利用思維可視化突破高中物理教學(xué)難點(diǎn)

(江蘇省常州市第一中學(xué)，江蘇 常州 213003)

物理學(xué)科中有很多的教學(xué)難點(diǎn)都是一些抽象的、邏輯復(fù)雜的物理知識(shí)點(diǎn)，給學(xué)生造成了一定的學(xué)習(xí)障礙。利用思維可視化，讓學(xué)生本來(lái)很難領(lǐng)悟的知識(shí)再現(xiàn)在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，能夠增強(qiáng)學(xué)生克服困難的信心。思維可視化是指運(yùn)用圖示、圖表、模擬動(dòng)畫等方式把本來(lái)不可見(jiàn)的思維信息(思考方法和路徑)呈現(xiàn)出來(lái)，使其清晰可見(jiàn)的過(guò)程。錢學(xué)森主張要建構(gòu)一門形象思維的學(xué)科，把形象(直感)思維作為思維科學(xué)的突破口。科學(xué)思維作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要方面，在教學(xué)中思維可視化是提升學(xué)生科學(xué)思維能力的重要途徑。

1 思維可視化的特征與功能

Mayer說(shuō)過(guò)：“學(xué)生從文字和圖片中學(xué)習(xí)比單獨(dú)從文字中學(xué)習(xí)效果更好。”思維可視化把抽象知識(shí)用形象的圖表、圖形、圖像以及實(shí)驗(yàn)等可視化手段表達(dá)出來(lái)，大大地提高了知識(shí)的可理解性、可識(shí)別性，使知識(shí)更容易被記憶、理解、加工和運(yùn)用。在這個(gè)過(guò)程中，教學(xué)難點(diǎn)往往能夠在基于可視化的教學(xué)方法中輕易化解，學(xué)生學(xué)得更加容易，教師教得也愈發(fā)輕松。

思維可視化具有以下特征：

(1) 直觀化與結(jié)構(gòu)化。思維的可視化充分調(diào)動(dòng)了學(xué)習(xí)者的形象思維，利用一些直觀的實(shí)驗(yàn)、圖表等讓抽象的內(nèi)容具體形象化，利用思維導(dǎo)圖、認(rèn)知地圖等幫助學(xué)生理順知識(shí)邏輯，讓學(xué)生腦中零散的知識(shí)結(jié)構(gòu)化。

(2) 深度化與本質(zhì)化。思維可視化能夠使學(xué)生更加容易發(fā)現(xiàn)知識(shí)與知識(shí)的聯(lián)系，深入了解知識(shí)之間的關(guān)系，深刻理解其本質(zhì)。

思維可視化的功能強(qiáng)大，可以暴露學(xué)生的思維障礙。通過(guò)可視化的手段，如讓學(xué)生將作業(yè)用實(shí)物投影展示，或直接到黑板上板演解題過(guò)程，能很容易發(fā)現(xiàn)學(xué)生在解題時(shí)的思維障礙，從而讓教師更加有效地探知學(xué)生的實(shí)際困難，使教學(xué)更加具有針對(duì)性。教師的思維可視化可以展現(xiàn)教師的思維軌跡，教師通過(guò)板書、Flash、思維導(dǎo)圖等將自己的教學(xué)設(shè)計(jì)思路展示出來(lái)，可以讓學(xué)生能夠清晰地看到教師的思路，讓師生達(dá)到共知，幫助學(xué)生消除思維障礙。

2 物理教學(xué)中思維可視化的手段

不同學(xué)者對(duì)知識(shí)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(dǎo)圖(Think Maps)、概念卡通(Concept Cartoons)、認(rèn)知地圖(Cognitive Map)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)(Scientific Experiments)等。筆者對(duì)思維可視化在高中物理難點(diǎn)教學(xué)中應(yīng)用的內(nèi)容、典型方法進(jìn)行了探索與梳理，并以其中的實(shí)驗(yàn)、模擬動(dòng)畫、思維導(dǎo)圖為例說(shuō)明。

2.1 實(shí)驗(yàn)

“實(shí)驗(yàn)探究”是重要的科學(xué)研究方法，也是思維可視化的一個(gè)重要載體。很多老師都有這樣的體會(huì)：反反復(fù)復(fù)講解要用十幾分鐘，用演示實(shí)驗(yàn)可能一分鐘就完成了，效果也好得多。

例如對(duì)于探究安培力的方向，高中物理實(shí)驗(yàn)室里通常用的裝置如圖1、圖2所示，可以看到的現(xiàn)象是接通電源后線框向右擺動(dòng)、導(dǎo)體棒向左滾動(dòng)，由此輔證左手定則的教學(xué)。

上課時(shí)有學(xué)生提出：假如安培力不是嚴(yán)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(shí)驗(yàn)結(jié)論。在教師的啟發(fā)下一部分同學(xué)利用正交分解的思路設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)，裝置如圖3所示，將線框用細(xì)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(xì)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(dú)立。再將線圈與低壓直流電源相連，多次接通、斷開(kāi)電路并觀察兩個(gè)力傳感器示數(shù)的變化。如果安培力沿水平方向(如圖4)，是否通入電流只會(huì)影響x方向上力傳感器的讀數(shù)，而不會(huì)影響y方向上力傳感器的讀數(shù)，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(shù)均會(huì)發(fā)生變化，這樣就巧妙地將檢驗(yàn)安培力的方向轉(zhuǎn)化為用豎直、水平方向上的力傳感器的讀數(shù)來(lái)直觀呈現(xiàn)。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

2.2 模擬動(dòng)畫

模擬動(dòng)畫是一種重要的思維可視化手段，在教學(xué)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(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)中，有同學(xué)經(jīng)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(gè)點(diǎn)A、B、C在自行車正常騎行時(shí)，下列說(shuō)法正確的是( )。

A.A、B兩點(diǎn)的角速度大小相等

B.B、C兩點(diǎn)的線速度大小相等

C.A、B兩點(diǎn)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(diǎn)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(shí)學(xué)生都有騎自行車的經(jīng)驗(yàn)，但是很多同學(xué)都沒(méi)有認(rèn)真觀察過(guò)。有些老師會(huì)將自行車倒扣在講臺(tái)上讓學(xué)生觀察。但由于距離比較近時(shí)才能看清楚，課堂直接演示的效果比較差，更加適合學(xué)生課后去研究。筆者在教學(xué)中用幾何畫板畫出了如圖8的動(dòng)態(tài)演示，巨幅的動(dòng)態(tài)圖展示在幕布上，只要輕輕一點(diǎn)讓自行車旋轉(zhuǎn)起來(lái)，學(xué)生很容易從現(xiàn)象中得到結(jié)論。同樣，在之前還可以用幾何畫板做出課件，研究同軸轉(zhuǎn)動(dòng)和皮帶傳動(dòng)作為本題的鋪墊。

圖8

2.3 思維導(dǎo)圖

在電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生反映實(shí)驗(yàn)比較多，內(nèi)容比較繁雜，很難找出它們之間的邏輯聯(lián)系。經(jīng)過(guò)梳理發(fā)現(xiàn)，其實(shí)大多電學(xué)實(shí)驗(yàn)都是圍繞伏安法測(cè)電阻展開(kāi)的。回顧學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備，在初中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)伏安法測(cè)電阻。高中主要在電流表、電壓表的內(nèi)阻以及滑動(dòng)變阻器的接法上進(jìn)行了拓展。

圖9

電表的內(nèi)、外接和滑動(dòng)變阻器的分壓與限流接法是電學(xué)實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)難點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中需要的基本器材是合適的電壓表與電流表(如沒(méi)有就要進(jìn)行改裝)，緊接著將電流分成兩個(gè)部分——測(cè)量電路與供電電路，分別在測(cè)量電路中突破電流表內(nèi)、外接的難點(diǎn)，在供電電路中突破滑動(dòng)變阻器限流與分壓接法的難點(diǎn)，將描繪小燈泡的伏安特性曲線、測(cè)量金屬絲的電阻率、測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)阻、歐姆表的原理、多用電表的使用等作為伏安法測(cè)電阻的應(yīng)用。利用圖9將相關(guān)內(nèi)容全部串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)這張思維導(dǎo)圖，學(xué)生就會(huì)發(fā)現(xiàn)其實(shí)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的邏輯性很強(qiáng)，有利于學(xué)生以伏安法測(cè)電阻為主線，建構(gòu)起整個(gè)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語(yǔ)

在將思維可視化應(yīng)用到物理教學(xué)中時(shí)，可以把多種方法融合起來(lái)展示。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維可視化嘗試，學(xué)生在進(jìn)行思維可視化過(guò)程中容易暴露出問(wèn)題，這樣老師可以進(jìn)行有針對(duì)性的指導(dǎo)。關(guān)注最新的可視化工具，PPT是一個(gè)常用的可視化工具，直觀性很強(qiáng)，但是邏輯性不足，很多類似的工具可以彌補(bǔ)其不足，如Fousky、Storyline等。

我國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革正在不斷深化，在課改理念指引下，教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式、師生互動(dòng)方式都在發(fā)生改變。在學(xué)科融合的背景下，大力倡導(dǎo)信息技術(shù)與課程的整合，大力推行教師專業(yè)化發(fā)展，可見(jiàn)思維可視化的提出也是適逢其時(shí)。