图像与中学物理概念规律的教学

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1、图像与中学物理概念规律的教学　　一、背景和问题的提出　　长期以来，我国中学物理教学一直强调概念规律及其应用，而不太重视图像的教学，物理图像只用来呈现概念规律的直观表征.在实际教学中，图像更多地被部分教师仅仅用作处理实验数据的工具，还有些教师则只关注如何利用图线更简单地解题.实践表明，学生对概念规律的理解总处于很不理想的状态；甚至相当多物理高分的或所谓学得好的学生，也并非是真正处于对概念规律的物理学理解的水平上.实质上，这已经使物理课程的学习偏离了对物理科学的学习.[1]　　就物理学本身而言，图线与图像本身不仅是一种重要的物理语言，也是一种重要的

2、研究方法[2]，它与文字、公式、各类简图等物理语言相互转化，相互补充，有逻辑地把物理世界及物理量间的相应变化全面、生动地展现在我们面前.相比之下，物理图像较文字、公式更具有直观、形象的特点，更能量化地反映出多个物理量的状态变化及其相关性的特征，它能直接反映观察的结果（定性或定量的）；物理图像所呈现出的对物理量变化过程的整体性描述，不仅系统而且全面.特别是，在对变化过程所具有的细节性描述以及有助于学生理解概念深层意义方面，与其他物理语言相比，堪称特色独具.8　　笔者认为，之所以在长期的教学中没有重视将概念规律的教学与物理图像密切结合，除了外界的原

3、因外，许多教师对物理图像的理解和如何将物理图像用于概念规律教学两方面都缺乏思考.本文将从这一角度讨论物理图像（图线）对中学物理教学的作用.　　二、图像为物理概念的形成明示出一种可行方向，提供了一种思维方法　　概念是关于事物本质属性及一般特征的抽象概括，它的形成需要大量相关感性材料的支撑.在需要时，个体将经验储备中相关现象的感官知觉材料，经由编码、组织、储存，从记忆中提取出来.而图像是对表象材料的排序、归类与整理后的整体图景反映，是对直接认知对象表象的条理化，是结合已有观念作出的对事物总体特征的描绘.两者都是为进一步抽象概括材料准备的认知内容.由

4、于图像是对研究现象或过程的秩序整理，显示的是整体特征，于是从资料呈现的完整角度而言，物理图像对物理概念的形成指出了一个明确的方向.又由于图像直接表征的是物理量间的变化，借助数学知识，探究变化中隐含着的不变因素；在某种层次上说，不变是一种特征，表明一种本质――这就是概念所要表征与描述的内容；或者说就是需要引入或产生的那个概念.于是从这种意义上说，图像提供了概括抽象事物本质的一种思维活动方法.8　　例如加速度概念的学习.学生对生活中直线运动的物体运动速度在不断地变化是有零散但丰富的经验储备，对摩托车与小轿车的启动阶段的速度变化差异亦有着真切的认知表

5、象.因此给出两车启动开始一段时间内一系列时刻的速度值，让学生进行比较研究是符合学生的认知的.若将两车的速度变化利用给出的数据用速度-时间图像表示出来，让学生直观地看到每一辆车运动变化的特点，在变中寻找不变，学生可发现：速度与时间都在变化，但速度变化与所用时间的比值、单位时间内的速度变化、速度的变化率等都是不变的，即速度图线的斜率等都是不变的.进一步，引导学生由图像表现出的两车速度图线的斜率不同，实质就是两车运动本质的不同――速度的变化率不同，就自然地成为我们需要引入的新概念：加速度.　　又如，电场强度概念的引入，利用检验电荷的相应测量数据，实验

6、得出：放入电场中某点的检验电荷电量变化，其受到的电场力也随之变化.但检验电荷受到的电场力与检验电荷的电量图像是一条过原点的直线.由于直线的斜率不变，直接得出电场力与电量的比值不变，体现出电场在该点力的本质特征.而在电场中的不同点，力与电量的比值一般又不相同.可见，这一比值反应了电场力的本质特征在不同点的不同――“场力”的强弱不同，电场强度不同.　　三、图像提供的直观的情境，为理解物理概念搭建了一个符合认知规律的平台　　（一）借助图像的直观特点，深化理解相关物理概念间的相互关联8　　中学生还处于经验型抽象思维的阶段，对抽象内容的理解往往需要直观内

7、容的支持.显然，相对概念来说，图像是直观的.因此，教学的关键就在于要引导学生将二者联系起来.例如在各种复杂的直线运动中，可利用位移图像对各种速度概念（用文字与数学式描述的）加以认识上的深化.如图1所示，物体运动的s-t图像中的曲线M，分析t1至t2这段时间内物体的运动，公式定义的平均速度在这里得到了直观的诠释：直线AB的斜率.若t2逐渐向t1靠近，对应直线AB斜率的变化昭示着所分析的时间段内相对应的平均速度不同，当t2无限地趋向于t1时，公式的物理意义是物体在t1时刻的即时速度，就是图像在A点处的切线l的斜率.可见平均速度及其变化以及即时速度与

8、平均速度的关系，在这里得到了逼真的动态直观性演示.　　同样，利用图2与图3所示的v-t图像可从以下四个方面深化理解加速度：只有速度图线是不与两轴平行的