物理知識結構圖在高中物理學習中的用途

摘 要：核心素養導向的物理教學設計要采用多種教學策略，教給學生研究問題的方法.物理知識結構圖也是一種研究問題的方法.通過實例說明物理知識結構圖在高中物理學習中的用途.應用物理知識結構圖可以幫助學生構建學科知識體系框架、整合解題方法、具化思維過程.在教學中引入物理知識結構圖，提供給學生研究問題方法更多的選擇.

關鍵詞：結構圖;高中物理;學習方法

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）07-0026-03

作者簡介：馬紅蕾（1977-），女，云南人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教育教學.

1 問題提出

圖作為一種邏輯語言比文字表達形式更簡潔、直觀，是人們分析和研究問題的一種思維方法.美國康奈爾大學心理學家諾瓦克和高登提出知識結構圖是由知識節點和邏輯連線組成的，反映知識之間相互關系的結構表征圖，也是一種表示、檢查、修正和完善知識結構的認知工具和策略[1].張佩認為高中物理知識結構圖是一種把高中物理學科的基本原理、基本概念和基本知識的內在關系進行系統組織，優化組合教學內容，啟發幫助學生學習的圖表[2].任偉然和王邦平提出知識結構圖不但可以幫助學生理解知識、構建知識，還可以利用知識結構圖幫助學生解決實際問題[3].物理知識結構圖，就是以物理知識點和學科內在的邏輯連線組成的結構圖.在高中物理教學中引入物理知識結構圖，可以提供給學生研究問題方法更多的選擇.

2 物理知識結構圖的用途和實例

2.1 幫助學生構建物理學科知識體系，提升復習效率

在物理學習過程中，學生獲得了大量零散的知識與技能，但不能在頭腦中形成對物理學科的完整認識.對具體的知識點也不能構建其內在的邏輯關系.學生靠刷題機械記憶物理概念和規律來提升解題技能，如果題目的情景較新，學生的得分率就很低.雖然也有學生會梳理筆記和錯題，但大部分學生缺少高效率的復習方法.很少有學生會運用畫知識結構圖的方法把頭腦中零散的知識點的邏輯關系構建起來.物理學是由物理概念、規律構成的邏輯體系，理解和掌握物理學的概念和規律是形成和發展物理觀念的基礎，也是形成學科素養的基礎.用物理知識結構圖認識構建物理知識內在的規律及相互關系，從某一核心概念到某一規律，再到某一章知識，直至某一研究領域.

在復習時，以整體知識為背景，以核心概念為主線，構建知識點間的聯系.例如，運動與相互作用是高中物理的物理觀念的三大要素之一.復習時，由具體物理情景中的問題歸納總結，讓學生畫力和運動關系的知識結構圖.力是物體產生加速度的原因，恒力作用下的物體做勻變速運動，變力作用下的物體做變加速運動.物體的受力決定物體的加速度.從這一主線再推廣到力和物體運動的關系，如圖1所示.

學生在構建力和運動關系的知識結構圖時，需要思考所學運動規律、特征，從物體的受力特點、運動規律兩個方面建立聯系.從圖1中能直觀地反映力與加速度之間的關系，力決定了物體的加速度，不是決定物體的速度.再比如，復習圓周運動時，仍從力和運動之間的關系這一主線來建立知識點間的聯系.物體受到的力產生向心加速度，學生通過思考多個情景如火車轉彎運動、圓錐擺運動中物體的受力特征和運動特征及物理量之間的關系，如圖2所示，構建圓周運動中的力和運動關系的知識結構圖.

以構建知識結構圖的形式進行復習，便于學生了解知識體系的整體思想，有利于學生把零散的知識點串成整體的知識框架體系，有利于促進學生形成物理觀念[4].

2.2 幫助學生整合解題方法，提升解題技能

學生在物理規律的應用方面遇到具體問題時，由于涉及的物理量較多，對物理量之間的聯系不夠熟悉，往往不知道該從哪里入手.以平拋運動為例，平拋運動是學生學習的第一個曲線運動，是教學重點.解決平拋運動問題的方法也是以后解決勻變速曲線運動問題的常用方法.解決平拋運動問題的思路是運動的分解，簡單概括為如圖3所示的知識結構，兩個分運動彼此獨立、時間相等;在數學幾何關系中，按照矢量分解法則分解位移和速度，速度偏轉角和位移偏轉角的正切值存在2倍關系.學生知道平拋運動在水平方向和豎直方向的運動規律、相關公式，也知道用分解來解題的大致方法.但由于對物理量之間的聯系不夠熟悉，會出現解題過程“繞彎路”.

學生通過梳理平拋問題的各個物理量之間的結構關系圖，來整合解題方法.如圖4所示，水平方向的運動描述中有初速度v0、位移x、時間t三個物理量，豎直方向運動的描述中有下落高度y、加速度g、時間t、豎直分速度vy四個物理量.從速度分解、位移分解建立物理量之間的聯系.

例題1 如圖5所示，轟炸機沿水平方向勻速飛行，到達山坡底端正上方時釋放一顆炸彈，并垂直擊中山坡上的目標A.已知A點高度為h，山坡傾角為θ，由此可算出

A.轟炸機的飛行高度

B.轟炸機的飛行速度

C.炸彈的飛行時間

D.炸彈投出時的動能

根據題意，炸彈垂直擊中目標A可知速度與水平方向的夾角，在結構圖中就是速度偏轉角的正切值已知，根據A點的高度可求得A點到底端的水平位移，即炸彈的水平位移，已知這兩個量從哪里入手快速解題？分析結構圖，發現與這兩個量聯系的最近“路徑”，如圖6所示.從推論入手，由速度偏轉角的正切值是位移偏轉角正切值的2倍，又已知水平位移，可以求出平拋運動豎直位移，從而得出轟炸機的飛行高度，故A項正確.求出平拋運動的豎直位移，根據y=12gt2得出炸彈平拋運動的時間，根據時間和水平位移求出轟炸機的初速度，故B項、C項均正確.由于炸彈的質量未知，則無法求出炸彈投出時的動能，故D項錯誤.

構建知識結構圖可以熟悉物理量之間的關系;分析結構圖，可以思考如何著手解題、如何調整解題策略.用結構圖快速求解的辦法就是尋找已知量和未知量之間的最短“路徑”.用物理知識結構圖，可以讓學生整合解題方法，理清解題思路，能夠提升學生探求知識、規律應用中的導航能力，提升解題技能.

2.3 可以具化思維過程，降低問題難度

教學中可以用結構圖研究問題.用結構圖把大腦活動過程中分析問題的思維流程表現出來，減輕學生在頭腦中思維的難度.學生可以反復對該結構圖思考、質疑、論證，直到找到解決問題的關鍵條件.

例題2 （2015年全國Ⅱ卷）一汽車在平直公路上行駛.從某時刻開始計時，發動機的功率P隨時間t的變化如圖7所示.假定汽車所受阻力的大小f恒定不變.下列描述該汽車的速度v隨時間t變化的圖線中，可能正確的是汽車啟動問題中，由于汽車變速運動的過程比較復雜，如果分析牽引力F、速度v、加速度a這幾個物理量的變化原因，可以把這個過程中的知識點間的關系構建成結構圖，如圖8所示.對圖中的關系推理論證，可以找到汽車的加速度一直減小至零，汽車將不再做變速運動這個關鍵條件.

3 結束語

在復習知識點時，可以用結構圖構建知識點之間的聯系，有助于學生形成物理知識體系;在對解題方法歸納總結時，可以用結構圖分析物理量之間的關系，理清解題思路.可以借助結構圖，分析問題過程，降低思維難度.在高中物理教學中引入物理知識結構圖，可以豐富學生研究問題的方法，有效促進學生核心素養的全面發展.

參考文獻：

[1]王溢然，王亮.圖示與圖象[M].合肥：中國科學技術大學出版社，2015.

[2]張佩.知識結構圖對高中生物理學習能力的影響研究[D].洛陽：洛陽師范學院，2015.

[3]任偉然，王邦平.知識結構圖的二次開發利用——談解決綜合問題的能力[J].中國考試（高考版），2007（11）：44-47.

[4]王建宏，于正華.思維導圖在高三物理一輪復習中的應用——以《動量守恒定律及其應用》為例[J].中學物理，2017，35（15）：16-17.

（收稿日期：2021-01-03）