物理知识结构图在高中物理学习中的用途

摘 要：核心素养导向的物理教学设计要采用多种教学策略，教给学生研究问题的方法.物理知识结构图也是一种研究问题的方法.通过實例说明物理知识结构图在高中物理学习中的用途.应用物理知识结构图可以帮助学生构建学科知识体系框架、整合解题方法、具化思维过程.在教学中引入物理知识结构图，提供给学生研究问题方法更多的选择.

关键词：结构图;高中物理;学习方法

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）07-0026-03

作者简介：马红蕾（1977-），女，云南人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教育教学.

1 问题提出

图作为一种逻辑语言比文字表达形式更简洁、直观，是人们分析和研究问题的一种思维方法.美国康奈尔大学心理学家诺瓦克和高登提出知识结构图是由知识节点和逻辑连线组成的，反映知识之间相互关系的结构表征图，也是一种表示、检查、修正和完善知识结构的认知工具和策略[1].张佩认为高中物理知识结构图是一种把高中物理学科的基本原理、基本概念和基本知识的内在关系进行系统组织，优化组合教学内容，启发帮助学生学习的图表[2].任伟然和王邦平提出知识结构图不但可以帮助学生理解知识、构建知识，还可以利用知识结构图帮助学生解决实际问题[3].物理知识结构图，就是以物理知识点和学科内在的逻辑连线组成的结构图.在高中物理教学中引入物理知识结构图，可以提供给学生研究问题方法更多的选择.

2 物理知识结构图的用途和实例

2.1 帮助学生构建物理学科知识体系，提升复习效率

在物理学习过程中，学生获得了大量零散的知识与技能，但不能在头脑中形成对物理学科的完整认识.对具体的知识点也不能构建其内在的逻辑关系.学生靠刷题机械记忆物理概念和规律来提升解题技能，如果题目的情景较新，学生的得分率就很低.虽然也有学生会梳理笔记和错题，但大部分学生缺少高效率的复习方法.很少有学生会运用画知识结构图的方法把头脑中零散的知识点的逻辑关系构建起来.物理学是由物理概念、规律构成的逻辑体系，理解和掌握物理学的概念和规律是形成和发展物理观念的基础，也是形成学科素养的基础.用物理知识结构图认识构建物理知识内在的规律及相互关系，从某一核心概念到某一规律，再到某一章知识，直至某一研究领域.

在复习时，以整体知识为背景，以核心概念为主线，构建知识点间的联系.例如，运动与相互作用是高中物理的物理观念的三大要素之一.复习时，由具体物理情景中的问题归纳总结，让学生画力和运动关系的知识结构图.力是物体产生加速度的原因，恒力作用下的物体做匀变速运动，变力作用下的物体做变加速运动.物体的受力决定物体的加速度.从这一主线再推广到力和物体运动的关系，如图1所示.

学生在构建力和运动关系的知识结构图时，需要思考所学运动规律、特征，从物体的受力特点、运动规律两个方面建立联系.从图1中能直观地反映力与加速度之间的关系，力决定了物体的加速度，不是决定物体的速度.再比如，复习圆周运动时，仍从力和运动之间的关系这一主线来建立知识点间的联系.物体受到的力产生向心加速度，学生通过思考多个情景如火车转弯运动、圆锥摆运动中物体的受力特征和运动特征及物理量之间的关系，如图2所示，构建圆周运动中的力和运动关系的知识结构图.

以构建知识结构图的形式进行复习，便于学生了解知识体系的整体思想，有利于学生把零散的知识点串成整体的知识框架体系，有利于促进学生形成物理观念[4].

2.2 帮助学生整合解题方法，提升解题技能

学生在物理规律的应用方面遇到具体问题时，由于涉及的物理量较多，对物理量之间的联系不够熟悉，往往不知道该从哪里入手.以平抛运动为例，平抛运动是学生学习的第一个曲线运动，是教学重点.解决平抛运动问题的方法也是以后解决匀变速曲线运动问题的常用方法.解决平抛运动问题的思路是运动的分解，简单概括为如图3所示的知识结构，两个分运动彼此独立、时间相等;在数学几何关系中，按照矢量分解法则分解位移和速度，速度偏转角和位移偏转角的正切值存在2倍关系.学生知道平抛运动在水平方向和竖直方向的运动规律、相关公式，也知道用分解来解题的大致方法.但由于对物理量之间的联系不够熟悉，会出现解题过程“绕弯路”.

学生通过梳理平抛问题的各个物理量之间的结构关系图，来整合解题方法.如图4所示，水平方向的运动描述中有初速度v0、位移x、时间t三个物理量，竖直方向运动的描述中有下落高度y、加速度g、时间t、竖直分速度vy四个物理量.从速度分解、位移分解建立物理量之间的联系.

例题1 如图5所示，轰炸机沿水平方向匀速飞行，到达山坡底端正上方时释放一颗炸弹，并垂直击中山坡上的目标A.已知A点高度为h，山坡倾角为θ，由此可算出

A.轰炸机的飞行高度

B.轰炸机的飞行速度

C.炸弹的飞行时间

D.炸弹投出时的动能

根据题意，炸弹垂直击中目标A可知速度与水平方向的夹角，在结构图中就是速度偏转角的正切值已知，根据A点的高度可求得A点到底端的水平位移，即炸弹的水平位移，已知这两个量从哪里入手快速解题？分析结构图，发现与这两个量联系的最近“路径”，如图6所示.从推论入手，由速度偏转角的正切值是位移偏转角正切值的2倍，又已知水平位移，可以求出平抛运动竖直位移，从而得出轰炸机的飞行高度，故A项正确.求出平抛运动的竖直位移，根据y=12gt2得出炸弹平抛运动的时间，根据时间和水平位移求出轰炸机的初速度，故B项、C项均正确.由于炸弹的质量未知，则无法求出炸弹投出时的动能，故D项错误.

构建知识结构图可以熟悉物理量之间的关系;分析结构图，可以思考如何着手解题、如何调整解题策略.用结构图快速求解的办法就是寻找已知量和未知量之间的最短“路径”.用物理知识结构图，可以让学生整合解题方法，理清解题思路，能够提升学生探求知识、规律应用中的导航能力，提升解题技能.

2.3 可以具化思维过程，降低问题难度

教学中可以用结构图研究问题.用结构图把大脑活动过程中分析问题的思维流程表现出来，减轻学生在头脑中思维的难度.学生可以反复对该结构图思考、质疑、论证，直到找到解决问题的关键条件.

例题2 （2015年全国Ⅱ卷）一汽车在平直公路上行驶.从某时刻开始计时，发动机的功率P随时间t的变化如图7所示.假定汽车所受阻力的大小f恒定不变.下列描述该汽车的速度v随时间t变化的图线中，可能正确的是汽车启动问题中，由于汽车变速运动的过程比较复杂，如果分析牵引力F、速度v、加速度a这几个物理量的变化原因，可以把这个过程中的知识点间的关系构建成结构图，如图8所示.对图中的关系推理论证，可以找到汽车的加速度一直减小至零，汽车将不再做变速运动这个关键条件.

3 结束语

在复习知识点时，可以用结构图构建知识点之间的联系，有助于学生形成物理知识体系;在对解题方法归纳总结时，可以用结构图分析物理量之间的关系，理清解题思路.可以借助结构图，分析问题过程，降低思维难度.在高中物理教学中引入物理知识结构图，可以丰富学生研究问题的方法，有效促进学生核心素养的全面发展.

参考文献：

[1]王溢然，王亮.图示与图象[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2015.

[2]张佩.知识结构图对高中生物理学习能力的影响研究[D].洛阳：洛阳师范学院，2015.

[3]任伟然，王邦平.知识结构图的二次开发利用——谈解决综合问题的能力[J].中国考试（高考版），2007（11）：44-47.

[4]王建宏，于正华.思维导图在高三物理一轮复习中的应用——以《动量守恒定律及其应用》为例[J].中学物理，2017，35（15）：16-17.

（收稿日期：2021-01-03）