利用視覺線索支持物理概念教學(xué)的探討

張正嚴(yán) 黃 燕

(1.西南大學(xué)教師教育學(xué)院,重慶 400715;2.西南大學(xué)科學(xué)教育研究中心,重慶 400715)

“物理概念與規(guī)律是客觀事物的本質(zhì)屬性在人們頭腦中的反映,是物理事實(shí)的抽象與概括,是觀察、實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維相結(jié)合的產(chǎn)物.”[1]在物理教學(xué)中教師基于學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中對物理事實(shí)已有的感性經(jīng)驗(yàn),引導(dǎo)學(xué)生對物理事實(shí)進(jìn)行科學(xué)的觀察或?qū)嶒?yàn),再經(jīng)過認(rèn)知思維加工幫助學(xué)生理解物理本質(zhì),從而形成科學(xué)的物理概念.在教學(xué)過程中學(xué)生對物理事實(shí)和物理現(xiàn)象的感知十分重要,人們能夠記住10%聽到的東西,30%讀到的東西,但是卻可以記住80%看到的東西.[2]在教育實(shí)踐與研究中,通過視覺呈現(xiàn)向?qū)W生傳授科學(xué)知識是最常用的有效手段之一.隨著對視覺呈現(xiàn)研究的不斷深入,出現(xiàn)了不同視覺呈現(xiàn)方式,如,J D Novak提出的概念圖,[3]M J Eppler和R A Burkard提出的知識可視化,[4]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用[5]等新方法,但在多樣化的視覺呈現(xiàn)方式之下如何使得學(xué)生學(xué)習(xí)更有效仍是一個(gè)值得研究的問題,視覺線索的出現(xiàn)可以有效解決這一難題,本文通過分析視覺線索在視覺呈現(xiàn)中作用,從學(xué)生認(rèn)知角度出發(fā)探討了利用視覺線索進(jìn)行物理概念教學(xué)的策略,以促進(jìn)學(xué)生有意義的學(xué)習(xí).

1 視覺線索理論基礎(chǔ)、類型、功能

視覺線索是基于多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論和認(rèn)知負(fù)荷理論提出的一種教學(xué)技術(shù)屬于線索的一類.線索是指在學(xué)習(xí)材料中添加具有指向、組織和整合學(xué)習(xí)材料內(nèi)容或結(jié)構(gòu)的符號、詞語等信息,線索不會提供新的信息或改變學(xué)習(xí)材料本身內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu).[6]視覺線索是通過改變學(xué)習(xí)材料中不同信息的視覺空間特征,影響學(xué)生對不同信息的感知來改善學(xué)習(xí).

1.1 理論基礎(chǔ)

(1) 多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論.

“多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論(CTML)是由Mayer提出的一種研究學(xué)習(xí)者是如何通過語詞和圖像進(jìn)行學(xué)習(xí)的理論.”[7]這一理論的基礎(chǔ)是3種假設(shè):雙通道假設(shè)、有限容量假設(shè)和主動加工假設(shè).① 雙通道假設(shè):學(xué)習(xí)者擁有兩種不同的信息加工通道,即視覺-圖像通道和聽覺-語言通道,學(xué)習(xí)者主要是通過這兩個(gè)通道來感知學(xué)習(xí)材料.② 容量有限假設(shè):學(xué)習(xí)者在單位時(shí)間內(nèi)對學(xué)習(xí)材料進(jìn)行信息加工處理時(shí),視覺和聽覺每個(gè)通道所能處理的學(xué)習(xí)材料數(shù)量是有限的,當(dāng)學(xué)習(xí)者專注于無關(guān)材料時(shí)或者是材料中的無效信息時(shí),其學(xué)習(xí)能力就會下降.③ 主動加工假設(shè):學(xué)習(xí)者在進(jìn)行有意義學(xué)習(xí)時(shí),為在學(xué)習(xí)材料與自身經(jīng)驗(yàn)之間建立一致的心理表征,學(xué)習(xí)者會主動地進(jìn)行認(rèn)知加工.其理論模型圖1所示,[8]CTML認(rèn)為學(xué)習(xí)者在處理多媒體信息時(shí)會經(jīng)歷選擇、組織、整合3個(gè)基本認(rèn)知的過程.[9]

圖1 多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論模型

① 選擇,即從呈現(xiàn)材料中注意到重要元素和有效信息,以便進(jìn)一步加工,受感覺記憶的影響;② 組織,將選擇信息組織成連貫圖片模型或者語言模型,受工作記憶的影響;③ 整合,將圖片模型和語言模型結(jié)合,再與頭腦中已激活的相關(guān)知識整合在一起,受長時(shí)記憶的影響.其中選擇過程屬于概念加工淺層的知覺,在這一階段學(xué)習(xí)者感知學(xué)習(xí)材料中各元素并識別相關(guān)信息;組織和整合過程屬于概念加工深層的知覺,在這一階段學(xué)習(xí)者從知覺加工識別的信息中推斷和獲得新信息.[10]

人類的視覺感知具有選擇性,學(xué)習(xí)者一次只可以將他們的視覺注意力集中在視覺顯示的少量元素上,并且只有一小部分信息可以隨后在工作記憶中處理.[11]因此,有效的視覺線索應(yīng)通過突出有限的學(xué)習(xí)材料中與學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)的詞語或圖片來指導(dǎo)學(xué)習(xí)者的選擇過程;并通過幫助學(xué)習(xí)者建立有效信息之間以及有效信息與學(xué)習(xí)者腦海已有知識之間的聯(lián)系來促進(jìn)組織和整合過程.在物理教學(xué)中運(yùn)用視覺線索,其終極目標(biāo)在于影響學(xué)生更有效選擇、組織和整合信息,從而使有意義的學(xué)習(xí)發(fā)生.

(2) 認(rèn)知負(fù)荷理論.

澳大利亞的約翰·斯威勒提出了認(rèn)知負(fù)荷理論,他從工作記憶能力和學(xué)習(xí)時(shí)長的限制入手,認(rèn)為在教學(xué)中學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷要保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi).認(rèn)知負(fù)荷理論基于兩個(gè)基礎(chǔ)提出:① 學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程中工作記憶與長時(shí)記憶的運(yùn)行機(jī)制.工作記憶是學(xué)習(xí)者有意識對外界信息進(jìn)行加工處理并做出反應(yīng)的系統(tǒng),其容量和持續(xù)時(shí)間都非常有限.[12]② 認(rèn)知心理學(xué)對學(xué)習(xí)本質(zhì)的研究.基于這兩個(gè)基礎(chǔ)認(rèn)知負(fù)荷理論提出兩個(gè)觀點(diǎn):[13]① 在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該控制學(xué)習(xí)者工作記憶中的認(rèn)知負(fù)荷;② 教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)促進(jìn)學(xué)習(xí)者構(gòu)建圖式并使其自動化運(yùn)行.

認(rèn)知負(fù)荷理論認(rèn)為當(dāng)學(xué)習(xí)材料呈現(xiàn)不當(dāng)或者學(xué)習(xí)者被要求同時(shí)處理過多無關(guān)信息時(shí),會給學(xué)習(xí)者帶來過多外在認(rèn)知負(fù)荷.[14]因此,在通過視覺呈現(xiàn)進(jìn)行教學(xué)的過程中,教師在單位時(shí)間向?qū)W生呈現(xiàn)學(xué)習(xí)材料時(shí),需認(rèn)真考慮學(xué)習(xí)材料的呈現(xiàn)內(nèi)容和方式.首先,學(xué)習(xí)材料中所涵蓋信息應(yīng)在一個(gè)合理的范圍之內(nèi),學(xué)習(xí)任務(wù)應(yīng)落在學(xué)生最近發(fā)展區(qū)內(nèi);其次,對于學(xué)習(xí)材料中的與學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)程度不同的信息應(yīng)有不同的感知處理;最后,對不同類型信息應(yīng)選擇不同視覺呈現(xiàn)方式.

1.2 視覺線索類型

視覺線索是對學(xué)習(xí)材料中視覺元素進(jìn)行操作,添加視覺符號或?qū)⒁曈X元素顯著化,通過影響學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)材料中不同信息的感知來改變學(xué)習(xí)者對信息的選擇和加工.[10]視覺線索既可以是對文字進(jìn)行提示,也可以是對圖像進(jìn)行提示,通常視覺線索具體呈現(xiàn)方式有:(1) 色彩對比,即通過改變學(xué)習(xí)材料中不同元素顏色,加強(qiáng)不同視覺元素之間色彩對比,突出部分視覺元素;(2) 形狀、大小對比,即通過調(diào)整學(xué)習(xí)材料中文字的字體大小或放大圖片中某一視覺元素;(3) 添加其他視覺線索,即在學(xué)習(xí)材料中添加箭頭、圓圈、閃光或者其他視覺符號等.

根據(jù)視覺線索在學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程發(fā)揮的作用不同,可將視覺線索分為非自愿的視覺線索和自愿的視覺線索.[15]非自愿的視覺線索被定義為顯著的視覺特征,指突出視覺元素,用來吸引學(xué)習(xí)者注意力的視覺線索,對應(yīng)學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程中淺層知覺加工,主要影響學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對信息的選擇.自愿視覺線索被定義為信號,指在學(xué)習(xí)材料中強(qiáng)調(diào)語義內(nèi)容中的某部分或者語義結(jié)構(gòu)的添加,對應(yīng)學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程中深層概念加工,主要影響學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對信息的組織和整合.

根據(jù)視覺線索本身的特征,可將視覺線索分為靜態(tài)視覺線索與動態(tài)視覺線索.在靜態(tài)表示中通過大小對比、色彩對比或者添加提示符號等手段突出文本或圖片中的信息,視覺線索的具體呈現(xiàn)方式不會隨時(shí)間或空間的改變而改變;在動態(tài)表示中通過添加隨時(shí)間或空間不斷變化的信號突出學(xué)習(xí)材料中重要信息,以幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行信息選擇,并將信息組織、整合到自我已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中,視覺線索具體呈現(xiàn)方式會隨時(shí)間或空間的改變而改變.

1.3 視覺線索功能

De Koning等人基于Mayer多媒體學(xué)習(xí)認(rèn)知理論將視覺線索在學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程中發(fā)揮功能分為3種:[16](1) 選擇信息,視覺線索可以引導(dǎo)學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)材料中特定信息和位置的注意,促進(jìn)對基本信息的選擇和提取;(2) 組織信息,視覺線索強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)材料中信息的結(jié)構(gòu)、主題組織或空間結(jié)構(gòu)關(guān)系;(3) 整合信息,視覺線索可以闡明學(xué)習(xí)材料元素之間和內(nèi)部的關(guān)系,建立新知識與學(xué)習(xí)者腦海中認(rèn)知結(jié)構(gòu)的聯(lián)系,幫助學(xué)生建立一個(gè)連貫、綜合的功能模型.

學(xué)生在進(jìn)行物理概念學(xué)習(xí)時(shí),對學(xué)習(xí)材料中相關(guān)信息的選擇、組織與整合至關(guān)重要.許國梁主編的《中學(xué)物理教學(xué)法》指出,物理概念教學(xué)是學(xué)生在教師的指導(dǎo)之下,調(diào)動學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的感性經(jīng)驗(yàn)和知識去感知學(xué)習(xí)材料,再經(jīng)過認(rèn)知思維加工逐步形成完整的物理概念.[17]物理概念教學(xué)可分為概念導(dǎo)入、概念形成、鞏固加深3個(gè)階段.[1]這3個(gè)階段環(huán)環(huán)相扣、由淺入深逐步推進(jìn),只有經(jīng)歷了這3個(gè)階段學(xué)生對物理概念的認(rèn)識才能由感覺記憶進(jìn)入長時(shí)記憶.本文經(jīng)過分析得到視覺線索與物理概念之間關(guān)系如表1所示.

表1 視覺線索與概念教學(xué)關(guān)系表

概念引入階段,教師通常會利用豐富的物理情境為學(xué)生提供感性認(rèn)識,而此類情境一般有大量的視覺和聽覺元素,先驗(yàn)知識水平較低的學(xué)生往往不知道應(yīng)關(guān)注情境中哪些元素,即不知道應(yīng)將學(xué)習(xí)材料中哪些信息選擇進(jìn)自己認(rèn)知加工系統(tǒng)進(jìn)行加工.對信息的選擇一般難以在信息呈現(xiàn)階段完成,因此視覺系統(tǒng)需要將大量信息短暫地存儲于感覺記憶.[18]由于感覺記憶儲存時(shí)間較短,此時(shí)在學(xué)習(xí)材料中給學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)的信息添加視覺線索,便可及時(shí)有效地幫助學(xué)生在引入情境中進(jìn)行信息選擇.

概念形成階段,學(xué)生參與科學(xué)抽象過程,辨別物理概念本質(zhì),對概念的理解由感性上升至理性.[17]學(xué)生使用比較、分類、類比、歸納和演繹等抽象思維的方法對感性材料進(jìn)行整理,將片面反應(yīng)事物表面聯(lián)系的信息組織加工為反應(yīng)物理本質(zhì)的知識.視覺工作記憶是對視覺信息暫時(shí)存儲和加工的場所,[19]學(xué)生在進(jìn)行信息的組織加工時(shí),可能會對學(xué)習(xí)材料中信息主題把握不準(zhǔn)確或?qū)δ吵橄笫挛锝Y(jié)構(gòu)不清晰,此時(shí)適當(dāng)添加視覺線索引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行推斷思考,可有效幫助學(xué)生在工作記憶中的信息組織.

概念鞏固階段,學(xué)生不斷地將新知識與自我腦海中的認(rèn)知結(jié)構(gòu)建立聯(lián)系,最終將物理概念儲存進(jìn)長時(shí)記憶中.學(xué)生通過將新學(xué)的物理概念與已學(xué)的核心物理概念和次要物理概念建立聯(lián)系,形成一個(gè)連貫的、綜合的物理概念網(wǎng)絡(luò),最終完成信息的整合.在這個(gè)過程中,學(xué)生可能不能在概念之間建立聯(lián)系,此時(shí)在學(xué)習(xí)材料中添加視覺線索,可幫助學(xué)生進(jìn)行信息整合.

在物理概念教學(xué)3個(gè)過程中,學(xué)生對信息的選擇、組織、整合起到了決定性的作用,在認(rèn)知加工過程中學(xué)生對信息處理的有效度,從根本上影響了學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí).

2 視覺線索在物理概念教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

學(xué)生在對物理概念進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí),各物理概念常常涉及知識點(diǎn)較多,學(xué)生對某個(gè)知識點(diǎn)難以理解清楚,或者某一物理情景較為復(fù)雜干擾信息較多,學(xué)生難以獲取有效信息,對這類物理情境下的物理知識理解錯(cuò)誤,對于物理教學(xué)表現(xiàn)出來的困境,可以嘗試使用視覺線索來化解.視覺線索的優(yōu)勢有以下3點(diǎn):(1) 可將重要關(guān)鍵信息顯著化,減少學(xué)生對無關(guān)信息的選擇和認(rèn)知處理,降低學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷;(2) 可將物理概念中有關(guān)學(xué)生學(xué)習(xí)困難知識點(diǎn)進(jìn)行線索提示,解決教學(xué)難點(diǎn);(3) 可將物理概念中不同知識點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系,促進(jìn)學(xué)生物理概念理解,建立概念結(jié)構(gòu).

2.1 突顯科學(xué)信息,促進(jìn)概念情境引入

學(xué)生不是空著腦袋進(jìn)入教室的,在接受正式科學(xué)概念教育之前,他們基于生活經(jīng)驗(yàn)或已有的知識對事物已經(jīng)存在非本質(zhì)的認(rèn)知,即前概念.學(xué)生腦中的前概念可能是錯(cuò)誤的,也可能存在部分科學(xué)之處.目前物理概念教學(xué)存在對學(xué)生前概念重視不足的問題,[20]如何科學(xué)利用學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的前概念,仍是一個(gè)需要解決的難題.本文認(rèn)為可利用視覺線索解決部分問題,教師在向?qū)W生呈現(xiàn)學(xué)習(xí)材料后,可利用視覺線索將學(xué)生腦海中前概念科學(xué)的部分突出,引導(dǎo)學(xué)生建立一個(gè)完整的、科學(xué)的概念.

以曲線運(yùn)動這一概念為例,針對曲線運(yùn)動中速度方向的教學(xué),學(xué)生基于生活中對曲線運(yùn)動的觀察,部分學(xué)生認(rèn)為曲線運(yùn)動的速度方向是其運(yùn)動軌跡,部分學(xué)生對曲線運(yùn)動的速度方向已經(jīng)有一定程度的科學(xué)認(rèn)知但還不能做完全科學(xué)的表述.人教版教材通過問題欄目中砂輪和鏈球兩幅圖片對曲線運(yùn)動的速度方向進(jìn)行引入,可以利用視覺線索對教材中的圖片進(jìn)行進(jìn)一步加工,即在兩幅圖片中添加箭頭表示出砂輪打磨下來的熾熱微粒和飛出去的鏈球的運(yùn)動方向,如圖2所示.該視覺線索添加的主要目的是對學(xué)生注意力的吸引、引導(dǎo)學(xué)生對速度方向的思考,次要目的是為后續(xù)曲線運(yùn)動速度方向探究實(shí)驗(yàn)做鋪墊,幫助學(xué)生建立一個(gè)連貫的認(rèn)知加工過程.

圖2 曲線運(yùn)動視覺線索

該視覺線索主要發(fā)揮信息選擇功能,使用箭頭將兩幅圖中物體運(yùn)動的方向直接突顯出來.針對存在錯(cuò)誤前概念的學(xué)生,使得他們直觀意識到曲線運(yùn)動中速度方向與運(yùn)動軌跡存在不同;針對存在部分科學(xué)前概念的學(xué)生,引導(dǎo)他們思考兩個(gè)情境中物體運(yùn)動方向的共同特征.通過實(shí)體箭頭將不同情境中曲線運(yùn)動方向的共同屬性顯示出來,將該信息選擇進(jìn)學(xué)生認(rèn)知加工系統(tǒng)等待加工,在前概念與科學(xué)概念之間搭建一個(gè)支架;同時(shí)為后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究中觀察鋼球運(yùn)動痕跡做準(zhǔn)備,在學(xué)生邏輯上形成自然過渡.

2.2 突顯差異信息,促進(jìn)概念本質(zhì)理解

根據(jù)認(rèn)知心理學(xué)對概念的分類,可將概念分為具體概念和抽象概念:具體概念是指能夠通過感官通道感知獲取信息,通過抽象概括形成的概念,抽象概念知識不能夠通過感官通道獲取信息,只能通過理解認(rèn)識形成概念.[21]物理概念中存在許多抽象概念,抽象概念往往難以為學(xué)生提供足夠的感性認(rèn)識,教師常使用各種科學(xué)方法將抽象概念具象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前,但如何使教師的呈現(xiàn)更加直觀,更加便于學(xué)生的理解,一直是一個(gè)難以解決的問題.視覺線索則可作為一種有效手段幫助教師突出抽象物理概念的本質(zhì),促進(jìn)學(xué)生的概念理解.

以電勢這一概念為例,電勢是通過比值定義法得到其定義,在人教版教材中對電勢的描述為“電荷在電場中某一點(diǎn)的電勢能與它的電荷量之比,叫作電場在這一點(diǎn)的電勢”,且電勢的一大特點(diǎn)是沿著電場線方向電勢逐漸降低.對學(xué)生來說,電勢是一個(gè)典型難以理解的抽象概念,基于學(xué)生前面對電場知識的學(xué)習(xí)可利用視覺線索作出圖3,幫助學(xué)生理解電勢這一概念.圖3是以正電荷為例,使用一組同心圓表示該電荷在空間中的電勢變化.該視覺線索是利用顏色的漸變反應(yīng)電勢沿著電場線方向電勢逐漸降低這一特點(diǎn),顏色越深代表該處電勢越高,顏色越淺代表該處電勢越低,可以直觀地向?qū)W生展示電場中不同位置電勢大小變化.

圖3 電勢視覺線索

該視覺線索主要發(fā)揮信息組織功能,使用顏色變化的同心圓組反應(yīng)電勢的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系,同時(shí)為后續(xù)等勢面的學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊.物理學(xué)科中存在許多類似于電勢的抽象概念,這類概念的某些性質(zhì)會隨空間或時(shí)間的改變而呈現(xiàn)規(guī)律性的變化,針對這類概念可以利用視覺線索規(guī)律性的顏色變化、飽和度變化或是利用動態(tài)表示中隨時(shí)間和空間改變視覺線索形態(tài)、大小等具體呈現(xiàn)方式來反應(yīng)這類抽象物理概念的某些性質(zhì),幫助學(xué)生更加直觀地從本質(zhì)上理解物理概念.

2.3 突顯關(guān)聯(lián)信息,促進(jìn)概念表征轉(zhuǎn)換

同一物理概念在學(xué)生腦海中擁有不同的表現(xiàn)和記載方式,即不同表征.物理概念的表征可以分為經(jīng)驗(yàn)表征、物理表征和符號表征3類,經(jīng)驗(yàn)表征傾向基于真實(shí)情景描述物理概念,物理表征從事物本質(zhì)出發(fā)描述物理概念,符號表征用特定符號和數(shù)學(xué)公式描述物理概念,這3類表征抽象程度逐漸升高并共同構(gòu)成一個(gè)完整的物理概念;[22,23]學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí)過程也是學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中表征發(fā)生改變、不同表征之間發(fā)生轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程.[24]如何促使學(xué)生在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中對不同表征的轉(zhuǎn)化與整合,是值得深入探究的點(diǎn),本文提出利用視覺線索幫助學(xué)生整合不同表征的觀點(diǎn).

以電場這一概念為例,在魯科版教材中,出現(xiàn)了如圖4(a)所示在懸浮蓖麻油里模擬電場線的經(jīng)驗(yàn)表征,在人教版和魯科版教材中均出現(xiàn)了如圖4(b)所示電場線分布示意圖的物理表征,以及如圖4(c)所示的關(guān)于場強(qiáng)的符號表征.學(xué)生學(xué)習(xí)完這些知識時(shí),會出現(xiàn)無法將這些知識在自己腦海中建立一個(gè)完整有序的結(jié)構(gòu)的情況.此時(shí),給予學(xué)生如圖4中的視覺線索,使用3個(gè)空白框以及2個(gè)箭頭將電場概念的經(jīng)驗(yàn)表征、物理表征和符號表征聯(lián)系起來,3個(gè)空白框內(nèi)填入電場的不同表征,而箭頭可以反應(yīng)電場不同表征在學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)導(dǎo)情況,即利用視覺線索幫助學(xué)生建立一個(gè)完整有序的電場的不同表征轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu),整合電場線和電場強(qiáng)度,促進(jìn)學(xué)生對電場概念的綜合理解.

圖4 電場表征視覺線索

該視覺線索發(fā)揮整合功能,使用3個(gè)空白框以及2個(gè)表示轉(zhuǎn)導(dǎo)關(guān)系的箭頭,將物理概念的三重表征聯(lián)系起來,幫助學(xué)生在認(rèn)知系統(tǒng)中建立一個(gè)有序的表征轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu).在物理概念教學(xué)中存在不能形成概念結(jié)構(gòu)的問題,[25]當(dāng)前出現(xiàn)概念圖、思維導(dǎo)圖等工具幫助學(xué)生建立不同概念之間的聯(lián)系,形成概念結(jié)構(gòu).此類整合性的視覺線索的使用,不僅可以幫助學(xué)生在同一概念的三重表征之間建立聯(lián)系,同時(shí)可以幫助學(xué)生整合不同概念促進(jìn)對核心概念的理解,最終形成概念結(jié)構(gòu).

3 視覺線索使用策略

應(yīng)當(dāng)指出視覺線索在物理概念的教學(xué)中可以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí),但視覺線索只能作為教學(xué)的一種輔助手段.在教學(xué)中如何更有效使用視覺線索?首先,應(yīng)當(dāng)對物理概念進(jìn)行甄別判斷其是否適合使用視覺線索;其次,應(yīng)基于物理概念的特征,選取適合使用視覺線索的教學(xué)工具和使用視覺線索的階段.作為一種輔助手段,在教學(xué)中如何使用視覺線索,將視覺線索與教學(xué)融合才更為重要.

3.1 選擇合適承載工具

基于學(xué)生對于物理概念的認(rèn)知規(guī)律,在教學(xué)過程中,教師通常會采用多種教學(xué)工具和教學(xué)方法向?qū)W生解釋物理概念.如何使用視覺線索也取決于物理概念的本身特征及學(xué)生認(rèn)知水平,通過對物理概念和視覺線索的分析,除文本顯著性提示類視覺線索之外,在物理概念教學(xué)中可使用視覺線索的物理概念有以下特點(diǎn):① 物理概念本身較為抽象,但可用實(shí)物作為教學(xué)工具可視化顯現(xiàn);② 物理概念涉及知識點(diǎn)本身存在圖像,或可用圖像呈現(xiàn)相關(guān)物理知識或者物理狀態(tài);③ 物理概念可通過教學(xué)視頻向?qū)W生傳遞.

由此,物理概念教學(xué)中視覺線索可以通過教學(xué)實(shí)物(圖片)、圖像、教學(xué)視頻3種工具承載.本文對以上3類工具特點(diǎn)進(jìn)行整理并與視覺線索對應(yīng)功能聯(lián)系,如表2所示.

表2 視覺線索承載工具特征表

視覺線索需要合適的工具承載,才能有效促進(jìn)學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí).對于通常無法直接向?qū)W生呈現(xiàn)的信息,教師可以向?qū)W生呈現(xiàn)教學(xué)視頻,在視頻中使用視覺線索,引導(dǎo)學(xué)生將注意力集中到有效元素之上,促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知過程對信息的選擇,降低認(rèn)知負(fù)荷、提高信息感知效率.例如,在學(xué)習(xí)“加速度”時(shí),教師使用“張培萌與山鷹教練機(jī)比賽獲勝”視頻進(jìn)行引入,此視頻需要學(xué)生關(guān)注到人戰(zhàn)勝了戰(zhàn)斗機(jī),因該比賽視頻時(shí)長較短,學(xué)生不易觀察到比賽結(jié)果,教師可在原始的視頻中加入突顯張培萌與山鷹教練機(jī)之間距離的視覺線索,讓學(xué)生明確關(guān)注到比賽結(jié)果;對于與學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)緊密聯(lián)系的物理概念,教師在進(jìn)行物理概念講解時(shí),通常可以使用日常生活中常見物品等實(shí)物作為教學(xué)工具,向?qū)W生傳遞相關(guān)物理知識,在這一過程輔以視覺線索,可以促進(jìn)學(xué)生在信息處理時(shí)認(rèn)知過程中的信息組織.例如,在學(xué)習(xí)“摩擦力”時(shí),教師使用毛刷將摩擦力方向可視化,可再添加箭頭的視覺線索引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察毛刷尖端彎曲方向,促進(jìn)學(xué)生對摩擦力方向的理解;對于物理概念本身涉及的知識點(diǎn)就存在圖像或者可用圖像表明的情況,通過視覺線索可以加強(qiáng)學(xué)生腦海中不同知識之間的聯(lián)系.例如,在學(xué)習(xí)“勻變速直線運(yùn)動的速度與時(shí)間的關(guān)系”時(shí),可在v-t圖中添加突顯曲線斜率的實(shí)體線段的視覺線索,向?qū)W生強(qiáng)調(diào)曲線斜率為加速度這一知識點(diǎn),同時(shí)將速度與加速度聯(lián)系起來.

3.2 選擇合適線索類型

根據(jù)視覺線索在學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程中發(fā)揮的功能可以將視覺線索分為自愿的視覺線索與非自愿的視覺線索;根據(jù)視覺線索本身特征可將視覺線索分為靜態(tài)和動態(tài)兩類.若在物理概念教學(xué)中使用視覺線索,對視覺線索類型的選擇尤為重要,基于教師使用視覺線索的目的不同,需要選擇不同類型的視覺線索.首先應(yīng)考慮教師想要視覺線索在教學(xué)過程中發(fā)揮的作用,其次考慮物理概念本身與視覺線索類型的適配度.

具體而言,在概念引入階段可使用非自愿的視覺線索以促進(jìn)學(xué)生對學(xué)習(xí)材料中對學(xué)習(xí)任務(wù)相關(guān)信息的選擇.例如,在教師可在引入的學(xué)習(xí)材料中添加箭頭或圓圈等實(shí)體視覺線索,引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到教師自己想要學(xué)生關(guān)注到的信息;在概念形成階段可使用自愿的視覺線索以促進(jìn)學(xué)生的信息組織,既可選擇靜態(tài)又可選擇動態(tài)視覺線索,若物理概念本身存在隨時(shí)間或空間改變而改變的特征,可優(yōu)先選擇動態(tài)視覺線索向?qū)W生直觀展示,但同時(shí)需要考慮學(xué)生的認(rèn)知水平,視覺線索設(shè)計(jì)不宜過分復(fù)雜.例如,學(xué)習(xí)“電場強(qiáng)度”時(shí),可使用漸變顏色的視覺線索向?qū)W生直觀展示點(diǎn)電荷產(chǎn)生的電場中不同位置電場強(qiáng)度的變化規(guī)律,在學(xué)習(xí)“開普勒第二定律”時(shí),可使用帶有視覺線索的教學(xué)動畫向?qū)W生直觀展示開普勒第二定律的內(nèi)容:行星繞太陽運(yùn)動時(shí),在相同時(shí)間間隔內(nèi),行星和太陽連線掃過面積相同;[26]在概念形成階段可使用自愿的視覺線索以促進(jìn)學(xué)生的信息整合,除本文所提出將物理概念三重表征進(jìn)行提示的視覺線索外,在這一階段視覺線索還可與概念圖、思維導(dǎo)圖等同時(shí)使用,有效促進(jìn)學(xué)生建立概念結(jié)構(gòu)、形成概念網(wǎng)絡(luò).例如,在“靜電場”章節(jié)復(fù)習(xí)時(shí),可使用概念圖將靜電場中各層次核心概念、規(guī)律之間邏輯關(guān)系進(jìn)行展示,[27]同時(shí),可在概念圖中添加色彩對比的視覺線索突顯靜電場中核心概念,幫助學(xué)生建立不同核心概念之間聯(lián)系.但需說明,根據(jù)教師使用視覺線索的目的不同,在概念教學(xué)的不同階段可以使用發(fā)揮不同功能的視覺線索,以達(dá)到有效促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的最終目的.

3.3 選擇合適呈現(xiàn)方式

在教學(xué)過程中使用視覺線索的最終目的是提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果.通常在學(xué)習(xí)材料中增加視覺線索,會增加學(xué)習(xí)材料的視覺表征,根據(jù)注意力分散效應(yīng),學(xué)習(xí)者注意力此時(shí)會在不同表征上分散,最終造成信息更難理解.根據(jù)視覺線索理論基礎(chǔ)中的認(rèn)知負(fù)荷理論,此類分散學(xué)習(xí)者注意力視覺線索會給學(xué)生帶來外來認(rèn)知負(fù)荷,它無助于學(xué)習(xí)者的理解能力提高.[28]在學(xué)習(xí)材料中添加視覺線索時(shí)應(yīng)考慮視覺線索的具體呈現(xiàn)方式是否會造成學(xué)生的注意力分散,給學(xué)生帶來其他認(rèn)知負(fù)荷,無助于學(xué)生理解能力的提高.

視覺線索并非簡單地將學(xué)習(xí)材料中相應(yīng)位置進(jìn)行顯著化,例如,Adrian Madsen等人[29]與Rouinfar等人[30]都在物理學(xué)科常用的“位移-時(shí)間”圖中斜率為0區(qū)域加入視覺線索,但Adrian Madsen等人使用顏色對比的視覺線索未突出斜率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明視覺線索未對學(xué)生學(xué)業(yè)成績產(chǎn)生正向影響;Rouinfar等人添加實(shí)體線段的視覺線索將斜率突出,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明視覺線索對學(xué)生學(xué)業(yè)成績產(chǎn)生顯著的正向影響.

在學(xué)習(xí)材料中添加視覺線索時(shí),需考慮想要學(xué)習(xí)者達(dá)到的學(xué)習(xí)效果,如果想要促進(jìn)學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)材料中有效信息的選擇,只需將有效元素顯著化來吸引學(xué)習(xí)者的注意;如果想要促進(jìn)學(xué)習(xí)者認(rèn)知過程中的信息組織和整合,需要添加能夠反映知識本身含義或不同知識之間關(guān)系的視覺線索.因此,利用視覺線索促進(jìn)學(xué)生對物理概念的學(xué)習(xí)時(shí),應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮選擇視覺線索的具體呈現(xiàn)方式.