可視化思想在電學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

王俊剛

【摘要】可視化是以一種直觀的更加容易感知的圖示方式描述信息及其加工的過程。具有簡潔、明了的傳遞和加工信息的特點(diǎn)。物理教學(xué)的可視化主要是把書中的文字性概念、規(guī)律等抽象知識(shí)以圖像的形式呈現(xiàn)出來，以達(dá)到能一目了然的效果。

【關(guān)鍵詞】可視化思想 教學(xué) 應(yīng)用

【中圖分類號(hào)】G42 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2018）03-0157-02

可視化是以一種直觀的更加容易感知的圖示方式描述信息及其加工的過程。可視化的最大特點(diǎn)就是能將復(fù)雜的、難以理解的知識(shí)以視覺感知的方式呈現(xiàn)出來，具有簡潔、明了的傳遞和加工信息的特點(diǎn)。物理教學(xué)的可視化主要是把書中的文字性概念、規(guī)律等抽象知識(shí)以圖像的形式呈現(xiàn)出來，以達(dá)到能一目了然的效果。這樣，有利于學(xué)生理解掌握知識(shí)。

一、可視化的發(fā)展

可視化作為專業(yè)術(shù)語的出現(xiàn)，始于1987年2月美國國家自然科學(xué)基金會(huì)召開的一個(gè)專題研討會(huì)[1]。可視化（visualization）最早在計(jì)算機(jī)中有著廣泛的應(yīng)用并形成了可視化技術(shù)的一個(gè)重要分支——科學(xué)計(jì)算可視化。即把數(shù)據(jù)，包括測量獲得的數(shù)值、圖像或是計(jì)算涉及、產(chǎn)生的數(shù)字信息以直觀的圖像信息表示出來。

從可視化涵義的角度來看，可視化就是將抽象的或不可見的物理現(xiàn)象或規(guī)律以簡潔、直觀的圖像語言表述出來。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，為可視化提供了技術(shù)層面的支持，使得可視化正以一種日趨擴(kuò)張的趨勢沖擊著我們的生活，改變著我們思考問題的方式和方法。

在教育領(lǐng)域，由于它將抽象變?yōu)橹庇^、把復(fù)雜化為簡潔的特點(diǎn)受到了越來越多教育研究人員和教師的青睞，國內(nèi)最具代表性的是華東師范大學(xué)在思維可視化這一領(lǐng)域的研究。被譽(yù)為世界大腦先生的英國人東尼·博贊的思維導(dǎo)圖，書中講述如何將思維的過程以圖示的形式畫在紙面上，使人能夠?qū)ψ约旱乃季S形成一個(gè)直觀的可視化的認(rèn)識(shí)。在人們對(duì)自己原有思維可視化的過程中還會(huì)萌生出很多創(chuàng)新的想法，在思維可視化的過程中有助于創(chuàng)新思維的發(fā)展。目前，各類學(xué)科的教學(xué)都偏向于可視化的研究，這種趨勢已經(jīng)逐步明顯起來。作為學(xué)科教學(xué)（物理）專業(yè)的學(xué)生來講，適應(yīng)這種趨勢的發(fā)展并將可視化應(yīng)用于物理教學(xué)中是非常必要的。

二、可視化思想應(yīng)用于物理課堂教學(xué)的優(yōu)越性

物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，在自然科學(xué)體系中占具重要地位。由于物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，許多物理基礎(chǔ)知識(shí)和規(guī)律都是通過觀察和實(shí)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)通過高度概括，總結(jié)出來的。無論是學(xué)習(xí)物理知識(shí)，還是將物理知識(shí)應(yīng)用于日常生活中，都離不開這一重要的科學(xué)方法。但是，物理學(xué)中有很多實(shí)驗(yàn)過程是人們不便控制的，還有一部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是不能直觀地看到的，同時(shí)由于有些條件不好的學(xué)校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)的不足，使得學(xué)生不能把每一個(gè)需要學(xué)生掌握的物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)都親自動(dòng)手操作，只能依賴教師的講解，這樣非常不利于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。[2]以上這些制約了物理教學(xué)的有效性。但是，如果將可視化技術(shù)運(yùn)用到物理學(xué)科的教學(xué)中，不但這些問題就都可以迎刃而解了，而且還具有很多潛在的優(yōu)點(diǎn)。

（一）物理的教學(xué)中不可避免的會(huì)遇到很多抽象的概念，而這部分概念是無法直接用語言描述清楚的。此時(shí)，教師就可以利用可視化技術(shù)手段將抽象的概念直觀化，便于學(xué)生理解。

（二）物理教學(xué)中尤為重要的一點(diǎn)就是要為學(xué)生創(chuàng)造物理學(xué)習(xí)情景，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。圖像和顏色對(duì)學(xué)生視覺的沖擊比文字要大的多，這一點(diǎn)無疑是最能吸引學(xué)生眼球并激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的，例如行星的運(yùn)動(dòng)、分子的熱運(yùn)動(dòng)等這些都是我們平時(shí)見不到的，如果將這些現(xiàn)象進(jìn)行可視化模擬出來不但能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣還能為后面的學(xué)習(xí)創(chuàng)造物理學(xué)習(xí)情景。

（三）在物理實(shí)驗(yàn)方面，與真實(shí)情景中的操作相比更為安全、經(jīng)濟(jì)、有效。而且有些實(shí)驗(yàn)所需要實(shí)驗(yàn)條件在現(xiàn)實(shí)中很難做到，例如牛頓第一定律中證明物體在不受力時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而采取可視化模擬就可以輕松解決這個(gè)問題。

但是，這并不是說可視化就可以完全代替話語描述，正如法國學(xué)者魁奈所表述的，“視覺化并不取代話語，而是使其變得更易理解、更敏捷、更有效率”[3]，可視化也是表征事物的一種方式。[4] 三、電學(xué)中可視化思想的應(yīng)用

電學(xué)是物理學(xué)中重要的一部分，然而在初中剛接觸電學(xué)時(shí)就有很多的學(xué)生感覺特別難，老師怎么努力的講也聽不懂只能死記硬背。等到了高中學(xué)習(xí)更深層次電磁的知識(shí)后就越來越聽不懂，最后失去了學(xué)習(xí)物理的信心了。學(xué)生難理解這部分知識(shí)原因主要是“電”對(duì)學(xué)生來說太抽象了，從開始的電荷到電流再到后來的電壓越來越抽象。學(xué)生不能直觀的觀察“電”，實(shí)際操作中是看不到的，例如電流的流動(dòng)。此時(shí)若將這些概念以可視化模擬出來對(duì)于學(xué)生的理解掌握會(huì)有很大的幫助。例如：電荷、電流。 （一）電荷。電荷是初中物理剛接觸電學(xué)所學(xué)的第一個(gè)概念，課程標(biāo)準(zhǔn)上的要求是：觀察摩擦起電現(xiàn)象，探究并了解同種電荷相互排斥，異種電荷相互吸引。

在課本中它是由摩擦起電的形式來呈現(xiàn)的：玻璃棒與絲綢摩擦后，玻璃棒上帶正電荷；橡膠棒和毛皮摩擦后橡膠棒上帶負(fù)電荷。但是學(xué)生雖然記住了這條結(jié)論但是對(duì)于其原理還不能理解，雖然沒有要求學(xué)生掌握這個(gè)原理，但是如果不解開學(xué)生的迷惑對(duì)其后面的學(xué)習(xí)肯定會(huì)產(chǎn)生影響，但這個(gè)過程又是微觀中的現(xiàn)象解釋起來費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，此時(shí)如果采取可視化就可以很容易使學(xué)生了解這個(gè)過程。例如： 摩擦起電。

物質(zhì)是由分子或原子組成的，而分子又是由原子構(gòu)成的，原子是由原子核和圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的核外電子構(gòu)成的。原子核內(nèi)的質(zhì)子帶正電、核外電子帶負(fù)電，且每個(gè)質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電、每個(gè)電子帶一個(gè)單位的負(fù)電荷。正常狀態(tài)下物體的原子核所帶正電荷和核外電子負(fù)電荷是相等的，但當(dāng)原子失去電子后，由于原子核所帶的正電荷數(shù)大于核外的負(fù)電荷數(shù)，所以物體會(huì)帶正電。相反的，若原子得到電子后，由于原子核所帶的正電荷數(shù)小于核外的負(fù)電荷數(shù)，所以此時(shí)物體帶負(fù)電。如圖1、圖2所示：

圖1

圖2

在這種將微觀過程可視化出來后再給學(xué)生講解，學(xué)生會(huì)很容易明白這個(gè)過程。

1.絲綢和玻璃棒摩擦

當(dāng)絲綢與玻璃棒摩擦?xí)r，由于玻璃棒的原子核對(duì)核外電子的束縛能力小于絲綢的原子核對(duì)核外電子的束縛能力，所以玻璃棒容易失去電子，從而玻璃棒帶正電；絲綢因得到電子而帶等量的負(fù)電。如圖3所示：

圖3

2.毛皮與橡膠棒摩擦

當(dāng)毛皮與橡膠棒摩擦?xí)r，由于橡膠棒的原子核對(duì)核外電子的束縛能力大于毛皮的原子核對(duì)核外電子的束縛能力，所以毛皮容易失去電子，從而毛皮帶正電；橡膠棒因得到電子而帶等量的負(fù)電。如圖4所示：

圖4

摩擦起電的實(shí)質(zhì)不是創(chuàng)造了電荷，只是電荷從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，使正、負(fù)電荷分開。

（二）電流。在整個(gè)電學(xué)的學(xué)習(xí)中，電流的地位是不可忽視的，后期的學(xué)習(xí)不論是電場還是電磁等一系列的知識(shí)全部和電流有關(guān)。但是電流的概念比較抽象，學(xué)生不能直觀的觀察到電流的流動(dòng)，只能依靠老師的描述來在大腦中構(gòu)建模型，但每個(gè)學(xué)生的思維方式都是不同的，所以每個(gè)人構(gòu)建的模型也是不盡相同的。這種方式可能會(huì)有利于學(xué)生的發(fā)散思維的培養(yǎng)，但是學(xué)生自主構(gòu)建的模型肯定會(huì)有一定的偏差和錯(cuò)誤，要想糾正這些錯(cuò)誤和偏差，最實(shí)用的辦法就是將電流以直觀的可視化的形式展現(xiàn)出來。書中對(duì)于電流是這樣描述的：

1.電流形成的原因

電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生電流（形成電流的電荷可以是正電荷，也可以是負(fù)電荷。在金屬導(dǎo)體中能自由移動(dòng)的電荷是帶負(fù)電的電子，而在各種酸、堿、鹽的水溶液中能自由移動(dòng)的是正、負(fù)離子）。如圖5、圖6所示：

圖5 圖6

2.電流的定義

物理學(xué)中將通過導(dǎo)體橫截面積的電荷量跟通過這些電荷量所用的時(shí)間的比值叫做電流，用符號(hào)I表示，即：I=Q/t。如圖7所示：

圖7

3.電流的方向

物理學(xué)中規(guī)定：把正電荷的移動(dòng)方向規(guī)定為電流的方向。

正、負(fù)電荷的定向移動(dòng)都可形成電流。按照規(guī)定，負(fù)電荷定向移動(dòng)方向與電流的方向相反，如金屬導(dǎo)線中的電流，主要是自由電子的定向移動(dòng)，因?yàn)殡娮訋ж?fù)電，所以金屬導(dǎo)線中的電流方向與實(shí)際做定向移動(dòng)的自由電子移動(dòng)方向相反。如圖8所示：

圖8

在電源的外部，電流的方向是從電源正極出發(fā)，經(jīng)用電器回到電源負(fù)極；在電源的內(nèi)部，電流的方向是從電源負(fù)極流向正極。如圖9所示：

圖9

在通過對(duì)電荷、電流兩部分內(nèi)容的簡單可視化中，我們可以清晰直觀的看到物體的帶電過程和原理以及電流的方向的規(guī)定與實(shí)際導(dǎo)體中自由電子的流動(dòng)方向?qū)嶋H是相反的。我們可以看出將可視化應(yīng)用于物理課堂教學(xué)有著非常大的優(yōu)越性，不僅能使學(xué)生對(duì)抽象概念做到一目了然，而且還減少了教師的工作量不必再糾結(jié)怎么介紹才能使學(xué)生理解這些知識(shí)。

四、結(jié)束語

基于可視化的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)階段將可視化應(yīng)用于物理的課堂教學(xué)的趨勢會(huì)越來越明顯。當(dāng)然可視化的優(yōu)點(diǎn)固然明顯，但在具體的教學(xué)設(shè)計(jì)中也要根據(jù)需要來選擇，不隨意盲從。可視化對(duì)于教師的技能也會(huì)有一定的要求。比如教師要學(xué)會(huì)最簡單的畫圖工具的應(yīng)用，復(fù)雜一點(diǎn)的Flash動(dòng)畫制作，電腦編程等。在實(shí)際教學(xué)中教師應(yīng)對(duì)實(shí)際教學(xué)情況來選擇。從可視化著手，在教學(xué)設(shè)計(jì)的每一個(gè)階段都嘗試通過圖示的方法進(jìn)行，傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)不僅會(huì)變得簡單易操作，而且因給予了教師創(chuàng)造的空間也會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)理論對(duì)教學(xué)實(shí)踐的指導(dǎo)。[4]

參考文獻(xiàn)：

[1]張維忠，唐慧榮. 可視化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的五大原則[J]，電化教育研究，2010，（10）：99—102.

[2]張敏銳，李凌云. 可視化軟件在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]，軟件導(dǎo)刊，2008，7（12）.

[3]Mirzoeff.視覺文化導(dǎo)論[M]，倪偉譯，南京：江蘇人民出版社，2006.

[4]李芒，蔡旻君，蔣科蔚，王妍莉. 可視化教學(xué)設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[J]，電化教育研究，2013.