利用思維可視化突破高中物理教學難點

(江蘇省常州市第一中學，江蘇 常州 213003)

物理學科中有很多的教學難點都是一些抽象的、邏輯復雜的物理知識點，給學生造成了一定的學習障礙。利用思維可視化，讓學生本來很難領悟的知識再現在學生的最近發展區內，能夠增強學生克服困難的信心。思維可視化是指運用圖示、圖表、模擬動畫等方式把本來不可見的思維信息(思考方法和路徑)呈現出來，使其清晰可見的過程。錢學森主張要建構一門形象思維的學科，把形象(直感)思維作為思維科學的突破口。科學思維作為物理學科核心素養的一個重要方面，在教學中思維可視化是提升學生科學思維能力的重要途徑。

1 思維可視化的特征與功能

Mayer說過：“學生從文字和圖片中學習比單獨從文字中學習效果更好。”思維可視化把抽象知識用形象的圖表、圖形、圖像以及實驗等可視化手段表達出來，大大地提高了知識的可理解性、可識別性，使知識更容易被記憶、理解、加工和運用。在這個過程中，教學難點往往能夠在基于可視化的教學方法中輕易化解，學生學得更加容易，教師教得也愈發輕松。

思維可視化具有以下特征：

(1) 直觀化與結構化。思維的可視化充分調動了學習者的形象思維，利用一些直觀的實驗、圖表等讓抽象的內容具體形象化，利用思維導圖、認知地圖等幫助學生理順知識邏輯，讓學生腦中零散的知識結構化。

(2) 深度化與本質化。思維可視化能夠使學生更加容易發現知識與知識的聯系，深入了解知識之間的關系，深刻理解其本質。

思維可視化的功能強大，可以暴露學生的思維障礙。通過可視化的手段，如讓學生將作業用實物投影展示，或直接到黑板上板演解題過程，能很容易發現學生在解題時的思維障礙，從而讓教師更加有效地探知學生的實際困難，使教學更加具有針對性。教師的思維可視化可以展現教師的思維軌跡，教師通過板書、Flash、思維導圖等將自己的教學設計思路展示出來，可以讓學生能夠清晰地看到教師的思路，讓師生達到共知，幫助學生消除思維障礙。

2 物理教學中思維可視化的手段

不同學者對知識可視化的工具分類不同，形式多樣，常用的有：表格(Excel)、流程圖(Flow Charts)、概念圖(Concept Map)、思維導圖(Think Maps)、概念卡通(Concept Cartoons)、認知地圖(Cognitive Map)、科學實驗(Scientific Experiments)等。筆者對思維可視化在高中物理難點教學中應用的內容、典型方法進行了探索與梳理，并以其中的實驗、模擬動畫、思維導圖為例說明。

2.1 實驗

“實驗探究”是重要的科學研究方法，也是思維可視化的一個重要載體。很多老師都有這樣的體會：反反復復講解要用十幾分鐘，用演示實驗可能一分鐘就完成了，效果也好得多。

例如對于探究安培力的方向，高中物理實驗室里通常用的裝置如圖1、圖2所示，可以看到的現象是接通電源后線框向右擺動、導體棒向左滾動，由此輔證左手定則的教學。

上課時有學生提出：假如安培力不是嚴格沿著水平方向，而是具有豎直方向的分量，也可以得到同樣的實驗結論。在教師的啟發下一部分同學利用正交分解的思路設計了實驗，裝置如圖3所示，將線框用細金屬絲與豎直懸掛的力傳感器相連，在線框底部打孔，穿入細金屬絲后與水平方向的力傳感器相連，這樣的固定方式使得線框水平方向與豎直方向的受力相互獨立。再將線圈與低壓直流電源相連，多次接通、斷開電路并觀察兩個力傳感器示數的變化。如果安培力沿水平方向(如圖4)，是否通入電流只會影響x方向上力傳感器的讀數，而不會影響y方向上力傳感器的讀數，顯示的Fx-t、Fy-t圖像如圖6所示。如果安培力有豎直方向上的分量(如圖5)，那么x、y方向的傳感器的讀數均會發生變化，這樣就巧妙地將檢驗安培力的方向轉化為用豎直、水平方向上的力傳感器的讀數來直觀呈現。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

2.2 模擬動畫

模擬動畫是一種重要的思維可視化手段，在教學中使用的比較多的主要有幾何畫板、flash等。在必修2勻速圓周運動的學習中，有同學經常被類似例1的題目所難住。

圖7

例1：如圖7所示，自行車的大齒輪、小齒輪、后輪的半徑不一樣，它們的邊緣有三個點A、B、C在自行車正常騎行時，下列說法正確的是( )。

A.A、B兩點的角速度大小相等

B.B、C兩點的線速度大小相等

C.A、B兩點的向心加速度大小之比等于它們所在圓周的半徑之比

D.B、C兩點的向心加速度大小之比等于它們所在圓周的半徑之比

其實學生都有騎自行車的經驗，但是很多同學都沒有認真觀察過。有些老師會將自行車倒扣在講臺上讓學生觀察。但由于距離比較近時才能看清楚，課堂直接演示的效果比較差，更加適合學生課后去研究。筆者在教學中用幾何畫板畫出了如圖8的動態演示，巨幅的動態圖展示在幕布上，只要輕輕一點讓自行車旋轉起來，學生很容易從現象中得到結論。同樣，在之前還可以用幾何畫板做出課件，研究同軸轉動和皮帶傳動作為本題的鋪墊。

圖8

2.3 思維導圖

在電學實驗的教學過程中，學生反映實驗比較多，內容比較繁雜，很難找出它們之間的邏輯聯系。經過梳理發現，其實大多電學實驗都是圍繞伏安法測電阻展開的。回顧學生已有的知識儲備，在初中學生已經學習過伏安法測電阻。高中主要在電流表、電壓表的內阻以及滑動變阻器的接法上進行了拓展。

圖9

電表的內、外接和滑動變阻器的分壓與限流接法是電學實驗的兩個難點。實驗中需要的基本器材是合適的電壓表與電流表(如沒有就要進行改裝)，緊接著將電流分成兩個部分——測量電路與供電電路，分別在測量電路中突破電流表內、外接的難點，在供電電路中突破滑動變阻器限流與分壓接法的難點，將描繪小燈泡的伏安特性曲線、測量金屬絲的電阻率、測量電源的電動勢與內阻、歐姆表的原理、多用電表的使用等作為伏安法測電阻的應用。利用圖9將相關內容全部串聯起來，通過這張思維導圖，學生就會發現其實電學實驗的邏輯性很強，有利于學生以伏安法測電阻為主線，建構起整個電學實驗的知識結構。

3 結語

在將思維可視化應用到物理教學中時，可以把多種方法融合起來展示。引導學生進行思維可視化嘗試，學生在進行思維可視化過程中容易暴露出問題，這樣老師可以進行有針對性的指導。關注最新的可視化工具，PPT是一個常用的可視化工具，直觀性很強，但是邏輯性不足，很多類似的工具可以彌補其不足，如Fousky、Storyline等。

我國基礎教育課程改革正在不斷深化，在課改理念指引下，教學方式、學習方式、師生互動方式都在發生改變。在學科融合的背景下，大力倡導信息技術與課程的整合，大力推行教師專業化發展，可見思維可視化的提出也是適逢其時。