函数图像法在高中物理教学中的应用研究.pdf

学校代码： 学号： 1 0 2 7 0 1 1 2 5 0 0 2 6 1 上骖脚范大誓 专业学位论文 函数图像法在高中物 理教学中的应用研究 a s t l l d yo ft h ea p p l i c a t i o no ff u n c t i o n a l i m a g e m e m o di np h y s i c st e a c h i n gi ns e n i o rh i 曲s c h 0 0 1 上海师范大学硕士学位论文 摘要 摘要 函数图像是指在直角坐标系中，由反映自变量与因变量之间关系的点所组成 的曲线。作为一种数形结合的简明、直观、形象的表征方式，函数图像能清晰地 反映不同物理量之间的关系，在物理教学中发挥着重要的作用。在物理学习中结 合图像法，可以帮助学生理解物理概念，促进物理规律的学习，深入分析物理实 验，也有利于物理问题的解决。无论是现行的高中物理教材还是近年物理高考， 都对学生认知、理解、运用各类物理函数图像提出了更高的要求。同时，图像法 作为一种直观呈现物理问题的方式，也是辅助教师实施有效教学的手段。因此， 调查了解当前高中物理函数图像教学的现状及存在的问题，从理论与实践层面探 讨函数图像法在高中物理教学中的作用和价值，设计适合当前课改的物理函数图 像法教学模式，能够丰富物理图像法教学的理论，为物理教育工作者提供借鉴。 本论文研究的主题是“函数图像法在高中物理教学中的应用”。本文在理论 研究、实证调查和教学实验的基础上，阐述了函数图像法在改进物理教学中的作 用和价值，分析了高中物理教学中应用函数图像法的现状及存在的问题，也在实 践中检验了函数图像法教学模式的效果，最终得出在物理教学中应用函数图像 法，能够有效锻炼学生的思维能力，提高物理学习效率的结论。 基于理论和实践的需要，本研究主要分为以下内容： 第一部分，介绍本研究的背景，通过文献综述，阐述国内外在物理教学中应 用函数图像法的研究现状。 第二部分，通过调查问卷了解高中物理教学中应用函数图像法的现状及影响 学生在物理学习中应用图像法的因素，并对问卷结果进行分析，初步得出调查结 论。 第三部分，在教育心理学理论层面上探讨函数图像法在高中物理教学中的作 用与价值，并结合实例分析函数图像法的教学功能。 第四部分，基于教材内容，尝试构建高中物理函数图像法教学模式。 第五部分，分析、检验函数图像法教学模式在高中物理教学实践中的有效性。 第六部分，得出研究结论，反思研究的不足。 摘要上海师范大学硕士学位论文 i i 关键词：函数图像法；高中物理；物理教学；数形结合 上海师范大学硕士学位论文a b s 缸a c t a b s t l a c t f u n c t i o n a li m a g er e f e r st ot h ec u r v ec o m p o s e do fp o i n t sw h i c hr e n e c tt h e r e l a t i o n sb e t w e e ni n d e p e n d e n tv a r i a b i e sa n dd e p e n d e n tv a r i a b l e si nr e c t a n g u l a r c o o r d i f l a t es y s t e m a sac o n c i s e ，v i s u a l i z e da n di m a g i cr e p r e s e n t a t i o nc o m b i n i n g n u m b e ra i l ds h 印e ，f i l n c t i o n a l i m a g e sp l a ya nh p o n a n tr o l ei l lp h y s i c st e a c h i n gb ya c l e a rr e n e c t i o no fd i f - f e r e n tp h y s i c a lq u a m i t i e s i n t e g r a t i n gi m a g em e t h o di n t op h y s i c s l e a r i l i n gc a nh e l ps t u d e l l t su n d e r s t a n dp h y s i c sc o n c e p t s ，l e a mp h y s i c sl a w s ，a n a l y z e p h y s i c se x p e r i m e n t si nd e p t ha n ds o l v ep h y s i c sp r o b l e m s n om a t t e rp r e v a i l i n g p h y s i c st e ) ( t b o o k so rc o l l e g ee n t r a n c ee x a m m a t i o n so fp h y s i c si nr e c e n ty e a r sh a v e u 唱e dh i g h e rr e q u i r e m e n t so ns t u d e n t s c o g n i t i o n ，u n d e r s t a n d i n ga n da p p l i c a t i o no f d i 仃e r e n tk i l l d so fp h y s i c s 血n c t i o n a li m a g e s m e a n w h i l e ，a sav i s u a l i z e d f o r m r e p r e s e n t i n gp h y s i c sp r o b l e m s ，i m a g em e t h q di s am e a s u r ew h i c ha s s i s t st e a c h e r si n e 五f e c t i v ei n s t m c t i o n t h e r e f o r e ，t os u r v e ya n dk n o wa b o u tt h ec u r r e n ts i t u a t i o na n d e x i s t i n gp r o b l e m so fp r e s e n tp h y s i c s 血n c t i o n a l i m a g et e a c h i l l gi ns e n i o rh i g hs c h o o l ， t oe x p l o r et h er o l ea n dv a l u eo f 向n c t i o n a li m a g em e t h o di np h y s i c st e a c h m gi ns e n i o r h i g hs c h o o l 仔o mt h ep e r s p e c t i v eo ft h e o r ya n dp r a c t i c e ，a n dt od e s i g nt h ei 1 1 s t n j c t i o n m o d e lo fp h y s i c s 向n c t i o n a li m a g em e t h o dw h i c hs u i t st h ep r e s e mc u r r i c u l u mr e f o r m ， c a ne i l r i c ht h et e a c h i n gt h e o r i e so fp h y s i c si m a g em e t h o da n dp r o v i d ear e f e r e n c ef o r p h y s l c st e a c h e r s t h et h e m eo ft h i sd i s s e n a t i o ni s 砌p4 即，f c 口f i d 门q 厂凡删c f 勋刀口，如z 口护坛砌o d 加 p 矗声】它j 死口c 办f ，曙i j 受船国，- 魄办办d d ，o n t h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， e m p i r i c a li n v e s t i g a t i o na n dt e a c h i n ge x p e r i m e n t s ，t h ed i s s e r t a t i o ne x p o u n d st h e r o l e a n dv a l u eo f 允n c t i o n a li m a g em e t h o di 1 1i m p r o v i n gp h y s i c st e a c h i n g ，a n a l y z e st h e c u r r e n ts i t u a t i o na n de x i s t i n gp r o b l e m so ft h e 印p l i c a t i o no f 血n c t i o n a l i m a g em e t h o d i np h y s i c st e a c h i n gi ns e n i o rh i g hs c h o o l ，a n dp u t st h ei n s t r u c t i o nm o d e lo f 向n c t i o n a l i m a g em e t h o di n t op r a c t i c e ，t h u sd r a w i n gt h ec o n c l u s i o n t h a ta p p l y i n g 如n c t i o n a l i m a g em e t h o dt op h y s i c st e a c h i n gc a ne 缸e c t i v e l yt r a i ns t u d e n t s a b i l i t yo ft h i n k i n g i i i a b s 仃a c t上海师范大学硕士学位论文 a n di m p r o v et h ee f n c i e n c yo fp h y s i c sl e a m i n g f o rt h en e e do f t h e o 眄a n dp r a c t i c e ，t h es t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i l l gc o n t e n t ： t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h es t u d y ，w i t hl i t e r a t u r er e v i e w ； e x p o u n d st h er e s e a r c hs t a t u so ft h e 印p l i c a t i o no fm n c t i o n a “m a g em e t h o di np h y s i c s t e a c h i n ga th o m ea n da b r o a d t h es e c o n dp a r ts u r v e y st h ec u r r e n ts “u a t i o no ft h ea p p l i c a t i o no f 向n c t i o n a l i m a g em e t h o di np h y s i c st e a c h i n gi n s e n i o rh i g hs c h o o la n dt h e 白c t o r sw h i c h i n n u e n c es t u d e m s a p p l i c a t i o no fi m a g em e t h o di np h y s i c sl e a r n i n gb yq u e s t i o i l i l a i r e ， a n dc o m et oa ne l e m e n t a r yc o n c l u s i o nb yt h ea n a l y s i so fq u e s t i o n n a i r er e s u l t s t h et h i r dp a r te x p l o r e st h er o l ea n dv a l u eo ff h n c t i o n a li m a g em e t h o di np h y s i c s t e a c h i i l gi n s e n i o r h i g hs c h o o l仔o mt h et h e o r e t i c a lp e r s p e c t i v eo fe d u c a t i o n a l p s y c h o l o g ma n da n a l y z e st h et e a c h i n gm n c t i o no f 血n c t i o n a li m a g em e t h o dw i t h e x a m p l e s t l l l e 内u n hp a r tt r i e s e s t a b l i s h i l l ga ni 1 1 s t r u c t i o nm o d e lo fp h y s i c s 如n c t i o n a l i m a g em e t h o db a s e do nt h ec o m e n to f t e a c h i n gm a t e r i a l s 1 1 1 ef i 劬p a na n a l y z e sa n dt e s t i f i e st h ee 仃e c t i v e n e s so ft h ei n s t r u c t i o nm o d e lo f 向n c t i o n a li m a g em e t h o di ns e n i o rh i g hs c h o o l sp h y s i c st e a c h i n gp r a c t i c e s t h es i x t hp a r td r a w st h er e s e a r c hc o n c l u s i o na n di n t r o s p e c t st h ed e f i c i e n c i e so f t h es t u d y k e y w o r d s ：f u n c t i o n a li m a g em e t h o d ；p h y s i c so fs e n i o rh i g hs c h o o l ；p h y s i c s 7 i e a c h i n g ；t h ec o m b i n a t i o no f n u m b e ra n ds h a p e 上海师范大学硕士学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 研究背景l 1 1 1 物理新课程改革目标要求1 1 1 2 高中物理教材中的函数图像3 1 1 3 高考物理中的函数图像4 1 1 4 当前中学物理教学的实际情况8 1 2 研究意义9 1 2 1 研究高中物理教学中函数图像法应用的现实意义一9 1 2 2 研究高中物理教学中函数图像法应用的理论意义1 0 1 3 研究现状1 1 1 3 1 国内研究现状1 1 1 - 3 2 国外研究现状l3 1 4 相关概念的界定1 4 1 5 本研究的主要工作1 5 第2 章高中物理教学中应用函数图像法的调查研究1 7 2 1 问卷的设计思路1 7 2 2 问卷样本的选取1 7 2 1 3 问卷结果分析1 8 2 3 1 封闭式问题结果分析一1 8 2 3 1 1 学生应用函数图像法的情况1 8 2 3 1 2 学生对待函数图像法的态度2 4 2 3 1 3 教师在教学中应用函数图像法的情况2 6 2 3 1 4 教师对待函数图像法的态度2 7 2 3 2 开放式问题结果分析一2 8 2 4 调查结论3 2 目录上海师范大学硕士学位论文 第3 章物理函数图像教学的理论基础一3 5 3 1 物理函数图像教学的教育心理学基础3 5 3 1 1 布鲁纳的结构一发现教学理论3 5 3 1 2 学习迁移理论一3 7 3 2 函数图像法的教学功能4 0 3 2 1 函数图像法在物理概念教学中的作用4 0 3 2 2 函数图像法在物理规律教学中的作用4 3 3 2 3 函数图像法在物理实验教学中的作用4 5 3 2 4 函数图像法在物理问题解决中的作用4 9 第4 章高中物理函数图像法教学模式的构建5 4 4 1 物理概念教学应用函数图像法的模式5 4 4 1 1 教学理论基础一5 4 4 1 2 教学模式流程一5 4 4 1 3 教案自评5 6 4 2 物理规律教学应用函数图像法的模式5 6 4 2 1 教学理论基础一5 6 4 2 2 教学模式流程一5 7 4 2 3 教案自评5 8 4 3 物理实验教学应用函数图像法的模式5 8 4 3 1 教学理论基础一5 9 4 3 2 教学模式流程一5 9 4 3 3 教案自评6 1 第5 章高中物理教学中应用函数图像法的实践研究6 2 5 1 实验假设6 2 5 2 实验内容6 2 5 2 1 实验对象6 2 5 2 2 实验教材6 3 5 2 3 测试材料6 3 5 3 结果分析6 3 上海师范大学硕士学位论文目录 5 3 1 前测结果分析一6 3 5 3 1 1k - s 检验6 4 5 3 1 2f 检验6 5 5 3 2 后测结果分析一6 6 5 3 2 1k - s 检验6 6 5 3 2 2f 检验- 6 7 5 3 3 教学效果协方差分析一6 8 5 4 教学实验结论6 9 第6 章总结与反思7 0 6 1 研究结论7 0 6 2 研究存在的不足7 1 6 3 研究展望7 1 参考文献7 2 附录l 访谈提纲一7 4 附录2 调查问卷一7 5 附录3 高中物理教学中应用函数图像法的教学设计7 9 致谢一9 5 攻读学位期间取得的研究成果一9 6 上海师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 图像有多种含义，其中最常见的定义是指各种图形和影像的总称。在理科的 学习以及日常的工作或统计分析中，图像都是必不可少的组成部分，它为人类探 索科学世界构建了一个形象的思维模式，有助于我们学习、思考问题。函数图像 是指在直角坐标系中，由反映自变量与因变量之间关系的点所组成的曲线。 1 1 研究背景 早在1 7 世纪，法国的哲学家、数学家笛卡尔就意识到“几何的直观与推理 的优势和代数机械化运算的力量”【l 】，并创建直角坐标系，在代数方程与几何图 形间架起了一座桥梁。随着伽利略和牛顿相继用坐标和纵横轴来研究物理问题， 一个数学与物理结合的、简捷的方法开始在物理学中广泛应用。【2 】本论文研究的 问题是“函数图像法在高中物理教学中的应用”，下面就本文的研究背景与研究 意义作详细的阐述。 1 1 1 物理新课程改革目标要求 现行的上海市中学物理课程标准在知识与技能维度，对高中阶段学生的物理 学习提出了如下目标：“理解物理概念，掌握和应用基本的物理规律，能表述和 解决简单的物理问题”、“能根据实验目的，合理安排实验步骤，正确完成实验操 作，得出实验结论”、“能有效地进行阅读、倾听、书写、思维和论述等活动；能 以多种方式正确地表达自己的见解”。【3 】上述目标，涵盖了高中阶段物理教学的 四个主要任务物理概念教学、物理规律教学、物理实验教学与物理问题解决 教学。这几个环节的教与学，并不是孤立的个体，而是相互促进的有机整体。其 中，物理概念教学与规律教学是中学物理教学的中心任务。物理学作为一门以实 验为基础的自然科学，无论是概念的建立，还是规律的得出，都与实验有着密切 1 】【法】笛卡尔笛卡尔几何 m 】袁向东译北京：北京大学出版社，2 0 0 8 ：1 【2 1 张耀久中学物理函数图象【m 】山东：宇航出版社，1 9 8 8 ：l 一4 1 3 】上海市教育委员会上海市中学物理课程标准( 试行稿) 【m 】上海：上海教育出版社，2 0 0 4 ：6 8 6 9 第1 章绪论上海师范大学硕士学位论文 的关系。而物理问题解决教学贯穿于学生物理学习的整个过程，包括对物理概念、 规律、实验的应用和逐步深化提高。 随着课程与教学改革的深化，高中物理教学大纲、教材在知识与技能方面， 都相对降低了要求，然而物理教学效果却并没有明显提高。在高中理科各科目中， 物理仍i u 是一门公认的教师难教、学生难学的科目。学生普遍反映，初中阶段的 物理知识比较容易掌握，而在高中阶段，即使学习上花费大量的时间，上课认真 听讲，可对物理学习还是感到一头雾水。学过高中物理的大部分同学，特别是物 理成绩中等以下的同学，总有这样的困惑：“老师讲的知识能听懂，但就是不会 用。” 上述问题形成的原因是多方面的，但主要根源在于学生的思维方式无法很快 适应高中阶段的物理学习。首先，初中物理知识比较贴近生活，很直观，通常从 演示实验或学生熟悉的自然现象中引出物理概念和规律，认识过程基本上是由感 性认识上升到理性认识，符合初中学生认识事物以形象思维为主的心理特征。而 高中物理却有大量教学活动必须通过抽象思维来完成，要通过严密的逻辑推理来 揭示事物的本质和变化规律，其中有些结论无法借助直观的演示实验直接得出。 把习惯于从具体的事物、具体的自然现象中总结规律转变到将具体事物抽象为理 想模型，通过观察、分析、归纳、推理来建立物理概念，掌握物理规律，这对学 生而言具有很大的难度。【4 填次，在初中物理学习中，物理现象不仅比较简单， 而且往往与日常生活有着比较密切的联系，学生不会感觉生疏。但在高中物理学 习中，物理现象常常比较复杂，而且与日常生活现象的联系似乎并不如初中物理 那么紧密，同时分析物理问题时，要从多方面、多层次来探索和研究，这种多因 素综合的复杂思维方式，是刚进入高中的学生感到难以把握的。 为了使学生更好地适应高中物理的学习，在高中物理教材里有很多实物图、 示意图和函数图像。这些图像在教学过程中的作用不可忽略，它们能够直观地反 映客观规律，表达物理知识，使解题思路清晰，比枯燥的文字、公式更容易理解 和掌握。尤其是函数图像，它把静止的、毫无生机的公式和规律变成坐标系中一 条条生动的曲线，使得物理学变得有了生命，更加生动，也更有灵气。【5 】 由上海市教委教研室主编的上海市高级中学物理学科教学基本要求也对 【4 1 乔际平，邢红军物理教育心理学【m 】广西教育出版社，2 0 0 2 ：2 6 5 5 l 刘青苗图像法在高中物理中的实际应用研究吲上海师范大学，2 0 l l ：1 2 上海师范大学硕士学位论文 第l 章绪论 学生认知与运用物理函数图像的能力提出了一定的要求：如在“直线运动”一章 要求能运用匀变速直线运动的公式和图像求解未知物理量，解决简单的匀变速直 线运动问题；1 6 j 在“振动与波动”一章要求理解横波的图像，知道波的图像跟振 动图像的区别；【7 j 在“内能和气体的性质”一章要求知道p 一矿、p 一丁、矿一丁图 像。【8 j 而且高中阶段几乎每个物理实验，都要求学生能根据实验数据绘制物理图 像，通过观察、比较图像来探究、发现物理规律。 1 1 2 高中物理教材中的函数图像 笔者以目前上海市通用的，根据上海市中小学( 幼儿园) 课程改革委员会制 定的课程方案和上海市中学物理课程标准( 试行稿) 编写的高级中学物理课 本( 其中基础型课程四册，拓展型课程三册) 为例，对书中出现的所有函数图像 进行了详细的统计，统计结果如下： 表1 1 上海市高中物理教材函数图像分类统计表 书名所在章名图像名称图像描述 基础型高一第一学期匀变速直线运动s f 图“位移一时间”图像 基础型高一第一学期匀变速直线运动v f 图“速度一时间”图像 基础型高一第一学期牛顿运动定律 口一f 图 “加速度一力”图像 基础型高一第一学期牛顿运动定律口一川图“加速度一质量”图像 基础型高一第一学期牛顿运动定律f f 图“力一时间”图像 基础型高一第二学期 机械能f s 图功的图示 “重力势能一高度”图 拓展型i 第一册机械能 一办图 像 拓展型i 第一册 机械能 b 一向图 “动能一高度”图像 拓展型i 第一册机械能e 一办图“机械能一高度”图像 拓展型i 第一册简谐运动与机械波 x f 图振动图像 【6 】上海市教育委员会教学研究室上海市高级中学物理学科教学基本要求口川华东师范大学出版社， 2 0 0 5 ：1 【刀上海市教育委员会教学研究室上海市高级中学物理学科教学基本要求叫】华东师范大学出版社， 2 0 0 5 ：7 4 【8 1 上海市教育委员会教学研究室上海市高级中学物理学科教学基本要求【m 】华东师范大学出版社， 2 0 0 5 8 6 第1 章绪论 上海师范大学硕士学位论文 基础型高一第二学期周期运动y x 图波的图像 固体、液体和气体 拓展型i 第一册f 一，图分子间的作用力图像 的性质 基础型高一第二学期分子和气体定律 p y 图 “压强一体积”图像 基础型高一第二学期分子和气体定律 p 一丁图 “压强一温度”图像 基础型高二第一学期 电路 u 一，图“电压一电流”图像 拓展型i i交流电f f 图“电流一时问”图像 拓展型i i交流电p f 图“电动势一时间”图像 拓展型i 第二册原子核 旦一f 图 放射性元素的衰变图像 n o 拓展型i i相对论简介 旦一兰图 电子的质速关系图像 历0 c 除了教材中已有的函数图像外，其他一些物理过程也能以函数图像的形式来 表征，比如反映气体等压变化时体积与热力学温度之间关系的矿一丁图( 盖吕 萨克定律) ，能够说明绝对零度的物理意义的p f 图和y f 图，以及反映光电效 应时光电子的最大初动能随入射光频率变化的e y 图等。 此外，笔者查阅了目前上海不少市实验性示范性高中理科班使用的华东师大 二附中理科班用物理教材，发现书中实物图、示意图、函数图像出现的频率 比统编教材更高，所占篇幅更大，几乎每页都配有相应的几张图片，函数图像的 种类也更丰富，蕴含的信息量更大。可见，抽象思维能力更强的市重点高中理科 班学生在物理学习过程中似乎对图像的依赖程度更高，也更擅长借助图像来分析 思考问题。 通过以上统计，我们可以发现，图像辅助教学已成为重要的教育内容。函数 图像既是表述物理知识的重要手段，也是呈现物理情境的重要形式。【9 1 它使物理 教材的可读性更强，成为辅助学生学习不可或缺的工具。 1 1 3 高考物理中的函数图像 【9 】包莉图在高中物理教学中的应甩研究【d 】苏州大学，2 0 0 9 ：1 6 4 上海师范大学硕士学位论文 第1 章绪论 笔者对上海近五年( 2 0 0 8 2 0 1 2 ) 的高考物理试卷中出现的有关函数图像的 试题进行了统计，统计结果如下： 表1 2 近五年高考物理上海卷函数图像题统计表 分比 年份 考查内容考查能力 值例 第8 题( 选择题) ：e p f 图、e p v 图、 定性分析图像 ep e k 图、e p h 图 第9 题( 选择题) ：p y 图定性分析图像 第1 0 题( 选择题) ：s x 图定性分析图像 2 0 0 8 第1 7 题( 实验题) ：单摆周期与偏角关 3 82 5 识别辨析图像 系的图像 应用图像，定量计 第2 1 题( 计算题) ：v f 图 算 应用图像，定量计 第2 2 题( 计算题) ：波动图像 算 第3 题( 选择题) ：反映场强与位置关系 识别辨析图像 的e x 图 第1 2 题( 填空题) ：波动图像理解应用图像 定性分析图像，分 第1 7 题( 实验题) ：口一f 图 析误差 第1 8 题( 实验题) ：平抛运动的，2 一x 图理解应用图像 2 0 0 93 42 3 第1 9 题( 实验题) ：反映光衰减程度与 理解应用图像 波长关系的够一旯图 应用图像，定量计 第2 2 题( 计算题) ：以一v 图 算 第2 4 题( 计算题) ：反映金属棒在磁场 定性画图 区域运动的v x 图 第l 章绪论上海师范大学硕士学位论文 第1 6 题( 选择题) ：波动图像 识别辨析图像 第1 7 题( 选择题) ：p 一丁图 定性分析图像 第18 题( 选择题) ：v f 图理解应用图像 第1 9 题( 选择题) ：反映感应电流变化 识别辨析图像 2 0 1 0 规律的，一，图 2 7l8 定性作图，应用图 第2 0 题( 选择题) ：波动图像 像 第2 8 题( 实验题) ：y 一1 p 图分析误差 第2 9 题( 实验题) ：吉一去图 理解应用图像 第4 题( 选择题) ：y 一丁图 定性分析图像 第8 题( 选择题) ：气体分子速率分布曲 定性分析图像 线 第1 4 题( 选择题) ：电势分布图像定性分析图像 第1 9 题( 选择题) ：v f 图 定性分析图像 2 0 l l3 42 3 第2 4 题( 填空题) ：波动图像理解应用图像 第2 8 题( 实验题) ：e 一1 f 图线描点作图 第2 9 题( 实验题) ：，：一，。图线 理解应用图像 定性分析图像，应 第3 3 题( 计算题) ：势能曲线 用图像，描点作图 第9 题( 选择题) ：反映原子质量数彳与 识别辨析图像 中子数之间关系的图线 分析应用图像，定 第2 3 题( 填空题) ：s f 图 量计算 2 0 1 2第2 4 题( 填空题) ：波动图像 理解应用图像 1 711 第2 8 题( 实验题) ：反映水银面高度变 化幽与气体温度变化出之间关系的图识别辨析图像 线 第2 9 题( 实验题) ：反映单摆周期的对理解应用图像 6 上海师范大学硕士学位论文第l 章绪论 数l g 丁与摆长的对数k 三之间关系的图 线 表1 3 近五年高考物理上海卷函数图像题各知识模块统计表 年份知识模块分值 比例 力学 3 07 9 2 0 0 8 热学 4 1 0 5 电磁学 4 1 0 5 力学 2 67 6 2 0 0 9 电磁学 41 2 光学 41 2 力学 1 14 1 2 0 1 0 热学 62 2 电磁学 1 03 7 力学 2 26 5 2 0 1 1 热学 41 2 电磁学 82 3 力学 1 27 0 2 0 1 2 热学 21 2 原子物理 31 8 对近五年上海高考物理试卷的纵向比较中，与函数图像直接相关的试题比例 大多维持在2 0 左右，也就是说，每五道试题里必有一道会考查考生如何识别、 运用函数图像，这还不包括那些隐含的、既可以选择传统解析法又可以使用函数 图像法来解答的问题。从中我们可以体会到函数图像在整张高考试卷中的重要 性。 从覆盖面来看，函数图像法的考查几乎涵盖了力学、热学、电磁学的所有知 识点。而力学图像始终是图像题里的“大头”，每年力学图像的考题总能占所有 函数图像试题的一半以上，其中对机械波图像的理解、分析与应用更是每年的必 考题型。热学图像一般考查气体三大定律、理想气体状态方程：电磁学图像的考 第l 章绪论 上海师范大学硕士学位论文 查范围比较广泛，涉及电场、电路、磁场、电磁感应等多个知识点的考核。 从能力考查方面的要求来看，函数图像法的试题既有定性分析，也有定量计 算、理解应用、描点作图，侧重考查考生识图、用图、画图等各方面的能力。考 生不仅要善于从图像中提取信息、分析理解图像的物理意义，还要自己根据题意 画图、利用图像法来解决问题。2 0 1 1 年的高考压轴题，更是将考查全面运用函 数图像法的能力演绎到了极致。要成功解答这道试题，考生先要在图像上找到势 能最低点，然后通过找交点的方法求出物体的最大位移，并根据势能曲线的斜率 计算斜面倾角，最后还要用类比的方法画出另一张函数图像。可见，高考物理对 函数图像法的考核正呈现出内容更丰富、形式更多样、要求更高的特点。 1 1 4 当前中学物理教学的实际情况 在实际教学过程中，大多数教师一般都能意识到函数图像对帮助学生分析和 理解物理问题的作用，在讲授新课时注重与图像法相结合，但实际教学效果却并 不理想。学生只是简单地记忆所学的函数图像，对图像揭示的物理意义却没能很 好地掌握。即使有些学生能够理解图像的意义，对分析和使用图像却很生疏。i l o j 一般来说，学生在应用物理图像的意识和能力上存在以下几点缺失：第一， 不能有效地挖掘利用图像给出的信息；第二，没有将函数图像与其对应的物理情 境建立有效的联系，无法通过图像来正确分析物理过程；第三，在遇到问题时， 习惯于使用那些常规的方法，比如公式推导，缺乏使用图像法分析解决问题的意 识；第四，对于物理实验，学生只是孤立地看待每一个实验数据，没有通过函数 图像对实验结果进行整体研究的意识，也不会利用图像来分析实验误差。 笔者就高中物理教学中应用函数图像法的情况访谈了一些一线物理教师，访 谈对象来自不同类型的学校，任教不同年级( 访谈提纲见附录) 。通过访谈了解 到的基本情况是：在应用函数图像法的意识与能力上，学生之间的差距很大，重 点高中与普通高中之间也存在明显的差异。一些基础薄弱的学生在物理学习中基 本不具有应用图像法的意识与能力，即使给出函数图像，也无法正确地辨认。对 于那些就读重点高中、物理学习能力较强的学生来说，他们在识图、画图上并没 有太大问题，但是在较高水平的用图层次上，也就是应用函数图像法来解决问题 沈晓雯物理图像的认知和应用【j 】物理教学探讨，2 0 0 7 ，2 5 ( 3 0 2 ) ：3 7 3 8 8 上海师范大学硕士学位论文 第l 章绪论 时仍存在欠缺。重点高中的老师相对更重视函数图像法在物理教学中的价值，认 为函数图像作为物理规律的直观表现形式，在反映物理规律时与文字、公式具有 同等重要的地位和作用；而大多数普通高中的老师往往只是把函数图像视为一种 辅助教学的手段，作为文字、公式等表征形式的一种补充，函数图像教学在整个 物理教学过程中的受重视程度也不够。 另外，笔者在教育实习过程中，经过多次随堂听课后发现，不少教师确实很 重视函数图像法，并常常通过实例，向学生演示图像法在解答物理习题时相比传 统方法所具有的独特优势。但是，教师教学的侧重点往往集中于利用函数图像来 解题，却没有从宏观上全方位地渗透图像法的精髓，这样学生往往会错误地认为 图像法只是在解决物理问题时比较有用。此外，教师在课上向学生讲解如何根据 相应的物理情境画出函数图像，如何根据图像分析物理过程，但是很少让学生亲 自动手操作，这就使得学生难以获得直观的感性经验，导致不少学生画出的函数 图像很不规范。长此以往，函数图像法就成为了学生物理学习的薄弱环节。 1 2 研究意义 在物理学中，物理图像是指以几何线条和几何符号等图形来形象地反映物理 过程、物理现象或者物体与物质的各类特征和变化规律。利用图像这种特殊且形 象的数学语言工具，来表达各种物理现象的过程和规律，这种方法称为图像法。 广义地说，物理教学中的图像既包括我们经常接触的示意图和函数图，也包 括近年来兴起、引起人们普遍关注的“概念图”和“思维导图”，就连实物图、 统计图、草图等也能归入图像的范畴。本论文所要探讨的主要是函数图像，文中 涉及的图像法特指函数图像法。 1 2 1 研究高中物理教学中函数图像法应用的现实意义 根据皮亚杰的认知发展理论，高中生的认知发展正处于形式运算阶段，这一 阶段最为显著的特点是思维已能摆脱具体事物的束缚。这一时期的青少年，其智 力结构仍处于不断的建构发展过程，从适应的角度看，就是同化与顺应趋于更佳 的和谐一致，其目标指向是达到更佳的平衡状态。【1 1 】 【1 1 1 孙时进心理学概论瞰】上海：华东师范大学出版社，2 0 0 2 ：1 2 6 1 2 7 9 第1 章绪论 上海师范大学硕士学位论文 在物理课堂教学中，口头或书面的语言极少能单独用于完成所有的教学任 务，言语交流要伴随实物或图片、示意图等形式的实物表征。从这一点来看，图 像法相对言语信息和解析法，具有独特的优势。借助函数图像，学习者能够获得 直观的视觉表象，而视觉表象又被认为是一类非常重要的记忆编码和存贮形式。 图像法作为一种编码方法，与传统的言语教学和解析法结合起来，能够支持在各 种学习结果中所包含的编码和提取过程，促进学生实现有意义的物理学习。【l 2 j 函数图像法的出现，并不是简单地否认传统教学方法的作用，其目的是与传统教 法相结合，实现教学形式与教学方法的最优化。 函数图像作为一种重要的数学工具，是数形结合的思想方法在物理学中最主 要的表现形式。【1 3 】函数图像能清晰地反映某一物理量随另一物理量变化的过程， 直观地描述物理规律，利用图像的视觉感知，有助于学生理解、记忆物理知识。 运用函数图像分析物理问题不仅具有简捷、直观的特点，还能避免复杂的运算 和推导，降低问题解决的难度，是处理物理问题的有效手段。 因此，研究如何在高中物理教学中全面、有效地应用函数图像法，对促进学 生更高效地认知、理解、运用物理知识与物理技能，提高当前物理教学的效果有 着重要的现实意义。同时通过在物理学习中结合数学函数的方法，有利于智力的 开发与锻炼，对学生各学科的全面发展、培养学生运用所学知识分析解决问题的 能力也有极大的帮助。 1 2 2 研究高中物理教学中函数图像法应用的理论意义 关于函数图像在中学物理教学中的应用，国内外均有相关研究。国外主要集 中于对图像表征的研究；国内的研究多集中于函数图像在教学实践中的应用，大 部分是一线教师的经验之谈，如函数图像在物理问题解决中的应用等，缺乏系统 性和理论性。无论教师还是学生，都把函数图像视为一种解题工具，并没有深刻 地意识到函数图像在物理教学中的意义和价值。 近年来，有不少硕士论文都涉及图像在物理教学中的应用研究，但大多侧重 于研究图像在物理问题解决中的作用，而且这些硕士论文中“图像”的概念相对 【1 2 】【美】r m 加涅学习的条件和教学论口订】皮连生，王映学，郑葳等译上海：华东师范大学出版社， 1 9 9 9 ：3 0 2 3 0 4 【1 3 】申探禄数形结合与物理图象【j 】物理通报，2 0 0 l ( 1 ) ：1 l 1 2 【1 4 】赵秋雨函数图像在物理教学中的应用阴许昌师专学报，2 0 0 l ，2 0 ( 2 ) ：1 1 7 一1 1 9 上海师范大学硕士学位论文第1 章绪论 比较宽泛，