物理图像的能力价值与从学生学的视角组织物理图像教学 お

卢慕稚 马广明

1问题的提出

知识可以用来解决问题，所以说知识有应用价值；类似，知识的学习过程可以使学生获得某些能力的发展，因此知识也具有能力价值 .在中学物理图像及其教学的研究中，在默认物理图像属于描述物理知识的一种语言的前提下，也应该看到图像作为物理学的一种重要研究方法对学生的能力发展有价值.本文试以物理图像如何能促进学生的能力发展，以及究竟对哪些能力有较明显的培养效果这些问题作切入点，讨论物理图像对学生的能力价值.然后再重点从学生学的角度，讨论教师可以如何实现物理图像的能力价值，以期为教学的实际运作提供一些思考的基础与可行的思路.

2解物理图像题涉及的认知功能及其相应的能力

2.1信息传递功能与读取信息能力

对测试而言，命题者需要给被试呈现问题及其情境，与测试相关的所有信息都在试题表述之中.在纸介测试的条件下，这些信息只能依靠文字、图与图像来实现.大多数情况下，包含同样信息量的物理图像比文字要简洁（当然也比文字描述和公式表述更直观）.例如一定质量的运动质点的v-t线，包含着对该质点运动的性质信息，包含着它在诸多时刻的状态信息（如相对位置、运动方向、速度、加速度、动量与动能等），还包含着它在不同时刻之间的状态变化信息.由此，不少题之所以选择物理图像呈现物理情境和物理现象，给出物理条件与物理过程，就是基于图像的这种信息传递功能；而测试目的之一就是考察学生从图像读取信息的能力.例如振动图象（x-t图）与波动图象（y-x图）同时都含有动态信息与静态信息的内容，这一综合特征成为呈现波动问题丰富信息的直观手段.

2.2逻辑推理功能与数理逻辑能力

在利用已有条件和必要假设以及依据物理概念规律进行的逻辑分析中，可以从物理图像上对条件间的联系做出直接判断，从而为推理指明思维的方向；也可利用图像表明的特殊状态，发现隐含条件.图像对逻辑分析问题的这种作用能较明确地表现出学生的数理逻辑能力.图像的逻辑推理功能通常表现在以下几个方面.

[HJ1.66mm]（1）在问题设置中，利用图像给出情境中两个物理量之间的变化，让学生做出对过程性质与特点的判断.例如；安徽2012年高考物理卷第17题，设置带电粒子在电场中仅受静电力作用，做初速度为零的直线运动.给出其电势能Ep与位移x的关系图象，判断题中图象展示的四个过程的正确与否.

（2）设置问题情境，让学生依托物理规律及其推证，寻求物理量间的变化图象.例如：北京2014年高考理综卷第21题，设置电源电动势与内阻确定的闭合电路，寻求电源的输出功率与电路的路端电压之间的变化关系图象.

（3）借助图像，实现对所学知识的概括总结.典型的例子如北京2010年高考理综卷第20题，给出一般性的函数图象y=kx+b.（k>0，b>0），让学生分析选项所给[JP3]出的四种情况下，对应物理变化满足这样函数关系的过程.[JP]

这种图像既考查与培养物理知识的理解能力和应用物理知识解决问题能力，也体现出对知识的概括化、系统化、联系化与内在逻辑化的要求.

[JP3]3从学生学的视角，组织凸显能力价值的物理图像教学[JP]

注意到物理图像教学中一般侧重图像对知识的理解和解题的应用，教师可能缺乏通过物理图像培养学生能力的自觉意识；而且教师通常是从“教”的角度组织图像教学.本文下面将重点从学生学的角度，讨论教师如何实现物理图像的能力价值.

3.1对物理图像，学生到底都需要学什么？

在教师开始重视图像教学以后，按以往的教学逻辑，可能依然是学生要学会运用图像法解题，或者如何利用图像更深地理解物理概念、规律.本文认为，学生最要学的不是“使用或实用”性质的内容，而是作为其源与基础的物理图像本身的内涵.对物理图像作用的理解不能停留在抽象地认为它是一种重要的物理学研究方法，具有直观、形象的特点这一简单水平.还需要对物理图像的方法属性；它与其它数学方法在物理学中功能的差异；中学所涉及的物理图像与数学图象的异同；物理图像的成立、生成、物理内涵、物理意义与应用等等 有清楚的认识.

首先，由物理公式或变形来的任何函数都可以有其数学图象，可用来解物理题，但只有那些具有物理意义的函数图象才可称之为物理图像.其次，根据坐标轴代表的物理量，用坐标系呈现出几个物理量的变化及其相互关系，可以展现其物理状态及状态变化的过程.对物理现象及物理过程而言，图像不仅是对文字语言描述的一种补充，还是一种丰富和完善，即物理图像语言还拥有自己的“词汇”体系.它们除了具有原有的数学意义外，自身还有明确的物理学的涵义.例如物理图像中的“点”，表示由坐标轴的物理量所标示的一种物理运动状态，而截距、端点、曲线交点则分别代表一种特定的物理状态；物理图像中的“线”既表征某种性质的运动过程，又反映了运动状态随时刻（或其它物理量） 改变或不变的相互关系和运动的变化趋势以及相关物理概念在某种条件下的联系.

3.2物理图像的教学，也须尊重学生的认知规律

虽然有些物理图像的基本知识可以通过讲授完成，但无论是想让学生学懂物理图像与数学的异同、理解具体运动的物理图像并能读取图像所提供的信息，还是想让学生学会使用物理图像解决问题，都不宜仅把图像当作陈述性知识讲，还要把它当作一种物理方法来理解和运用.究其原因：方法、能力等概念本身及其抽象程度都高于知识，即已不处于经验层面，能力乃是一种心理特征.根据大脑功能的发育时间，高二时，大脑已基本可以承担只根据概念与规律的定义和内涵就可完成抽象思维的工作 .也就是说，当学生能够从学习方法到进而获得能力发展的时候，高中教师就不应再把方法（程序性知识）完全当作陈述性知识处理.需要注意的是，具体到某个学生，进入纯抽象思维的时间则是随机的，可能在高一也可能在高三甚至更晚；而且即使一个抽象思维能力成熟的人，在触及陌生或困难的问题时也会倾向具体或直觉的方式 .因此，按照唯物的认知方式，教师最好先带领（或创设条件让）学生对物理图像作为方法的过程有数次感受甚至体验，然后再结合学生已有的经历将相应的图像方法提炼出来.当学生对图像方法的理解是“有血有肉”的时候，再增加图像方法的应用性练习.

此外，还需要重视联想与想象能力的培养.因为对物理图像的认知还需要想象和联想.例如：由匀速直线运动的v-t图象与横轴所围“面积”vt是其在t时间内的位移s，联想并推理得到匀加速直线运动的v-t图象与横轴所围面积s=[SX（]（v0+vt）×t[]2[SX）]=v0t+[SX（]at2[]2[SX）]应是物体运动对应时间内的位移.而要计算梯形的面积则需将梯形近似为无数个矩形，这就需要学生调动想象力才能完成.

3.3尊重学生学习心理的物理图像教学策略，要靠师生一起共同探寻

教师的教学行为要尊重现在所教学生的认知规律、过程和认知的即时状态，因此教学设计上就要及时了解学生对所学内容产生的疑惑、纠结之所在.

（1）使学生先行树立并逐步加强物理图像学习的意识

学生渴望学习物理图像的积极性是师生共同加强物理图像教学的基础.为此要让学生明确“物理规律常用数学公式和图像来表示”，理解“物理图像是科学表达的一种‘语言”，以及“必要时能运用几何图形函数图像进行表达和分析”，“关注自己表达能力的提高”.还要提醒学生注意上述不同要求的差异，后者是对应用物理图像表征问题及处理问题的能力要求.

（2）引导学生根据物理意义识图、用图、画图、转换图

正确地识图、用图、画图、转换图乃是用图像顺利解决问题的基本途径.例如分析不计重力的带电粒子射入作周期性变化的平行板间电场的这类问题，通常的分析程序是：先识图，发现加在平行金属板上的电压随时间周期性变化，认识到电压的变化就是电场的变化；再画出对应的电场强度E随时间t变化图像，到分析出电场强度的变化就是电场力的变化，而电场力的变化又是加速度的变化，于是将E-t图象转换成带电粒子在电场中运动的加速度随时间变化的a-t图象；最后，再结合粒子的初速度，利用a-t图象画出粒子在垂直平行板方向运动的v-t图象.这样，带电粒子在电场中的复杂运动就被v-t图象直观地呈现出来了.在实际教学中最好先通过几个实例让学生感受这一基本途径，再引导学生归纳出他们各自的含义.

（3）注意物理知识与图像在教学中的自然融合

教学实践表明，学生对物理知识的学习存在着由于思维发展水平不均衡引发的障碍性.它具有时间段兼内容段的双重性特征.例如，不少高一入学新生，掌握运动学知识的公式体系难度较大.其直接原因是公式表征对抽象能力的要求与这些学生对抽象度高的概念的认知水平的不适应，造成了他们的认知瓶颈.对此，可考虑的方法就是借助图像的直观表征，在学生和高度抽象的公式之间架起沟通的桥梁.如对利用速度图像推导匀变速直线运动的速度公式、位移公式，学生反映良好.另外将图像的推演功能融入数理推证的过程，可加强数理逻辑能力的培养与训练.这样教学的意义，已并不只着眼于解决学生此时、此处的认知瓶颈，还在于让高一学生初步感受物理学将数学图象和推证与物理之理结合起来的逻辑推理方法，从而为数理逻辑能力的学习打下一个感性基础.

总之，通过教学实践，我们体会到教师要逐步让自己从学生的感受和学生学习物理图像的实际心理出发，对物理图像进行多角度、多层次、多内容分析的教学，鼓励学生尝试用图像来描述说明问题的细节与过程，利用图像进行深入推理论证，可有效地提高学生分析复杂物理过程能力的培养效率.

【本文为首都师范大学承担的“北京市中小学特级教师研修工作室”项目成果之一.】