強化物體運動圖景構建，提升學生問題解決能力

黃宏濤 林杰 林欽

摘? ?要：問題解決起始于模型建構，而模型建構往往開始于對問題的圖景分析?；诮滩牡膱D景，提煉物理問題圖景要素、明確物理圖景的構建方法、強化物理圖景要求是提升學生問題解決能力的有效途徑。

關鍵詞：模型建構;圖景分析;問題解決

引言

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》[ 1 ]（以下簡稱“課程標準”）課程性質指出：“幫助學生從物理學的視角認識自然，理解自然，建構關于自然界的物理圖景”。圖景是物理學科的重要語言，繪制正確的圖景能加深物理概念、規律的理解和科學思維的培養，促進核心素養的落地。愛因斯坦曾說“我思考問題不是用語言思考，而是用一幅幅能動的、跳躍的圖像來幫助我思考”?？梢?，圖景是幫助思考問題解決的有效途徑。

物理問題解決的過程就是還原命題者的物理模型，把實際問題模型化，抽象成熟悉的物理模型的過程[ 2 ]。而模型是為了方便人們研究問題，抓住本質因素，舍去非主要因素，創造出體現研究對象核心內容的新圖景[ 3 ]?？梢?，圖景與問題情境之間是“模型”和“原型”的關系，模型就是理想化的過程圖景，物理過程圖景的構建是構建物理模型的有效手段。面對物理問題，抽象物理情境，構建符合問題模型的物理圖景是促進學生理解知識、分析思考、順利解決物理問題的有效抓手[ 4 ]。

課程標準對學生構建圖景提出了明確的要求，那么學生這一能力發展現狀如何呢？某重點中學高一學生對運動學問題作答情況可見一斑。

1? 學生物理圖景構建現狀分析

問題：ETC是高速公路上不停車電子收費系統的簡稱。汽車以15 m/s的速度行駛，如果過人工收費通道，需要在收費站中心線處減速至0，經過20 s繳費后，再加速至15 m/s行駛；如果過ETC通道，需要在中心線前方10 m處減速至5 m/s，勻速到達中心線后，再加速至15 m/s行駛。設汽車加速和減速的加速度大小均為1 m/s2，求：從開始減速，到加速完成的運動過程，汽車通過ETC通道比通過人工收費通道節約多少時間。

本題主要考查勻變速直線運動規律的綜合應用，要求學生能將實際問題抽象成與之相應的物理問題。求解時，需要學生構建清晰的汽車運動圖景：先減速、后勻速、再加速的運動過程。本題的實測難度值為0.54，學生答題情況并不理想。抽取兩個平行班103人進行的分析統計如表1。

由表1可知，在得滿分、得分超過30%的學生中，畫圖的比例分別為71.4%和83.7%，而0分的學生中，畫圖的學生占比為16.7%;在畫圖的73名學生中，得分超過30%的學生高達97.3%，遠高于不畫圖的學生27.4%?？梢?，畫圖是幫助學生分析和解決問題的重要方法。同時，58.9%的學生有作圖意識但無法得高分的情況，也說明學生作圖能力比較薄弱。結合教師和學生的訪談，學生在作圖方面的困難主要有以下幾點：

（1）問題表象干擾

表象是事物不在面前時，人們在頭腦中出現的關于事物的形象[ 4? ]。學生在分析問題時，思維常常集中在問題的表面現象上，面對陌生的情境，沒法通過所學的知識來解釋情境過程，跳不過干擾，抓不住本質，無法將問題中關鍵信息與熟悉的物理運動模型相比較。例如不少學生反應不知道“在收費站中心線前10 m處正好勻減速至5 m/s”這句話的含義，也就無法構建出減速和勻速兩個運動過程。

（2）沒有掌握畫圖分析物理過程模型的方法[ 5 ]

訪談的學生中都知道抓住主要因素，忽略次要因素這一科學方法，但是面對問題需要提取情境的關鍵要素，圖景構建能力弱的學生不知道應該提取什么信息、如何提取，只能憑借著教師課上向他們展示過程的實例和方法，依樣畫葫蘆，并不能真正的分析運動過程。

（3）看得懂圖，自己畫不出來

“看得懂圖，自己畫不出來”是許多學生的反映。造成這一現象的原因主要在于學生“聽得多、練的少”。課上都是教師讀題、作圖，學生在一旁“欣賞”，沒有參與圖景的構建過程，也就不會對應該從哪里開始畫起有自己的思考和判斷。

由此，幫助學生明確物理圖景的要素，教給學生圖景構建的方法，開展扎實的作圖規范訓練是培養學生問題解決能力亟待解決的問題。

2? 物體運動圖景構建的規范與方法

雖然一線教師在教學中強調作圖的作用和意義，但作圖的規范和方法卻少有涉及，不同教師的要求各不相同方法，但所做的圖也大相徑庭。由此有必要先對物體圖景的構成要素進行研究。

2.1? 分析教材插圖，明確運動圖景要素

很少學生主動關注過教材書上的插圖，在分析問題和解決問題的過程中不善于利用形象表征協助抽象思維[ 6 ]?，F代認知心理學認為，問題解決過程的實質是“信息輸入—信息加工—信息輸出”，學生解決物理問題一般經歷審題、建模、決策、解答四環節[ 7 ]。構建運動圖景是建模環節的重要方法，圖景構建始于圖景要素的確立，就像畫一幅山水畫，不知道山水為何物，談何構建一幅完整的畫，就無法使畫“顯山露水”。沒有明確的圖景要素，學生就無法探索圖景要素之間的聯系，進而構建清晰的運動圖景。因此培養學生圖景構建的素養，首先要使學生把握“圖”的核心、明確圖景的關鍵要素、體會圖景關鍵要素的聯系?，F行高中的教材，不同版本在勻變速直線運動章節中的示范例題解答過程都構建了運動圖景，教材的示范圖景很好地突出圖景要素，因此關注教材示范例題的運動圖景，便于理解畫圖的核心要素。以魯科版的教材為例，分析教材例題的運動圖景，提煉圖景關鍵要素。

魯科版在必修一第二章第二節“勻變速直線運動速度與時間的關系”這一節設置了例題為：

汽車從開始制動到停止所行駛的距離，是衡量汽車制動性能的參數之一。某型號的汽車以 100 km/h 的速度在柏油路面上行駛，急剎車后做勻減速直線運動。若勻減速時的加速度大小為 5 m/s2，開始制動后 2 s 內汽車行駛的距離是多少？從開始制動到完全停止，汽車行駛的距離是多少？

教材在解答分析過程構建了汽車剎車運動過程圖景如圖1。

教材首先構建一維坐標軸作為小車機械運動的空間環境，其次描述小車各運動過程的位置變化，標注出了對應的已知物理量和待求未知物理量。由此可以看出，空間環境、運動物體、位置，以及所對應的物理量，是構成物體運動圖景的主要因素。

這其中，空間環境是物體運動發生的背景，運動物體的位置變化可以借助“路程或位移”等物理量在空間背景上進行標注。運動的物體則是構建物理圖景的核心要素。為了研究物理問題的便利和需要，人們往往對情境進行簡化和抽象，將實際運動的物體抽象為“客體”作為研究對象。機械運動的本質是物體相對于其他物體的位置隨時間的變化，往往研究的是“客體”位置相對地面隨時間的變化關系，并用初速度、位移、末速度等物理量進行表征。為了更好地幫助人們理解運動過程，人們往往會用一些“過程”和“條件”進行約束，如運動過程的位移、加速度、運動所用的時間等，將物理量融入到過程條件方面進去。由此物理圖景的核心要素應該包含背景、對象、過程條件要素。

圖景是將情境抽象化為一系列核心要素的組成，空間背景往往抽象為一條具有方向的水平直線或一維坐標軸。學生已經學習了質點，因此研究對象往往抽象為質點模型或可以是方塊、圓圈等形象描述的要素。運動都是由一個或多個子過程構成，過程條件約束著各個子過程的運動變化，子過程的位置變化可以在具有方向的水平直線或坐標軸的基礎上標注區間的范圍來描述，同時標注方向，明確運動軌跡方向，其次標注每個子過程始末位置的速度狀態和運動過程的加速度、經過的時間等要素反映子過程的運動變化，同時，速度、加速度是矢量，所以在要素上要盡量明確方向。

背景是圖景的依托、對象是圖景的核心、過程條件是圖景的骨架，三大要素有機的組成運動圖景。明確圖景的要素，能有效把握圖景結構的成分，決定著能否順利開展運動圖景的構建。

2.2? 遵循規范思維，明確圖景構建方法

教材中運動圖景的價值在于明確圖景要素、規范作圖，通過突出構建圖景在物理問題解決中的重要地位，幫助學生建立畫圖的意識、樹立規范畫圖思維、養成畫圖解題習慣，以實踐為目標培養學生的作圖能力。教材的圖景是培養學生圖景構建能力的有效媒介，但圖景是靜態的，不能全面有效地指導學生構建圖景的方法。同時，多數教師在教學上強調畫圖的意義，卻很少強調學生作圖規范方法，好比學習書法強調臨摹，而不強調筆法、筆勢，就會顯得照貓畫虎，不強調規范畫圖方法，就會導致學生圖景建構的規范思維薄弱和方法模糊，構建不出清晰明確的運動圖景。因此，幫助學生找到運動圖景構建的思路和方法，能更加科學把握圖景構建程序、有效地提升圖景構建能力。圖2是運動圖景構建方法.

物體運動圖景構建構成如下：

（1）首先是通過審題、理解問題情境、提煉關鍵信息，明確研究對象和運動背景。本題研究對象的“客體”為小車，小車的運動場景為在一條具有中心線及中心線前方標有10 m位移段的水平道路場景。因此構建運動場景圖景如圖3。

（2）明確研究對象和運動背景后，分析全程軌跡，合理劃分過程。任何運動過程都是有一個或多個子過程構成，以汽車走ETC通道為例，小車為了完全通過ETC通道至恢復原來運動狀態，經歷3個子過程，分別是勻減速、勻速、勻加速直線運動，由此構建了3段子過程的軌跡圖景，如圖4。

（3）明確各個子過程機械運動的變化后，分析各個子過程，找準轉折條件，標注物理量。汽車首先是減速過程，汽車從15 m/s的初速度開始以-1 m/s2的加速度減速，到達中心線前方10 m位置時速度大小應該為5 m/s，可設這一段的位移和時間為s1、t1；減速完成后，汽車以5 m/s對速度勻速經過10 m的位移到達中心線，設時間為t2；經過中心線后，汽車從5 m/s的初速度開始以1 m/s2的加速度加速至15 m/s離開，設這段位移和時間為s3、t3。將這些信息標注到圖中，即可得到圖5小車整體的運動過程圖景。

依據上述圖景構建方法，清晰構建了小車的運動過程圖景，圖景將小車運動劃分為3個子過程后，空間的位置關系一目了然，明確了問題屬性，能有效幫助學生找到問題解決需要的運動規律，促進問題的解決。

2.3? 規范畫圖教學，強化作圖訓練

教師規范、學生才會習得規范，對于高一學生，培養學生規范畫圖，要從細微之處著手，而畫圖規范教學是端正學生規范畫圖意識、提高學生規范畫圖的有效著手。教學是循序漸進的過程，要結合運動學內容的特點，有的放矢、系統地指導訓練。首先要注重梳理基礎圖景，對不同層次的運動圖景進行指導，然后強化實踐訓練，掌握基礎運動圖景“范式”。

比如，梳理基礎圖景，從最基本的勻速直線運動圖景進行指導構建，首先明確構建小車在具有方向的直線上運動，標注位置變化的始末位置和過程的時間要素，反映物體位置隨時間變化規律（如圖6）。對于嵌入加速度條件的勻加速、剎車圖景，在標注位移、加速度物理量的同時盡量標注加速度的方向，明確運動的加速度條件（如圖7、8）。

常見減速后反向加速的運動，可以分為2個子過程，分別是剎車和反向勻加速過程，兩段子過程描述在同一直線會容易導致過程條件標注不明確，因此可以構建兩段運動背景，清晰每段運動位置的變化，同時盡量詳細標注各個子過程的位移、時間要素，明確機械運動的本質（如圖9）。

對于追及問題，往往抓住共速這個狀態作為運動問題解決的臨界條件，常見的物體甲勻加速追物體乙勻速直線運動物體，往往追住共速判斷兩者距離最大，先明確對象和研究背景，標注起始狀態兩者的相距距離和速度狀態，然后抓住共速構建甲、乙位置的變化，標注勻加速過程速度、加速度大小及方向和時間等物理量（如圖10）。

通過這樣，有梯度指導圖景構建，學生在掌握了一定的“范式”和明確的構建方法，面對復雜圖景構建的問題，就能有針對地構建圖景，在不斷的構建圖景中發展問題解決能力。

高一物理的學習任務是打好基礎，而圖景構建是學好高一的基礎，同時也是后續動力學、曲線運動、電磁場圖景構建的重要基礎，因此，強化圖景訓練是學好高中物理的重要基石。

3? 結語

運動學在物理教學中占據重要位置，構建運動圖景是運動學問題分析和計算的重要方法，是抽象問題情境構建物理模型的重要手段，因此強化學生運動圖景構建，培養學生規范畫圖的意識尤為重要?；诖?，教師要向學生傳達圖景構建的重要性，引導學生規范畫圖、教給學生畫圖方法、強化圖景構建訓練，以提升問題解決能力。同時，物理圖景素養的培養是一個長期的過程，非一日之功，需要教師長期堅持，積極引導，最終落實到學生的發展。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：1

［2］ 胡生青.從問題情境”到“物理圖景”的關鍵：建立合理的物理模型[J].物理通報，2008（1）：22-24.

［3］ 閆金鐸，田世昆，胡衛平.物理思維論[M].南寧：廣西教育出版社，1996：227

［4］? 叔本華.作為意志和表象的世界[M].石白沖，譯.北京：商務印書館，1982：33.

［5］ 張雪.導致高中生物理過程模型構建能力低下因素的調查[J].物理通報，2015，（11）：113-115.

［6］ 項華，李永艷.物理圖景素養的培養：模型、問題與對策[J].課程.教材.教法，2008（3）：59-62，77.

［7］ 李允和.物理問題解決的建模過程和教學策略例談[J].物理教學探討，2018，36（2）：13-18.