概念图在高中物理习题教学中的应用①

(宁夏大学物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

1 问题的提出

物理习题课重在训练和培养学生的解题能力,有学生不会解题,“不会”实际上是解题思路不清。虽然教师可以通过反复讲解使学生听懂,但学生无法清晰地看到解题的思路,长久性的“听而不看”会增加学生的认知负荷,导致学生对习题中所涉及的条件与信息“视而不见”,不能真正理解物理知识,不利于学生完善知识结构。概念图可以将解题思路可视化,能够达到“一图胜千言”的效果,是提高习题教学效果的有效工具。

2 概念图简介

概念图(concept map)是康奈尔大学的诺瓦克根据奥苏贝尔的有意义学习理论提出的，它包括概念、命题、交叉连接和层级结构四个基本要素。概念图作为一种教学工具、教学策略和教学技术，已经广泛应用于教学实践中，产生了很好的效果。学生在学习的过程中需要产生积极的心向,即愿意从内心接受新知识,并且当已经学习的知识和新知识之间产生同化作用时,有意义的学习才会发生,概念图就像桥梁一样连接着新旧知识。概念图的可视化和精细化，使其可以清晰地表现出概念之间的关系,提供解决问题、总结知识、教学设计的基础以及其他大量教学活动所需的信息。所以概念图能够真正体现有意义学习的内涵,通过教师有组织、有目的地绘制概念图，能让学生学会建立概念之间的联系,培养其高级思维。

概念图多用于新授课、探究课和复习课,在习题课中用得较少。同时常规的习题教学重视的是公式的运用,忽略了对解题思路的详细说明,而概念图重在将解题思路和方法详细地呈现出来,以提升学生的形象思维,在学生的大脑中构建习题中所需概念之间的联系,让学生自觉地形成知识网络,学会使用概念,从而轻松解题。因此如果将解题思路通过概念图呈现出来,不但便于学生记忆,而且可以扩展学生的解题思路,起到举一反三的效果。

3 应用概念图的习题教学

在习题教学中并不是说要用很复杂的例题来体现所讲的知识点,而是希望通过例题讲解让学生明白这一类题目的解题思路和方法,通过训练夯实基础。当解题思路通过概念图展现出来的时候,整个解题过程也就非常清晰地展现出来,看起来明白易懂,思路非常流畅,相比反复用语言来讲解,学生的接受效果会更佳一些，下面通过案例予以说明。

案例一选自人教版高中物理必修1第四章“牛顿运动定律”第六节“用牛顿运动定律解决问题(一)”课后习题第3题。

例1:民航客机一般都有紧急出口,发生意外情况的飞机紧急着陆后,打开紧急出口,狭长的气囊会自动充气,生成一条连接出口与地面的斜面,人员可沿斜面滑行到地上。若机舱口下沿距地面3.2m,气囊所构成的斜面长度为6.5m,一个质量60kg的人沿气囊滑下时所受的阻力为240N,人滑至气囊低端时速度有多大?

图1

图1是用Inspiration软件绘制的例1的解题思路图，概念图是如何将本题的解题思路清晰地呈现出来的?本题的研究对象是人,在力学中为了研究问题的方便，通常把人理想化为一个质点,质点是本题中第一个概念,质点从机舱口沿气囊滑下,将气囊看作一个斜面模型,人在机舱口处相当于质点静止在斜面顶端,此时v初=0。质点在斜面上运动要会到力的作用,通过分析知质点受到竖直向下的重力G、垂直斜面向上的支持力N、沿斜面向上的阻力f。将重力分解成两个力,其中一个分力垂直斜面向下,另一个分力沿斜面向下。力的分解这个概念将重力和它的两个分力建立了联系,分解完重力后可以清楚地看到质点在垂直斜面的方向上没有运动，这是因为支持力和重力的分力G1抵消掉了；而质点之所以沿斜面下滑是因为沿斜面方向受到力的作用,质点在斜面上做初速度为零的匀加速直线运动。

本题当中出现的概念有质点、重力、支持力、阻力、力的分解、静止、匀加速直线运动等，从概念图中可以看到，通过受力分析，质点与重力、支持力、阻力之间建立了联系,力的分解与重力建立了联系,而垂直斜面的静止状态与支持力和重力的一个分力建立了联系；质点做匀加速直线运动，阻力和重力的另一个分力建立了联系。就是因为这些联系,将概念“织”在一起,在学生头脑中形成了清晰的脉络。当解题思路完整呈现后,解题过程就显得非常轻松。

案例二选自人教版高中物理选修3-1第一章“静电场”第9节“带电粒子在电场中的运动”课后练习第5题。

例2:电子从静止出发被1000V的电压加速,然后进入另一个电场强度为5000N/C的匀强偏转电场,进入时的速度方向与偏转电场的方向垂直。已知偏转电极长6cm,求电子离开偏转电场时的速度及其与进入偏转电场时的速度方向之间的夹角。

用Inspiration软件绘制的例2解题思路如图2，本题中电子先进入加速电场，进入偏转电场后发生偏转,题目的难度在于加速电场中电子如何运动获得速度,而在加速电场中获得的速度就是电子进入偏转电场的初速度。从概念图中我们看到电子在加速电场中受到电场力的作用,电场力的方向与运动方向相同,电场力做正功,动能增大,速度从零变为v0,沿水平方向,根据动能定理可以计算出速度v0；之后电子以v0进入偏转电场，由于受到与运动方向垂直的电场力作用使电子做类平抛运动,最后离开偏转电场。关于类平抛的运动可以采用运动的合成与分解的方法进行处理,将电子的实际运动分解为水平方向上速度为v0的匀速直线运动和竖直方向上的初速度为零的匀加速直线运动。概念图将整个解题思路可视化,我们可以清楚地看到加速和偏转过程用到了动能定理、类平抛、运动的合成与分解这些概念和原理,而且这些概念环环相扣,一步一步地把思路引到了我们想要的结果上。在加速电场中,电子获得动能,根据动能定理可得：

图2

通过两个案例可以看出,概念图的引入将原本复杂的解题思路通过整理、加工,将概念之间建立了联系。概念图让我们清晰地看到每一个概念的引入都与下一个概念之间有着必然的联系,可谓环环相扣,引人入胜,以网络化的结构存储于大脑中,使意义学习得以发生。

4 结语

笔者通过教学实践，发现大部分习题可以采用概念图对解题思路进行梳理,这对提高学生的解题能力大有帮助。在日常教学中对于一些较简单的题目可以放手让学生自己动手去创建概念图,通过合作学习,培养团队合作精神。