物理学科必备知识结构化的实施路径

2022-05-10福建康贤明李兰芝

教学考试(高考物理) 2022年2期

福建康贤明李兰芝

《中国高考评价体系》以下简称高考评价体系由“一核四层四翼”组成。其中“四层”为考查内容，包括核心价值、学科素养、关键能力和必备知识，回答了高考“考什么”的问题。在“四层”中必备知识的积累是形成关键能力和学科素养的基础，也是高三复习备考的重点内容。高考评价体系强调必备知识的考查，不是强调对知识的死记硬背以及对孤立的、静态的知识点的考查，而是要求学生在培养物理关键能力和学科素养的养成过程中必须具备可迁移的知识。让学生掌握必备的可迁移的知识的关键是要建立牢固的知识结构及利用知识结构解决问题。本文通过物理学科必备知识的结构及其建构的路径，探索备考策略，为科学复习提供一定指导作用。

一、物理学科必备知识的结构

物理学科的必备知识是由物理学科的基本事实、基本概念、基本规律、基本方法组成的基础知识体系。高中物理学科的基本事实是什么？笔者认为，物理学科的基本事实是由物理观念所统领。物理观念包括物质观念、运动观念、相互作用观念和能量观念。物理观念的结构可用图1表示，其中物质运动是物理学研究的现象，而相互作用和能量是研究物质运动的两条线索。物理观念结构图可以说是物理学科必备知识的主框架，基本概念、基本规律和基本方法都要在这个主框架上进行搭建。

图1 物理观念的结构图

对于学生而言，物理观念结构图过于抽象，不易把握。笔者将物质的运动形象地描述为“对象在环境中经历的过程”，因为高中阶段所研究的大多数物理现象，本质上都是某个研究对象在某个环境中经历的某个过程，物理学首先要描述这个过程，说明如何经历这个过程，然后再从相互作用和能量两个角度解释形成这个过程的原因。实际情况往往比较复杂，而为了描述和解释这些基本事实，物理学通过建立理想化模型的方法，使描述的对象、环境和过程都模型化，再用物理规律表达这些基本事实就相对简单了。基于此，笔者将物理学科的基本事实用图2表示，即物理学描述的基本事实是研究对象模型在环境模型中经历的过程模型的规律。这个基本事实结构图既是物理学科必备知识的框架，又是物理解题的思维框架。

图2 基本事实结构图

概念是表达的工具。物理学科需要一些专业的语言表达物理现象。在基本事实框架的基础上，就可以搭建基本概念的结构。而物理学中的概念大多是对物理量的相关描述，笔者按照基本事实的结构，把物理量分为四种：物质特征量、状态量、过程量和作用量。其中物质特征量简称特征量，是描述物质属性的物理量。由于物质分为对象和环境，则可将特征量分为两类，一是对象特征量，常见的有质量m、电量q、电流I等；二是环境特征量，环境又分为场环境和装置环境。场环境的特征量有重力加速度g、电场强度E、磁感应强度B等，而装置环境的特征量有动摩擦因数μ和劲度系数k等。一个物理过程是从一个状态到另一个状态的变化，描述状态的物理量有位置x、速度v、动量P、动能Ek；过程量有时间t、位移s；作用量有力F、冲量I、功W，需说明的是冲量I和功W也可以归为过程量。基本概念结构图如图3所示。图3中并没有包括高中物理所有物理量，但基本包含了力学(包括电场和磁场)体系的核心物理量。尽管将物理量按照该方法进行分类可能并不科学，但有利于解题时对信息进行梳理。

图3 基本概念结构图

规律是概念的联系。对象在环境中，对象与环境的相互作用的规律就是各种类型的力的规律，而这些规律是对象特征量与环境特征量的组合，例如重力G=mg，就是对象的特征量质量m和重力场环境特征量g的组合。对象经历过程的规律，分为规律的描述和解释，如用运动学物理量和运动学公式或函数描述运动过程的规律，用动量定理或动能定理解释形成运动的过程的原因。基本规律结构图如图4所示。图中描述过程的规律包括三个因果和两个守恒。三个因果是指牛顿运动定律、动量定理和动能定理，而两个守恒是指动量守恒和能量守恒。

图4 基本规律结构图

基本事实的结构是“对象在环境中经历过程”，那么解决问题的思维流程就是找对象、找环境和找过程，如图5所示。教学中要求学生始终抓住这个流程，按照流程进行审题和解题。利用该流程图解题，学生能较容易结构化的调用所梳理的知识结构。如分析环境时，就会从试题信息中找到相应环境信息，建构环境模型，再从知识结构图中回忆不同环境的特点并进行分析，最后用受力分析图表示出来；再如分析过程时，根据试题的信息建构过程模型，然后画出过程草图。画完受力分析图和过程草图后，再根据图中标注的信息，选择合适的规律列方程求解。

图5 解题思维结构图

笔者认为，在刚进入高三复习时，教师就可以将图1至图4这四个结构图用讲授法介绍给学生，让学生有一个初步的认识，并能站在一定的高度俯瞰高三复习，同时让学生对整个知识体系有总体的认识，使复习有了结构和方向。

二、逐步完善知识结构和思维结构

必备知识结构化只搭个框架还远远不够。学生要理解这个框架的内涵，形成物理观念，需要在框架的基础上进行添砖加瓦，逐步完善知识结构。而且在整个高三复习中，要以基本框架为导航系统进行。下面将举例说明完善知识结构的具体实施方案。

【例1】描述运动的物理量的知识结构图

在复习“运动的描述”单元时，如果让学生画知识结构图，学生往往只能画出知识罗列型的树状图，这样的结构图只是便于记忆，不能加深对知识的理解。描述运动的各物理量之间存在严密的逻辑关系，如图6所示。复习中，教师可以先引导学生经历图6的构建过程，然后要求学生能自主绘制该结构图。值得强调的是，该图不要直接给学生，应该先让学生自己画罗列型的树状图，然后引导学生思考树状图中的知识点与知识点之间的联系，最后再一步步引导学生画出结构图，让学生亲身体验知识结构的搭建过程。

图6 描述运动的物理量结构

【例2】运动模型结构图

以质点在重力场中的不同运动问题为情境，梳理运动模型，包括匀变速直线运动、自由落体运动、竖直上抛运动、平抛运动、圆周运动等。图7为运动模型的结构图，该图主要是运动模型的分类，可以引导学生利用思维导图软件进行绘制，便于学生比较、梳理和记忆。实际操作中，还可以让学生自己进行细化，画出属于自己的知识结构图。

图7 运动模型结构图

【例3】环境模型结构图

以物体在不同环境中的平衡问题为情境，梳理环境模型，完善物质观念和相互作用观念。环境模型结构图如图8所示。教师帮助学生梳理出该框架后，要求学生在该框架的基础上进一步细化，完善每个环境模型的特点和细节。如重力场的两个基本模型，即在小尺度空间内的重力场和在大尺度空间的重力场，分别有什么规律。

图8 环境模型结构图

【例4】静电场的知识结构图

静电场这一环境模型，高中阶段要求比较高、涉及的物理量也较多，如果仅简单的罗列这些物理量，学生往往无法理解其内涵，且容易遗忘。从研究物质运动的两条线索出发，梳理静电场力的性质与能的性质，帮助学生梳理出一个网状的立体式知识结构图，如图9所示。

图9 静电场知识结构图

三、知识结构图指导下的复习策略

知识结构和思维结构只是框架和方向，高三复习中，如何在结构的导向下在框架上添砖加瓦呢？笔者的做法是聚焦框架中的某个点，编写题组，并让学生进行刻意训练。所谓刻意练习是指教师结合学情，把要训练的内容拆分成有针对性的小块，让学生在“学习区”内对每一个小块进行重复练习，教师再针对训练的情况给出反馈和改进建议。学生通过高一高二的学习已经储备了一定的物理学科必备知识，高三复习的目的就是要让知识结构化，所以刻意练习也应该是结构化的练习。下面举例说明。

【案例1】多题一解，完善知识结构

本题组的教学内容是对象在环境中做匀速直线运动。教学目标是学会建构匀速直线运动的模型，学会分析不同环境下物体的受力，理解不同环境的特点。

【训练1】如图10所示，一质量为m的正方体物块置于风洞内的水平面上，其一面与风速垂直，当风速为v0时刚好能推动该物块。已知风对物块的推力F∝Sv2，其中v为风速、S为物块迎风面积。当风速变为2v0时，刚好能推动用同一材料做成的另一正方体物块，求该物块的质量。

图10

【训练2】如图11所示，质量为M的探空气球在匀速下降，若气球所受浮力F始终保持不变，气球在运动过程中所受阻力仅与速率有关，重力加速度为g。现欲使该气球以同样速率匀速上升，则需从气球吊篮中减少的质量为多少？

图11

【训练3】在雷雨云下沿竖直方向的电场强度为104V/m，已知一半径为1 mm的雨滴在此电场中不会下落，取重力加速度大小为10 m/s2，水的密度为103kg/m3。求雨滴携带电荷量的最小值。

【训练4】一平行板电容器的两个极板水平放置，两极板间有一带电量不变的小油滴，油滴在极板间运动时所受空气阻力的大小与其速率成正比。若两极板间电压为零，经过一段时间后，油滴以速率v匀速下降；若两极板间的电压为U，经一段时间后，油滴以速率v匀速上升。若两极板间电压为-U，求油滴做匀速运动时速度大小和方向。

图12

本题组5道习题的事件结构都是对象在环境中做匀速直线运动，虽试题的情境不同，解法却几乎相同，即同一直线上的受力平衡问题。学生在完成试题的过程中，自然而然的经历了对知识结构和思维结构的构建。教学中还可以让学生发散思维，在知识结构中，研究对象还可以在哪些环境或环境的组合中做匀速直线运动。可见，在这样的刻意练习中，学生的目标明确、方向聚焦，教师无需太多的讲解，只需在关键之处对学生进行点拨即可。复习中，教师可以选取不同的切入点，设计编写大量这样的题组，让学生进行训练。

【案例2】一题多问，使知识结构图立体化

针对某一情境，结合教学目标，设计不同层次、逐层递进的设问，让学生在解决问题的过程中完成知识结构的构建。举例如下：

如图13所示，水平线MN上方有一水平向右的匀强电场，一带电粒子从A点以速度v0竖直向上射入电场，粒子的质量为m、电荷量为+q，到达点B时的速度方向变为水平，大小为2v0，已知重力加速度大小为g，求：