挖掘教材插圖功能 落實物理核心素養
——以粵教版教材《物理》必修第1冊插圖的分析為例

蔡 鉗 李敏怡

(1. 廣東仲元中學，廣州 廣東 511400； 2. 廣東教育出版社，廣州 廣東 511000)

隨著教學改革的不斷推進,高中物理教材也一直在更新、變化．為了滿足不同時代、不同成長背景的學生的認知需要,物理教材中的插圖越來越豐富多彩．從最初的黑白、簡筆畫插圖,到現在色彩鮮明、形象生動的實物照片和電腦制圖,教材插圖越來越真實,越來越賞心悅目．

當然,物理教材的插圖不僅僅是好看,更重要的是它在教學內容組織和教學過程中發揮的作用．圖像的形象和生動不僅為抽象的物理知識提供了認知便利,也能夠引起學生的關注,激發學生求知的熱情．教材插圖在日常教學中的地位日益趨增,有人稱“讀圖時代”已到,現代社會需要學生有一定的“讀圖”能力,教師在教學過程中帶領學生學會“讀圖”,培養學生的“讀圖”能力對教學目標的實現有積極的作用．[1]因此,在教材使用過程中,要盡可能挖掘插圖在一節課中的功能,為更好地落實核心素養目標添磚加瓦．

那么,在課堂教學設計中,教材中的插圖能夠發揮怎樣的作用呢?如何基于教材插圖開展教學活動,才能夠更好地發揮插圖的作用,培養學生的核心素養呢?

下面,以粵教版教材《物理》必修第1冊(以下簡稱“必修1”)中的插圖為例,分析插圖在教學中的功能．

1 挖掘教材插圖在培養學生物理觀念方面的作用

圖片吸引人的地方就是指向性非常明確,并且對人的感官有直接“沖擊”的作用．在教學中,圖片往往能夠引起學生的注意,如果圖片能夠恰當與教學內容融合,那么對激發學生的學習興趣,引導學生提出與教學內容相關的問題,有積極的作用．

圖1 塔克拉瑪干沙漠

在教材必修1中,幾乎每節課的開頭都精心設計了相關的插圖,這些插圖為引入新課的教學有重要作用,例如“第二節 位置位移”中的圖1,呈現的是塔克拉瑪干沙漠,用這個圖像講解引入“位移”概念的重要性,非常自然．這種圖像所呈現的信息,往往不是用簡單的語言能替代的．基于該圖,可以展開這樣的教學活動.

讓學生想象置身于沙漠中,確定自己的位置、尋找前進的路線．

教師提出問題:如圖1,如果置身于塔克拉瑪干沙漠中,你應該怎樣確定自己的位置?

引導學生回答:選一個參照點,以進入沙漠的地方為起點,量出此時所處的位置到起點的距離便可．

教師:到一個點距離相等的點的集合是一個圓,有無數個點，你怎么確定你在哪里?

學生:如果知道所處位置相對起點的方位,就能確定．

教師:由此可見,在平面中要確定位置,不僅需要距離,還需要知道方向,這就是我們今天要講的“位移”.

這個簡單的引入過程,完全基于教材插圖開展教學．讓學生“進入”圖像的情境,并在想象的情境中嘗試從物理視角建立物理概念解決問題,這樣的教學過程,能夠自然啟發學生思考，培養學生的物理觀念．

圖2

又如圖2,用手提著上面的書,下面的書沒有掉下來,這種生活化的插圖讓學生迫不及待拿起手中的書進行模仿,再結合生活中的經驗便可知道這是“摩擦力”搞的鬼．有了這樣形象的鋪墊,可以開展這樣的教學活動.

教師提問:下面的書受到重力將要掉下去,但為什么沒有掉下去?

學生:受到摩擦力的作用.

教師:但這兩本書沒有相對運動,這和我們之前講的滑動摩擦力定義不同．

學生:這個叫靜摩擦力.

教師:對了,下面的書沒有掉下去,但有相對上面的書有掉下去的趨勢,因此受到上面的書的摩擦力叫靜摩擦力．

諸如這樣的插圖,在必修1的每節概念、規律課的開頭都有類似的設計,這些插圖的共同特點是:較容易引起學生進入圖像所呈現的情境,引發學生將思緒置身于情境當中,學生根據自己的經驗、感官刺激以及知識遷移本身的需求,潛意識里往往“先一步”找到了該節課要講授的概念,而教師只需要根據需要,對概念進行規范化表達,對概念生成的思維過程進行恰當的設計和處理,并由此抽象圖景提出與教學相關的問題,讓教學過程順利、自然發生,這往往不是簡單的語言和文字能夠做到的．因此,要充分的挖掘這類插圖的作用,培養學生從物理學視角抽象現象、解釋、解決問題的習慣,形成物理觀念．

2 利用實驗情境插圖展開探究性教學活動,培養科學探究素養

得益于信息技術的發展,教材中實驗情境的插圖仿真度越來越高,這種高仿真度的插圖,往往能夠將學生的思考、探究過程“導入”實驗情境中,仿佛將實驗原理通過圖像“告知”學生．

必修1教材中的實驗插圖主要有兩類,一類是將實驗裝置清晰地呈現出來,如圖3、圖4和圖5．這類清晰的插圖給教學帶來很大便利,教師可以基于插圖和學生一起探究實驗過程和原理．例如基于圖4,教師可以基于此開展教學活動.

圖3 用打點計時器記錄小車的運動信息

圖4 由數字計時器和光電門組成的計時測量裝置

圖5 探究小球沿傾斜直槽運動的速度變化特點

教師提問:“小球經過光電門的時間可以從數字計時器讀出來,那么要知道小球經過光電門時的速度,還需要測量什么?”

學生:需要測量小球的直徑．

教師:“算出了小球經過兩個光電門的速度后,要求出小球的加速度,還需要從數字計時器中讀出什么物理量?”

學生:需要讀出小球在兩個光電門間運動的時間．

教師:“要完成上述測量過程,還需要什么工具?”

學生:刻度尺.

不難看出,上述教學過程有效地培養了學生提出問題、合理猜測、制定和實施科學探究方案等素養．類似這樣的插圖,都可以基于插圖進行引導式提問,讓學生從圖像和教師的問題中逐漸發現該裝置所表達的實驗的原理和探究過程,這對培養學生科學探究方面的素養有重大意義．

另一類關于實驗情境的插圖如圖6、圖7所示,這類插圖將實驗原理和過程直接在圖中表達了出來．例如,學生看到圖7,便知道怎樣進行測量反應時間;學生看到圖6,就知道該實驗要探究“相鄰相等時間內的位移差相關的問題”．

圖6 探究小球沿傾斜直槽運動的位移變化特點

圖7

圖8 牛頓管內物體的下落運動

基于這類插圖,教師不需要急著告訴學生“要干什么”,而是提問學生“能干什么，怎么干”．例如,基于圖8,可以開展這樣的教學活動.

教師:由圖像結合生活經驗,我們可以猜想影響落體快慢的因素是什么?

學生:空氣.(在師生進行探究活動之前,學生已經從圖像中獲得信息)

教師:若逐漸將管中的空氣抽出,試猜想羽毛和銅錢下落快慢誰受影響更大一些? 當抽成真空時,羽毛和銅錢下落的快慢一樣嗎?

從上述教學活動中,培養學生基于圖景思考、猜想假設、收集證據、驗證猜想的科學探究素養．在逐漸減少空氣過程中,探索物體下落快慢,滲透科學外推的思想方法．

3 洞悉插圖內在的思維邏輯,引發深層次思考,培養科學思維

教材中有些插圖通常用來展示物體變化前后的過程,或者具有先后的時間關系、或者類比的操作過程,展示物理現象發生的實際情境．這類插圖蘊含遞進的思維過程,具有明顯的邏輯關系．這類插圖,對培養學生基于圖像對研究問題進行描述、解釋和預測的思維習慣有積極的作用．

例如圖9,先把繩子系在A點懸掛起來,再把繩子系在D點懸掛,圖像本身將操作的先后順序展示了出來,基于這個的插圖,教師可以進行這樣的教學活動.

圖9 確定薄板的重心 圖10 手機導航軟件界面

提問:圖9反映了薄板的重心在哪里?

學生:系在A點時,重心在AB上;系在D點時,重心在DE上;所以重心在AB和DE的交點上．

學生順著圖像的線索進行思考,培養了基于圖景進行科學推理、尋找規律的思維習慣,既能夠掌握方法,又能夠提升思維的品質．圖10的導航情境,清晰地展示從“廣州國際白云機場”到“祖廟”有3條時間不同的路徑,但結果都是從一個位置到另一個相同位置．對于這個插圖教學,可以引導學生發現“路程不同,但位置變化相同”這一認知沖突,引發學生尋找正確的思維方法解決實際問題的欲望,這樣教學的目的就達到了．

又如圖11,非常明確地顯示了汽車司機從意識到需要剎車、到采取剎車、最后剎車的這個過程,圖片本身包含了整個物理思維過程．圖12則明顯提示以對面的人為參照物和以窗外的樹為參照物運動過程不同;圖13、圖14都把“放大”形變的思想形象的展示了出來．

針對這類插圖的教學,教師可以不必從每個細節都按順序的向學生講解,而應該基于這些插圖適當的通過問題引導學生觀察、思考．例如圖13,教師可以提出這樣的問題:放上重物后,會發生什么現象?圖14可以提出這樣的問題:為什么用力按壓瓶子液面會上升?什么情況下液面會下降?通過這樣的問題,讓學生反思插圖本身的內在邏輯,幫助學生找到邏輯線索,從而進行深度思考．

圖11 汽車行駛的安全距離示意圖

圖12 在行駛的動車上的兩名旅客

圖13 形變通過光線“放大”

圖14 形變通過液柱高度變化“放大”

教材中除了有真實情境的插圖,還有抽象邏輯示意圖．如圖15、圖16和圖17,都是將物理量的變化過程用“圖示”的形式展示出來,這些示意圖本身有復雜內在邏輯,教學的過程既需要引導學生掌握這種“示意圖”的方法,也需要引導學生基于這類插圖進行深度思考,這樣才能真正發揮插圖的功能,培養學生科學推理、分析論證等素養．

圖15 無人機的運動軌跡

圖16 3個物體從點A到點B的運動軌跡

圖17 加速度的方向

4 重視插圖對知識視野拓展的積極作用,培養學生科學態度與責任

教材中的一些插圖對拓展學生的知識視野、培養學生積極的學習態度有一定的作用．這類插圖除了在正文中出現,在“資料活頁”、“課后習題”中也能看到．例如粵教版教材必修1中圖18所示,這是航天員進行太空授課的插圖,基于這個插圖可以進行相關的物理知識授課,也可以講述該物理情境的歷史背景以及背后的故事,這不僅能夠拓展學生所學的物理知識,還能夠培養學生積極探索的科學精神和自豪感．

圖18 航天員進行太空授課

圖19 北斗衛星導航系統可以提供高質量的定位、導航和授時服務

如圖19是北斗衛星導航系統示意圖、圖20是“風云四號”衛星的示意圖,對這些插圖所蘊含的物理知識進行適當分析,利用好這些插圖的教學功能,對培養學生探索知識的欲望、培養學生的學科素養都有明顯的作用．

圖20 “風云四號”衛星示意圖

例如在完成“宇宙速度與航天”一節的教學后,基于圖19,教師可以開展這樣的教學活動.

教師:北斗衛星由靜止軌道衛星、中圓軌道衛星和傾斜地球同步軌道衛星組成,中圓軌道衛星的周期約為12.92 h．如果你是設計師,靜止軌道衛星、中圓軌道衛星應分別設計在距地球多高的軌道?

學生:通過計算發現同步軌道衛星高度約35800 km，中軌道衛星高度約21500 km．

教師:大家可以查閱資料,了解傾斜地球同步軌道衛星的相關參數,設想一下要怎樣做才能讓衛星在這樣的軌道上運行?

這個教學片段,既能夠對章節知識進行鞏固,也能夠讓學生從設計師角度體驗“設計衛星軌道”的樂趣,“傾斜靜止軌道衛星”更能夠激發學生學習的好奇心,這對正確學習態度和學科責任感培養的作用是非常明顯的.

綜上所述,教材插圖是教材編寫者精心挑選、設計的,是教學內容的一個重要的補充．當然,教材插圖的功能可能遠不止本文列舉的這些,教師在教學設計過程中,應該重視插圖的作用,充分挖掘插圖所蘊含的教育功能,更好地落實物理學科核心素養．