转换图像助推思维进阶　关注素养提升教学质量

［摘 要］图像能直观呈现物理关系，描绘图像能显化思维过程，可以帮助学生发展物理观念，提高学生运用物理规律解决问题的能力，提升课堂教学质量。文章从物理观念、学科关键能力、学科体系三个方面分析了近年来图像转换试题的特点。

［关键词］物理；图像；转换；关键能力

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）14-0041-04

思维最重要的对象应包括三种成分：语言、数和形（空间）［1］。图像作为高考高频考点，已在教学中引起重视，但作为思维的语言，图像间的转换有自身内在逻辑，忽视图像转换不利于学生从思维的角度统领和应用图像解决问题。高中物理应在义务教育的基础上，进一步促进学生物理学科核心素养的养成和发展［2］。“关键能力”是支撑和体现学科素养要求的能力表征［3］。不断推动思维进阶发展，提高学生解决问题的关键能力，是提升物理学科核心素养的重要路径。图像能呈现物理量、物理状态、物理量之间的关系及物理规律，且形象直观。转换图像就是把函数思想与转化思想有机结合，以物理规律和定律为基础，利用函数概念和性质去分析和转换问题，并且用图像这种具体、形象的语言，描述物理量的变化，从而解决问题［4］。转换图像可以帮助学生简化分析过程，显化思维过程及方向，扫除思维盲点，补足解析短板，帮助学生发展物理观念和学科关键能力，完善学科体系，提升物理学科核心素养。

一、通过转换图像，发展物理观念

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》指出，高中物理课程应进一步促进学生形成物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等，并能用其解释自然现象和解决实际问题。观念形成依赖于学生对学习材料进行加工时的主观感受和意识经验的累积。物理观念是以物理观点为基础的能动意识和思维习惯，通过转换图像解决问题，形象直观、思维显化，可以帮助学生积累丰富的物理素材，扩展物理直觉，让学生在潜移默化中感受、体验、领悟课程的学习，使学生形成发展物理观念。如在“曲线运动”教学中，学生已通过前面的学习具备了发展曲线运动物理观念需要的物理观点，如何利用“旧观点”发展出“新观念”？转换图像可以起到重要作用，下面举例说明。

［例1］某质点在[Oxy]平面上运动。[t=0]时，质点位于[y]轴上。它在[x]方向上运动的速度—时间图像如图1所示，它在[y]方向上的位移—时间图像如图2所示。

（1）求[t=0.5 s]时质点速度的大小和方向；

（2）说出[t=1 s]时质点的位置；

（3）在平面直角坐标系上大致描绘质点2 s内的运动轨迹。

分析：根据题给图像分析出质点在两个方向上的运动情况，利用分运动的等时性，通过合成，可以确定质点在题给时间段内任一时刻的加速度、速度、位移、位置等，画出轨迹图像也就水到渠成。通过图像转换，在不引入新的物理观点的情况下，帮助学生建立描述曲线运动的心理图式，为学生以后学习平抛运动等相关知识提供了方法依据和思维直觉，帮助学生树立了一个可持续发展的运动观。

二、通过转换图像，提升学生的关键能力

合理的图像分析及转换能够帮助学生把问题情境可视化，降低解题难度。转换图像有利于剔除思维盲点，推进思维进阶发展，提高学生的科学推理能力。通过转换图像分析问题，还可以培养学生的科学探究能力。

（一）突破信息加工难点

物理问题是信息的集合体，解题是人脑主观能动地对信息进行识别、挑选、提取、加工和转换的过程。信息的呈现方式如果与学生已有的心理图式不符，就需要学生具备信息加工的意识和能力，否则解题过程无法顺利进行。物理图像也是信息的集合体，高中学生具有一定的图像分析能力，如果在解题时能将题给信息以图像形式呈现，就会让学生下意识地去分析联系、寻找线索，若如此反复，学生对问题的认识将会在图像的转换中变得越发明朗。

［例2］（2018年北京理综卷第20题）根据高中所学知识可知，做自由落体运动的小球，将落在正下方位置。但实际上，赤道上方200 m处无初速下落的小球将落在正下方位置偏东约6 cm处。这一现象可解释为，除重力外，由于地球自转，下落过程小球还受到一个水平向东的“力”，该“力”与竖直方向的速度大小成正比。现将小球从赤道地面竖直上抛，考虑对称性，上升过程该“力”水平向西，则小球（ ）。

A.到最高点时，水平方向的加速度和速度均为零

B.到最高点时，水平方向的加速度和速度均不为零

C.落地点在抛出点东侧

D.落地点在抛出点西侧

分析：只要用[v-t]图像先描述小球在竖直方向的运动，就能唤醒学生分析曲线运动的意识，进而积极参与解题，通过图像转换，有效加工题给信息。画出小球在竖直方向上的运动图像（见图3），可以得出水平方向加速度随时间变化的图像（见图4）。进一步将[ax-t]图像转换为[vx-t]图像（见图5），则能更全面地刻画出小球的运动，直观反映整个过程中小球始终向西运动，正确答案为D。两次图像转换，从图3到图4的转换，实现了题给信息的全部再呈现加工，从图4到图5的转换帮助学生剔除错误直觉，避开易错点。图像呈现信息，为学生分析问题提供了切入点，也为后续信息加工提供了依据。

（二）提升科学推理能力

科学推理能力是科学思维的重要组成部分，也是高考考查的关键能力。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》将学生的学业质量水平分为5个等级，现将涉及的科学推理部分的5个等级分析如下（见表1）：

从表1可以看出，物理过程越多，物理量之间的关系越复杂，情境越新颖，对学生的科学推理能力要求就越高。水平3以上都要求学生能对结论做出解释，对学生思维的严谨性提出了更高的要求。分析问题时配合图像转换的做法，可以帮助学生在新颖、综合、复杂的问题情境中厘清多过程的衔接问题，分析出多解、临界和排除假根等情况，提升学生的科学推理能力。

［例3］如图6所示，[K]极射出的电子，经[AB]间电场加速后沿[CD]两极板的中心线射入偏转电场，打在距[CD]极板右侧[16l]的光屏上。电子初速度为0，[AB]间电势差为[U1]，[CD]间电势差为[UCD]，[UCD]随时间变化的图像如图7所示，电子质量和电荷量分别为[m]、[e]，[CD]极板长为[l]，间距为[d]，从[K]极射出的电子均能打到光屏上，整个装置处于真空环境，不考虑电子的初速度、电子间的相互作用、极板外侧电场。求：

（1）电子在[CD]间运动的时间[t0]；

（2）[UCD]的周期[T=t0]，光屏上电子能够打到的区域长度；

（3）[UCD]的周期[T=2t0]， 电子打到光屏上[O]点的动能。

分析：学生具备分析带电粒子在匀强磁场中运动的能力，对应学业质量水平3。本题涉及偏转电场周期性变化，粒子在电场中的运动涉及多种情况、多个过程，需要学生分析归纳，对应学业质量水平4。仔细分析就会发现，学生具备单独列出解答本题所需方程的能力，但是无法串联形成解题思路。对此，可把图像转换融入解题过程，（2）问中学生列方程时，画出电子沿着偏转电场方向的[a-t]图像（见图8），结合运动学方程，转换出该方向上的[v-t]图像（见图9），多画几条，合理外推就可找出规律：偏转电场中的出射速度等于入射速度，其中图线1、4对应位移为偏转位移的最大值，结合方程求出位移最大值为y=（U2l2/8dU1），电子能够达到的区域长度为D=2y=U2l2/4dU1。（3）问中改变了时间条件并增加空间约束，同样，画出[v-t]图像（见图10）（另一情况对称，不赘述），设电子第一次加速时间为[Δt]，列出各阶段位移，结合空间限制条件，列方程组，求得Δt=t0/3，解得：。可见，本题有两条线索，解析列方程，对学业质量水平3的学生来说难度较大。通过图像转换可降低分析和运算的复杂程度，串联出解题方向，有效提升学生的科学推理能力。

（三）培养科学探究能力

图像可用于分析实验数据，减小实验误差，确定实验规律，图像法是培养学生科学探究能力的方法之一。简谐运动是中学物理五个典型运动模型之一，教师可以通过坐标变换实现图像的同类转换，引导学生对简谐运动进行探究：光滑水平面的弹簧振子—光滑斜面的弹簧振子—带弹簧小球在有摩擦的斜面上的运动，不断引导学生思考，培养学生的质疑论证能力和科学探究能力。

［例4］如图11所示，轻质弹簧一端固定，另一端与物块A连接在一起，处于压缩状态。A由静止释放后沿斜面向上运动到最大位移时，立即将物块B轻放在A右侧，A、B由静止开始一起沿斜面向下运动，下滑过程中A、B始终不分离，当A回到初始位置时速度为零。A、B与斜面间的动摩擦因数相同、弹簧未超过弹性限度，试分析A、B的运动。

分析：在简谐运动教学中，教师可以结合本题实例，加深学生对简谐运动的理解。学生在分析时大多会采用解析的方法，教师可以引导学生对A 的受力进行归类：弹力遵循胡克定律，力的图像非常简洁，规定沿着斜面向上的方向为正，那么合力的图像只需要将弹力的图像向下平移即可得到，同样也是一条直线，如图12所示。合力图像符合[F=kx]的形式，只不过[x=x弹-x0]，因此A在上升过程中做简谐运动，AB共同下降时是做平衡位置不同的简谐运动。

三、通过转换图像，完善学科知识体系

心理学家认为，存入人脑长时记忆的内容能长久保存，但提取路径会迷失，造成遗忘。因此，在学生掌握新知识后，应采取一定的教学手段引导学生能动地搭建更为完善的学科知识体系，以实现物理学科核心素养的螺旋式上升。图像简洁直观，呈现的信息量多，利用图像转换这种基于可视化的操作，既可在微观层面帮助学生深刻理解物理量或物理规律的内涵和外延，又可从宏观角度帮助学生不断提炼、归纳更为完善的知识组块。

［例5］如图13所示，光滑平行金属导轨[MN]、[PQ]所在平面与水平面的夹角为[θ]，整个装置处在磁感应强度大小为[B]，方向垂直导轨平面向上的匀强磁场中。[MP]间电阻阻值为[R]，金属棒[ab]内阻为[r]，垂直导轨[MN]、[PQ]放置。[t=0]时刻开始，一平行于导轨向上的力[F]作用在金属棒[ab]上，让金属棒由静止开始运动，且始终与导轨垂直且接触良好，通过电阻[R]的感应电流[I]随时间[t]变化的图像如图14所示。下列关于金属棒[ab]两端的电压、穿过回路[abPM]的磁通量[Φ]、[Φ]的变化率[ΔΦΔt]、通过金属棒的电荷量[q]、金属棒[ab]的速度[v]随时间变化的图像正确的是（ ）。

分析：本题需要进行图像转换，具体可以电流图像为线索，帮助学生梳理电荷量[q]、电动势[E]、电压[U]、金属棒切割速度[v]、磁通量[Φ]等相关电磁学物理量之间的关系，优化了学生的电磁学相关模块的知识体系，加深了学生对感应电动势物理意义的理解。[I-t]图像中图线与[t]轴围成的面积表示回路中的电荷量，推得[q-t]图像是抛物线；根据欧姆定律，对图14进行坐标变换即可得到[Uab-t]图像是过原点的直线；由串联电路电压的分配关系，以及对[Uab-t]图像进行比例变换即得到[E-t]图像；运用法拉第电磁感应定律，可知[Φ-t]图像是抛物线；感应电动势[E]与[v]成正比，[v-t]图像为过原点的直线。因此，正确答案为C。在本题基础上教师可以适当拓展，利用图像转换为学生搭建理解“单棒”“双棒”类问题的“脚手架”，帮助学生理解把握物理规律，建构大单元学习观。

四、结束语

通过以上分析可以看到，图像转换可以在物理观点不增加的情况下帮助学生发展物理观念；在解题方程不增加的情况下串联出解题思路，提升学生的科学推理能力；在题给条件无法列方程的情况下创造性地建立清晰的物理图景；还可以在杜绝机械重复的情况下完善知识体系。总之，图像转换能有效提升学生的物理学科核心素养，在教学中应引起重视。

［   参   考   文   献   ］

［1］  林崇德.思维是一个系统的结构［J］.宁波大学学报（教育科学版），2006（5）：1-7.

［2］  中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订［S］.北京：人民教育出版社，2020．

［3］  教育部考试中心.中国高考评价体系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

［4］  金毅，袁海泉.高中物理习题教学中的图象转换策略 ［J］.中学物理，2016（21）：22-24.

（责任编辑 易志毅）