物理實驗教學中思維可視化策略的應用
——以滬教版九年級物理“用電流表、電壓表測電阻”為例

陳 超

(同濟大學附屬實驗中學 上海 201805)

思維可視化是指運用一系列的圖示技術把思考方法和思考路徑呈現出來[1]，使其清晰可見.20世紀80年代，在美國首次提出了“可視化”的概念并應用在了計算機領域，1928年教育專家安娜·維羅納·多里斯創建了期刊《公立學校可視化教學》，為廣大教師提供了可視化的具體指導.我國從2005年才開始可視化的相關研究，北京師范大學趙國慶在《思維可視化》書中對思維可視化進行了實際的探究和討論[2].近幾年來思維可視化的研究呈現逐步上升趨勢.思維可視化是在經歷了科學計算可視化、數據可視化、信息可視化、知識可視化4個階段后應運而生.通過知識可視化策略可以幫助學生學會知識，而通過思維可視化策略則可以提升學生會學的能力，正所謂授之以魚不如授之以漁.

物理實驗課主要包括了物理實驗的方案設計以及根據方案動手操作并記錄數據的兩大內容，而實驗方案的設計對學生思維能力有較高的要求，因此教師應該從不同角度剖析學生的思維，直觀地展現學生的思維，同時教師可以采用可視化的策略幫助啟發并促進學生的高階思維.因此在本節“用電流表、電壓表測電阻”實驗課上，重在利用思維可視化的策略激發學生的思維，本節課從創設情境可視化、對比分析可視化、物理思維規范表述可視化、實踐操作可視化和自我評價量表可視化5個角度進行闡述.

1 創設可視化情境激發學生實驗方案探索能力

思維可視化應用于創設情境中.情境的創設是基于學生學習認知水平，有趣有效的情境創設不僅能夠激發學生的學習興趣，而且能夠為解決復雜抽象的問題提供幫助.物理實驗方案的設計對學生思維能力有較高的要求，本節課教師為學生提供了不唯一的、可用于多方案的實驗器材，并加以問題提示從而創設出可以引導學生進行實驗方案探索的可視化實驗情境，增強學生對實驗的直觀感受和通過實踐操作來激發學生對于不同方案的設計和思考.

教師在實驗桌上為學生呈現了2節干電池、開關、電流表、電壓表、待測電阻、滑動變阻器、3個不同阻值的定值電阻和導線若干等實驗器材，如圖1所示，這些實驗器材對于要完成測電阻實驗的方案是不唯一的，例如：通過串聯不同阻值的定值電阻的方法，或者通過串聯滑動變阻器，改變滑動變阻器的阻值的方法，再結合之前學過改變電源電壓的方法，總共有3種方案.因此教師提問：“如果電源電壓不變的情況下，利用提供的器材，你還有哪些方法可以實現多次實驗？”通過問題，結合呈現的器材，學生對多種方案思考和討論的愿望被激發，同時為后續多種方案的擇優做了鋪墊.

2 可視化對比為高階思維提供抓手

思維可視化應用于表格對比.表格對比是常用來進行對比分析的方式，利用表格對比可以使對比內容清晰直觀有條理，有利于學生解決其他對比問題的能力培養.圖像更是直觀具象，利用圖像可以增強學生思維的直觀感受.

不同的學生有不同的思維，在小組合作下，學生設計出了多種方案，能夠讓學生在比較中形成對實驗方案是否可以達到實驗目的的判斷，形成更加全面系統的整體觀，有助于優化測電阻實驗方案，培養學生對實驗方案的改良或創新能力.

首先需要學生將腦海中的方案進行可視化比較，本節課在學生的活動單上設計了表格(表1).表格中包括了不同方案的原理和對應的電路圖，需要在學生思考后小組交流討論，把不同實驗方案的電路圖和多次實驗的方法呈現在表格中.本節課不需要鍛煉學生對方案的記憶能力，所以直觀清晰的對比呈現為后續的分析擇優提供了更好的抓手，對學生的高階思維能力不但沒有減弱，反而更有利于學生分析比較不同方案的優缺點.

表1 實驗方案可視化對比

3 物理思維規范表述提升學生表達能力

思維可視化應用于物理語言表述.物理語言的表達需要準確規范，也側面反映出學生對于物理概念和物理規律的掌握扎實情況.當今中考對學生的說理能力考查越來越側重，因此對學生把腦海中的思維過程用物理語言規范表述出來的能力培養顯得尤為重要.

本節課在小組合作的組織形式下，小組內提出了不同的實驗方案，教師要求學生把不同方案的原理和設計的緣由進行口頭表述.物理語言的表述尤其講究邏輯性，紙面上的方案是圖形文字的直觀表述，而語言的表述則是將學生隱性的思維可視化，可以讓學生清晰直觀地了解他對于方案設計的思維過程.比如學生甲對于利用串聯不同定值電阻來達成實驗目的的方案做如下表述：“因為本實驗要進行多次測量，而多次測量是通過改變待測電阻兩端的電壓和電流來達成，通過串聯不同阻值的定值電阻，可以使得在串聯電路中，總電壓不變的情況下，改變電路中的電阻，從而改變電路中的電流，而串聯具有分壓作用，與待測電阻串聯的電阻不同，所以分得的電壓也會發生改變，所以通過串聯不同的定值電阻可以達成多次測量電阻的目的.”該表述有理有據，前因后果清晰有條理，所以是一段非常準確完整的說理過程.

實驗的對比過程是課堂的核心環節，課堂氛圍和學生思維深度和廣度都達到了最高點.學生通過討論交流得出最優方案需要大量的說理過程.教師提示學生該實驗主要從3個維度進行對比分析，分別是實驗操作性、電路安全和記錄數據.學生從這3個角度分別做如下表述：“串聯滑動變阻器是最方便的實驗方案，因為該方案不需要像改變電源電壓的方案一樣拆裝電路，改變定值電阻亦是如此，而串聯滑動變阻器只需要移動滑片便可達到改變待測電阻的電流和電壓實現多次實驗測電阻的目的；改變電源電壓方案可能電源電壓過大而損壞用電器，改變定值電阻方案可能因為定值電阻阻值過小而電流過大損壞用電器，串聯滑動變阻器只需將滑動變阻器的阻值置于阻值最大處便可以起到保護電路的作用；在記錄數據方面，串聯滑動變阻器方案可以實現不間斷連續記錄數據，方便快捷.”這些對比性的思維過程通過語言表述使得理由得到充分展現，能夠說明學生對這些實驗方案的優劣有了很深刻的認知和理解.

4 通過可視化實驗操作提升學生問題發現能力

思維可視化應用于實驗操作.很多問題依靠埋頭思考很難發現，尤其在物理電學實驗課中，學生通過可視化的動手實驗會發現許多問題，學習最有效的途徑之一便是主動發現問題并解決問題.

在記錄數據這個角度，學生動手操作進行其他方案的實驗過程中，會發現電流表和電壓表的指針經常沒有對準零刻度線(圖2)，這樣便會造成實驗誤差.而用滑動變阻器進行測電阻實驗可以通過移動滑片微調，滿足指針正好對準零刻度線，所以學生通過動手實驗發現了滑動變阻器在記錄數據方面另外的一個優點，便是可以使讀數更準確從而減小實驗誤差，此優點若不進行實驗操作是很難發現的.

圖2 實驗過程產生可視化實驗誤差

5 使用評價量表提升學生反思能力

思維可視化應用于自我評價量表.學生通過自我評價表(表2)可以重新回顧整節課的學習內容和自我表現，把過程性的影像畫面和知識水平達成情況進行可視化描述與評價，對于學生在學習過程中知識的復習和自我反思的情感認知起到促進作用.

表2 學生自我評價表

本節課自我評價表從方案設計、表格設計、實驗操作和實驗方案對比4個角度進行自我評價.方案設計采分點依據學生的思維能力是否具有一定高度，設計出的方案越多則得分越高，同時還考查了學生對于方案的說理能力.表格設計的采分點依據學生是否具備對實驗的數據記錄規范和掌握多次測量求平均值減小誤差的方法.實驗操作的采分點依據學生是否能夠規范實驗操作和注意電學實驗的安全性與數據記錄的準確性.實驗方案對比的采分點則是依據在課堂上學生是否真正融入課堂積極思考，利用所學知識和規律達到思維進一步的提升.

6 結束語

通過不同的思維可視化策略，可以提升學生的物理思維能力.教師要在初中物理教學中不斷摸索和嘗試有效的可視化策略，幫助我們的課堂從學知識到會學知識，把學生的思維從低層次到高層次轉變，讓學生在課堂上能夠探索設計、交流討論、分析辯證以及自我反思，最終能夠用物理思維解釋和解決問題.