新課標下物理圖景教學的意義及實施策略

李學智（廣東省海豐縣彭湃中學，廣東 海豐）

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中明確提出“高中物理課程在義務教育的基礎上，幫助學生從物理學的視角認識自然，理解自然，構建關于自然界的物理圖景”。物理圖景在高中物理教學中的重要性不言而喻。那么什么是物理圖景？圖景教學的意義何在？怎樣開展圖景教學？筆者結合實際教學談一些粗淺的認識。

一、物理圖景的概念

關于物理圖景的概念，學術界沒有統一的界定。鄧錫強認為物理圖景是物理概念、物理現象、物理狀態和物理過程經過人們充分的想象、分析、歸納、判斷作出的一種形象化的描述。項華、李永艷認為物理圖景是一種“心智圖畫”，這種“心智圖畫”可借助草圖、圖像等形象化的方式加以描述。胡揚洋認為物理圖景是物理概念與規律的物理意義在學習者精神中形象的顯現。筆者認為物理圖景是學習者對物理現象所感知到的形象結果與其已有的物理知識經過抽象思維所形成的一種心理映像，它是形象思維和抽象思維共同作用的結果，它可以是抽象出來的物理模型，也可以以形象化的圖示、圖象、圖形框架、思維導圖等形式呈現。

二、開展物理圖景教學的理論依據

物理圖景教學以學生積累的物理表象為出發點，結合學生已有的物理概念、規律、方法進行分析、綜合、分類、比較、歸納、演繹、抽象、概括而最終形成動態變化的心理映像的一種教學模式。該教學模式不僅符合學生的認知規律，而且符合高中生的心理特點。

圖景教學基于認知心理學中的圖式理論，它是以某一個主題組織的知識表征和貯存方式為基礎的理論。該理論認為，記憶會將關于情境的“一般”信息進行編碼。然后利用這些信息來理解和記住圖式的新的實例。圖景教學的過程中引導學生在原有圖式的基礎上豐富原有圖式、認知新的圖式，符合人們的認知規律。

高中生觀察力顯著提高，觀察具有深刻性和全面性的特點，可以通過觀察事物的表面現象發現事物的本質特征。這使得學生可以積累正確的物理表象，為物理圖景的構建提供了必要的條件。初中學生的抽象思維已經有了很大的發展，但還需要具體的形象支撐，其思維屬于經驗型。高中生由于經常掌握事物發展的規律和重要的科學理論，理論的抽象邏輯思維開始發展起來，其思維由經驗型向理論性轉變，抽象思維已高度發展。物理圖景的建立是形象思維與抽象思維共同作用的結果，高中生抽象思維的高度發展，為物理圖景教學的開展提供了保障。

三、物理圖景教學的意義及實施策略

教學是科學，也是藝術。在圖景教學的過程中學生將一個個冰冷的物理概念、規律等以形象生動的物理圖景呈現在腦海中，有利于教師在教學過程中突出重點，克服難點，培養學生思維能力、提高學習效率。

1.克服教學難點，形成物理概念

物理概念是一種思維形式，反映了物理現象和物理過程的基本屬性。中學物理教學的核心問題是使學生形成清晰的物理概念，并充分發展其智力和能力。下面以粵教版3-1第二章第三節《研究閉合電路》中電源電動勢的教學片段為例：

電源電動勢是一個很抽象的概念，教學中從學生熟悉的生活情境和原有的物理圖景入手，設置圖1所示的圖景：A池（高處）中的水在重力作用下流到B池（低處）中，在水渠中就形成了水流，但要使水渠中有持續穩定的水流，就必須使B池中的水回到A池，這時就要用到水泵。

圖1

圖2

圖2在閉合電路中正電荷在電場力作用下從高電勢（電源正極）流向低電勢（電源負極）從而在電路中形成了電流，為了使電路中的電流持續穩定，就必須使到達電源負極的正電荷通過電源回到電源的正極，那么正電荷如何再次回到電源正極呢？有學生可能會回答“電泵”。這時教師引入非靜電力的概念，從功能轉化的角度使學生認識到電源的另一個作用——將其他形式的能轉化為電能，進而得到電動勢的概念及物理意義，最終在學生腦海中形成清晰的物理圖景（如圖3）。

圖3

電動勢概念的教學過程，從生活中常見的情境切入，通過水流物理圖景與電流物理圖景類比，由淺入深、循序漸進、逐步深化，有效克服了教學的難點。

2.消除學生疑惑，理解物理規律

物理規律是物理知識的主干，它反映了若干物理概念之間的邏輯關系，是物質結構及其運動中相關物理要素發展變化的必然趨勢的表現。下面以粵教版3-1第一章第二節《探究靜電力》的教學片段為例：

靜電力又稱庫侖力，是真空中兩個點電荷之間的相互作用力，其大小關系是法國物理學家查爾斯·庫侖于1785年發現的。庫倫定律的發現開啟了電學定量研究的大門，是電學發展史上一個重要的標志。

庫侖定律是一個實驗定律，教材中設計的實驗利用控制變量法只能得到靜電力與帶電量和距離之間的定性關系。筆者在以往的教學中發現，學生對庫倫定律的內容能夠熟記于心，但在應用的過程中經常出現問題，究其原因，是學生對庫倫定律的適用范圍理解不到位，為此筆者設計如下教學，幫助學生理解該定律。

庫侖定律教學結束后對學生提出如下問題：

①真空中兩個點電荷A、B，帶電量分別為Q和q，其間距為3r，求AB之間的靜電力大小F。該問題提出后，學生很快可以根據庫倫定律得到

緊接著又提出第二個問題：

②真空中兩個半徑均為r的帶電小球A、B，帶電量分別為Q和q，兩球心間距為3r，求AB之間的靜電力大小F。

圖4

很多學生根據第一問所獲得的成功的經驗，迅速給出了答案——然而有些學生開始質疑這個答案。出示圖4，提問：比較①②兩題的示意圖，②中的小球能視為點電荷嗎？這時給出答案的同學開始意識到自己忽視了庫侖定律適用的范圍。由于②中小球已不能視為點電荷，故庫倫定律不適用，其靜電力大小無法確定。再提出第三個問題：

引導學生繪制示意圖，結合電荷之間“同斥異吸”的作用規律，得出結論：若帶同種電荷，則靜電力小于若帶異種電荷，則靜電力大于

愛因斯坦曾說過：發現問題比解決問題更重要。上述教學過程中，通過問題設置和物理圖景的展現引導學生發現、分析并解決學習過程中存在的問題，最終形成庫侖定律的物理圖景。這樣的過程不僅是學生正確理解物理規律的過程，也是培養學生思維能力的過程。

3.體驗實驗探究，掌握物理方法

物理教學的最終目標是教會學生如何去學習。因此，教師必須在教學過程中滲透科學方法的教育。學生構建物理圖景的過程本身就是一個體驗物理學思維方法和科學研究方法的過程。下面以粵教版必修1第二章第一節《探究自由落體運動》的教學片段為例：

實驗一：一手拿紙，一手拿書，雙手舉到同一高度后同時由靜止釋放，學生看到重的書比輕的紙下落快。（該結論與亞里士多德的觀點相同，同時也與學生的生活經驗相符，有利于和學生的思想達成共鳴，為后續實驗做好鋪墊。）

實驗二：將實驗一中的紙揉成紙團，一手拿書，一手拿紙團，重復實驗一中的操作，學生看到書和紙團同時落地。（與學生生活經驗相悖，開始質疑并提出猜測——可能是因為空氣阻力）

實驗三：兩張相同的紙（質量相同），一張揉成紙團，一手拿紙，一手拿紙團，再次重復實驗一中的操作，學生看到紙團先落地。（學生猜測得到肯定，但又會產生新的疑惑——如果沒有空氣阻力，不同質量的物體真的會同時下落嗎?）

實驗四：（牛頓管演示）真空中的羽毛和金屬片同時從同一高度落下，并同時到達牛頓管底部。（消除了學生的疑惑，并成功構建了自由落體運動的物理圖景。）

四個生動的演示實驗使學生經歷了發現問題、提出問題、分析問題和解決問題的過程，在該過程中學生從實驗中獲得物理表象，去粗取精，去偽存真，最終形成自由落體運動這一運動模型的物理圖景。這個過程既是物理學思維方法和研究方法的完美呈現，也是物理學科素養的核心——學科探究的過程。

由于知覺的選擇性和注意的指向性、集中性以及圖式和記憶的選擇理論，在進行物理演示實驗時，教師要通過語言引導使學生觀察特定的實驗現象，以使學生獲取正確的物理表象。

4.提高解題能力，感悟物理之美

在物理教學的過程中經常聽學生說“物理太難！”上課聽得“懂”，課后不會“做”，這些都是在學習過程中不善于構建物理圖景引起的必然結果。

例如2018年全國高考理科綜合Ⅰ卷15題。

如圖5，輕彈簧下端固定在水平桌面上，上端放有物塊P，系統處于靜止狀態，現用一豎直向上的力F作用在P上，使其向上做勻加速直線運動，以x表示P離開靜止位置的位移，在彈簧恢復原長前，下列表示F和x之間關系的圖像可能正確的是：

該題考查學生對受力圖景和運動圖景的理解，若學生構建圖6所示的物理圖景，結合牛頓第二定律及胡可定律，很容易得出正確答案A。

圖5

圖6

又如2018年全國高考理科綜合Ⅰ卷18題。

圖7

如圖7，abc是豎直面內的光滑固定軌道，ab水平，長度為2R，bc是半徑為R的四分之一的圓弧，與ab相切于b點。一質量為m的小球。始終受到與重力大小相等的水平外力的作用，自a點從靜止開始向右運動，重力加速度大小為g。小球從a點開始運動到其軌跡最高點，機械能的增量為：

圖8

該題考查動能定理、機械能等基本規律，對學生的邏輯推理能力有較高的要求。若學生構建如圖8所示的物理圖景，從a到c的過程利用動能定理求出c點速度，從c到d的過程利用等效替代的思想將其分解到豎直方向（豎直上拋運動）和水平方向（初速度為0的勻加速直線運動），豎直方向求出時間，水平方向求出位移，再結合功能關系即可得到正確答案C。

物理概念和物理規律是物理知識體系的基礎，但解決實際物理問題的基礎是物理圖景，物理圖景的有效構建為學生的解題提供保障，使其解題能力得以提高。也只有這樣，才能使學生對物理的學習跳出題海戰術的怪圈——不再懼怕物理，有興趣學物理，感悟物理之美。

5.適應課改要求，培養核心素養

新課標下學校的教育應從“知識傳遞”轉向“知識構建”。構建物理圖景的過程就是構建物理知識的過程，在這個過程當中學生體驗物理探究的樂趣，領悟物理學科思想方法和科學研究方法，培養學生的思維能力，養成良好的學習習慣。若干年后學生所做的習題可能已經遺忘，但他們在物理學習過程中所掌握的分析問題解決問題的方法、思維品質、良好習慣不但不會忘記，還會在工作實踐中加以應用，使之得到進一步提高，而這正是物理學科核心素養的具體體現。

物理圖景是動態變化的心理映像，物理圖景的構建需要一個過程。在高一、高二的教學中教師應有意識地引導學生構建基本物理圖景，在高三復習的過程中應更多地引導學生尋找不同物理圖景之間的聯系，不斷豐富最初的基本物理圖景，促使學生形成完整的知識結構。在常規訓練時命題者可有意識地將物理情景以純文本的形式呈現，以激發學生想象力，促使其養成構建物理圖景的習慣。同時針對不同的教學內容，教師也應有不同的圖景教學重點。