如何培养学生物理作图能力的研究

如何培养学生物理作图能力
在高中物理教学过程中，笔者经常发现如果一个图能准确地表征所要解答的计算题、尤其是高考的压轴题，可以说它已解决了一半.如果学生不会作图、或作图能力差，它将直接影响到复杂问题的解决.正如Kaplan和Simon的研究结果表明，问题解决过程中顿悟现象的出现，是由于被试找到了适宜的表征方式.表征物理问题时，图像是以视觉表象和直观形象的表征为主，以抽象符号表征为辅的一种问题表征方法，〔因为物理符号是一种最简洁的物理语言）.这种表征方式，使问题的表达力求简洁，以便对问题的实质进行分析，也便于从整体上把握问题的实质.因此本文旨在研究如何有效提高高中学生的作图能力.
　　2物理作图的界定
　　在作图的活动过程中，人用眼睛看，用手去画，用脑去思考，实现人与外界的间接的相互作用.虽然它以图的形式反映出来，但是这种图不是简单的对外界物体的摹写，也不是一种艺术形象，而是与抽象的概念和规律相对应的图，是一种概括化的，并从客观世界抽象出典型的物理特征且反映物理规律的图.这种图就是一种物理模型，是形象与抽象的结合体.个体通过对物理模型的掌握，去同化和顺应头脑中原有的图式，在不断建立新的平衡的过程中，解决物理问题，掌握了物理知识，这应该是物理作图过程.
　　物理作图是一种视觉思维的方式，它通过观察、想象和构绘，将外部信息转化为表象并通过表象作用，再转化为图示与图象等约定信息的形式，并以此实现人对外部客观世界的间接的作用过程.物理作图就是借助于图形来思考，简单的说，就是以图助思.
　　3物理作图的能力要求
　　3.1从表象空间到几何空间
　　研究物体的结构及其运动，就要确定物体的空间几何关系，即将表象的空间通过构图反映为平面上的几何空间，也就是画出各种侧面图，立体图，俯视图，截面图等，并能够相互转化.
　　3.2从原型到模型
　　把实际问题中的原型抽象成物理和数学模型.
　　3.3学生应具有信息的转换和整合的能力
　　在把信息要全面准确的反映在图上，既有空间关系的表达，又有语言逻辑的分析，还有隐含条件的挖掘等.
　　3.4规律应用于图的能力
　　画图的目的是为了更好的思考，画图不仅是利用直觉，物理表象的形象性进行思考，更主要的是要结合抽象的物理规律、概念、几何关系等进行思考.即形象与抽象相结合的思维能力.
　　3.5几何构图的能力
　　4提高中学生物理作图能力的策略
　　根据物理作图的界定和能力要求，笔者提出以下提高中学生物理作图能力的策略.
　　4.1让学生认识作图的重要性、养成作图习惯
　　作图并不是针对某一些题，或一类题，而是作为一种物理思考的工具，因此，要培养学生作图解题的意识，具有作图解题的策略，并逐渐养成作图思考的习惯.习惯来源于多次的重复，因而教师始终如一的严格要求是学生养成画图思考习惯的根本. 刚开始要求学生作图，学生感觉不习惯，不理解，我们通过实例，让学生感受到，按规定程序认真审题，作图分析，看起来花了一些时间，但能保证顺利得出正确答案.“笨”办法其实就是好办法.千万不能省事，图快，凭想当然，“我觉得”如何，匆忙做答.那样欲速则不达，会出现不少意外失误.让学生认识作图的重要性.
　　另一方面在学生的学习和练习过程中，重视作图习惯的培养.例如，我们从高一开始，要求学生把练习本的左侧折出三分之一，专门用作画图区，把图作为建立关系、列方程的依据.对应该画图而没有画图的答题扣去大部分的分数或让学生重做，从严要求，让学生逐渐形成了习惯.
　　4.2明确要求
　　要删繁就简：物理作图主要体现与解题有关的主要对象及关系.画图时，要有所选择地抓住与所研究问题相关的对象.要重意轻形：即作图时重在表达意思，次要描绘形象.要一目了然：让人一看就懂.
　　中学阶段经常画的图有图示和图象两种.图示有矢量图，力线图，流线图，谱线图，流程图等.具体的说有受力图，光路图，电路图，运动图，轨迹图，等.图象是指各种函数图象，如波动图象，速度图象，位移图象等.教师应使学生明确各种图的画法、要求与表达意义的统一.教师在教学中要有相对固定的表达方法，并向学生明示.画图的过程，要利用准确规范的物理符号和数学符号.图的几何关系，大小比例要尽量准确.
　　4.3重视概念与图像相结合教学
　　物理中的许多概念都是在形象的基础上建立起来的，即使是抽象的概念也有对应的物理模型，所以，在概念教学中应将概念和形象相结合.
　　4.4重视物理规律与图相结合的教学
　　物理规律教学要注意培养学生的空间想象力，使学生充分感知.物理规律的引出与推导要以清晰的物理图景为基础，有的是通过实验，有的需要从生活观察中抽象出模型，在教学中，为了清楚的表示他们就需要画出图.例如，平行四边形定则.用两个弹簧称互成一定角度拉一根橡皮条，用力的图示记录下F1、F2大小和方向，猜想F1、F2的合力F的大小和方向，只用一弹簧称演示合力F，并用力的图示记录F的大小和方向.以F1、F2为两边构造一平行四边形，比较平行四边形的对角线与合力F的关系，得出平行四边形定则.这样在画图基础上学习物理规律.
　　4.5重视几种视图的转化教学
　　在安培力、洛伦磁力、电磁感应定理的学习与应用中，我用3DMAX软件实现透视图、前视图、俯视图、侧视图之间的转化.如在安培力的习题教学中，我用如下三种视图.
　　这样学生对几种视图的转换就有一些直观的感性认识，同时还应教给学生几种视图转换的基本方法，例如透视图和前视图的转换：透视图中两根平行的导轨在前视图中只能看见一根，所以只画一根；而在轨道上切割磁感线的导体棒在前视图中只能看见其截面，所以只能画一圆圈表示；看不见的物体可以不画，也可用虚线表示. 　　4.6重视直观化的教学
　　传统的物理教材安排的教学内容都是已经选择、压缩、改造而具典型化和简约化，更具高度的抽象性.若是照本宣科，学生很难理解所学内容，而若能充分利用图形图片、电视录像、多媒体课件等手段再现知识发生发展的变化过程，用图文并茂的方式向学生提供信息，使学生自然地'悟'出其中的道理和规律，从而充分展示知识发生发展的过程，帮助学生建立准确的物理模型.例如《超重 失重》的教学，用DV拍摄电梯中的超重和失重现象，并在课堂上上播放，让学生有感性认识，再让学生自己探究超重和失重的原因就容易多了.学生在画超重或失重物体的受力分析图时，准确性明显提高了.
　　4.7重视挖掘隐含条件的训练
　　信息在转换时，图是一个中介，信息之间的转换就像是不同语言之间的翻译过程，转译时，要求信息要全面准确的反映在图上，既有空间关系的表达，又有语言逻辑的分析，还有隐含条件的挖掘等.
　　例如：如图10所示.一个质量为m的带正电的小球，从O点出发，初速度的大小为v0，在电场力与重力的作用下，恰能沿与场强的反方向成θ角的直线运动.求小球运动到最高点时其电势能与在O点的电势能之差.
　　在画本题的受力分析图时：（1）先画重力方向，竖直向下.（2）要准确画电场力方向，关键在于挖掘隐含条件：物体做直线运动，本题电场力可能水平向左、可能水平向右，但物体所受合力不可能为零.所以物体所受合力只能与速度在同一直线上，所以电场力方向只能水平向右.
　　4.8重视物理过程的分割训练
　　建立一个比较复杂的物理图景，首先要弄清一个物理过程可分为哪几个阶段，其次要清楚各个阶段之间是由什么物理量联系起来的，第三要分析每个阶段遵循的物理规律.分析物理过程，一般都采用以现象发生的先后为顺序来分析的方式，将相同物理规律的现象视为一个物理过程.涉及物体运动的不同过程时，相邻两个过程经常以“速度”为“接力棒”的.
　　4.9重视课本插图的教学
　　新教材的图片更为丰富，主要是借助图的作用来表示、类比抽象的概念和规律等.例如，为了描述抽象的电场，引入了电场线.为了形象的说明电势的高低，用等高线类比等势面，用电梯的作功来表示电池的电动势等.教学中要重视课本插图的观察和思考，要注意指导学生如何看图，建立抽象规律和图的联系.从而提高学生作图能力.
　　4.11画图综合训练――物理习题教学
　　由于学生的个性差异，思维也各有特点，习题教学应加强图景的教学.教会学生如何通过审题，画示意图，从易到难，逐步消除思维障碍，这一过程教师不得包办代替学生的思维过程.笔者认为物理问题作图包括以下几个环节：
　　（1）读审
　　弄清题目中明显给出的已知条件是什么，追索题目中隐含的已知条件是什么，明确题目应该达到的目标是什么.
　　（2）建立情景图
　　物理问题多以现实的客观事物存在为背景，一般用语言来描述，学生在读题时，头脑中就会产生相应的表象.也就是根据生活经验建立初步的问题情景图.确定研究对象，并分割过程.图在信息转化过程中的作用是：帮助理解题意，寻找变化规律，建立各物理量的联系.
　　边审题、边画图，并一一把条件和问题用字母符号注在图上，使问题能在脑中形成完整的表象，不至于因忘记条件或问题而中断解题过程的思维而重新审题，同时，示意图能使解答问题所必须的条件同时呈现在视野内，图成为思维的载体.
　　（3）科学的抽象
　　对读审中发现的各种解题信息进行分析、判断，抽象出研究对象的本质特征.
　　（4）受力分析
　　对研究对象的各个过程进行受力分析，画受力分析图.
　　（5）模型的再认
　　将研究者头脑中活跃着的有关的各种模型（常见的模型有直线运动、圆周运动、抛体运动），与问题情景中抽象出的研究对象的特征进行比较，从中鉴别出适当的模型.
　　（6）形成物理图形
　　根据模型特征搜索出必要的物理概念或规律，在概念、规律的指导下画出研究的对象状态、过程等图.物理解题要求学生要建立清晰的物理图景，所以画图需要将规律应用于图，需要使形象和抽象相结合，需要使逻辑的推理与非逻辑的想象相结合.
　　（7）合理的想象
　　展开对模型形象、过程和相互关系的想象，并在图像上反映出来，形成三维的动态图像.并检验图形的合理性.
　　物理作图过程就是确定解题方向的过程，这是解题过程中的关键环节.物理作图过程不仅是知觉的直接反应或是知觉形象的回忆和重现，是属于感知水平的再生性形象思维过程.而且是一个概念、规律、表象的有机结合，是属于抽象思维、形式思维的有机结合的认知水平的思维过程.这就是学生常感到解物理图象难画的症结所在，也是物理问题解决活动能有效地促进学生智力发展的有利因素.平时教学中帮助学生多形成一些正确的物理模型形象，帮助学生养成形象化思考问题的习惯，将会有助于学生顺利掌握建构环节. 当然，高中学生物理作图的困难是多方面的，但只要重视图象图景的教学和画图习惯的培养，进行有针对性的训练和指导，学生的作图能力是会提高的.