一道相对运动图像试题的评析、反思与教学建议

2021-09-13许冬保朱文惠

中学物理·高中 2021年8期

许冬保朱文惠

摘要：2021年湖北省学业水平选择性考试模拟试卷第15题，是一道涉及相对运动图像的试题.试题以相对运动速度图像为载体呈现信息，较好地考查了考生的多方面能力.相对运动是重要的知识点，贯穿于物理学的始终.然而，相对运动并未列入我国高中物理课程及考试大纲的内容.在应用相对运动的方法解决有关问题时，学生表现无奈、茫然，教学效率低下.主要原因有二，一是相对运动作为陈述性知识，信息输入存在障碍;二是相对运动分析问题的方法，是程序性知识，教学设计存在误区.为此，在陈述性知识与程序性知识教学设计的架构下，提出相对运动教学的建议.

关键词：试题;相对运动;相对速度;图像方法;反思;建议

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）15-0059-03

作者简介：许冬保（1963-），男，江西九江人，本科，中学特级教师，研究方向：物理考试命题及其评价;

朱文惠（1965-），男，江西赣州人，本科，中学高级教师，研究方向：中学数学教育研究.

1 试题呈现

2.2 评价

试题是一道学习探索情境化试题，主要考查考生“科学思维”学科素养中的科学推理、科学论证以及“物理观念”中的运动与相互作用观念.试题涉及受力分析、匀变速直线运动的规律、牛顿运动定律等内容，要求考生能够利用所给的图像，从图像上获取信息，运用所学物理概念和规律解决相关问题.

试题在经典板块模型的基础上，摒弃传统的命题思路，另辟蹊径，以考生比较陌生的相对速度图像为载体，考查考生的理解能力、推理论证能力及创新能力.

2.3 拓展

若以地面为参考系，在同一坐标系中，画出A和B的速度图像.

在地面参考系中，A和B的有关运动学信息，如上所述，画出的速度图像如图3所示.

3 教学反思

该题在测试中，实测难度较大，且区分度较低，究其原因主要有以下两个方面.

3.1 教材及考纲的缺漏

我们知道，教材是重要的课程资源，我们提倡“由教教材转变为用教材教”的课程理念.但在实际教学中，由于多方面的原因，教材上没有的知识点，考纲上没有列出的考点，一般来说教师们是不会增补的.在我国中学物理教材中，长期以来，“相对运动”既非课程内容，也非高考考试大纲所列考查内容.但是，相对运动的概念、思想以及相对运动分析问题的方法，隐性渗透或显性呈现于物理学的有关理论及解题训练之中.由于相对运动及其有关概念在教材中未独立成节，因而在教学中当我们试图用相对运动的分析方法解决问题时，学生表现的是被动接受，陌生、茫然之态常常充斥着课堂.这种现象的出现与教材及考纲的缺漏是有直接关联的.

3.2 习题教学的设计误区

在信息加工心理学中，知识通常分为陈述性知识和程序性知识.图式可以视为陈述性知识的主要类型，策略可视为特殊的程序性知识[1].相对运动及其相关知识，属陈述性知识;相对运动分析问题的方法则属程序性知识.在习题教学中，由于学生缺少陈述性知识的基础，直接用相对运动的分析方法解决问题，就方法讲方法，这样的教学设计，会造成学生学习的被动，使学生觉得突兀、恍惚.如此的教学设计也表现在其他的习题教学中.撇开知识、一味讲方法的设计策略，是造成当下习题教学效率低下的主要原因.

4 教学建议

信息加工心理学表明，问题解决作为一种认知活动或思维活动，它与知识的关系体现在两个方面：一是知识影响问题解决;二是问题解决是知识获得的重要途径[1].问题解决既可看作是信息加工的过程，也可看成是知识建构过程.基于此，问题解决具体学习的性质，问题解决可以对知识结构的完善、优化具有十分重要的意义.这对于教学具有重要的指导意义.

4.1 关于陈述性知识与程序性知识的教学设计

认知心理学是以信息加工为核心的心理学，运用信息加工观点来研究认知活动，其研究范围主要包括感知觉、注意、表象、学习记忆、思维和言语等心理过程或认知过程，以及儿童的认知发展和人工智能（计算机模拟）.认知心理学指出：陈述性知识是指个人具有有意识地提取线索、因而能直接陈述的知识.该类知识主要解决“是什么”“为什么”的问题，具有静态的性质;程序性知识是个人无有意识地提取线索.因而其存在只能借助某种作业形式间接推测的知识.认知策略是指学习者用于支配自己的心智加工过程的內部组织起来的技能，也属于程序性知识.该类知识主要用来解决“做什么”“怎么做”的问题，具有动态的性质[2].

陈述性知识和程序性知识是学生形成正确价值观念、必备品格和关键能力之基础.陈述性知识和程序性知识虽然内涵不同，但两者并不是孤立的，它们之间有相互促进和转化的关系，要想掌握程序性知识，必须先掌握陈述性知识，陈述性知识是程序性知识的基础和前提，程序性知识的获得，能够进一步发展学生的能力，因而也更有利于学生掌握陈述性知识[3].相对运动及其相关知识是陈述性知识，由于教材的缺漏，少了作为陈述性知识的内容.在教学中必须作较为系统的补充，才能促进相对运动作为解决问题方法的程序性知识的教学.相对运动作为解决问题的重要的物理科学方法，单靠讲是不可取的，要将教师的“讲”与学生的“悟”（包括必要的习题训练）结合起来.教学中既不能用陈述性知识的教学方法替代程序性知识的教学，也不能用程序性知识的教学方法替代陈述性知识的教学.

4.2 相对运动教学建议

在习题教学中，对于相对运动分析方法的介入，要知晓教材的编写思路（渗透）、了解学生的知识基础，在教学实施中，对于刚开始引入相对运动的方法分析具体问题时，要增补作为陈述性知识的有关内容.在问题解决中要通过具体的案例，使学生主动形成运动与相互作用观念，加深对相对运动中参考系的认识、理解参考系的变换及速度矢量叠加原理.建议将以下内容列入教学设计中.

4.2.1 相对运动的概念及相对速度的变换式

在物理学中，通常把相对观察者静止的参考系称为静止参考系，把相对观察者运动的参考系称为运动参考系.把物体相对静止参考系的运动称为绝对运动，物体相对运动参考系的运动称为相对运动，运动参考系相对静止参考系的运动称为牵连运动[4].

绝对运动、相对运动及牵连运动所对应的速度分别称为绝对速度v→绝对、相对速度v→相对及牵连速度v→牵连，即

v→绝对=v→相对+v→牵连

4.2.2 相对速度矢量图

在不同参考系中进行速度变换，为表述方便，往往用右下标字母来区分相关速度.设物体A、B均对同一参考系C运动，某时刻的速度分别为v→AC、v→BC.则A对B的运动称为相对运动，A对B的速度称为相对速度，用v→AB来表示（v→BA则表示B对A的相对速度）.则在某时刻这三个速度之间的关系为

v→AC=v→AB+v→BC

上式的物理意义是，物体A相对物体C的速度（绝对速度）等于物体A相对于物体B的速度（相对速度）与物体B相对于物体C的速度（牵连速度）之和[5].

三个速度的矢量图，如图4所示.

5 结束语

物理课程标准[6]指出，运动与相互作用观念是物理学科核心素养之重要内容.从物体间相对运动或相对运动趋势产生摩擦力到摩擦发热的定量计算（滑动摩擦力与相对路程的乘积）;从相对磁场运动产生动生电动势到微观粒子碰撞中资用能的计算（对粒子反应真正有用的相对动能）;从经典物理学小船渡河问题中速度的合成到近代物理學相对论时空观，可以说，相对运动及其相关知识贯穿于物理学的始终.

如前所述，我国中学物理教材并未系统介绍相对运动及其相关知识，由于缺失作为陈述性知识教学的重要环节，因而在习题教学中，讲授相对运动分析方法时，宜增补相对运动的有关知识，做到陈述性知识与程序性知识的教学统一，从而促进两者之间的相互作用、相互转化.

相对运动作为重要的物理内容，对于物理学其他有关新知识的学习，对学生认知结构的完善，是不可或缺的;相对运动分析问题的方法，是重要的科学思维方法，对学生物理观念的形成，对学生理解能力、推理论证能力与创新能力的提升，意义深远.

相对运动及其相关知识，是教材重要的课程资源，应该成为重要的教学目标和学生的学习内容.美国高中主流理科教材[7]及我国大学物理教材[8-11]，对于相对运动及其相关知识均进行了较为详尽的介绍.我们期待在将来的课程改革中，相对运动能成为物理课程的内容之一，能在教材中独立成节.

参考文献：

[1]辛自强.问题解决与知识建构[M].北京：教育科学出版社，2005.

[2]陈刚.物理教学设计[M].上海：华东师范大学出版社，2009.

[3]卢长贺.陈述性知识向程序性知识转化的策略[J].语文教学研究，2015（11）：62-63.

[4]东南大学等七所工科院校，马文蔚改编.物理学（上册）[M].北京：高等教育出版社，1999.

[5]顾建中.普通物理学简明教程力学部分[M].北京：人民教育出版社，1977.

[6]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.

[7][美]齐泽维茨（ZITZEWITZ，P.W.）著，钱振华等译.科学发现者（物理原理与问题上册）[M].杭州：浙江教育出版社，2008.

[8]赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程力学[M].北京：高等教育出版社，2004.