他們的認(rèn)知瓶頸.對此，可考慮的方法就是借助圖像的直觀表征，在學(xué)生和高度抽象的公式之間架起溝通的橋梁.如對利用速度圖像推導(dǎo)勻變速直線運動的速度公式、位移公式，學(xué)生反映良好.另外將圖像的推演功能融入數(shù)理推證的過程，可加強(qiáng)數(shù)理邏輯能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練.這樣教學(xué)的意義，已并不只著眼于解決學(xué)生此時、此處的認(rèn)知瓶頸，還在于讓高一學(xué)生初步感受物理學(xué)將數(shù)學(xué)圖象和推證與物理之理結(jié)合起來的邏輯推理方法，從而為數(shù)理邏輯能力的學(xué)習(xí)打下一個感性基礎(chǔ).

總之，通過教學(xué)實踐，我們體會到教師要逐步讓自己從學(xué)生的感受和學(xué)生學(xué)習(xí)物理圖像的實際心理出發(fā)，對物理圖像進(jìn)行多角度、多層次、多內(nèi)容分析的教學(xué)，鼓勵學(xué)生嘗試用圖像來描述說明問題的細(xì)節(jié)與過程，利用圖像進(jìn)行深入推理論證，可有效地提高學(xué)生分析復(fù)雜物理過程能力的培養(yǎng)效率.

【本文為首都師范大學(xué)承擔(dān)的“北京市中小學(xué)特級教師研修工作室”項目成果之一.】