初中物理图像类问题的教学难点与策略分析
杨小春 朱超颖
摘要：通过对常州市近三年初中物理学业水平的分析发现，图像类问题占比较高，贯穿始终，但得分率不理想。加之物理课程标准对学生运用物理圖像的能力提出了要求，以及物理图像是解决物理问题的重要方法之一，这些无疑更加凸显了物理图像类问题的重要性。尽管如此，却难以绕开物理图像对学生素养能力要求高、物理意义难明确、考查方式多等难点。为此，教师在教学的过程中要有意识地引导学生重视物理图像，不断加强图像与实验的联系，并且要深挖图像中的物理意义，最终促进学生的思维发展，提升关键能力，培育核心素养。
关键词：物理图像? 物理意义? 质量监测
一、初中物理图像类问题的重要性
1.符合物理课程标准的要求
《义务教育物理课程标准》中在课程目标部分提到学生需要“会用简单图表等描述实验结果”[1]。可见学生需要根据实验结果，将相关复杂的物理过程或物理实验结论通过图表的方式进行表征。而这必须建立在学生理解相关图表含义的基础上，才能得以实现。因此，学生对于图像、表格的理解与运用就显得尤为重要。并且其中物理实验表格主要是对实验过程中原始数据的直接记录，更多地是起到收集数据的功能，对于初中生而言较为简单，也比较容易掌握。而物理图像需要结合相关物理情境及函数等数学知识，对于初中生而言具有一定难度。不过物理图像有利于将抽象的物理概念、物理规律形象化、具体化，便于学生进一步的理解，并有助于培养和提升学生的形象思维、数形结合能力等，因而更加凸显其重要性。
2.解决问题的重要方法
物理图像是表示两个物理量或多个物理量之间相互关系的一种常用方法。应用通常为以下两类：一是识图解题，通过分析所给函数图像解决物理问题;二是构图解题，通过相关文字叙述或实验结论画出物理图像，再借助物理图像形象、直观的优势分析并解决物理问题。由于很多物理情境并非是某一时刻的或静止的，所以仅仅通过文字或零散的实验数据难以呈现出相应的物理状态或变化的情况，不利于学生寻找物理量间的变化规律。因此，可借助物理图像对物理问题进行表征，便于学生把握实验数据的变化情况，反应物理量间的关系。结合物理情境并明确物理量间的关系后，不仅有利于直接解题、启发解题思路、帮助学生寻找实验规律，而且能够为学生后续阶段的物理学习夯实基础。
3.把握图像类问题的规律
随着物理学习的不断深入，对于学生抽象思维能力的要求不断提高。故在此背景下，如何帮助学生更加准确直观地描述、理解物理概念及规律等显得尤为重要。因此，教材中很多实验会借助图像帮助学生寻找物理规律，得出相应结论，如：苏科版第二章中“观察水的沸腾”实验要求学生依据实验数据画出温度随时间变化的图像，与单纯的实验数据相比，结合图像能够更加直观得出沸腾前及沸腾时，水的温度分别是如何变化的。除了在教材中图像涉及到众多章节中的物理实验外，在初中学业水平考试试题及其他众多试题中，图像类问题同样贯穿整份试题。以常州市近三年初中学业水平考试物理试题为例，通过数据分析发现，大部分试题与图像息息相关，注重图像等呈现方式，无疑显现出物理图像的重要性。
二、初中物理图像类问题的教学难点
1.对学生能力素养要求高
物理图像不仅是解决物理问题的重要方法，而且对于初中生来说也是难点。其主要原因在于物理图像类问题对于学生在数学知识、抽象思维、逆向思维等方面的要求较高。首先，很多物理图像类问题需要结合函数图像，在新课教学的过程中很多时候用到相关函数图像时，学生在数学学科中可能尚未学到，这无疑增加了学生学习的难度。其次，学生在应用物理图像解决问题的主观意识方面较为薄弱。在遇到问题时，部分学生不愿动笔，存在通过直接看一看题目就能得到答案的不切实际的想法;还有部分同学受数学学科的影响，习惯于使用解析式法进行解题，不愿使用物理图像解决问题，但随着物理与生活实际结合得越来越密切，学生在解决此类问题时会越来越吃力。最后，由于初中生正处于从形象思维向抽象思维过渡的阶段，在将抽象的物理问题、物理规律等转化为图像的过程中存在一定的困难，需要经过一段时间的培养，学生才能更加准确地构建物理图像，助力问题的解决。
2.图像物理意义明确难
物理图像与图像最重要的区别在于物理图像中各要素均有其物理意义[2]。以函数类物理图像为例，在该类物理图像中需明确其坐标轴、坐标点以及图线的斜率、截距、相关面积的物理意义才能帮助学生有效地解决物理问题。
以一道涉及摩擦力、力与运动知识点的填空题为例（图1）：如图甲所示，放在粗糙程度不变的水平地面上的物体，用方向不变的力F向右推物体，推力F的大小随时间的变化关系如图乙所示，物体的运动速度随时间的变化关系如图丙所示，则在t=1s时，物体受到的摩擦力______N;在t=3s时，物体受到的摩擦力为______N。
学生遇到该类题目时，正确率普遍不高，其主要原因在于想要顺利做出此题需要同时结合两个函数图像。要想知道物体所受摩擦力大小，需要根据t=1s结合v-t图像判断此时物体的运动状态为相对地面静止，从而判断此时物体受到的是静摩擦力，再依据二力平衡的知识得出此时静摩擦力大小与拉力大小相等，然后在F-t图像中找到1s时对应的拉力F为2N，最终得出摩擦力为2N。在此过程中，学生需要分清两个图像的坐标轴分别表示的是什么物理量，再联系对应坐标点所表示的物理意义，明确物理量间的内在联系，才能顺利解决该类问题。
三、初中物理图像类问题的教学策略
1.引导学生重视物理图像法的应用
尽管大部分物理教师都知道物理图像的重要性，但部分学生却对物理图像“视而不见”，并未认识到物理图像在物理学习中所占据的重要地位。长此以往，造成学生对于物理图像不熟练、不敢用。因此，教师在教学的过程中，要注重对于图像法的应用，借用物理图像巧妙地解决物理问题。而这无疑依赖于教师对于物理问题与图像的理解，进而通过不断地强化，让学生意识到物理图像的优势，引发学生想用、乐用、敢用物理图像解决物理问题。例如：常州市2020年初中学业水平考试物理试题中的第14题，比较饮料瓶在不同液体中所受浮力及两种液体密度的大小关系（图2），该题目借助图像可以快速解决，仅需通过图像中两次饮料瓶均处于漂浮状态，判断出所受浮力均等于饮料瓶的重力，故饮料瓶两次所受浮力大小相同。再根据图像判断出饮料瓶在甲中排开液体的体积小于饮料的体积，而在乙中排开液体的体积大于饮料的体积，从而得出两种液体的密度关系。
2.加强图像与实验的联系
物理中很多概念、規律的得出均需依靠物理实验，并且进行实验时需对实验中的数据进行分析、处理。因此，在教学过程中不但需要重视物理实验，更要注重实验数据的处理[3]。否则，对于学生而言只是“隔岸观火”，导致学生对于这些物理概念、规律只能“死记硬背”，无法真正理解、掌握，不利于学生能力的提升、思维的发展。
为此，在实验处理中需要“两步走”。第一步要先做到在数据处理时，引导学生尝试多种方法对数据进行分析，如：解析式法、图像法，并且要利用好图像法的形象、直观等优势，助力学生得出正确的实验结论。第二步需尝试在实验进行的同时，实时地绘制出相应的物理图像。将实验数据的处理变静态为动态，将原本需要先进行实验再绘制物理图像的两个过程“合二为一”，让学生在实验的同时可以获取到物理量间实时的变化情况，有助于学生将其与实验中的关键点进行联系与对比，进而更好地理解物理概念、归纳出物理规律。
比如在“探究影响浮力大小的因素”时，可以借助常规实验仪器与数字化实验仪器相结合（实验装置如图3所示），在将柱状物块匀速提升时，记录弹簧测力计示数（实验数据如图4所示），并将与拉力有关的物理图像实时绘制出来（实验图像如图5所示）。通过在实验的同时，学生可以根据实时的图像变化情况得出有关结论。在物块刚刚露出液面时，可以看到图像开始发生明显变化，并且物块在逐步离开液体的过程中，拉力逐渐变小。当物块完全离开液体时，拉力的大小几乎不变。从而可以清晰地得出，在同种液体中，随着物体逐渐离开液体，物体排开液体的体积逐渐变小。与此同时，绳子对于物体的拉力逐渐增大。因此推出物体所受浮力大小与物体排开液体体积有关，排开液体体积越大，浮力越大。并且通过在实验时，绘制图像，可以很好地帮助学生看到图像时有意识地将其与实验相结合，架起物理图像与实验的“桥梁”，从而更加直观、清晰地将影响浮力大小的相关因素等呈现在学生面前，并助力学生解决图像类问题。
3.深挖图像中的物理意义
通过对常州市近三年初中物理学业水平考试的分析发现，在对学生能力进行考察时，更加注重具体图像、简化图形以及数据表格的多重呈现方式，以生动、具体、形象的方式辅助呈现题干信息，并以此为据，引导学生勾勒物理模型，分析数据规律，需要学生挖掘物理图像中直观、形象、具体、有效的丰富价值。因此，为促使学生能够看懂、读懂物理图像，以函数类图像为例，必须帮助学生明确图像中的轴、线、点、斜率、面积、截距等表示的物理意义。在教学的过程中要注重对这些元素的分析，寻找隐藏信息，用以解决物理问题。
第一，需看清坐标轴所表示的物理量及其单位，这是解决相关图像类问题的基础。只有明确了横纵轴所表示的物理量，才能知道是哪两个物理量之间的关系，进而描述其物理规律。
第二，需明了图像中的斜率所表示的含义，图像的斜率通常情况下都是表示的某一物理量。如s-t图像中斜率表示的就是物体运动的速度，若斜率为零，则表示物体处于静止状态;若斜率越大，则表示物体运动的速度越大。
第三，需瞄准图像中的交点、拐点、极值点等特殊点，这些点往往是图像类问题的关键点。例如：常州市2020年初中学业水平考试物理试题中的第7题，涉及海波温度随时间变化的图像（图6）。想要解决这道题目，必须要先明确B、C两个拐点所表示的物理意义，B点表示5min时海波温度为48℃，开始凝固，C点表示10min时海波温度为48℃，凝固结束。因此在明确两个拐点物理意义的基础上，才能准确判断出该图像所反映的物理过程。
除此之外，物理图像中的面积、截距等所表示的物理意义及暗含的信息，均是解决物理问题的突破口。因此，教师在教学的过程中要注重引导学生有意识地去观察、分析图像中所含元素的物理意义，助力物理问题的解决，培养学生的思维方式。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2012：6.
[2] 袁金成.图像法在高中物理教学中的应用研究[D].兰州：西北师范大学，2017：14.
[3] 郑智伟，朱超颖.教育信息化2.0时代提高初中物理实验教学有效性的策略——以苏科版八年级物理“凸透镜成像的规律”教学为例[J].物理通报，2020（09）：80-83.
【责任编辑? 孙晓雯】
