高中物理圖像問題思維錯誤及對策探討

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摘要:在物理學中，物理圖像是表征物理過程和物理規律的一個關鍵方法，其能夠直接反映兩個物理量之間變化的函數關系，將繁瑣的文本描述變得更加直觀。本文從高中生角度出發，剖析高中生在處理物理圖像過程中存在的思維錯誤，在分析的基礎上提出相應的教學改進策略。

關鍵詞:物理圖像；思維錯誤；教學策略

物理圖像是重要的表征方法，形象展示了物理過程和物理規律，同時圖像法也是解決一些物理問題的重要手段。圖像問題能很好地考查學生的基礎知識與能力，在高考物理中，圖像問題一直是熱門考點。針對物理圖像問題的教學研究是教育者一直關注的重點。鄭其豐在《基于學情分析的教學改進———以物理圖像問題的復習為例》中，運用solo理論區別了學生在學習物理圖像問題時存在的認識差異，并對圖像問題的復習教學提出一系列的改進建議[1]。潘曉宇在《高中物理圖像學習的主要思維障礙及對策》中，著重分析高中生處理物理圖像存在的主要思維障礙的類型及成因，并提出相應的對策[2]。結合前人的研究，本文對高中生解決物理圖像問題的思維錯誤進行了總結分類，并提出相應的教學策略。

1解決物理圖像問題的主要思維錯誤

在高中階段，學生對于物理圖像的認識是一個循序漸進的過程，從對基本的圖形認識，到對圖像中各要素的物理意義的挖掘，最后將物理圖像與相應的物理模型聯結起來。高中物理反復涉及物理圖像的斜率、截距、面積等圖像要素，老師會解釋強調其物理意義，學生也有一定意識思考物理圖像與物理規律的聯系。但學生對圖像的認知仍然停留在記憶階段，對物理圖像還不能進一步應用。當面對具體的物理圖像問題時，學生往往沒有正確的物理圖像分析方法，常常出現以下幾種典型錯誤：1.1形象淡漠導致圖像中各要素的物理意義不明。在高中物理學習中，形象思維對加強學生對物理的認識起到了重要作用。在給定的物理情境下，物理圖像是描述物理形象的一種重要形式、手段和工具。圖像中包含點、線、面、斜率、截距等多個要素，將這些要素放在給定的物理情境中，它們就被賦予了不同的物理意義。形象淡漠導致學生難以將物理圖像與物理過程聯系起來，也就難以主動分析、挖掘圖像中所隱含的信息。只從物理圖像的單個要素入手，無法把握物理圖像的整體。1.2思維定勢導致學習物理圖像間的負遷移。思維定勢是由先前的活動造成的一種對活動的特殊心理準備狀態，或活動的傾向性。思維定勢的積極作用在于，學習相似物理情境下的物理圖像時，思維定勢使學生能夠應用已學過的分析方法迅速解決問題。但思維定勢也存在消極作用，如果物理情境發生變化，思維定勢往往會阻礙學生思考。因為當物理情境發生變化時，學生仍不自覺地將常用的分析方法應用到新的物理圖像中，不能靈活轉變分析的角度，不能發現物理圖像與物理情境的聯系，導致學生在接觸新的物理圖像的過程中產生了思維障礙。1.3思維的單向性導致解決圖像問題思路。固化思維的單向性是線性思維的一大特點。線性思維的積極作用在于，給予解決圖像問題的一般思路，單向的思維方式也會導致解決圖像的思維固化。尤其在一些物理情境的物理圖像中，并不包含學生熟悉的物理量，而是不太常見的物理量的搭配，導致學生難以從物理圖像著手挖掘信息，難以把握圖像中物理量之間的變化關系。

2教學策略與片段設計

2.1物理量與圖像中要素相聯系。教師幫助學生理解物理量在物理圖像中的呈現方式，在教學中引導學生從物理圖像的軸、點、線、面積、斜率、截距等圖像要素中挖掘其物理意義，進一步促進學生養成分析物理圖像的習慣。教學片段：教師運用PTT展示所學x-t、v-t等高中物理較為常見的物理圖像。問題1：從這些物理圖像中我們可以獲得哪些信息？教師通過整合物理圖像，從數學角度出發，與學生分析物理圖像中包含的重要要素，引導學生從這些基本的圖像要素中獲取信息，引導學生掌握物理信息在圖像中的呈現規律，使學生能從圖像的軸、點、線、面積、斜率、截距等圖像要素去分析圖像，養成從多個角度看待物理圖像的習慣。說明：本案例中的物理圖像都是高中物理比較常見的物理圖像，學生對其非常熟悉，通過這些典型物理圖像的集中呈現和比較，學生進一步了解了物理圖像中信息的呈現方式。教師強調物理圖像中的截距、斜率、面積的重要性后，學生再面對圖像時就會從圖像的這些要素入手去獲取信息。2.2緊抓物理圖像背后的物理情境。物理圖像只有建立在一定的物理情境之上，圖像中的各要素才有物理意義。但一些相似物理圖像中的斜率、面積等要素的物理意義并不能直接類比運用。教學片段：問題1：圖1中的1、2圖是常見的運動圖像，它們代表不同的運動，我們學習過從運動圖像中挖掘更多信息，如加速度、位移等物理量。那么怎么得到A點的加速度？學生自主回答，教師總結。從1圖中直線斜率代表加速度，到2圖的A點對應切線斜率代表加速度。從直線到曲線轉變，斜率的物理意義沒有發生改變。問題2：3圖是電學中小燈泡的伏安特性曲線，如何求得A點是電燈泡的電阻呢？教師運用類似的曲線圖像，讓學生進行思維遷移，學生會誤認為A點的斜率倒數對應的是該點的電阻。這時教師指出學生的錯誤，造成思維沖突。教師與學生一起回顧歐姆定律的表達式，線性變化（為定值電阻）時圖像斜率可以表示電阻阻值。但問題中是小燈泡，電阻的大小時刻在發生改變，根據歐姆定律，導體電阻是電壓除電流而并非切線斜率。說明：從簡單的線性物理圖像轉變為非線性物理圖像，回顧圖像中斜率代表的物理意義。再將運動圖像（x-t、v-t圖像）與后學的電學圖像（I-U圖像）相比較，讓學生認識到將線性圖像的斜率套用到非線性圖像中的錯誤典范。面對圖像中包含相似的圖形時，需要根據具體的物理情境與物理量的定義式來判斷，在物理圖像中找尋與未知物理量所對應的圖像元素。2.3自主構建物理模型。一些物理圖像的圖形較為繁雜，同時坐標軸代表的物理量之間也沒有直接的物理公式聯結，會造成學生的思維閉塞，導致對題目無從下手。教學片段：問題1：我們在學習過關于能量的知識后，能否畫出能量與時間的關系圖？看例題，題中動能與時間的關系圖是哪個？從地面豎直向上運動拋出一只小球，小球運動一段時間后落回到地面。忽略空氣阻力，在圖2中選出該過程的小球的動能Ek與時間t的關系圖像。教師與學生對物理圖像進行分析。圖像屬于非線性的圖像類型，動能Ek與時間t兩物理量搭配構成的物理圖像不常見。教師需要引導學生把解決問題的思路從物理圖像移開，通過分析題目中所給的條件尋找相應的物理模型，屬于運動學中的豎直上拋運動。由運動學公式與動能定理公式推導把兩個物理量相聯結，從動能Ek與時間t兩物理量關系式出發分析它們的函數關系，定性給出對應物理圖像的特點，包括單調性、開口方向、轉折點等，根據這些特點尋找相匹配的圖像。說明：結合例題，教師引導學生總結解決不常見物理圖像問題的核心———抓住物理圖像與物理公式的聯系。從物理圖像出發，尋找與之匹配的物理模型，通過物理公式聯結圖像坐標物理量，推導物理圖像的函數表達式，再從表達式出發分析物理圖像，找出對應的物理模型，運用數學方法描述物理圖像的特性，解決這種類型的圖像問題。

3總結

教師在進行物理圖像教學時，不但要講透各類物理圖像的內涵與外延，更需要從學生的認知規律出發，分析學習物理圖像的思維錯誤，以進一步改進教學。

參考文獻

[1]鄭其豐.基于學情分析的教學改進———以物理圖像問題的復習為例[J].物理教師,2018,39(3):86-90.

[2]潘曉云.高中物理圖像學習的主要思維障礙及對策[J].成功(教育),2012(1):52-53.

[3]陳明.解決物理圖像問題的“三步曲”[J].湖南中學物理,2017,32(11):58,74-75.

[4]張占慶.高中物理圖像問題探析[J].青海教育,2015(Z3):79.

[5]馮少安,易繼東.利用圖像解決物理問題應掌握三種技能[J].物理之友,2014,30(7):19-21.

作者:谷春暉 姜玉梅 單位:揚州大學瘦西湖校區