物理教学中规范作图能力的培养

解 毅

（河北衡水中学，河北 衡水 053000）

规范作图是高中物理教学的重点之一，对学生作图能力的考查在教学过程中随处可见，例如力学中的受力分析图、运动学中的运动过程图、过程状态图、电磁场中的电场、磁场图、带电粒子的运动轨迹图、探究物理量之间的规律函数图像等。由于物理学科具有概念抽象、规律复杂等特点，若利用图形进行思考，可降低思维的难度，使抽象问题形象化，模糊问题具体化，复杂问题简单化，达到事半功倍的效果。因此，作图规范与否将直接影响物理现象的分析。同时，学科核心素养明确提出，科学思维是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程，科学探究中强调获取和处理信息的能力提升。学生通过作图把实际情景中的经验事实，通过提炼、转化，形成一定的理想物理模型，实现了科学思维中的建模能力培养，符合学生的认知规律。

近年来，运用作图的思想和方法解决物理问题被广泛认可。其中杨振环针对学生从初中阶段进入高中阶段，物理作图难度增大、作图要求不同等问题，论述了初高中物理作图能力衔接教育的相关措施。[1]宋光政认为利用作图解决物理问题具有简明扼要、快捷准确等特点。[2]王浩利用规范作图形象地模拟问题的情景和过程，通过分析、比较、运算得到正确的结论。[3]易继东提出了物理图像正确分析、处理、解决的关键在于会视图、会用图、会作图。[4]展云飞针对培养学生作图能力的问题，提出了通过老师教学示范，引领学生从概念建立作图、用图的习惯，从实践中培养学生作图能力的方案。[5]南京师范大学的许海波针对学生在解决物理问题时注重数学演算、缺少画图思考的意识等问题，从认识论、心理学以及信息论多角度出发，探讨了画图思考的理论基础的重要性。[6]河南师范大学的张欢欢，在查阅大量文献的基础上，对画图思考的概念进行了界定，总结了画图思考解决物理问题的一般程序。[7]扬州大学的刘娅楠总结了概念图的特点及原则，提出了概念图能够优化物理教学的结论。[8]此外，胡兆雄通过阐述培养学生物理作图能力的必要性，探讨了在初中物理教学学中学生作图解题思维能力的具体策略。[10]

本文通过分析作图能力在物理问题解决过程中的必要性，从培养学生作图意识的角度出发，采用数形结合等教学手段，培养学生规范作图意识，提高学生绘制图形表征物理问题的能力。

1 突出图的地位，培养学生作图意识

高中物理教学中图的价值的呈现在于规范作图，通过不断突出作图在物理教学中的重要地位，帮助学生建立作图的概念、养成用图解题习惯，以实践为目标培养学生的作图能力。在老师引领下，加强对物理教材中插图的理解，例如“电场线”“等势面”等，在理解“图”的背景，才能进一步提高作图的积极性。

高中物理教学中图的价值的呈现在于规范作图，通过不断突出作图在物理教学中的重要地位，使学生树立规范作图思维，养成用图解题习惯，从而达到对学生作图能力培养的目的。具体如下:

一定质量理想气体发生等压膨胀时气体对外做功的物理问题为例，由于题型较抽象，直接讲解不但增加教学难度，也不利于学生对该部分知识的掌握。因此，教学中教师往往利用p-V图帮助学生理解和解答，通过不断的训练达到见题作图的目的。此外，通过对比作图和无图情况下解答上述的问题，可发现p-V图中图线与坐标轴所围的面积即表示功，可直观化的解决问题。

由于题型较为简单，在不利用作图的情况下，也可进行解答，但与图形相结合会使物理问题表现得更为直观。例如:在求老鼠由A运动至B所需的时间的问题中（图1），老鼠的运动不满足匀速直线运动和匀变速直线运动的特点，故不能采用方程进行求解由A到B所需的时间。对老鼠的运动速度为作v-d图像，但双曲线并不利于观察图像所反映的物理规律，因此，将图像进行一定的等效变换，如图1所示，即可使目标问题清晰明了。

图1 1/v-d图

由图可知，将物理问题进行有效的先行表达，可起到简化解题难度的目标，可知打好良好作图意识的基础对后期物理学习十分关键。良好的作图的意识关键在于教师的主导作用，在授课中教师通过引导示范，培养学生遇题画图、画图解题的思想，使利用作图解题成为学生解答物理知识固定的一部分，通过不断实践让学生养成作图的习惯。首先教师在高一阶段开始培养学生善于在概念、规律教学的过程中利用作图来进行解题，潜移默化地培养学生的作图意识；在教学中善于挖掘可以利用作图来更高效进行教学的内容，例如运动、受力分析、光学等内容的讲解过程注重规范作图，展示作图的正确方法和步骤；最后对学生作业的规范上，要求正确画出图形，并对其图形给与一定的分值，从而引起学生对规范作图的重视。

2 加强物理建模，培养对信息的提取、转换能力

学生常常抱怨，题干较长，读完之后往往头脑中一片空。通过和学生交谈，主要表现为以下两个方面:（1）学生抓住新信息实质的能力不足。随着信息时代的到来，各种新知识如井喷式产生，为了适应社会的发展，提高学生对信息的提取、处理能力，显得尤为重要。同时学科核心素养也强调了对学生获取和处理信息的能力。但过多的文字叙述增加了学生把握已知条件、挖掘深层条件的难度。（2）建模能力不足。物理问题侧重于实际应用，物理模型是将复杂情景问题转为简化的物理结构，利用图形化的思想运用物理语言和方法，解答相关物理问题。通过对物理问题的建模更能直观、简便让学生理解问题、解答问题。

以下例题转化成图像对过程的分析更直观:

在相遇追击问题中，以图2为例，求汽车在接收到两个信号之间的时间间隔内前进的距离和汽车的车速。

可假设超声波在第一次和第二次到达汽车时，汽车距测速仪的距离分别为s1、s2，两次距离之差即为汽车在接收到两个信号之间的时间间隔内前进的距离，画出s-t图像可直观地观察斜率表示超声波的波速，用两个小矩形块表示汽车）。

图2 s-t图

时间间隔在b图标尺上对应30个小格，则p1、p2之间相差12个格子，说明第1个超声波信号从发出到返回历时0.40 s；同理，p2、n2之间相差9个格子，即第2个信号从发出到返回历时0.30 s。此时，汽车在接收到两个信号之间的时间间隔内前进的距离为17 m。由图2的标尺小格线易知，汽车的速度为17.9 m/s。

这种能力的培养需要掌握一定的技巧，教师可以有意识地讲解，通过典型例题来进行专题训练。在建模实践指导的基础上，还需加强建模训练，通过实践训练，将传授的建模方法进一步转化为学生自己的能力，学以致用才是关键。

3 实现精准作图，培养解答动力问题的能力

运动学在物理教学中占据着重要的位置，用于描述参照物、机械运动、位移、速度等物体位置变化规律的内容，利用精准作图能够清晰表现出动力学的知识点以及数量、位置关系，高效解题。

例如，如图3所示，两个质量完全一样的小球，从光滑的a管和b管由静止滑下，设转弯处无能量损失，比较两球所用时间的长短。（B、D两点在同一水平面上）。

分析:沿a管下滑的小球，在AB段的加速度比BC段的小，则在图像中所表示的a小球的斜率先小后大；同理，沿b管下滑的小球斜率先大后小。由机械能守恒定律可知两球滑到底端时的速度相同，又由管道形状知两球经过的总路程相等，即在速度图像上的面积相等，可ta＞tb知。

图3 小球滑落问题

在作图解答动力问题基础上，需对问题进行准确分类和精准作图。由于物理题型较多，学会对问题进行归纳总结至关重要，学生根据不同类型问题采用不同方式的解题思路，在保证解题准确性的同时也可保证解题效率。此外，规范精准作图是解题的关键一步，可形象地反映文字所表达的信息，通过作图理解题目的含义，直观地表示各个量之间的关系，提高解题的准确性。

以动力问题为例，利用数字和图形相结合的方式，表达已知量和未知量之间的关系，帮助学生分析各种物理量之间的联系，必要时可根据题目需要添加辅助线，达到有效解题的目的。

4 应用三维软件，培养空间维度转换能力

高二阶段的电磁场、电场线、等力以及洛伦兹力的学习已经涉及到空间立体的结构，这对学生思维来说是具有挑战性。许多学生在学习这部分内容的时候会显得比较吃力，让学生感到困难的原因主要为必修一和二的力学涉及到平面作图，需三维简图解决受力分析和运动过程图。高一阶段的学习，已固化了学生对平面图形的使用，学生不能快速建立三维思维建构图形的知识。同时书本与黑板作为平面媒介，不能全面地表达与传递三维信息，学生在解决物理问题时，需要把具有立体的情景用二维的简图来表示就更困难了。

随着多媒体时代的到来，对具有复杂三维情景的问题，教师可利用三维软件进行建模，通过三维软件的直观化帮助学生建立更加生动的场景。例如，利用OpenGL、3Dmax、Solidworks软件模拟各种复杂、对导轨在倾斜导轨上的受力分析、电子枪中阴极射线的轨迹等难以理解的物理情景，通过三维与二维的转换，带给学生更加直观的体验，从而帮助学生提高作图能力，以及对三维情景的意识。

在利用软件模拟物理情景的基础上，教师应适当讲授轴测图、主视图、侧视图等方面的基础知识，进一步帮助学生理解相关知识。

例如，苏永庄利用Excel软件编辑简单的程序自动生成相应的图像，不仅节省了教学时间，又能直观地反映物理规律，如图4所示。[11]

图4 Excel程序自动成像

结语

物理作为一门抽象的学科，作图是物理问题分析和计算的重要方法，是现实物理问题向数学问题转化的必要手段，因此，培养学生规范作图的意识和习惯尤为重要。基于此，教师在发挥引导示范作用时，向学生传达作图的重要性，引导学生自觉作图，利用作图解答复杂问题，让学生体会利用作图准确解答问题的成就感和规范作图的必要性。