物理學科必備知識結(jié)構(gòu)化的實施路徑

福建 康賢明 李蘭芝

《中國高考評價體系》以下簡稱高考評價體系由“一核四層四翼”組成。其中“四層”為考查內(nèi)容，包括核心價值、學科素養(yǎng)、關(guān)鍵能力和必備知識，回答了高考“考什么”的問題。在“四層”中必備知識的積累是形成關(guān)鍵能力和學科素養(yǎng)的基礎(chǔ)，也是高三復(fù)習備考的重點內(nèi)容。高考評價體系強調(diào)必備知識的考查，不是強調(diào)對知識的死記硬背以及對孤立的、靜態(tài)的知識點的考查，而是要求學生在培養(yǎng)物理關(guān)鍵能力和學科素養(yǎng)的養(yǎng)成過程中必須具備可遷移的知識。讓學生掌握必備的可遷移的知識的關(guān)鍵是要建立牢固的知識結(jié)構(gòu)及利用知識結(jié)構(gòu)解決問題。本文通過物理學科必備知識的結(jié)構(gòu)及其建構(gòu)的路徑，探索備考策略，為科學復(fù)習提供一定指導(dǎo)作用。

一、物理學科必備知識的結(jié)構(gòu)

物理學科的必備知識是由物理學科的基本事實、基本概念、基本規(guī)律、基本方法組成的基礎(chǔ)知識體系。高中物理學科的基本事實是什么？筆者認為，物理學科的基本事實是由物理觀念所統(tǒng)領(lǐng)。物理觀念包括物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念和能量觀念。物理觀念的結(jié)構(gòu)可用圖1表示，其中物質(zhì)運動是物理學研究的現(xiàn)象，而相互作用和能量是研究物質(zhì)運動的兩條線索。物理觀念結(jié)構(gòu)圖可以說是物理學科必備知識的主框架，基本概念、基本規(guī)律和基本方法都要在這個主框架上進行搭建。

圖1 物理觀念的結(jié)構(gòu)圖

對于學生而言，物理觀念結(jié)構(gòu)圖過于抽象，不易把握。筆者將物質(zhì)的運動形象地描述為“對象在環(huán)境中經(jīng)歷的過程”，因為高中階段所研究的大多數(shù)物理現(xiàn)象，本質(zhì)上都是某個研究對象在某個環(huán)境中經(jīng)歷的某個過程，物理學首先要描述這個過程，說明如何經(jīng)歷這個過程，然后再從相互作用和能量兩個角度解釋形成這個過程的原因。實際情況往往比較復(fù)雜，而為了描述和解釋這些基本事實，物理學通過建立理想化模型的方法，使描述的對象、環(huán)境和過程都模型化，再用物理規(guī)律表達這些基本事實就相對簡單了?；诖耍P者將物理學科的基本事實用圖2表示，即物理學描述的基本事實是研究對象模型在環(huán)境模型中經(jīng)歷的過程模型的規(guī)律。這個基本事實結(jié)構(gòu)圖既是物理學科必備知識的框架，又是物理解題的思維框架。

圖2 基本事實結(jié)構(gòu)圖

概念是表達的工具。物理學科需要一些專業(yè)的語言表達物理現(xiàn)象。在基本事實框架的基礎(chǔ)上，就可以搭建基本概念的結(jié)構(gòu)。而物理學中的概念大多是對物理量的相關(guān)描述，筆者按照基本事實的結(jié)構(gòu)，把物理量分為四種：物質(zhì)特征量、狀態(tài)量、過程量和作用量。其中物質(zhì)特征量簡稱特征量，是描述物質(zhì)屬性的物理量。由于物質(zhì)分為對象和環(huán)境，則可將特征量分為兩類，一是對象特征量，常見的有質(zhì)量m、電量q、電流I等；二是環(huán)境特征量，環(huán)境又分為場環(huán)境和裝置環(huán)境。場環(huán)境的特征量有重力加速度g、電場強度E、磁感應(yīng)強度B等，而裝置環(huán)境的特征量有動摩擦因數(shù)μ和勁度系數(shù)k等。一個物理過程是從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化，描述狀態(tài)的物理量有位置x、速度v、動量P、動能Ek；過程量有時間t、位移s；作用量有力F、沖量I、功W，需說明的是沖量I和功W也可以歸為過程量?；靖拍罱Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。圖3中并沒有包括高中物理所有物理量，但基本包含了力學(包括電場和磁場)體系的核心物理量。盡管將物理量按照該方法進行分類可能并不科學，但有利于解題時對信息進行梳理。

圖3 基本概念結(jié)構(gòu)圖

規(guī)律是概念的聯(lián)系。對象在環(huán)境中，對象與環(huán)境的相互作用的規(guī)律就是各種類型的力的規(guī)律，而這些規(guī)律是對象特征量與環(huán)境特征量的組合，例如重力G=mg，就是對象的特征量質(zhì)量m和重力場環(huán)境特征量g的組合。對象經(jīng)歷過程的規(guī)律，分為規(guī)律的描述和解釋，如用運動學物理量和運動學公式或函數(shù)描述運動過程的規(guī)律，用動量定理或動能定理解釋形成運動的過程的原因?；疽?guī)律結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖中描述過程的規(guī)律包括三個因果和兩個守恒。三個因果是指牛頓運動定律、動量定理和動能定理，而兩個守恒是指動量守恒和能量守恒。

圖4 基本規(guī)律結(jié)構(gòu)圖

基本事實的結(jié)構(gòu)是“對象在環(huán)境中經(jīng)歷過程”，那么解決問題的思維流程就是找對象、找環(huán)境和找過程，如圖5所示。教學中要求學生始終抓住這個流程，按照流程進行審題和解題。利用該流程圖解題，學生能較容易結(jié)構(gòu)化的調(diào)用所梳理的知識結(jié)構(gòu)。如分析環(huán)境時，就會從試題信息中找到相應(yīng)環(huán)境信息，建構(gòu)環(huán)境模型，再從知識結(jié)構(gòu)圖中回憶不同環(huán)境的特點并進行分析，最后用受力分析圖表示出來；再如分析過程時，根據(jù)試題的信息建構(gòu)過程模型，然后畫出過程草圖。畫完受力分析圖和過程草圖后，再根據(jù)圖中標注的信息，選擇合適的規(guī)律列方程求解。

圖5 解題思維結(jié)構(gòu)圖

筆者認為，在剛進入高三復(fù)習時，教師就可以將圖1至圖4這四個結(jié)構(gòu)圖用講授法介紹給學生，讓學生有一個初步的認識，并能站在一定的高度俯瞰高三復(fù)習，同時讓學生對整個知識體系有總體的認識，使復(fù)習有了結(jié)構(gòu)和方向。

二、逐步完善知識結(jié)構(gòu)和思維結(jié)構(gòu)

必備知識結(jié)構(gòu)化只搭個框架還遠遠不夠。學生要理解這個框架的內(nèi)涵，形成物理觀念，需要在框架的基礎(chǔ)上進行添磚加瓦，逐步完善知識結(jié)構(gòu)。而且在整個高三復(fù)習中，要以基本框架為導(dǎo)航系統(tǒng)進行。下面將舉例說明完善知識結(jié)構(gòu)的具體實施方案。

【例1】描述運動的物理量的知識結(jié)構(gòu)圖

在復(fù)習“運動的描述”單元時，如果讓學生畫知識結(jié)構(gòu)圖，學生往往只能畫出知識羅列型的樹狀圖，這樣的結(jié)構(gòu)圖只是便于記憶，不能加深對知識的理解。描述運動的各物理量之間存在嚴密的邏輯關(guān)系，如圖6所示。復(fù)習中，教師可以先引導(dǎo)學生經(jīng)歷圖6的構(gòu)建過程，然后要求學生能自主繪制該結(jié)構(gòu)圖。值得強調(diào)的是，該圖不要直接給學生，應(yīng)該先讓學生自己畫羅列型的樹狀圖，然后引導(dǎo)學生思考樹狀圖中的知識點與知識點之間的聯(lián)系，最后再一步步引導(dǎo)學生畫出結(jié)構(gòu)圖，讓學生親身體驗知識結(jié)構(gòu)的搭建過程。

圖6 描述運動的物理量結(jié)構(gòu)

【例2】運動模型結(jié)構(gòu)圖

以質(zhì)點在重力場中的不同運動問題為情境，梳理運動模型，包括勻變速直線運動、自由落體運動、豎直上拋運動、平拋運動、圓周運動等。圖7為運動模型的結(jié)構(gòu)圖，該圖主要是運動模型的分類，可以引導(dǎo)學生利用思維導(dǎo)圖軟件進行繪制，便于學生比較、梳理和記憶。實際操作中，還可以讓學生自己進行細化，畫出屬于自己的知識結(jié)構(gòu)圖。

圖7 運動模型結(jié)構(gòu)圖

【例3】環(huán)境模型結(jié)構(gòu)圖

以物體在不同環(huán)境中的平衡問題為情境，梳理環(huán)境模型，完善物質(zhì)觀念和相互作用觀念。環(huán)境模型結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。教師幫助學生梳理出該框架后，要求學生在該框架的基礎(chǔ)上進一步細化，完善每個環(huán)境模型的特點和細節(jié)。如重力場的兩個基本模型，即在小尺度空間內(nèi)的重力場和在大尺度空間的重力場，分別有什么規(guī)律。

圖8 環(huán)境模型結(jié)構(gòu)圖

【例4】靜電場的知識結(jié)構(gòu)圖

靜電場這一環(huán)境模型，高中階段要求比較高、涉及的物理量也較多，如果僅簡單的羅列這些物理量，學生往往無法理解其內(nèi)涵，且容易遺忘。從研究物質(zhì)運動的兩條線索出發(fā)，梳理靜電場力的性質(zhì)與能的性質(zhì)，幫助學生梳理出一個網(wǎng)狀的立體式知識結(jié)構(gòu)圖，如圖9所示。

圖9 靜電場知識結(jié)構(gòu)圖

三、知識結(jié)構(gòu)圖指導(dǎo)下的復(fù)習策略

知識結(jié)構(gòu)和思維結(jié)構(gòu)只是框架和方向，高三復(fù)習中，如何在結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向下在框架上添磚加瓦呢？筆者的做法是聚焦框架中的某個點，編寫題組，并讓學生進行刻意訓(xùn)練。所謂刻意練習是指教師結(jié)合學情，把要訓(xùn)練的內(nèi)容拆分成有針對性的小塊，讓學生在“學習區(qū)”內(nèi)對每一個小塊進行重復(fù)練習，教師再針對訓(xùn)練的情況給出反饋和改進建議。學生通過高一高二的學習已經(jīng)儲備了一定的物理學科必備知識，高三復(fù)習的目的就是要讓知識結(jié)構(gòu)化，所以刻意練習也應(yīng)該是結(jié)構(gòu)化的練習。下面舉例說明。

【案例1】多題一解，完善知識結(jié)構(gòu)

本題組的教學內(nèi)容是對象在環(huán)境中做勻速直線運動。教學目標是學會建構(gòu)勻速直線運動的模型，學會分析不同環(huán)境下物體的受力，理解不同環(huán)境的特點。

【訓(xùn)練1】如圖10所示，一質(zhì)量為m的正方體物塊置于風洞內(nèi)的水平面上，其一面與風速垂直，當風速為v0時剛好能推動該物塊。已知風對物塊的推力F∝Sv2，其中v為風速、S為物塊迎風面積。當風速變?yōu)?v0時，剛好能推動用同一材料做成的另一正方體物塊，求該物塊的質(zhì)量。

圖10

【訓(xùn)練2】如圖11所示，質(zhì)量為M的探空氣球在勻速下降，若氣球所受浮力F始終保持不變，氣球在運動過程中所受阻力僅與速率有關(guān)，重力加速度為g?，F(xiàn)欲使該氣球以同樣速率勻速上升，則需從氣球吊籃中減少的質(zhì)量為多少？

圖11

【訓(xùn)練3】在雷雨云下沿豎直方向的電場強度為104V/m，已知一半徑為1 mm的雨滴在此電場中不會下落，取重力加速度大小為10 m/s2，水的密度為103kg/m3。求雨滴攜帶電荷量的最小值。

【訓(xùn)練4】一平行板電容器的兩個極板水平放置，兩極板間有一帶電量不變的小油滴，油滴在極板間運動時所受空氣阻力的大小與其速率成正比。若兩極板間電壓為零，經(jīng)過一段時間后，油滴以速率v勻速下降；若兩極板間的電壓為U，經(jīng)一段時間后，油滴以速率v勻速上升。若兩極板間電壓為-U，求油滴做勻速運動時速度大小和方向。

圖12

本題組5道習題的事件結(jié)構(gòu)都是對象在環(huán)境中做勻速直線運動，雖試題的情境不同，解法卻幾乎相同，即同一直線上的受力平衡問題。學生在完成試題的過程中，自然而然的經(jīng)歷了對知識結(jié)構(gòu)和思維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。教學中還可以讓學生發(fā)散思維，在知識結(jié)構(gòu)中，研究對象還可以在哪些環(huán)境或環(huán)境的組合中做勻速直線運動。可見，在這樣的刻意練習中，學生的目標明確、方向聚焦，教師無需太多的講解，只需在關(guān)鍵之處對學生進行點撥即可。復(fù)習中，教師可以選取不同的切入點，設(shè)計編寫大量這樣的題組，讓學生進行訓(xùn)練。

【案例2】一題多問，使知識結(jié)構(gòu)圖立體化

針對某一情境，結(jié)合教學目標，設(shè)計不同層次、逐層遞進的設(shè)問，讓學生在解決問題的過程中完成知識結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。舉例如下：

如圖13所示，水平線MN上方有一水平向右的勻強電場，一帶電粒子從A點以速度v0豎直向上射入電場，粒子的質(zhì)量為m、電荷量為+q，到達點B時的速度方向變?yōu)樗?，大小?v0，已知重力加速度大小為g，求：

圖13

(1)粒子從A運動到B的時間；

(2)AB兩點豎直方向的距離、水平方向的距離；

(3)從A點到B點，粒子動能的變化量；

(4)從A點到B點，粒子重力勢能的變化量；

(5)從A點到B點，粒子電勢能的變化量；

(6)從A點到B點，粒子機械能的變化量；

(7)AB兩點的電勢差；

(8)勻強電場的電場強度；

(9)粒子再次經(jīng)過水平線MN上的C點(圖13中未畫出)時A、B間的距離；

(10)粒子再次經(jīng)過水平線MN上的C點(圖13中未畫出)時的速度大??；

(11)從A到C的過程中，粒子動能的最小值。

本題改編自選擇題，如果讓學生直接對原題進行訓(xùn)練，學生往往淺嘗輒止，做出答案就不再深究了，若改成多個設(shè)問的解答題，學生在逐一解決的過程中，需要調(diào)用圖9中靜電場的知識結(jié)構(gòu)圖，學生不斷調(diào)用知識結(jié)構(gòu)圖的過程，就是使知識結(jié)構(gòu)圖深化和立體化的過程。

四、結(jié)束語