物理模型與思維導圖建構下的思維能力提升之路

摘" 要：根據現代教育發展的現狀和社會要求，針對目前的教學提出了新的教育理念。新的教育理念指出，現在的教育不應僅僅培養學生的學科知識，應根據各個學科的特點，重視對學生自身能力的培養，在初中物理教學中，應把培養學生的科學思維能力放在主要地位。在物理教學中，通過建構物理模型、思維導圖，可以推動思維可視化，以進一步有效培養學生的思維能力。文章結合具體的教學過程、教學內容進行了初步闡述，以期有效地培養學生的思維能力。

關鍵詞：物理建模；科學思維；思維可視化

２０１６年９月發布的《中國學生發展核心素養》提出以培養“全面發展的人”為核心。而思維能力是學生智力的核心，是學生全面發展教育目標的核心。在物理核心素養中，思維能力對“物理觀念”“科學探究”“科學態度與責任”的發展具有統攝作用。培養學生的科學思維，是當代教育發展的需求，也是物理學科素養培養的要求，有助于深化學生對科學知識的理解。建構物理模型能有效地提升學生的科學思維能力。

一、構建模型，提升思維能力

（一）建模是人類預測能力發展、社會文明程度提高的重要標志

建模思想滲透各個領域，如房屋建筑模型、航空航天模型、橋梁建筑模型等。法國科學方法論學者阿雷指出：科學的基本活動，就是探索和制訂模型。

（二）物理建模具有學科優勢

物理學原是客觀研究物質萬象的學科，建模思想源于物理，物理教學本身就是一種物理模型的教學，它是景象與意象相結合的教學，也是具象與抽象相結合的教學，是感性思維與理性思維的統一。在物理學習中培養學生的建模思維，有得天獨厚的學科優勢。物理建模教育可以使學生沖破現實與經驗的局限，對物理概念和規律進行心理成像；用建模作為認知的工具，可形成富有想象力的教學局面。

（三）有利于學生掌握科學方法

物理建模著重解決與物理模型相關的建模問題， 為學生之后的學習與工作打下方法論基礎。從哲學角度來說，在處理具體問題時要學會抓住事物的主要因素與本質特征，忽略次要因素，從而科學地解決問題。

（四）物理建模教育的基本策略

物理建模教育要盡可能地通過實驗、圖片、模型等方法豐富物理教學內容，在客觀事實與實驗的基礎上抽象與構造物理模型。課堂教學中要不斷滲透物理建模教育，介紹科學家物理建模的歷史過程與方法。教師在習題課中有意識地運用物理模型解決實際問題，以物理模型為專題編印訓練題。

（五）物理建模教學實例呈現

為了監督司機遵守限速規定，交管部門在公路上設置了固定測速儀，如圖1所示，汽車向放置在道路中間的測速儀勻速駛來，測速儀向汽車發出兩次短促的（超聲波）信號。超聲波經汽車反射并返回測速儀，第一次發出信號到測速儀接收到信號用時０．５ｓ，第二次發出信號到測速儀接收到信號用時０．４ｓ，若測速儀發出兩次信號的時間間隔是１．０５ｓ，超聲波的速度是３４０ｍ/ｓ，下列說法正確的是（" " ）

Ａ． 汽車第一次碰到信號的位置距測速儀１７０ｍ

Ｂ． 汽車第二次碰到信號的位置距測速儀１３６ｍ

Ｃ． 汽車兩次碰到信號的時間間隔為１ｓ

Ｄ． 汽車行駛的速度為３４ｍ/ｓ

這一題，班上學生正確率不到１５％。對Ａ、Ｂ兩個選項，大多數學生能依據物理公式Ｓ＝ｖｔ判斷出是錯的，但是對Ｃ、Ｄ兩個選項就不清楚了，很多學生憑感覺選了Ｄ。經過細心詢問，發現大多數學生不知道怎么計算汽車兩次碰到信號的時間間隔。有兩三個學生認為Ｃ是正確的，但問及為什么時間間隔是１ｓ時，又講不清楚了。對此，教師應盡量讓學生自己解決這個問題。于是讓學生分小組相互討論，說出自己的解題思路以及依據的知識。理不辯不明，事不鑒不清。學生自己討論，自己分辨，不論有無結論、結論是否正確，重要的是一個辯論的過程，這一個過程既鍛煉了學生的思維，提升了學生解決問題的能力，又加深了學生對知識的掌握程度。因此，很多時候教師應盡量擠出時間讓學生自己討論解決問題。但是這一次，在學生討論大約３分鐘后，筆者注意到有一個優生（開始認為Ｃ是正確的同學）一邊回座位一邊自言自語“越討論越糊涂了”，筆者及時叫停討論，經詢問，發現他們在甲同學講解時，認為甲有道理；乙同學講解時，覺得乙的分析也有道理，找不出問題。很顯然，甲和乙至少有一個是錯誤的。但此時兩種思維的碰撞，不僅沒有收獲思維的火花，反而攪成了一團糨糊。于是，筆者提示他們：假如明天你們小組要開展一次春游活動，你對你們小組的同學明天的時間有什么規劃，以便準時地完成春游？班長表示，其會要求他們明天早上６點半起床，收拾物品，帶好要帶的東西，７點吃早飯，８點之前到達集合點……筆者進一步提示，６點半、７點、８點都是以北京時間為準，大家都以它作為時間標準，那么可不可以以事件發生的時間順序建立一個時間軸。以第一次發信號時間為起始時間，記為０，那么第一次相遇在０．２５秒，學生很容易標出第二次信號發出時間在１．０５秒，第二次相遇時間在１．２５秒，從時間軸上很容易地得出兩次時間間隔為１秒

趁熱打鐵，筆者馬上問道，既然Ｃ是正確的，那么Ｄ就是錯誤的，汽車的行駛速度究竟是多少？根據速度公式，應當取哪一段距離，又取哪一段時間？學生很容易想到路程取兩次相遇點之間的距離，時間為兩次間隔的時間。筆者馬上要求學生畫出路程圖，順利地得出了汽車行駛的路程。

通過物理建模，學生在解題過程中，分析現象，探索本質，化繁為簡，既降低了物理解題難度，又增強了他們學習物理的興趣和信心，還通過建立物理模型的這一思維過程，不斷提高自身的思維品質和思維能力。物理建模，可以讓學生充分體驗問題解決過程中的困難，收獲成功后的快樂，磨煉學習意志和毅力。同時建立模型的過程也是學生掌握物理研究方法的一種手段，其有利于培養學生運用抽象思維來處理實際問題的能力。同時，運用基本物理模型的過程也是一種發現和探索、歸納和重組的過程。

二、構建思維導圖，讓思維可視化

通過思維導圖構建物理模型，可以大大提升分析、歸納、整合的思維能力。

（一）思維導圖在物理教學中的必要性

很多初中物理教師都會遇到這樣的情況：精心設計教案，運用實驗和多種多媒體手段創造情境，分組合作，學生積極參與，課堂氣氛很好，學生有問必答。但學生在應用物理知識解決問題時，卻往往出現“一聽就懂，一做就錯”的現象。這些情況歸根到底是因為很多學生的學習觀念難以轉變，還停留在死記硬背的觀念上躑躅不前。也正是因為這種認知，于是不開動腦筋，不注重思維習慣養成，只是機械地記下大量的事實與公式，而對物理中的概念、規律缺乏深入的理解。

例如，在學習人教版八年級上冊《透鏡》一單元時，關于透鏡的成像規律，在學生實驗后，教師發現學生掌握效果不佳，于是將成像規律形成表格讓學生記憶，還有凸透鏡成像規律順口溜，例如：一倍焦距分虛實，二倍焦距分大小，二倍焦點物像等。實像異側倒，物近像遠像變大，物遠像近像變小。虛像同側正，物遠像遠像變大，物近像近像變小。這些方法幫助學生來記憶，對于學生分析一些簡單的透鏡成像情況，有一定的幫助，但是如果碰到復雜的情況，如更換凸透鏡的焦距，或原有透鏡上增加不同的透鏡，成像情況如何變化，有很多學生就不會做了，原因是因為對透鏡對光線的會聚能力與焦距、成像等概念沒有理解，包括透鏡成像的三條特殊光線缺乏理解。

（二）思維導圖在物理教學中的應用途徑

１． 思維導圖能提高課堂筆記的效率

教師應教給學生做“有效筆記”的方法。學生記筆記習慣性用文字，外加紅色強調重點，這種做法無須多動腦筋，只需將黑板所書、教師所講如實記錄，以待日后重現。但這種方式速度既慢又無法構建起知識間的關系。針對傳統筆記的弊端，思維導圖是一種較好的解決方法。學生可以在理解一個概念、一段話后，記一個或幾個關鍵詞，或畫一幅小圖，邊聽課邊將相關概念和內容進行邏輯上的連線，從而畫成一張初步的思維導圖。這一過程中，學生不必記下教師的每句話或者板書，而是積極地對關鍵詞進行分析、加工和整理，使學習內容符合自己的認知規律，用思維導圖做筆記利于開發學生的分析、歸納、綜合、邏輯等科學思維能力。

例如在《磁生電》教學中，教學內容涉及了電磁感應的概念，這個概念較長，傳統的板書一點一點記筆記會占用很多時間，并且學生死記硬背的話，耗時多，又容易遺忘。如圖2所示學生理解概念間的內在聯系，記關鍵詞，即節省時間，教師也能騰出更多時間引導學生理解和掌握知識，從而提高課堂的學習效率。

２． 思維導圖提高復習效率

學科的特點決定物理的復習絕不能單靠死記硬背、機械記憶。利用思維導圖進行物理復習將大大提高復習效率。在物理復習課上，教師安排學生針對本章節的內容畫思維導圖，要求學生以知識間的內在邏輯聯系為主，抓大放小，先主干、后枝葉，構建知識結構思維導圖，形成對知識整體認知的邏輯思維（如圖3）。

如在復習《透鏡及其應用》這一章時，可以看到，教師并不要求學生歸納這一章的知識點，而是要求學生從邏輯上分析教材的編排順序，整體構建這一章的知識框架。

隨后提出，新課的這種編排，是為了符合大家的認知和思維發展規律，現在作為復習內容，能不能對本章的知識框架結構，還是以內在的邏輯聯系重新進行一個建構呢？然后讓學生思考，學生又得到了如圖4所示的思維結構圖。

雖然只是一個微小的變化，但依然體現了學生歸納、重組的思維過程。

３． 思維導圖構建知識體系

學生在學習物理概念與規律時往往容易犯一些錯誤，發生認識偏差。所以建立準確的物理知識網絡非常重要，“思維導圖”可以很方便地實現這一目標。每個章節可以鼓勵學生自己畫出物理概念、規律及其之間區別、聯系的思維導圖。學完一章或一個單元后，學生可以共同總結、完善思維導圖，也可以把討論過程制作成思維導圖，這樣再次復習時，不僅對本章、本單元的內容一目了然，還可以對整個學期、整個學科的內容了然于胸。

三、結語

孔子云：“學而不思則罔，思而不學則殆?！敝袑W物理學科的教學和學習過程中用好思維導圖，理清思路，開闊視野，科學規劃，將會使“教”和“學”都多一份輕松，多一些成效。思維導圖能反映相關物理知識的關聯度、外延性，還有深度等，其是一種促進思維的工具，能將操作者的思維可視化，學生通過使用思維導圖可以加深對所學知識的理解，提高學習興趣。

參考文獻：

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（責任編輯：羅" 欣）