黃多智

摘?要：圖像可以展示物理情境，表達(dá)物理概念之間的關(guān)系，體現(xiàn)蘊(yùn)含于物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)之中的規(guī)律.圖像簡(jiǎn)單直觀信息量大，具有文字、符號(hào)不可替代的優(yōu)點(diǎn).不論是教材還是試卷當(dāng)中都占有極大的分量，因此提高學(xué)生的讀圖能力是物理課堂教學(xué)的重要任務(wù)之一.

關(guān)鍵詞：圖像;讀圖能力;核心素養(yǎng)

物理語(yǔ)言包括可以相互轉(zhuǎn)化和補(bǔ)充的文字語(yǔ)言、符號(hào)語(yǔ)言和圖像語(yǔ)言三種形式.其中的圖像語(yǔ)言又可以分為展示物理現(xiàn)象類(lèi)、表達(dá)物理概念關(guān)系類(lèi)、反映物理規(guī)律類(lèi)和體現(xiàn)物理方法類(lèi)等.這里主要就基于直角坐標(biāo)系表達(dá)物理概念關(guān)系類(lèi)的函數(shù)圖像，探討學(xué)生讀圖能力的培養(yǎng)策略.據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2019年的高考中，全國(guó)卷Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的物理試題中這類(lèi)圖像一共有30幅.散見(jiàn)于選擇題、實(shí)驗(yàn)探究題、計(jì)算題和選修模塊中.可以說(shuō)出現(xiàn)頻次高，分布范圍廣，考查方式靈活.一般而言是試題命制者將圖像呈現(xiàn)給讀者，但是在實(shí)驗(yàn)探究題、計(jì)算題等，還可以讓讀者根據(jù)命題者的要求去描繪.有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行概括論證、關(guān)聯(lián)整合、分析解釋、推論預(yù)測(cè)、綜合應(yīng)用、直覺(jué)聯(lián)想、遷移與質(zhì)疑和建構(gòu)新模型等物理學(xué)科能力的全方位考查，屬于考查的重點(diǎn)、難點(diǎn)，歷來(lái)受試題命制者青睞.

1?提取信息能力的培養(yǎng)

面對(duì)新圖像，在接收并記憶了各類(lèi)外界信息后，根據(jù)科學(xué)的思維圖式，按物理屬性對(duì)同質(zhì)的事物和過(guò)程將這些信息進(jìn)行抽象概括，排除干擾信息的影響，從中提取有效信息是學(xué)生讀圖的基本能力.

例1?（2019.Ⅰ.21）在星球M上將一輕彈簧豎直固定在水平桌面上，把物體P輕放在彈簧上端，P由靜止向下運(yùn)動(dòng)，物體的加速度a與彈簧的壓縮量x間的關(guān)系如圖中實(shí)線(xiàn)所示.在另一星球N上用完全相同的彈簧，改用物體Q完成同樣的過(guò)程，其a-x關(guān)系如圖中虛線(xiàn)所示，假設(shè)兩星球均為質(zhì)量均勻分布的球體.已知星球M的半徑是星球N的3倍，則（?）

A.M與N的密度相等

B.Q的質(zhì)量是P的3倍

C.Q下落過(guò)程中的最大動(dòng)能是P的4倍

D.Q下落過(guò)程中彈簧的最大壓縮量是P的4倍

M星球（實(shí)線(xiàn)）a1=3a0x1=0此時(shí)物體P還沒(méi)有壓縮彈簧，只是剛剛放上去，則該星球M上自由落體加速度g1=3a0

a=0x1=x0“重力”與彈力相互平衡，即3m1a0=kx0

N星球（虛線(xiàn)）a2=a0x2=0此時(shí)物體Q還沒(méi)有壓縮彈簧，只是剛剛放上去，則該星球N上自由落體加速度g2=a0

a2=0x2=2x0“重力”與彈力相互平衡，即m2a0=2kx0

表1縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的信息是從圖像中直接提取出來(lái)的有效信息.“說(shuō)明”則是經(jīng)過(guò)概括和邏輯推理之后獲取的新知識(shí).通過(guò)對(duì)比分析，物體P在兩個(gè)星球M和N上的自由落體加速度一目了然.結(jié)合列出的二力平衡方程，運(yùn)用萬(wàn)有引力定律的規(guī)律及解題方法，即可得解.

從圖像中提取信息主要關(guān)注以下三個(gè)方面：

（1）從圖中提取有關(guān)物理量的大小、方向、變化趨勢(shì)等信息.

（2）從圖中提取斜率意義、交點(diǎn)意義、所在象限的意義等.

（3）重視形象思維的動(dòng)態(tài)性.讀圖屬于形象思維，圖像是靜態(tài)的，但是它反映的物理表象卻可以是動(dòng)態(tài)的.

2?信息加工能力的培養(yǎng)

提取到有效的信息后，要能夠調(diào)用相應(yīng)的物理概念、模型和規(guī)律對(duì)其進(jìn)行分析，從而為物理現(xiàn)象構(gòu)建合理解釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)學(xué)科推理對(duì)觀點(diǎn)進(jìn)行論證，以及預(yù)測(cè)未知的物理過(guò)程或結(jié)果.即具備對(duì)信息進(jìn)行加工的能力，這是學(xué)生讀圖的關(guān)鍵能力.

例2?（2019.Ⅱ.19）如圖（a），在跳臺(tái)滑雪比賽中，運(yùn)動(dòng)員在空中滑翔時(shí)身體的姿態(tài)會(huì)影響其下落的速度和滑翔的距離.某運(yùn)動(dòng)員先后兩次從同一跳臺(tái)起跳，每次都從離開(kāi)跳臺(tái)開(kāi)始計(jì)時(shí)，用v表示他在豎直

方向的速度，其v-t圖像如圖（b）所示，t1和t2是他落在傾斜雪道上的時(shí)刻.則（?）

A.第二次滑翔過(guò)程中在豎直方向上的位移比第一次的小

B.第二次滑翔過(guò)程中在水平方向上的位移比第一次的大

C.第二次滑翔過(guò)程中在豎直方向上的平均加速度比第一次的大

D.豎直方向速度大小為v1時(shí)，第二次滑翔在豎直方向上所受阻力比第一次的大

第二次跳由圖可知豎直方向上的速度是隨著時(shí)間逐漸增加的，但是斜率越來(lái)越小，說(shuō)明在豎直方向上是做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng).可見(jiàn)運(yùn)動(dòng)員所受阻力不能夠忽略，則水平方向做的是減速運(yùn)動(dòng).兩次均不是平拋運(yùn)動(dòng)

結(jié)合情境圖可知每一次跳水平方向的位移跟豎直方向上的位移之比都是恒定的.即兩次的位移方向相同

落地時(shí)t1，v1>v2

落地時(shí)t2>t1，v2在落地前二者速度大小相等時(shí)，第一次的時(shí)間小于第二次的時(shí)間，因此第一次的平均加速度大于第二次的平均加速度.用時(shí)間相等時(shí)兩次速度的大小關(guān)系也可以判斷加速度的關(guān)系.再結(jié)合牛頓第二定律即可得阻力的關(guān)系.由v-t圖像可知第二次圖像面積大于第一次的面積.根據(jù)v-t圖像面積表示物體的位移，則在豎直方向上第二次的位移大于第一次的位移.由于位移方向相同，則第二次水平方向的位移也大于第一次

按照事件發(fā)生的先后順序列表，思路清晰，信息完整不易遺漏.同時(shí)也有利于學(xué)生將提取的信息一一與大腦中的概念、規(guī)律和方法對(duì)應(yīng)，從而對(duì)問(wèn)題做出判斷.該題根據(jù)圖像速度v變化的特點(diǎn)，消除了運(yùn)動(dòng)員做平拋運(yùn)動(dòng)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，促使學(xué)生進(jìn)一步依據(jù)斜率思考加速度的變化規(guī)律.運(yùn)用類(lèi)比，跟勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的知識(shí)對(duì)比起來(lái)，設(shè)定速度相等或者時(shí)間相等，能夠得到兩次加速度的關(guān)系.比對(duì)面積的大小即得到豎直方向的位移關(guān)系.

信息加工需要注意以下幾個(gè)方面：

（1）思考從圖中提取的物理量之間有何函數(shù)關(guān)系，并列出來(lái).

（2）思考從圖中提取的物理量與未知量的最直接的關(guān)系，并列出來(lái).

（3）將提取的信息轉(zhuǎn)換為物理情境，注意形象思維的動(dòng)態(tài)性和創(chuàng)造性結(jié)合.

（4）將提取的信息與大腦中的概念、規(guī)律和方法進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行解釋和判斷.

3?信息運(yùn)用能力的培養(yǎng)

信息的運(yùn)用除了用于解決當(dāng)前的物理問(wèn)題外，很多時(shí)候還要對(duì)提取的信息以及新生成的信息進(jìn)行反思以加深理解，在大腦中形成新的知識(shí)組塊，將來(lái)面對(duì)新的較復(fù)雜的情境時(shí)能夠及時(shí)調(diào)用，甚至發(fā)現(xiàn)新的知識(shí)和方法.

例3?（2019.Ⅱ.21）如圖，兩條光滑平行金屬導(dǎo)軌固定，所在平面與水平面夾角為θ，導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì).虛線(xiàn)ab、cd均與導(dǎo)軌垂直，在ab與cd之間的區(qū)域存在垂直于導(dǎo)軌所在平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng).將兩根相同的導(dǎo)體棒PQ、MN先后自導(dǎo)軌上同一位置由靜止釋放，兩者始終與導(dǎo)軌垂直且接觸良好.已知PQ進(jìn)入磁場(chǎng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到MN離開(kāi)磁場(chǎng)區(qū)域?yàn)橹?，流過(guò)PQ的電流隨時(shí)間變化的圖像可能正確的是（?）

概析?本題并不知道PQ、MN兩根導(dǎo)體棒開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)間隔的時(shí)間是多少，距離磁場(chǎng)區(qū)域多遠(yuǎn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度多大，導(dǎo)軌與地面的夾角多大等具體的數(shù)值，因此不好確定導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也不好確定感應(yīng)電流的大小等.這樣的問(wèn)題，一般要從答案分析入手.

選項(xiàng)圖像特點(diǎn)物理本質(zhì)

A兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)電流強(qiáng)度大小相等方向相反且恒定，中間有一段時(shí)間沒(méi)有感應(yīng)電流感應(yīng)電流恒定一段時(shí)間說(shuō)明導(dǎo)體棒PQ進(jìn)入磁場(chǎng)后做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng);中間有一段時(shí)間沒(méi)有感應(yīng)電流說(shuō)明這段時(shí)間磁通量沒(méi)有發(fā)生變化，即PQ已經(jīng)離開(kāi)磁場(chǎng)，而MN還沒(méi)有進(jìn)入磁場(chǎng);兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)電流強(qiáng)度大小相等方向相反說(shuō)明是兩根導(dǎo)體棒分別在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流.A正確B錯(cuò)誤

B后段時(shí)間電流小于前段時(shí)間電流導(dǎo)體棒PQ和MN都是從同一位置由靜止開(kāi)始滑下，所以進(jìn)入磁場(chǎng)的速度相等，感應(yīng)電流強(qiáng)度也應(yīng)該相等.故該選項(xiàng)錯(cuò)誤

C兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)電流強(qiáng)度方向相反大小不相等但恒定，前面電流強(qiáng)度小于后面，中間有一段時(shí)間沒(méi)有感應(yīng)電流感應(yīng)電流恒定一段時(shí)間說(shuō)明導(dǎo)體棒PQ進(jìn)入磁場(chǎng)后做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng);中間有一段時(shí)間沒(méi)有感應(yīng)電流說(shuō)明這段時(shí)間磁通量沒(méi)有發(fā)生變化，即兩根導(dǎo)體棒都在磁場(chǎng)中做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng);后段時(shí)間電流大于前段時(shí)間電流說(shuō)明PQ離開(kāi)磁場(chǎng)后，MN在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度大于進(jìn)入磁場(chǎng)是的速度.C正確D錯(cuò)誤

D電流關(guān)系與C相反由于PQ和MN都在磁場(chǎng)中時(shí)是勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，速度逐漸增大，因此MN離開(kāi)磁場(chǎng)時(shí)的感應(yīng)電流要大于PQ進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)

由AB、CD兩組圖像的分析可以得到兩根導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)可能情境.PQ進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)合力為零加速度為零做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電流.PQ離開(kāi)磁場(chǎng)一段時(shí)間后MN才進(jìn)入磁場(chǎng)，運(yùn)動(dòng)情況同PQ.另一種情況是PQ尚未離開(kāi)磁場(chǎng)，MN即進(jìn)入磁場(chǎng).MN進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)刻起兩根導(dǎo)體棒一起做勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng).還有沒(méi)有其他的可能呢？做試題解析時(shí)可以讓學(xué)生進(jìn)一步探討以加深對(duì)該題呈現(xiàn)的物理情境和反映的規(guī)律的理解.

該題若設(shè)定具體的量導(dǎo)體棒釋放的時(shí)間間隔，釋放時(shí)距離磁場(chǎng)的高度，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，導(dǎo)軌與水平面的夾角、導(dǎo)體棒的電阻等數(shù)值，可以算出導(dǎo)體棒進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度大小，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，電流強(qiáng)度的大小，流過(guò)導(dǎo)體棒的電荷量，電路產(chǎn)生的熱量等等.這些問(wèn)題需要老師作進(jìn)一步的研究和引導(dǎo).對(duì)于相同相似的物理情境反復(fù)運(yùn)用，可以使得學(xué)生能夠熟練掌握這類(lèi)問(wèn)題的解決思路和過(guò)程，并能夠用于新的情境和新的問(wèn)題.

4?啟示

（1）通過(guò)新舊教材的對(duì)比，以及近幾年高考命題趨勢(shì)看，形象思維能力的學(xué)習(xí)和考查是難點(diǎn)和重點(diǎn)，在日常的教學(xué)過(guò)程中務(wù)必引起高度重視.因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑，也是學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的重要指標(biāo).

（2）對(duì)于圖像問(wèn)題，由于信息量大，識(shí)記區(qū)分難度相應(yīng)增加，因此在解決這類(lèi)問(wèn)題時(shí)建議開(kāi)列清單，不至于遺忘、遺漏和混淆.

（3）在日常教學(xué)過(guò)程中要盡可能讓學(xué)生獨(dú)立思考，然后通過(guò)交流分享，最后教師再評(píng)析，使學(xué)生的思維得到真正的鍛煉.教師可以圍繞讀圖這一主題設(shè)計(jì)一定的教與學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生在真實(shí)的環(huán)境中得到真實(shí)體驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)練習(xí)提升學(xué)生的讀圖能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]郭玉英，姚建欣，張玉峰等.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的物理學(xué)科能力研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

[2]閻金鐸.物理學(xué)習(xí)論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.